KR100515013B1 - 고체연료버너, 이를 이용하는 연소방법, 연소장치 및 연소장치의 작동방법 - Google Patents

고체연료버너, 이를 이용하는 연소방법, 연소장치 및 연소장치의 작동방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 갈탄 등과 같이 저급의 고체연료의 이송가스로 산소농도가 낮은 가스를 사용하는 고체연료버너 및 상기 고체연료버너를 사용하는 연소방법이 제공된다. 상기 고체연료버너는 연료의 착화를 가속시키는 수단 및 연소재(combustion ash)에 의하여 발생되는 슬러깅의 발생을 방지하는 수단을 포함한다. 추가공기노즐(12) 및 유로를 분할하는 분배기(35)가 연료노즐(11)에 배치되어, 버너축선에 수직한 방향에서 보았을 때, 추가공기노즐(12)의 출구가 분배기(35)와 겹치는 위치에 설치되고, 추가공기는 연료노즐(11)을 흐르는 연료제트의 흐름방향에 거의 수직한 방향으로 분출되어, 연료와 연료노즐(11)내의 공기의 혼합이 가속된다. 연소부하에 따라 추가공기노즐(12)로부터의 공기량이 변화된다. 저부하작동시에 추가공기노즐(12)로부터의 공기량을 증가시키면, 연료노즐(11) 출구의 외측의 하류부에 형성되는 순환류(19)의 산소농도가 증가되어, 연료를 안정적으로 연소시킨다. 고부하작동시에 추가공기노즐(12)로부터의 공기량을 감소시키면, 연료노즐(11)로부터 떨어진 위치에 화염이 형성되어, 고체연료버너 구조체 및 노벽이 받는 복사열이 억제된다.

Description

고체연료버너, 이를 이용하는 연소방법, 연소장치 및 연소장치의 작동방법 {SOLID FUEL BURNER, BURNING METHOD USING THE SAME, COMBUSTION APPARATUS AND METHOD OF OPERATING THE COMBUSTION APPARATUS}
기술분야
본 발명은 가스흐름을 이용하여 고체연료를 이송시켜 상기 고체연료를 연소시키는 고체연료버너에 관한 것으로, 특히, 분쇄하여 가스흐름을 이용해 이송한 뒤 다량의 수분 및 휘발성물질을 포함하는 목재, 이탄(peat), 석탄 등과 같은 연료를 부유연소(suspension-burning) 시키기에 적합한 고체연료버너 및 상기 고체연료버너를 포함하는 연소장치 및 상기 연소장치를 작동하는 방법에 관한 것이다.
종래기술
목재, 이탄 및 대표적으로 갈탄 및 아탄과 같은 석탄화도가 낮은 석탄은 다량의 수분을 함유하고 있다. 또한, 연료성분의 가열시, 가스로 방출되는 성분인 휘발성물질, 고체로 남는 성분인 숯(char)(고정 카본), 불연물로 남는 성분의 재 및 수분으로 분류되며, 이들 연료는 다량의 수분 및 휘발성물질과 소량의 숯을 함유한다. 또한, 이들 연료는 역청탄 및 무연탄과 같은 석탄화도가 높은 석탄에 비해 발열량이 낮고 일반적으로 분쇄성이 나쁘다. 게다가, 이들 연료는 연소 재의 용융온도가 낮다는 특성을 가진다.
이들 고체연료는 다량의 휘발성물질을 함유하기 때문에, 대기하에서의 저장과정, 분쇄과정 및 이송과정중에 자연발화되기 쉬워 역청탄에 비해 취급하기가 어렵다. 연소를 위해 이들 연료를 분쇄하는 경우에는, 이들 연료의 자연발화를 방지하기 위하여 본 연료의 이송가스로서 연소배기가스와 산소농도를 저하시킨 공기의 혼합가스가 사용된다. 연료의 산화반응(연소)을 억제하고 연료가 자연발화되지 않도록 연소배기가스는 산소농도를 저감시킨다. 한편, 연소배기가스의 보유열은 연료속의 수분을 증발시켜 연료를 건조시키는 효과를 가진다.
하지만, 연료가 고체연료버너로부터 분출될 경우, 산소농도가 낮은 이송가스에 의하여 이송되는 연료의 산화반응은 연료 주위의 산소농도에 의하여 제한된다. 따라서, 공기에 의하여 이송되는 연료의 경우와 비교하면 그 연소속도가 낮다. 일반적으로 연료의 산화반응은 연료가 공기노즐로부터 분출된 공기와 혼합된 후에 활성화되기(activated) 때문에, 연소속도는 공기와의 혼합속도에 의하여 결정된다. 따라서, 연료의 완전연소시간은 공기를 사용하여 연료를 이송시키는 경우의 완전연소시간에 비해 길어져서, 연소장치, 즉 노의 출구에 있어서의 미연소성분이 증가한다. 또한, 연소속도가 느리기 때문에 화염온도가 낮다. 그 결과, 고온(대략 100O℃ 이상)의 NOx(질소산화물) 환원구역내에서 활성화되는 NOx의 질소로의 환원반응을 이용하기 어렵게 되어, 노 출구에서의 NOx의 농도는 공기를 이용하여 연료를 이송하는 경우에 비하여 높아지게 된다.
저산소농도의 이송가스로 이송된 연료의 착화를 가속시키는 방법으로서, 연료노즐의 선단에 추가공기노즐을 설치하여, 연료이송가스의 산소농도를 높이는 방법이 있다. 예를 들면, 일본국 특개평 10-732208호 공보에는, 연료노즐의 외측에 추가공기노즐을 포함하는 고체연료버너가 개시되어 있다.
또한, 일본국 특개평 11-148610호 공보는 연료노즐의 중심에 추가공기노즐을 배치하여, 연료노즐 출구에서의 연료와 공기와의 혼합을 가속시키는 고체연료버너를 개시하고 있다.
각각의 상술된 종래의 고체연소버너는 연료노즐내에 추가공기노즐을 배치하여, 고체연료와 공기와의 혼합을 빠르게 하여 연소반응을 가속시킨다. 이 경우에, 고체연료와 상기 고체연료의 이송가스와의 혼합유체로 이루어지는 연료제트와 추가공기노즐로부터 분출하는 공기가 연료노즐 출구에서 충분히 혼합되는 것이 바람직하다.
하지만, 추가공기노즐로부터 분출되는 공기가 연료제트의 방향과 평행하게 분출되면, 연료제트와 추가공기노즐로부터의 유속차가 작기 때문에, 연료제트와 추가공기와의 혼합이 느려지게 된다.
일반적으로, 추가공기노즐 출구로부터 연료노즐 출구까지의 거리는 1m보다 짧다. 연료제트의 유속은 대략 12m/s보다 크다. 따라서, 연료입자와 추가공기와의 혼합시간이 대략 0.1초 이하로 짧기 때문에 연료입자와 추가공기가 충분히 혼합될 수 없다.
한편, 연료노즐내에서의 연료입자와 추가공기와의 혼합시간을 증가시키기 위하여, 추가공기노즐이 연료노즐의 상류에 배치되는 경우, 연료노즐내에서 연료가 착화가 일어나는, 소위 역화현상(back-fire)의 발생가능성이 있다. 따라서 추가공기노즐 출구로부터 연료노즐 출구까지의 거리를 길게 할 수 없다.
한편, 일본국 특개평 11-148610호 공보에 기술되어 있는 바와 같이, 추가공기의 일부를 테이퍼진 분출부를 통하여 비스듬하게 하류방향으로 분출시키면, 추가공기가 연료노즐의 외주부에 도달하기 어렵다.
본 발명의 목적은, 갈탄 등과 같은 저급 고체연료의 이송가스로서 산소농도가 낮은 가스를 사용하는 고체연료버너로서, 추가공기노즐 출구로부터 연료노즐 출구까지의 거리를 변화시키지 않고, 고부하조건으로부터 저부하조건까지의 폭넓은 범위에 걸쳐, 연료노즐내에서의 연료입자와 공기간의 혼합을 가속시키고, 또한 연료노즐내의 평균치보다 높은 연료농도와 산소농도를 가지는 구역을 형성시켜, 연료를 안정적으로 연소시키기 위한 수단을 포함하는 고체연료버너를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 연료입자와 공기와의 혼합을 가속시켜 연료를 안정적으로 연소시키기 위한 수단을 구비한 고체연료버너를 사용하는 연소방법, 고체연료버너를 포함하는 연소장치 및 상기 연소장치의 작동방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고체연료와 이송가스와의 혼합유체를 분출하는 연료노즐; 연료노즐내로 혼합유체의 흐름방향과 거의 직각인 방향으로 공기를 분출하는 추가공기노즐; 및 연료노즐의 외측에 배치되어 공기를 분출하는 적어도 하나의 외측 공기노즐을 포함하는 고체연료버너로서, 버너의 위치에서 추가공기노즐의 출구가 연료노즐 출구의 상류에 배치되는 고체연료버너를 제안하고 있다.
추가공기노즐은 연료노즐의 중앙부에 배치되거나, 또는 외측 공기노즐로부터 연료노즐을 분할하는 분할벽부에 배치될 수 있다.
또한, 연소부하가 작을 경우에는, 추가공기노즐로부터 공급되는 공기량은 증가되고 외측 공기노즐들 중에서 연료노즐과 가장 가까이에 있는 외측 공기노즐로부터 공급되는 공기량이 감소되거나 선회속도가 증가되고; 연소부하가 클 경우에는, 추가공기노즐로부터 공급되는 공기량은 감소되고, 외측 공기노즐들 중에서 연료노즐과 가장 가까이에 있는 외측 공기노즐로부터 공급되는 공기량이 증가되거나 선회강도(swirl intensity)는 감소되는, 고체연료버너를 사용하는 연소방법을 채용할 수도 있다.
본 발명에 따른 고체연료버너는 고체연료와 이송가스의 혼합유체를 분출하는 연료노즐; 연료노즐내로 상기 혼합유체의 흐름방향과 거의 직각인 방향으로 공기를 분출하는 추가공기노즐; 및 연료노즐의 외측에 배치되어 공기를 분출하는 적어도 하나의 외측 공기노즐을 포함하는 고체연료버너로서, 버너의 소정 위치에서 추가공기노즐의 출구는 연료노즐 출구의 상류에 배치되는 고체연료버너이다.
추가공기노즐은 연료노즐의 중앙부에 배치되거나, 또는 외측 공기노즐의 분할벽에 배치될 수 있다.
추가공기노즐로부터 분출되는 추가공기제트가 연료제트의 방향과 거의 직각으로 분출되면, 연료입자와 추가공기제트간의 속도차는 추가공기노즐로부터 분출되는 추가공기제트가 연료제트의 방향과 평행하게 분출되는 경우의 속도차 보다 크기 때문에 연료제트와 추가공기의 혼합이 진행된다. 특히, 연료입자의 비밀도는 가스의 밀도보다 크기때문에, 연료입자가 관성력에 의하여 추가공기제트내에 혼합된다.
이 때, 연료입자 주위의 낮은 산소농도의 이송가스가 연료입자들로부터 분리되기 때문에, 연료입자 주위의 산소농도는 이송가스의 산소농도보다 높다. 따라서, 연료노즐로부터 분출된 후에는, 높은 산소농도에 의하여 연소반응이 가속되어 연료노즐의 출구에 화염이 안정적으로 형성된다.
이 때, 연료노즐의 외측 분할벽의 내주를 따라 산소농도를 증가시키기 위하여 추가공기노즐로부터 연료분무의 흐름방향과 거의 직각인 방향을 향해 공기를 분출시킴으로써, 연료노즐의 외측 분할벽의 내주를 따라 높은 연료농도와 높은 산소농도의 영역이 형성된다. 그 결과, 연료노즐로부터의 분출후에는, 높은 산소농도에 의하여 연소반응이 진행되어 연료노즐의 출구에서 화염이 안정적으로 형성된다.
연료노즐 출구 부근의 외측 공기노즐로부터 분출되는 공기와 접촉할 기회를 갖도록 연료노즐의 내벽멱 부근을 따라 흐르는 분쇄된 석탄이 증가된다. 또한, 분쇄된 석탄은 후술될 보염기(flame stabilizing ring)의 하류측에 형성되는 원형 흐름의 고온가스와 접촉하여 쉽게 착화된다.
추가공기노즐은 주변의 분할벽으로부터 중심을 향하여 공기를 분출하거나 연료노즐의 내부로부터 외부로 공기를 분출할 수 있다.
추가공기노즐은 연료노즐의 유로가 확대되는 부분에 설치되는 것이 바람직하다. 연료입자의 관성력은 가스의 관성력에 비하여 강하다. 유로로부터 벽면을 향하는 속도성분이 거의 유기되지 않는 유로확대부에 추가공기노즐의 출구를 배치시킴으로써, 연료입자가 추가공기노즐내로 들어가거나 그 내부에 축적되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명은 고체연료와 이송가스의 혼합유체를 분출하는 유체노즐; 연료노즐의 외측에 배치되어 공기를 분출하는 적어도 하나의 공기노즐; 유체노즐내로 혼합유체의 흐름방향과 거의 직각인 방향으로 공기를 분출하는 추가공기노즐; 및 연료노즐에 배치되어 유로를 분할하는 분배기를 포함하는 고체연료버너로서, 이송가스는 공기중의 산소농도보다 낮은 산소농도를 가지고, 출구를 버너의 축선방향과 수직한 방향에서 볼 때 추가공기노즐의 출구는 상기 출구가 분배기(separator)와 겹치는 위치에 있는 고체연료버너를 제안하고 있다.
연료노즐 내의 유로의 단면적을 축소시킨 부분과 확대시킨 부분으로 이루어지는 장애물을 연료노즐내에 제공할 수 있으며, 상기 부분들은 버너의 상류측으로부터 축소부와 확대부의 순서로 배치된다.
분배기에 의하여 분할되는 연료노즐 유로중 분배기의 끝단부 상류에서, 추가공기노즐 배치측에서의 유로의 단면적은 장애물에 의하여 축소된 유로의 단면적보다 크게 만들어진다.
추가공기노즐은 때때로 연료노즐의 외측 분할벽부에 배치된다.
분배기는 원통형 또는 테이퍼진 박판구조로 형성되고, 고체연료버너는, 연료노즐의 외주측으로부터 유로를 축소시키는 분배기 상류의 유로축소부재; 및 연료노즐의 중심축선측으로부터 유로를 축소시키는, 유로축소부재 하류의 농축기를 포함할 수 있다.
상술된 고체연료버너 중 어느 하나에서, 고체연료버너는 상기 연료노즐과 공기노즐을 분할하는 분할벽의 선단에 장애물을 포함하며, 상기 장애물은 연료노즐로부터 분출된 고체연료와 고체연료의 이송가스의 흐름 및 공기노즐로부터 분출된 공기의 흐름을 차단한다.
선회기(swirler)가 공기노즐내에 배치될 수 있다.
분출공기의 방향을 결정하는 가이드가 공기노즐의 출구에 배치될 수도 있다.
고체연료버너를 사용하는 이들 연소방법에 있어서, 연소부하가 작을 때는 추가공기노즐로부터 공급되는 공기량이 증가되고, 연소부하가 클 때는 추가공기노즐로부터 공급되는 공기량이 감소되는 고체연료버너를 사용하는 연소방법이 채용될 수 있다.
때로는, 연소부하가 작은 경우에, 추가공기노즐로부터 공급되는 공기량은 증가되고 공기노즐로부터 공급되는 공기의 유속은 감소되며, 연소부하가 큰 경우에는, 추가공기노즐로부터 공급되는 공기량은 감소되고 공기노즐로부터 공급되는 유속은 증가되어 상기 공기량 대 고체연료버너로부터 공급되는 연료량의 비가 일정하게 유지되는 고체연료버너를 사용하는 연소방법이 채용된다.
연료노즐 출구의 단면에서, 연료농도와 산소농도 둘 모두가 연료농도와 산소농도의 평균값보다 높은 값을 가지는 구역이 중앙구역 또는 주변구역에 형성되고; 연료농도와 산소농도 둘 모두가 연료농도와 산소농도의 평균값보다 낮은 값을 가지는 구역이 주변구역 또는 중앙구역에 각각 형성되는, 고체연료버너를 사용하는 연소방법이 채용될 수 있다. 예를 들어, 공기노즐이 연료노즐의 외주부에 배치되는 경우에는, 연료노즐 출구의 단면에서, 연료농도와 산소농도 둘 모두가 연료농도와 산소농도의 평균값보다 높은 외주구역이 각각 형성되고; 연료농도와 산소농도 둘 모두가 연료농도와 산소농도의 평균값보다 낮은 중앙구역이 각각 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 상술된 어느 한 종류의 고체연료버너를 복수개 구비한 노, 호퍼, 급탄기(coal feeder), 급탄기의 하류측의 연소배기가스 배관내에서 연소장치의 상부로부터 추출한 연소배기가스와 혼합되는 연료가 공급되는 분쇄기, 분쇄기로 분쇄된 연료를 고체연료버너에 공급하는 연료배관 및 고체연료버너에 공기를 공급하는 블로어를 구비하는 연소장치를 제안한다.
또한, 본 발명은 상술된 어느 한 종류의 고체연료버너를 복수개 구비한 노; 호퍼; 급탄기; 급탄기의 하류측의 연소배기가스 배관내에서 연소장치의 상부로부터 추출한 연소배기가스와 혼합되는 연료를 도입하는 분쇄기; 분쇄기로 분쇄된 연료를 고체연료버너에 공급하는 연료배관; 고체연료버너에 공기를 공급하는 블로어; 저부하조건하에서 각각의 연료버너에 형성되는 화염을 모니터하는 저부하 화염검지기 또는 온도계 또는 복사열 고온계; 고부하조건하에서 고체연료버너로부터 떨어진 소정 위치에 형성되는 화염을 모니터하는 고부하 화염검지기 또는 온도계 또는 복사열 고온계; 및 계측기로부터의 신호에 의거하여 추가공기노즐로부터 분출되는 공기량을 제어하는 제어수단을 구비하는 연소장치를 제안한다.
연소장치를 높은 연소부하로 작동하는 경우는 고체연료버너로부터 떨어진 위치로부터 고체연료의 화염을 형성하고, 연소장치를 낮은 연소부하로 작동하는 경우는 고체연료버너의 연료노즐 출구 직후의 위치에 고체연료의 화염을 형성하는 연소장치의 작동방법을 채용한다.
본 발명은 벽면에 상술된 어느 하나의 고체연료버너를 복수개 구비한 노; 및 노벽 및 노내에 배치되어 노내에서의 고체연료의 연소에 의해 생긴 연소열을 이용하여 물을 가열함으로써 증기를 발생시키는 열교환기를 포함하는 보일러 플랜트를 제안하고 있다.
본 발명에 따른 고체연료버너는, 갈탄, 아탄(lignite) 등의 석탄, 목재 또는 이탄와 같은 수분이나 휘발성물질이 많은 고체연료가 분쇄시키고 유체흐름을 이용하여 이송하여 부유 연소시킬 때에 이송가스가 21%보다 낮은 산소농도를 가지는 경우에 특히 적절한 고체연료버너이다.
본 발명에 따른 고체연료버너는 고체연료와 이송가스와의 혼합유체를 분출하는 연료노즐, 연료노즐 외측에 배치되어 공기를 분출하는 적어도 하나의 공기노즐; 연료노즐내 혼합유체의 흐름과 거의 직각인 방향으로 공기를 분출하는 추가공기노즐; 및 연료노즐내에 배치되어 유로를 분할하는 분배기를 포함하는 고체연료버너로서, 이송가스는 공기의 산소농도보다 낮은 산소농도를 갖는 가스이며, 출구를 버너의 축선에 대하여 수직방향에서 보았을 때 추가공기노즐의 출구는 상기 출구가 분배기와 겹치는 위치에 있는 고체연료버너이다.
추가공기노즐은 연료노즐의 중앙부에 배치되거나 외측 공기노즐의 분할벽에 배치될 수 있다. 연료입자에 의한 마모방지의 관점에서는 추가공기노즐이 연료노즐의 분할벽에 배치하는 것이 바람직하다.
추가공기노즐로부터 분출하는 추가공기제트가 연료제트의 방향에 대하여 거의 직각으로 분출되면, 연료입자와 추가공기제트간의 속도차는 추가공기노즐로부터 분출되는 추가공기제트가 연료제트의 방향과 평행하게 분출되는 경우의 속도차보다 크기 때문에, 연료제트와 추가공기의 혼합이 진행된다. 특히, 연료입자의 비밀도는 공기의 밀도보다 크기 때문에, 연료입자가 관성력에 의해 추가공기제트내로 혼합된다.
본 발명에서는, 출구를 버너의 축선에 대하여 수직방향에서 보았을 경우 추가공기노즐의 상기 출구가 분배기와 겹치는 위치에 있기 때문에, 분배기가 흐름에 방해가 되어, 추가공기노즐로부터 분출되는 추가공기제트가 연료노즐내의 추가공기노즐과 분배기 사이에 개재된 추가공기측 유로에서만 혼합된다. 추가공기유로에서는 추가공기제트가 연료제트와 혼합되기 때문에, 연료제트의 흐름에 대한 흐름저항이 증가한다. 따라서, 추가공기의 유량이 증가되면, 이송가스는 추가공기유로를 피하여 흐른다.
하지만, 연료입자는 가스에 비해 관성력으로 인한 직진성이 강하여, 상기 연료입자는 추가공기유로측에서 흐른다. 분배기의 추가공기유로측에서는, 이송가스의 유량의 감소에 비하여 연료입자의 감소가 적다.
그 결과, 이송가스는 추가공기제트로 대체되어, 연료입자 주위의 산소농도는 이송가스의 산소농도보다도 높아진다. 연료노즐로부터 분출한 후에는, 연소반응이 높은 산소농도에 의해 진행되어, 연료노즐 출구에서 화염을 안정적으로 형성한다.
연료노즐내에서의 화염형성에 의한 역화나 소손(burnout)을 방지하기 위하여, 연료노즐내에서의 연료의 체류시간은 연료의 착화지연시간(대략 0.1초)보다 짧은 것이 바람직하다.
연료노즐내에서의 화염형성에 의한 역화나 소손을 방지하기 위하여, 연료노즐내에서의 연료의 체류시간은 연료의 착화지연시간(대략 0.1초) 이하가 되는 것이 바람직하다. 일반적으로, 연료이송가스는 연료노즐내에서 12 내지 20m/s의 유속으로 흐르기 때문에, 연료노즐 출구로부터 추가공기노즐의 출구까지의 거리는 1m보다 짧다.
본 발명에 따른 고체연료버너의 연료노즐에는 유로축소(contracting)부재를 배치시키는 것이 바람직하다. 유로축소부재에 의하여, 연료노즐의 유로 단면적은 고체연료버너의 버너의 상류측으로부터 일단 축소된 후, 이어서 원래크기로 확대(expanding)된다. 유로단면적이 축소되면, 연료노즐내에서 흐르는 연료이송가스의 유속이 높아지기 때문에, 순간적인 유속저하의 발생으로 인해 연료노즐내에 화염이 형성되는 경우에도, 유로축소부재의 상류부까지 역화가 전파되는 것을 방지할 수 있다.
이 점에서, 연료이송가스의 흐름저항을 줄이기 위하여, 유로축소부재는 벤투리(venturi)와 같이 유로단면적이 매끄럽게 변화되는 형상을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 연료노즐의 내부에, 버너 상류측으로부터 순서대로 연료노즐 내부의 유로단면적이 감소되는 부분과 증가되는 부분으로 이루어지는 농축기가 제공되면, 연료입자에서는 농축기를 따른 외주방향을 향하여 흐르는 속도성분이 유도(induced)된다. 연료입자의 관성력은 이송가스의 관성력보다 크기 때문에, 연료입자는 노즐의 출구에 도달하기까지 연료노즐의 내벽 부근을 따라 불균일하게 흐른다. 그 결과, 연료노즐의 내벽면에는 농축된 연료제트가 형성된다.
이 점에서, 출구를 버너의 축선에 대하여 수직방향에서 보았을 때에 추가공기노즐의 상기 출구가 분배기와 겹치는 위치에 있는 경우, 추가공기노즐로부터 연료제트의 흐름방향 대하여 거의 직각인 방향을 향하여 공기를 분출시켜 연료노즐의 내벽면을 따라 산소농도를 증가시키면, 연료노즐의 내벽면을 따라 높은 연료농도와 높은 산소농도의 영역이 형성된다. 그 결과, 연료노즐로부터 분출후에, 높은 산소농도에 의해 연소반응이 진행되어 연료노즐 출구에서 화염이 안정적으로 형성될 수 있다.
연료노즐의 외측 분할벽의 내주부를 따라 흐르는 연료입자는, 연료노즐 출구 부근의 위치에서 연료노즐 외측의 공기노즐로부터 분출되는 공기와 혼합된다. 또한, 후술될 보염기의 하류측에 형성되는 순환류의 고온가스와 접촉하여 착화되기 쉬워진다.
상술된 바와 같이, 연료노즐의 외측 분할벽의 내주부에 추가공기노즐을 배치하여, 버너의 중심축선을 향하여 추가공기를 분출시키면, 연료노즐내에 제공된 분배기에 의해 분할되는 유로중에서 외측 유로로 흐르는 연료와 이송가스의 혼합유체의 산소농도를 증가시키는 방법이 있다.
한편, 연료노즐의 내측 분할벽의 외주부에 추가공기노즐을 설치하여, 버너의 중심축선으로부터 외측으로 추가공기를 분출시키면, 연료노즐내에 제공된 분배기에 의해 분할되는 유로중에서 내측 유로로 흐르는 연료와 이송가스의 혼합유체의 산소농도를 증가시키는 방법에 의해서도 동일한 효과가 얻어질 수 있다.
연료노즐과 외측 공기노즐 사이의 분할벽 선단부에 연료노즐로부터 분출하는 고체연료혼합물이나 공기의 흐름을 간섭하는 장애물(보염기)을 배치하는 것이 바람직하다. 보염기의 하류측에서는 압력이 저하되어 하류측으로부터 상류측으로 흐르는 순환류를 형성시킨다. 외측의 노즐 그룹으로부터 분출된 공기, 연료, 연료이송가스는 체류(stagnate)한다. 그 결과, 순환류내부가 고온이 되어 연료제트의 착화원으로서 작용한다. 따라서 화염은 연료노즐 출구부로부터 안정적으로 형성된다.
연료노즐 출구에 연료제트를 차단하는 방향으로 톱니모양의(toothed) 보염기가 배치되면, 보염기에 의해 연료제트의 교란(disturbance)이 증가되어 상기 연료를 공기와 혼합시키고, 연소반응이 진행되어 연료의 착화가 가속된다.
본 발명에 따른 고체연료버너는 연소부하에 대응하여 추가공기노즐로부터 분출하는 공기량을 바꿀 수 있다.
연소부하가 낮은 경우에는, 추가공기노즐로부터 분출되는 공기량이 증가된다. 이 경우, 추가공기노즐로부터 분출되는 공기에 의하여 연료노즐내의 산소농도가 증가하기 때문에, 산소농도가 낮은 경우보다 연료의 연소반응이 가속되어, 연료의 착화가 빨라져 연료노즐 부근의 위치에서 화염이 형성된다.
연소부하가 높은 경우에는, 추가공기노즐로부터 공급되는 공기량이 감소된다. 이 경우, 연료노즐 내부의 산소농도가 낮기 때문에, 연료의 연소반응이 가속되지 않아서, 연료노즐로부터 떨어진 연소장치내의 위치에 화염이 형성된다.
고체연료버너나 그 외측 연소장치 벽의 온도가 지나치게 높으면, 연소재(combustion ash)가 고체연료버너 구조체나 노벽에 부착되어, 부착물이 성장하는 소위 슬러깅(slugging)이라고 불리는 현상이 야기된다.
본 발명에서, 화염이 고체연료버너로부터 분리됨에 따라, 고체연료버너나 고체연료버너 외측의 연소장치의 벽의 온도가 저하되어, 슬러깅의 발생이 억제될 수 있다.
고체연료버너나 그 주위의 노벽에 배치된 온도계, 복사열 고온계, 화염검지기로부터의 신호에 의거하여 추가공기노즐로부터 분출되는 공기량을 변경하면, 고체연료버너의 화염의 형성위치가 제어될 수 있다.
고체연료의 연소재의 용융점이 낮아 슬러깅이 발생하기 쉬운 경우에 대하여 상술하였다. 고체연료의 연소재의 용융점이 높은 경우, 또는 노의 열부하가 낮아 슬러깅이 문제가 되지 않는 경우에는, 연료노즐 출구로부터 고체연료버너의 화염을 형성할 수 있다.
한편, 연소부하가 낮은 경우에는, 고체연료버너의 연료노즐 및 추가공기노즐로부터 공급되는 공기량의 합계와 연료중의 휘발성물질을 완전 연소시키는 데 필요한 공기량과의 비, 즉 휘발성물질에 대한 공기비가 0.85 내지 0.95가 되도록 공기량을 제어하는 것이 바람직하다.
연소부하가 낮은 경우에는 안정적인 연소을 유지하기가 어렵다. 따라서 휘발성물질에 대한 공기비를 0.85 내지 0.95로 하면, 안정된 연소를 유지하기 쉬워진다. 공기량을 바꾸어, 연소장치내에서의 화염의 형성위치를 변경함으로써, 고체연료버너와 연소장치의 벽으로의 복사열량이 제어될 수 있다.
고부하조건하에서는, 연소장치내의 열부하가 높기 때문에, 화염을 고체연료버너로부터 떨어진 위치에 형성시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 고체연료버너를 사용하는 연소방법에 따르면, 연소장치의 고부하조건하에서는, 고체연소버너로부터 떨어진 위치에서 연료가 착화되고, 화염은 연소장치의 중앙부에 형성된다. 고부하조건하에서 형성된 화염을 모니터하기 위해서는, 고체연료버너의 화염이 모이는 연소장치 중앙부의 화염을 모니터하는 것이 바람직하다.
저부하조건하에서는, 연소장치내의 열부하가 낮기 때문에, 화염을 고체연료버너 가까이로 가져가는 경우에도 고체연료버너와 고체연료 주위의 연소장치 벽의 온도는 고부하조건하에서의 온도보다도 낮으므로, 슬러깅이 거의 일어나지 않는다.
연소장치의 저부하조건하에서는, 고체연료버너 근처에서 연료가 착화되어 화염이 형성된다. 이 때, 각각의 고체연료버너에 의하여 버너별로 화염이 형성되어, 때로는 연소장치내에서 화염이 개별적으로 형성되기도 한다. 또한, 노내의 온도가 고부하조건의 경우에 비하여 낮아, 연료의 완전연소 시간이 길어진다. 따라서 고체연료버너로부터 화염이 멀어지면, 노의 출구에 도달하기 전에 연료가 완전히 연소될 수 없어, 연소효율이 저하되고 및 미연소 연료량이 증가된다. 따라서 각각의 고체연료버너 출구에 형성되는 각각의 화염이 모니터되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 고체연료버너에서는, 연료노즐의 외측에 공기노즐(외측공기노즐)을 제공하고 외측공기노즐의 출구에 외측공기의 분출방향을 결정하는 가이드를 제공하여, 외측공기가 버너의 중심축선으로부터 팽창되어 분출될 수 있다. 이러한 구조의 경우에는, 연료가 외측공기를 따라 팽창되기 때문에, 버너 근처에서 연료의 속도가 감소되어, 고체연료버너 근처에서 체류시간이 증가된다. 그 결과, 노내에서의 연료 체류시간이 증가하여, 연소효율이 증가되고, 미연소연료의 양이 감소된다.
최외측에 배치된 최외측 공기노즐로부터의 제트를 안내하는 가이드를 조정하여 외측공기제트가 각각의 고체연료버너 및 고체연료버너의 외측에 있는 연소장치의 벽을 따라 흐를 수 있도록 각도를 설정하면, 외측공기는 각각의 고체연료버너 및 고체연료버너의 외측에 있는 연소장치의 벽을 냉각하여, 슬러깅의 발생을 억제할 수 있다.
연소장치의 벽면상에 본 발명에 따른 복수의 고체연료버너를 갖는 연소장치로는, 석탄보일러, 이탄보일러, 바이오매스(목재)보일러 등등이 있다.
본 발명에 따른 고체연료버너 또는 고체연료버너 외측에 있는 노벽면에 온도계 또는 복사열 고온계를 배치하면, 연소장치가 고체연료버너의 추가공기노즐로부터 분출되는 공기량을 변화시키도록 작동된다. 이렇게 하면, 화염이 연소부하변화에 따라 연소장치내의 적절한 위치에 개별적으로 형성되도록 제어될 수 있다.
화염이 적정한 위치에 형성되는지의 여부의 지표(index)는, 예를 들어 다음과 같이 결정된다. 즉, 노가 저부하조건하에서 작동되는 경우에는, 노내부의 고체연료화염의 선단이 연료노즐 출구의 외측 노벽면 근처의 위치에 형성되고, 노가 고부하조건하에서 작동되는 경우에는, 연료노즐 출구로부터 0.5m이상 떨어진 노내의 위치에 화염이 형성될 수 있도록 노가 작동된다.
연소장치가 고부하조건하에서 작동되는 경우에는, 본 발명에 따른 고체연료버너의 화염이 모이는 연소장치내의 중심부 또는 그 근방의 화염을 화염검출기를 사용하여 또는 육안으로 모니터링하고, 연소장치가 저부하조건하에서 작동되는 경우에는, 본 발명에 따른 고체연료버너 출구에 형성되는 각각의 화염을 모니터링하여, 연소장치가 적절하게 작동된다.
본 발명에 따른 고체연료버너의 실시예, 고체연료버너를 사용하는 연소방법, 고체연료버너를 갖는 연소장치 및 연소장치의 동작방법은 첨부된 도면을 참조하여 아래에 기술된다.
제1실시예
도 1은 본 발명에 따른 고체연료버너의 제1실시예의 구조를 나타내는 단면도로서, 고체연료버너의 제1실시예가 저부하조건하에서 사용될 때, 보염기(23)의 하류측에서 순환류(19) 근처에 고체연료버너의 화염(20)이 형성되는 상태를 예시하는 도면이다. 도 2는 노(41)의 내측에서 볼 때 고체연료버너의 제1실시예의 구조를 나타내는 개략도이다.
본 제1실시예의 고체연료버너는 중심부의 보조연소용 오일건(combustion improving oil gun)(24); 및 보조연소용 오일건(24) 주위에 연료와 상기 연료의 이송가스와의 혼합유체를 분출하기 위한 연료노즐(11)을 포함한다. 연료노즐(11)의 외측 분할벽(22)으로부터 고체연료버너의 중심축선을 향하여 노즐출구가 지향되도록 복수의 추가 공기노즐(12)이 배치된다.
연료노즐의 중심부를 관통하도록 배열된 보조연소용 오일건(24)은 고체연료버너의 기동시에 연료를 점화시키는데 사용된다.
연료노즐(11)에는, 상류측으로부터 차례로 유로축소부재(벤투리)(32), 장애물(농축기)(33) 및 분배기(35)가 배치된다. 추가 공기노즐(12)은 연료노즐(11)의 외측 분할벽(22)을 향하여 분출된 공기가 연료노즐(11)에 흐르는 혼합유체의 흐름에 거의 수직하게 되는 방향으로 설치된다. 따라서, 추가 공기노즐(12)의 출구는 상기 출구가 버너의 축선에 수직한 방향으로부터 볼 때, 상기 출구가 분배기(35)와 중첩되는 위치에 있게 된다.
연료노즐(11)의 외측에는, 공기를 분출하기 위한 고리모양의 외측 공기노즐[2차공기노즐(13), 3차공기노즐(14)]이 있고, 고리모양의 외측 공기노즐은 연료노즐(11)과 동심을 이룬다.
보염기(23)로 불려지는 장애물은 연료노즐의 전단부에 즉, 노의 출구측에 배치된다. 보염기(23)는 연료노즐(11)로부터 분출되는 연료 및 이송가스와 2차공기노즐(13)을 흐르는 2차공기흐름(17)으로 이루어진 연료제트(fuel jet)(16)에 대하여 장애물로 작용한다. 따라서, 보염기(23)의 하류측 즉, 연소장치(41)측에서의 압력은 감소되고, 연료제트(16) 및 2차공기흐름 방향의 역방향을 향한 흐름이 유도된다. 이 역방향의 흐름을 순환류(19)라 부른다.
연료의 연소에 의하여 생성된 고온가스는 하류측으로부터 순환류(19)의 내측으로 흘러 순환류(19)내에 체류한다. 이 고온가스와 연료제트(16)내의 연료가 고체연료버너의 출구에서 혼합됨에 따라, 노(41)의 내부에서 나오는 복사열에 의하여 연료입자의 온도가 증가하여, 점화된다.
2차공기노즐(13)과 3차공기노즐(14)은 분할벽(29)에 의하여 서로 분리되고,연료제트(16)에 대하여 3차공기의 흐름(18)이 각도를 가지도록 분출시키기 위하여 분할벽(29)의 끝단부분이 가이드(25)내에 형성된다. 외측 공기노즐[2차공기노즐(13), 3차공기노즐(14)]의 유로 출구에 공기의 분출방향을 버너의 중심축으로부터 벗어나는 방향으로 유도하기 위한 가이드(25)가 설치되면, 이 가이드는 보염기(23)와 함께 순환류(19)를 쉽게 형성하는데 도움이 된다.
2차공기노즐(13) 및 3차공기노즐(14)로부터 분출된 공기에 선회력을 추가하기 위하여, 2차공기노즐(13) 및 3차공기노즐(14)에 선회기(27, 28)가 배치된다.
노벽을 구성하는 버너스로트(burner throat)(30)는 또한 3차공기노즐의 외주벽으로서의 역할을 한다. 노벽에는 수관(31)이 배치된다.
본 제1실시예에서는, 연소배기가스를 연료의 이송가스로 사용하여, 연료노즐(11)을 통과하는 연료제트(16)내의 산소농도가 낮아진다. 이러한 연소방법이 적용되는 예로서, 갈탄이나 아탄과 같이 일반적으로 석탄화도(coalification rank)가 낮은 석탄, 이탄 또는 목재의 연소가 있다.
이들 종류의 연료는 역청탄이나 무연탄과 같이 석탄화도가 높은 석탄에 비하여 발열량이 낮고, 일반적으로 분쇄성(grindability or pulverizability)이 나쁘다. 또한 이들 고체연료의 연소재는 용융온도가 낮다. 이들 고체연료는 휘발성물질을 많이 포함하고 있기 때문에, 이들 고체연료들은 대기하에서 저장과정 및 분쇄과정중에 자연 발화하기 쉽고, 따라서 역청탄에 비해 다루기 어렵다. 갈탄 또는 아탄이 연소되도록 분쇄되는 경우에는, 이들 연료들의 자연발화를 방지하기 위하여, 연소배기가스 및 공기의 혼합가스가 연료의 이송가스로 사용된다. 연소배기가스는 산소농도를 감소시키고, 연료의 산화반응(연소)를 억제시켜, 자연 발화를 방지한다. 한편, 연소배기가스의 보유열은 연료내의 수분을 증발시켜 연료를 건조시키는데 사용될 수 있다.
연료가 고체연료버너로부터 분출될 때, 저산소농도의 이송가스에 의하여 이송된 연료의 산화반응은 연료 주위의 산소농도에 의하여 제한된다. 따라서, 공기에 의하여 이송된 연료의 경우보다 연소속도가 느리다. 일반적으로 연료가 공기노즐로부터 분출한 공기와 혼합된 후에, 연료의 산화반응이 활성화되기 때문에, 공기와의 혼합속도에 의하여 연소속도가 결정된다. 따라서 연료의 연소량이 적은 고체연료버너의 저부하조건하에서 갈탄이나 아탄과 같은 연료가 연소되면, 역청탄의 연소의 경우에 비해 화염(20)의 날림(blow-out)이나 화염소실(flameout)이 더 자주 발생한다. 또한 연료의 완전 연소시간은 공기를 이용하여 연료를 이송하는 경우의 연소시간에 비해 더 길어지므로, 노(41)의 출구에 미연소성분 즉, 탄소의 양이 증가된다. 또한, 연소속도가 느리기 때문에 화염온도도 낮다. 따라서, 1000℃ 이상의 고온환원분위기하에서 질소산화물(NOx)의 질소에의 환원반응을 이용하기 어렵기 때문에, 노 출구에서 NOx의 농도는 공기를 이용하여 연료를 이송하는 경우에 비해 더 높아진다.
본 제1실시예는 연료노즐내에서 연료제트의 흐름방향에 거의 수직한 방향으로 공기를 분출하는 추가공기노즐(12)을 가진다. 추가공기노즐(12)로부터 분출되는 추가공기제트(21)가 연료제트의 흐름방향에 거의 수직한 방향으로 분출되면, 연료입자와 추가공기제트간의 속도차는, 추가공기노즐로부터 분출되는 추가공기제트가 연료제트의 방향에 평행하게 분출되는 경우의 속도차보다 커지므로, 연료제트와 추가공기와의 혼합이 진행된다. 특히, 연료입자의 비밀도(specific density)가 공기의 밀도보다 높기 때문에, 관성력에 의하여 연료입자가 추가공기제트로 혼합된다.
또한 본 제1실시예에서는, 추가공기노즐(12)의 출구는 버너축선에 수직인 방향에서 보았을 때 분배기(35)와 겹치는 위치에 있다. 따라서, 분출방향이 분배기(35)에 의하여 차단되어, 추가공기제트(21)가 분배기(35)의 내측 유로(36)로 퍼지지 않고, 외측 유로(37)를 통과한다.
분배기(35)의 외측 유로(37)의 흐름저항은 추가공기제트(21)가 혼합되기 때문에, 내측 유로(36)의 흐름저항에 비해 크다. 추가공기량이 증가되면, 분배기(35)의 외측 유로(37)를 흐르는 이송가스의 양이 감소된다. 한편, 연료입자는 관성력이 기체에 비해 크므로 흐름저항에 관계없이 외측 유로(37)로 흐르기 때문에, 분배기(35)의 외측 유로(37)로 흐르는 연료입자의 양은 거의 변하지 않는다.
따라서 추가공기량이 증가되면, 연료입자와 함께 외측 유로(37)에 들어가는 이송가스의 양이 감소된다. 이송가스는 추가공기로 대체되므로, 이송가스와 추가공기 사이의 단순한 혼합에 비해 산소농도의 희석이 적어짐에 따라, 산소농도가 높아진다. 또한 분배기(35)는, 추가공기와 이송가스의 혼합시에 생성되는 교란에 의하여 연료입자가 분산되는 것을 막을 수 있다. 따라서, 분배기(35)의 외측 유로(37)에서는, 산소농도가 높고 연료밀도 또한 높아진다.
본 제1실시예에 따르면, 연료노즐(11)로부터 분출된 후, 높은 산소농도와 높은 연료밀도에 의하여 연소반응이 쉽게 진행되고, 연료노즐 출구에서 화염(20)이 안정적으로 형성될 수 있다.
연료노즐(11)내의 화염(20)의 형성에 의한 역화 또는 소손(burnout)을 방지하기 위해서, 추가공기노즐(12)의 출구로부터 연료노즐(11)의 출구까지의 거리는, 연료제트에 추가공기흐름(21)을 혼합한 후의 체류시간(retention time)이 연료의 착화지연시간보다도 짧아지도록 결정되는 것이 바람직하다. 일반적으로, 가스연료의 착화지연시간(대략 0.1초)이 미분탄의 착화지연시간보다 짧아지는 것을 목표로 한다. 연료이송가스는 일반적으로, 12m/s 내지 20m/s의 유속으로 연료노즐내부를 흐르기 때문에, 추가공기노즐(12)의 출구로부터 연료노즐(11)의 출구까지의 거리는 1m미만이다.
또한, 제1실시예에는, 연료노즐(11)내에 제공된 유로를 축소시키기 위하여 유로축소부재(벤투리)(32)가 연료노즐(11)의 상류의 외측벽(22)에 배치된다. 유로를 일단 축소한 후에 확대하기 위하여 장애물(농축기)(33)이 연료노즐(11)내부의 연료노즐중심부에 있는 오일건(24)의 외측에 배치된다. 장애물(33)은 고체연료버너(노(41)측)의 유로축소부재(32)의 하류측에 배치된다.
벤투리(32)는 이송가스 및 연료입자에 연료노즐 중심축선을 향하는 방향으로 속도성분을 유기한다. 농축기(33)를 벤투리(32)의 하류측에 배열하면, 연료노즐의 외측분할벽(22)을 향하는 속도성분이 연료이송가스 및 연료입자에 유기된다. 연료이송가스의 관성력에 비해서 연료입자의 관성력이 크기 때문에, 연료입자는 연료이송가스의 흐름에 따라갈 수 없다. 따라서, 연료입자는 유로의 변경방향의 반대쪽 벽면 근처에 고밀도구역을 형성한다. 벤투리(32) 및 농축기(33)에 의하여 연료노즐의 외측분할벽(22)을 향하는 속도성분이 유기되면, 분배기(34)의 외측 유로(37)의 연료는 연료노즐(11)의 외측분할벽(22)을 따라 흐른다.
추가공기노즐(12)로부터 분출하는 공기는 분배기(35)의 외측 유로(37)로 분출되기 때문에, 높은 연료밀도 및 높은 산소농도를 갖는 구역이 연료노즐(11)의 외측분할벽(22)의 내측벽면을 향하여 치우쳐서 형성된다. 그 결과, 높은 연료밀도 및 높은 산소농도에 의하여, 연료노즐(11)로부터 분출되는 연료입자의 연소반응이 쉽게 진행되므로, 연료노즐 출구에서의 화염(20)이 안정적으로 형성된다.
이 때, 연료노즐(11)의 외측분할벽(22)의 내측벽면에 흐르는 연료제트는, 연료노즐(11)의 출구 근처의 위치에서 외측 공기노즐로부터 분출되는 공기와 쉽게 혼합된다. 또한 연료제트가 보염기(23)의 후류측에 생성된 순환류의 고온가스와 혼합되면, 연료입자의 온도상승을 일으켜, 연료가 착화되기 쉽다.
상술된 바와 같이, 공기는 연료노즐(11)내부를 흐르는 연료제트의 방향에 거의 수직한 방향의 추가공기노즐(12)로부터 분출되고, 분배기(35)는 연료노즐(11)내에 배치되며, 상술된 바와 같이 추가공기노즐(12)의 출구는 버너의 축선에 수직인 방향에서 보았을 때, 분배기(35)와 겹쳐지는 위치에 있다. 이렇게 하면, 연료노즐(11)의 외측분할벽(22) 근처의 위치에서 산소농도가 높아진다. 연료입자와 공기와의 혼합이 진행되고, 연료노즐(11)의 출구에서 화염(20)이 안정적으로 형성된다. 따라서 종래의 저부하보다도 낮은 부하에서 연소가 안정적으로 계속될 수 있다.
도 1에서, 분배기(35)의 상류측 끝단의 직경은 연료노즐(11)상의 장애물(33)의 직경보다 작다. 즉, 분배기(35)에 의해 분할되는 연료노즐유로 중에서, 분배기(35)의 상류측 끝단부에서의 외측 유로(37)의 단면적은 장애물(33)에 의해 축소된 유로의 단면적보다 크다. 이러한 상술된 연료노즐의 구조로 인하여, 연료노즐(11)의 상류측에서 연료분출구를 보았을 때, 장애물(33)에 의하여 분배기의 상류측 끝단부가 가려진다. 따라서, 관성력으로 인하여 분배기(35)의 외측 유로(37)로 연료입자가 들어가기 쉽다.
분배기(35)의 상류측 끝단에 충돌하여, 흐름을 교란시키는 연료입자의 양이 감소되기 때문에, 연료노즐(11)의 외측 유로내의 연료밀도가 높아진다.
높은 열부하에서, 갈탄이나 아탄이 연소되는 경우에는, 연료에 많은 양의 휘발성물질이 포함되기 때문에, 공기와 연료의 혼합이 좋은 조건에서, 고체연료버너 근처의 위치에서 연료연소량이 증가한다. 따라서, 고체연료버너의 근처에서 열부하가 국부적으로 증가된다. 이 때, 화염(20)으로부터 나오는 복사열에 의하여 고체연료버너의 구조체 및 노벽의 온도상승이 증가된다.
연소재의 용융온도가 낮은 경우에는, 연소재가 노벽 등에 부착 및 용해되어 슬러깅이 생길 수가 있다. 노벽 등에 부착된 연소재가 성장하면, 고체연료버너의 유로의 차단이, 노벽의 열흡수 밸런스의 불안정화의 발생을 초래할 수가 있다. 최악의 경우, 연소장치의 작동을 정지시킬 수도 있다. 특히, 갈탄이나 아탄의 연소재의 용융온도는 역청탄에 비해 낮기 때문에, 갈탄이나 아탄은 슬러깅을 발생시키기 쉽다.
본 제1실시예에서는 고체연료버너의 부하가 변화함에 따라 화염(20)을 형성하는 위치를 변화시켜, 고부하조건하에서 생기기 쉬운 슬러깅 문제가 해결된다. 즉, 고부하조건일 때는, 고체연료버너로부터 떨어진 위치에 화염(20)을 형성시키고, 저부하조건일 때는, 연료노즐(11)의 출구 근처의 위치에 화염(20)을 형성시킨다. 저부하조건하에서는, 화염(20)이 노벽이나 고체연료버너에 근접하여 생성되더라도, 노(41)의 낮은 열부하로 인하여, 고체연료버너 및 고체연료버너 주위의 노벽의 온도가 고부하조건의 경우보다 낮다. 따라서 슬러깅이 생기지 않는다.
본 제1실시예에서, 저부하조건일 때에는, 화염(20)이 연료노즐(11)의 출구 근처의 위치에서 형성되고, 보염기(23) 및 가이드(25)의 하류측에 형성되는 순환류(19)에 고온가스가 체류된다. 또한 추가공기노즐(12)의 유량조절밸브(34)를 개방함에 따라 공기가 공급되어, 보염기(23) 근처의 연료제트(16)내의 산소농도가 증가된다. 그 결과, 산소농도가 낮은 조건에 비하여 연소속도가 빨라지므로, 연료입자의 착화가 빨라져서, 연료노즐(11) 근처에 화염(20)이 형성될 수 있다.
고부하조건하에서는, 화염(20)이 고체연료버너로부터 떨어진 위치에 형성되어, 고체연료버너 근처의 열부하를 감소시킨다. 본 제1실시예에서는, 추가공기노즐(12)의 유량조절밸브(34)을 폐쇄시킴으로써 저부하조건의 경우에 비해 공급공기의 양이 감소된다. 이 때, 보염기(23) 근처의 위치에서 연료제트(16)내의 산소농도는 저부하조건일 때보다 낮아져서, 연소속도가 더 느려지도록 한다. 그 결과, 보염기(23)의 하류측에 생성된 순환류(19)의 온도가 낮아져서, 고체연료버너 구조체가 받는 복사열의 양이 감소한다.
도 3은 제1실시예의 고체연료버너가 고부하조건하에서 사용될 때, 고체연료버너의 화염(20)이 보염기(23)의 하류측의 순환류(19)로부터 분리되어 형성되는 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 제1실시예의 고체연료버너(42)를 사용하는 연소장치의 구조를 나타내는 수평단면도이다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 고체연료버너(42)가 고부하조건하에서 사용하는 경우에는, 화염소실이 발생할 가능성을 줄이기 위하여, 화염(20)이 노(41)내부에서 서로 혼합되는 것이 바람직하다.
도 4에서는 고체연료버너(42)가 노벽의 네 모퉁이에 배치되는 구조를 도시하고 있지만, 고체연료버너(42)가 연소장치의 대향벽상에 배치되는 대향연소방식의 경우와 동일하다고 말할 수 있다.
본 제1실시예에서는, 고체연료의 연소재의 용융점이 낮을 때, 슬러깅의 발생에 대한 대책이 설명되어 있다. 고체연료의 연소재의 용융점이 높거나 노의 저부하조건으로 인하여 슬러깅의 문제가 발생하지 않는 경우에는, 도 1에 도시된 바와 같이, 연료노즐 출구에 고체연료버너의 화염이 형성될 수 있다.
연소에 의해 발생하는 질소산화물(NOx)을 감소시키기 위하여, 연료노즐 및 추가공기노즐로부터 공급되는 공기의 총량 대 휘발성물질을 완전연소시키는데 필요한 공기량의 비가 0.85 내지 0.95가 될 수 있도록 공기량이 제어되는 것이 바람직하다.
연료의 대부분은 연료노즐(11)내에 포함된 상기 노즐로부터 공급되는 공기와 혼합되어 연소되고(제1단계), 그 후 2차공기흐름(17) 및 3차공기흐름(18)과 혼합되어 연소된다(제2단계). 또한 연소장치(41)로 공기를 공급하는 애프터 에어포트(49)(도 9 참조)가 고체연료버너의 하류측에 배치되는 경우에는, 연료가 상기 애프터 에어포트(49)로부터 공급되는 공기와 혼합되어 완전히 연소된다(제3단계). 휘발성물질의 연소속도는 고체연료의 연소속도보다 빠르므로, 상기 제1단계에서는 연료중의 휘발성물질이 연소된다.
이 때, 휘발성물질에 대한 공기비가 0.85 내지 0.95로 설정되면, 산소부족 조건이 되지만, 연료의 연소가 가속되어, 높은 화염온도로 연소될 수 있다. 제1단계의 연소시의 산소부족조건하에서는 연료가 환원연소되고, 연료중의 질소 또는 공기중의 질소로부터 생성된 질소산화물(NOx)이 무해한 질소로 전환되므로, 노(41)로부터 배출되는 NOx량이 감소될 수 있다. 연료가 고온에서 반응하므로, 제2단계의 반응이 가속되어, 미연소성분의 양이 감소된다.
고체연료버너를 노(41)의 측면에서 본 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 고체연료버너는 원통형상의 연료노즐(11), 원통형상의 2차노즐(13) 및 원통형상의 3차노즐이 동심으로 배치된다.
도 5는 고체연료버너의 노즐부의 또 다른 예를 나타내는 도면이다. 연료노즐(11)은 직사각형일 수도 있고, 농축기(33)는 삼각형일 수도 있고, 또는 2차공기노즐(13), 3차공기노즐(14) 등의 외측공기노즐의 적어도 일부가 연료노즐을 감싸도록 놓여진 공기노즐구조가 사용될 수도 있다. 또한, 외측공기가 하나의 노즐로부터 공급될 수도 있고, 또는 3이상의 부분으로 분할된 노즐구조가 사용될 수도 있다.
도 6은 본 발명에 따른 고체연료버너의 또 다른 예를 나타내는 단면도이다. 본 예에서는, 내측공기노즐(38)이 고체연료버너의 연료노즐(11)내에 배치되고, 배관을 사용하여 윈드박스(26)에 연결된다. 고체연료버너에 공급되는 공기의 일부는 내측공기노즐(38)로부터 분출된다.
공기가 연료노즐에서 혼합되면, 연료와 공기의 혼합이 외측공기노즐(13, 14)만 사용하는 혼합에 비해 빨라진다. 또한, 다량의 공기가 내측공기노즐(38)로부터 분출되면, 측면부를 흐르는 연료제트(16)의 유속이 가속되므로, 연료의 착화위치가 고체연료버너로부터 멀어질 수 있다. 따라서, 추가공기노즐(12)로부터 분출하는 공기량을 감소시키고, 내측공기노즐(38)로부터 분출하는 공기량을 증가시키면, 고부하조건하에서 고체연료버너로부터 떨어진 위치에 화염이 형성되는 경우에 대응할 수 있다.
또한, 도 6에 도시된 고체연료버너의 분배기(35)는 상류측에 테이퍼진다. 분배기를 테이퍼형상으로 형성하면, 분배기(35)에 의하여 분할된 내측유로(36) 및 외측유로(37)를 흐르는 연료제트(16)량의 비율이 변화될 수 있다.
도 6에 도시된 고체연료버너의 경우에는, 유로단면적이 테이퍼형상에 의해 넓어지기 때문에, 분배기(35)의 외측유로(37)에서 유속이 감소되므로, 추가공기노즐(12)로부터 분출되는 추가공기(21)가 분배기(35)에 도달하기 쉽다. 또한, 연료노즐(11)출구의 외주부에서는, 연료 및 이송가스의 흐름(16)의 유속이 감소되기 때문에, 연료입자가 고체연료버너 근처의 위치에서 쉽게 착화된다. 따라서, 고체연료버너에 근접한 위치로부터 화염(20)이 쉽게 형성된다.
도 7은 노의 내측에서 본, 상이한 구조를 갖는 보염기를 채택하는 고체연료버너의 구조를 나타내는 개략도이다. 본 실시예에서는, 도 7에 도시된 바와 같이,돌출된 판형상의 에지를 갖는 톱니모양의 보염기(54)가 연료노즐(11)의 출구에 배치된다. 연료는 톱니모양의 보염기(54)의 뒷쪽 주위에서 흘러 쉽게 착화된다. 즉, 톱니모양의 보염기(54)의 뒷쪽에서 연료가 착화된다.
제2실시예
도 8은 본 발명에 따른 농축기를 갖지 않는 고체연료버너의 제2실시예의 구조를 나타내는 단면도로서, 저부하조건하의 고체연료버너로부터 분출된 연료가 연소되는 상태를 나타내는 도면이다. 제1실시예에서는, 농축기(33)가 연료노즐(11)내에 배치된다. 그러나, 본 제2실시예와 같이 농축기(33)를 갖지 않은 경우에서도, 연료노즐(11)내를 흐르는 연료제트의 방향에 거의 수직인 방향에서 추가공기노즐로부터 공기가 분출되면, 연료입자와 공기 사이의 속도차는, 추가공기가 연료제트의 방향에 평행하게 분출되는 경우보다 커지고, 연료제트 및 공기는 제1실시예의 경우와 유사하게 서로 혼합된다.
또한, 추가공기노즐(12) 및 분배기(35)는 연료노즐(11)로부터 분출되는 혼합유체의 분출방향에 수직한 방향으로 겹치는 위치에 배치된다. 따라서 추가공기제트(21)가 차단되어 분배기(35)에 의해 분출된 방향으로 흐름에 따라, 분배기(34)의 내측유로(36)로 퍼지지 않고, 외측유로(37)로 흐른다.
추가공기제트(21)가 혼합유체와 혼합되기 때문에, 분배기(35)의 외측유로(37)의 흐름저항이 내측유로(36)에 비해 크다. 추가공기량이 증가되면, 외측유로(37)를 흐르는 이송가스량이 감소된다. 한편, 연료입자의 관성력이 가스에 비해 크기 때문에, 흐름저항에 관계없이 연료입자가 외측유로(37)로 유입된다. 따라서, 연료입자량은 거의 변하지 않는다.
따라서, 추가공기량이 증가되면, 연료입자와 함께 외측유로(37)에 들어가는 이송가스의 양이 감소되고, 이송가스가 추가공기로 대체된다. 추가공기가 이송가스의 흐름방향에 평행하게 흐르는 경우에 비해, 산소농도의 희석이 적으므로, 산소농도가 더 높아진다. 또한, 분배기(35)는 추가공기와 이송가스의 혼합시에 발생하는 교란에 의하여 연료입자가 분산되는 것을 막을 수 있다. 그 결과, 분배기(35)의 외측유로(37)에서는 산소농도가 높고, 대부분의 이송가스가 내측유로(36)를 흐르기 때문에, 외측유로(37)에서는 이송가스에 대한 연료밀도가 높아진다.
제3실시예
도 9는 본 발명에 따른 고체연료버너의 제3실시예를 나타내는 단면도로서, 저부하조건하의 고체연료버너로부터 분출된 연료가 연소되는 상태를 나타내는 도면이다. 본 제3실시예와 제1실시예의 주된 차이점은, 연료노즐(11)이 직사각형이고, 공기노즐이 연료노즐(11) 가까이에 배치된다는 것이다.
연료노즐(11)의 내부는 상류측으로부터 차례로 배열된 장애물(농축기)(33) 및 분배기(35)로 구성되고, 장애물(33)은 연료노즐(11)의 공기노즐(13)의 반대쪽 분할벽상의 위치에 설치된다. 추가공기노즐(12)은 연료노즐(11)의 외측분할벽(22)을 향하여 분출된 공기가 연료노즐(11)을 통하여 흐르는 혼합유체의 흐름방향에 거의 수직이 되는 방향에 설치된다. 이 때, 추가공기노즐(12)의 출구는 버너의 축선에 대하여 분배기(35)와 중첩되는 위치에 있다.
연료노즐(11)과 공기노즐(13)을 분할하는 분할벽(22)의 선단부 즉, 노의 출구측에는 보염기(23)라 불리는 장애물이 배치된다. 보염기(23)는 연료노즐(11)로부터 분출하는 연료 및 이송가스로 이루어지는 연료제트(16) 및 공기노즐(13)을 흐르는 공기의 흐름(17)에 대하여 장애물로서 작용한다. 따라서, 보염기(23)의 하류측(노(41)측)에서의 압력이 감소되고, 이 부분에는 연료제트(16) 및 공기의 흐름(17)의 역방향으로 흐름이 유기된다. 이 역방향의 흐름을 순환류(19)라 부른다.
화염(20)은 공기노즐(13)로부터 분출되는 공기와 연료입자가 쉽게 혼합되는 연료노즐(11) 및 공기노즐(12)을 분할하는 분할벽(22)의 하류에서 형성되기 쉽다. 이 분할벽(22)의 하류에 보염기(23)를 배열하면, 노(41)의 내부로부터의 고온연소가스가 순환류(19)에 체류한다. 이 고온가스 및 연료제트(16)중의 연료는 고체연료버너의 출구에서 혼합되고, 연료입자의 온도는 노(41)에서 나오는 복사열에 의해 더욱 증가하여 연료입자가 착화된다.
보염기(23)의 공기노즐(13)측에는, 연료제트(16)에 대하여 각도를 갖는 방향으로 공기의 흐름(17)이 분출될 수 있도록 가이드(25)가 형성된다. 가이드(25)를 배열하면, 공기제트의 방향이 버너의 중심축선으로부터 멀어지는 방향으로 유기된다. 따라서, 보염기(23)의 하류측의 압력을 감소시켜, 순환류(19)를 형성하는 것이 유리하다.
본 제3실시예에서는, 연료노즐(11)내의 공기를 연료제트의 방향에 거의 수직한 방향으로 분출하는 추가공기노즐이 구비되어 있다. 추가공기노즐(12)로부터 분출하는 추가공기제트(21)가 연료제트의 방향에 거의 수직한 방향으로 분출되면, 연료입자와 공기와의 속도차가, 추가공기제트(21)가 연료제트의 방향에 평행하게 분출되는 경우의 속도차보다 커져서, 혼합이 가속된다. 특히 연료입자의 밀도가 기체에 비해 크기 때문에, 연료입자가 추가공기제트로 혼합한다.
또한, 본 제3실시예에서는, 추가공기노즐(12)의 출구가 버너의 축선에 대하여 분배기(35)와 겹치는 위치에 있다. 추가공기제트(21)의 분출방향은 분배기(35)에 의해 차단되므로, 분배기(35)의 공기노즐측 유로(37)를 흐른다.
분배기(35)의 공기노즐측 유로(37)는 추가공기제트(21)가 혼합되기 때문에, 반대측의 유로(36)에 비해 큰 흐름저항을 가진다. 추가공기량이 증가되면, 공기노즐측의 유로(37)를 흐르는 이송가스량이 감소된다. 한편, 연료입자의 관성력이 가스에 비해 크기 때문에, 흐름저항에 관계 없이 연료입자가 외측유로(37)에 유입한다. 따라서, 연료입자량은 거의 변하지 않는다.
따라서, 추가공기량이 증가되면, 연료입자와 함께 공기노즐측의 유로(37)로 들어가는 이송가스의 양이 감소된다. 이송가스가 추가공기로 대체되므로, 이송가스와 추가공기가 단순히 혼합되는 경우에 비해 산소농도의 희석이 적으므로, 산소농도가 더 높아진다. 또한, 분배기(35)는 추가공기와 이송가스의 혼합시에 발생하는 교란에 의하여 연료입자가 분산하는 것을 막을 수 있다. 그 결과, 공기노즐측의 유로(37)에서 산소농도가 높아진다.
또한, 장애물(농축기)(33)에 의해 연료노즐의 외측분할벽(22)을 향하는 속도성분이 연료이송가스 및 연료입자내에 유기된다. 관성력으로 인하여, 연료입자가 분배기(35)의 공기노즐측에서 유로(37)을 따라 흘러, 이 구역의 연료밀도가 증가된다.
제4실시예
도 10은 본 발명에 따른 고체연료버너를 사용하는 연소장치의 구조를 나타내는 개략도이다고, 도 11은 도 10의 노의 수평단면도이다.
본 제4실시예에서는, 연소장치(노)(41)의 수직방향으로 2단 및 수평방향으로 노(41)의 네 모퉁이에, 중앙을 향하여 지향된 고체연료버너(42)가 배치된다. 연료는 연료 호퍼(43)로부터 급탄기(44)를 통하여 분쇄기(45)에 공급된다. 이 때, 급탄기(44) 하류측의 연소배기가스배관(55)에서, 연료가 노(41)의 상부로부터 추출된 연소배기가스와 혼합된 후, 분쇄기(45)로 도입된다.
연료가 고온의 연소가스와 혼합되면, 연료중에 포함되는 수분이 증발된다. 또한, 산소농도가 감소되기 때문에, 연료가 분쇄기(45)로 분쇄될 때 혼합온도가 높아지더라도, 연료와 산소의 혼합시에 자연착화나 폭발이 억제될 수 있다. 갈탄의 경우에는, 산소농도가 대부분의 경우에 6% 내지 15%이다. 공기는 블로어(46)로부터 고체연료버너(42) 및 고체연료버너(42)의 하류측에 배열된 애프터 에어포트(49)로 공급된다.
본 제4실시예에서는, 연료의 완전연소에 필요한 공기량보다도 적은 공기량이 고체연료버너(42)에 투입된 후, 나머지의 공기가 애프터 에어포트(49)로부터 공급되는 2단연소방식을 채택한다.
본 발명은, 애프터 에어포트를 제공하지 않고, 연료의 완전연소에 필요한 공기량이 고체연료버너(42)로 투입되는 1단연소방식에도 적용될 수 있다.
본 제4실시예에서는, 분쇄기(45)와 고체연료버너(42) 사이에 임시연료저장부를 포함하지 않는다.
제5실시예
도 12는 본 발명에 따른 고체연료버너를 사용하는 연소장치의 또 다른 예의 구조를 나타내는 개략도이다. 본 발명은, 분쇄기(45)와 고체연료버너(42) 사이에 연료 호퍼(57)가 배치되고, 분쇄기(45)로부터 연료 호퍼(57)까지의 배관(55)을 흐르는 이송가스와, 호퍼(57)로부터 고체연료버너(42)까지의 배관(56)을 흐르는 이송가스로 상이한 가스를 사용하는 연료공급방식에도 적용될 수 있다.
도 12에 도시된 연료공급방식에서는, 배관(55)내의 연료입자에 포함된 수분증발에 의해 열용량이 커진 이송가스가 연료호퍼부에서 분리된 후, 노(41)의 고체연료버너(42)의 하류측을 통하여 노(41)로 투입된다.
상술된 바와 같이, 이송가스를 분리하면, 고체연료버너(42)에 공급되는 이송가스에 포함된 수분이 감소하기 때문에, 고체연료버너(42)에서 형성되는 화염(20)의 화염온도가 증가되어, 질소산화물 및 미연소성분이나 미연소탄소의 양이 감소된다.
높은 연소부하로 고체연료를 연소시키는 경우에, 연소재가 고체연료버너구조체 또는 노벽에 부착되어, 부착물이 성장되는 슬러깅이라고 불리는 현상이 발생하는 경우가 있다. 슬러깅의 발생가능성이 높은 경우에는, 연소부하에 대응하는 고체연료버너(42)의 연소방식을 변경하여 슬러깅을 억제할 수 있다.
즉, 고부하조건하에서는, 고체연료버너(42)로부터 떨어진 위치에 화염(20)이 형성되어, 고체연료버너(42) 근처에서 열부하를 감소시킨다. 한편, 저부하조건하에서는, 연료노즐(11) 출구 근처의 위치에 화염(20)이 형성된다. 이와 같은 연소방식에서, 연소장치를 안전하게 작동시키기 위해서 화염을 모니터할 필요가 있다.
본 발명에서는, 연소방식이 부하에 따라 변하기 때문에, 모니터링방식도 변하는 것이 바람직하다. 즉, 저부하조건하에서는, 각각의 고체연료버너(42)에 형성되는 화염(20)을 모니터하기 위해서, 화염검출기(47)가 고체연료버너(42)에 개별적으로 배치된다. 한편, 고부하조건하에서는, 고체연료버너(42)로부터 떨어진 위치에 화염(20)이 형성되기 때문에, 연소장치의 중심부를 모니터링하기 위한 화염검출기(48)가 설치될 필요가 있다. 각각의 부하와 연소방법에 따라 화염검출기(47, 48)의 신호를 선택하여, 화염이 모니터링된다.
또한, 고부하조건하에서는, 고체연료버너구조체 및 노(41)벽에 부착된 슬러그의 양을 감소시키기 위하여, 온도계나 복사열 고온계가 노(41)벽 및 고체연료버너(42)에 배치되고, 온도계나 복사열 고온계의 신호를 토대로 추가공기 유속이 제어된다.
제6실시예
도 13은 본 발명에 따른 고체연료버너의 제6실시예의 구조를 나타내는 단면도이고, 도 14는 연소장치(41)의 내측에서 본, 고체연료버너의 구조를 나타내는 개략도이다.
본 제6실시예의 고체연료버너는 중심부에 보조연소용 오일건(24)을 포함하고, 보조연소용 오일건(24)의 주위에 연료와 연료의 이송가스의 혼합유체를 분출하는 연료노즐(11)을 포함한다. 노즐 출구가 연료노즐(11)의 외측분할벽(22)으로부터 고체연료버너 중심축선을 향하는 방향으로 복수의 추가공기노즐(12)이 배치된다.
연료노즐의 중심부를 관통하도록 배치된 보조연소용 오일건(24)은 고체연료버너의 기동시에 연료를 착화시키는데 사용된다.
연료노즐(11)의 외측에는, 연료노즐(11)과 동심으로 되어 있고, 공기를 분출하는 고리모양의 외측공기노즐(2차공기노즐(13), 3차공기노즐(14) 등)이 있다.
연료노즐의 선단부, 즉 연소장치 출구측에는 보염기(23)라 불리는 장애물이 설치되어 있다. 보염기(23)는 연료노즐(11)로부터 분출하는 연료 및 연료의 이송가스로 이루어지는 연료제트(16) 또는 2차공기노즐(13)을 흐르는 2차공기흐름(17)에 대한 장애물로서 작용한다. 따라서 보염기(23)의 하류측, 즉 연소장치(41)측에서는, 압력이 감소되고, 연료제트(16) 및 2차공기흐름의 역방향을 향하는 흐름이 유기된다. 이 역방향의 흐름을 순환류(19)라고 부른다.
연료의 연소에 의하여 생성된 고온가스는 하류측으로부터 순환류(19)내로 유입하여 순환류(19)에 체류된다. 이 고온가스 및 연료제트(16)중의 연료가 고체연료버너 출구의 연소장치(41)내에서 혼합되면, 연소장치(41)내부로부터의 복사열에 의해 연료입자의 온도가 상승되어, 착화된다.
2차공기노즐(13) 및 3차공기노즐(14)은 분할벽(29)에 의하여 서로 분리되고, 분할벽(29)의 선단부는 연료제트(16)에 대하여 각을 갖도록 3차공기흐름(18)을 분출시키는 가이드(25)에 형성된다. 버너의 중심축선으로부터 멀어지는 방향으로 외측공기의 분출방향을 유도하는 가이드(25)가 외측공기노즐(2차공기노즐(13), 3차공기노즐(14)등)의 유로 출구에 설치되면, 가이드는 보염기(23)와 함께 순환류(19)를 용이하게 형성하는데 도움이 된다.
2차공기노즐(13) 및 3차공기노즐(14)로부터 분출되는 공기에 선회력을 부여하기 위하여, 선회기(27, 28)가 노즐(13, 14)내에 배치된다.
연소장치벽을 구성하는 버너 스로트(30)는 3차공기노즐의 외주벽으로서의 역할도 한다. 연소장치의 벽에는 수관(31)이 배치된다.
본 제1실시예에서는, 연소배기가스를 연료의 이송가스로 이용하면, 연료노즐(11)을 흐르는 연료제트(16)내의 산소농도가 낮아진다. 이와 같은 연소방식이 적용되는 예로서, 갈탄 또는 아탄의 연소가 있다.
갈탄 및 아탄은 역청탄이나 무연탄 등의 석탄화도가 높은 석탄에 비하여 발열량이 낮고, 일반적으로 분쇄성이 나쁘다. 또한 이들 고체연료의 연소재는 용융온도가 낮다. 이들 고체연료는 휘발성물질을 많이 포함하기 때문에, 공기분위기에서는 저장과정이나 분쇄과정에서 자연발화되기 쉽고, 따라서 역청탄 등에 비하여 다루기 어렵다. 이들 연료의 자연발화를 방지하기 위하여, 갈탄이나 아탄 등이 미분쇄되어 연소되는 경우에는, 연소배기가스와 공기의 혼합 기체가 연료의 이송가스로 사용된다. 연소배기가스는 산소농도를 감소시켜서, 연료의 자연발화를 방지한다. 한편, 연소배기가스의 보유열은 연료중의 수분을 증발시킨다.
낮은 산소농도분위기하에서는, 대기하에서의 연소속도에 비해 연소속도가 느리다. 산소농도가 낮은 이송가스를 사용하여, 갈탄이나 아탄 등의 미분탄이 이송될 때, 그 연소속도는 연료와 공기의 혼합속도에 제한되며, 공기에 의하여 이송될 수 있는 역청탄에 비해 연소속도가 느려진다. 따라서, 연료의 연소량이 적은 저부하조건하에서, 갈탄이나 아탄이 고체연료버너에 의하여 연소되면, 역청탄의 경우에 비해 화염(20)의 날림이나 화염소실이 생기기 쉽다.
본 제6실시예에서는 연료노즐내의 연료제트의 흐름방향에 거의 수직한 방향으로 공기를 분출하는 추가공기노즐(12)을 포함한다. 추가공기노즐(12)로부터 분출하는 공기제트(추가공기제트)(21)가 연료제트의 흐름방향에 거의 수직한 방향으로 분출되면, 연료입자와 추가 공기제트와의 속도차는, 추가공기노즐로부터 분출된 추가공기제트가 연료제트의 방향에 평행하게 분출되는 경우의 속도차보다 커지므로, 연료제트와 추가공기와의 혼합이 진행된다. 특히, 연료입자의 비밀도는 공기에 비하여 높기 때문에, 관성력에 의하여, 연료입자가 추가공기제트로 혼합된다.
이 때, 연료입자 주위의 이송가스(낮은 산소농도)는 연료입자로부터 분리되기 때문에, 연료입자 주위의 산소농도가 이송가스의 산소농도보다 높아진다. 따라서, 연료노즐로부터 분출된 후에, 높은 산소농도에 의해 연소반응이 가속되므로, 연료노즐 출구에서 화염(20)이 안정적으로 형성된다.
연료노즐(11) 내부의 화염(20)형성에 의한 역화나 소손을 방지하기 위하여, 연료노즐출구로부터 추가공기노즐(12)의 출구까지의 거리는, 연료노즐 내에서의 연료체류시간을 연료의 착화지연시간(대략 0.1초)보다 짧아지게 할 수 있는 길이인 것이 바람직하다. 일반적으로, 연료이송가스는 연료노즐내부에서 12m/s 내지 20m/s의 유속으로 흐르기 때문에, 연료노즐출구로부터 추가연료노즐의 출구까지의 거리는 1m 미만이 된다.
또한, 본 제6실시예에는, 연료노즐(11)내에 제공된 유로를 축소하는 유로축소부재(32)가 연료노즐(11)의 상류의 외측벽(22)에 배치된다. 일단 유로를 축소한 후에 확대시키기 위한 장애물(농축기)(33)가 연료노즐(11)내의 연료노즐중심부에 있는 오일건(24)의 외측에 배치된다. 장애물(33)은 고체연료버너의 유로축소부재(32)의 하류측(연소장치(41)측)에 배치된다.
유로축소부재(32)는 연료이송가스보다도 관성력이 큰 연료입자(미분탄)내에 연료노즐의 중심축선을 향하는 방향의 속도성분을 유기시킨다. 농축기(33)를 유로축소부재(32)의 하류측에 배치하면, 유로축소부재(32)에 의하여 버너중심축선방향으로 축소된 연료입자(미분탄)의 흐름이 농축기(33)를 통과한 후, 연료노즐의 유로를 따라 분할벽(22)을 향하여 흐른다. 연료노즐내의 유로를 따라 흐르는 연료입자(미분탄)는 출구를 향하여 내벽면(분할벽(22))측으로 흐른다. 따라서 연료노즐(11)의 내벽면(분할벽(22))측에 연료가 농축된다.
추가공기노즐로부터 분출되는 공기는 또한 연료노즐(11)의 외주면[분할벽(22)]의 근처로 분출되기 때문에, 연료농도가 높고, 또한 산소농도가 높은 영역이 형성된다. 이 결과, 연료가 연료노즐로부터 분출된 후, 높은 산소농도에 의해 연료반응이 가속됨에 따라, 연료노즐 출구에 화염(20)이 안정적으로 형성된다. 연료노즐(11)의 외주면(분할벽(22)) 근방에 흐르는 연료제트는, 연료노즐(11)의 출구 근처의 외측공기노즐로부터 분출되는 공기와 쉽게 혼합된다.
또한, 연료가 보염기(23)의 후류측에 생성된 순환류의 고온가스와 혼합되면, 연료입자의 온도가 상승되어, 연료가 착화되기 쉽다. 그 결과, 화염(20)이 연료노즐 출구에 안정적으로 형성된다.
상술된 바와 같이, 추가공기노즐(12)로부터 연료노즐(11) 내를 흐르는 연료제트의 방향에 거의 수직인 방향으로 공기를 분출시키면, 연료입자와 공기의 혼합이 진행되고, 화염(20)이 연료노즐출구에 안정적으로 형성된다. 따라서, 종래의 저부하보다도 낮은 부하에서 연소가 안정적으로 계속될 수 있다.
높은 열부하에서 갈탄이나 아탄을 연소시키는 경우에는, 연료가 휘발성물질을 많이 포함하기 때문에, 공기와 연료의 양호한 혼합조건하에서, 고체연료버너 근처 위치에서 연소연료량이 증가된다. 상술된 바와 같이, 고체연료버너 근처의 열부하가 국소적으로 증가되어, 화염(20)으로부터의 복사열에 의해 고체연료버너 구조체 및 연소장치의 벽의 온도가 상승하면, 연소재가 연소장치의 벽에 부착하여 용해되어, 슬러깅이 발생될 수 있다. 특히, 갈탄이나 아탄은 연소재의 용융온도가 낮기 때문에, 슬러깅이 발생하기 쉽다.
본 제6실시예에서는, 고체연료버너의 부하에 따라 화염(20)의 형성위치를 바꾸어, 석탄화도가 낮은 연료를 사용할 때, 고체연료버너의 고부하조건과 저부하조건간의 연소상태의 차이에 의하여 발생되는 문제를 해결할 수 있다. 즉, 고부하조건에서는 고체연료버너로부터 떨어진 위치에 화염(20)이 형성되고, 저부하조건에서는 연료노즐(11)의 출구 근처의 위치에 화염(20)이 형성된다. 저부하조건하에서는, 화염(20)이 연소장치벽이나 고체연료버너에 가까이 발생되더라도, 연소장치(41)내의 낮은 열부하로 인하여, 고체연료버너 및 고체연료버너 주위의 연소장치벽의 온도가 고부하조건의 경우보다 낮다. 따라서 슬러깅이 발생하지 않는다.
본 제6실시예에서는, 저부하조건일 때, 화염(20)이 연료노즐(11)의 출구 근처에 형성되고, 보염기(23) 및 가이드(25)의 하류측에 형성되는 순환류(19)에 고온가스가 체류된다. 또한, 추가공기노즐(12)의 유량조절밸브(34)를 개방하고 공기를 공급하여, 보염기(23) 근처의 연료제트(16)중의 산소농도가 증가된다. 그 결과, 산소농도가 낮은 경우에 비하여 연소속도가 높아지기 때문에, 연료입자의 착화가 빨라져서, 연료노즐(11) 근처에 화염(20)이 형성될 수 있다.
고부하조건하에서는, 고체연료버너로부터 떨어진 위치에 화염(20)이 형성되어, 고체연료버너 근처의 열부하를 감소시킨다. 따라서, 본 제6실시예에서는, 추가공기노즐(12)의 유량조절밸브(34)을 폐쇄하여, 저부하조건인 경우에 비하여 공기공급량이 감소된다. 이 때, 보염기(23) 근처의 위치에서 연료제트(16)중의 산소농도는 저부하조건일 때보다도 낮아져서, 연소속도가 더 느려진다. 따라서, 보염기(23)의 하류측에 생성된 순환류(19)의 온도가 낮아짐에 따라, 고체연료버너 구조체가 받는 복사열의 양이 감소되어, 슬러깅의 발생이 억제될 수 있다.
도 15는, 본 제6실시예의 고체연료버너가 고부하조건하에서 사용되는 경우에, 고체연료버너의 화염(20)이 보염기(23)의 하류측의 순환류(19)로부터 떨어져서 형성되는 상태를 나타내는 도면이다.
본 제6실시예의 고체연료버너(42)를 사용하는 연소장치의 수평단면도는 도 4와 동일하다. 도 15에 도시된 바와 같이 고부하조건에서 고체연료버너(42)가 사용되면, 화염소실이 발생할 가능성을 감소시키기 위하여, 연소장치(41)내에서 화염(20)이 서로 혼합되는 것이 바람직하다.
연소에 의해 발생되는 질소 산화물(NOx)을 감소시키기 위해서는, 연료노즐 및 추가공기노즐로부터 공급되는 전체 공기량 대 휘발성물질을 완전연소시키는데 필요한 공기량의 비율이 0.85 내지 0.95가 되도록 공기량을 조정하는 것이 바람직하다.
대부분의 연료는 연료노즐(11)내에 포함된 상기 노즐로부터 공급되는 공기와 혼합되어 연소되고(제1단계), 그 후 2차공기흐름(17) 및 3차공기흐름(18)과 혼합되어 연소된다(제2단계). 또한 연소장치(41)로 공기를 공급하는 애프터 에어포트(49)(도 10 참조)가 고체연료버너의 하류측에 배치되는 경우에는, 연료가 상기 애프터 에어포트(49)로부터 공급되는 공기와 혼합되어 완전히 연소된다(제3단계). 휘발성물질의 연소속도는 고체연료의 연소속도보다 빠르므로, 상기 제1단계에서 연료중의 휘발성물질이 연소된다.
이 때, 휘발성물질에 대한 공기비가 0.85 내지 0.95로 설정되면, 산소부족 조건이 되지만, 연료의 연소가 가속되어, 높은 화염온도로 연소될 수 있다. 제1단계의 연소의 산소부족조건하에서는 연료가 환원연소되고, 연료중의 질소 또는 공기중의 질소로부터 생성된 질소산화물(NOx)이 무해한 질소로 전환되므로, 노(41)로부터 배기되는 NOx량이 감소될 수 있다. 연료가 고온에서 반응하므로, 제2단계의 반응이 가속되어, 미연소성분의 양이 감소된다.
고체연료버너를 연소장치의 측면에서 본 도 14에 도시된 바와 같이, 본 제6실시예의 고체연료버너는 원통형상의 연료노즐(11), 원통형상의 2차노즐(13) 및 원통형상의 3차노즐이 동심으로 배치된다.
도 16은 고체연료버너의 노즐부의 또 다른 예를 나타내는 도면이다. 연료노즐(11)은 직사각형일 수도 있고, 농축기(33)는 삼각형일 수도 있고, 또는 2차공기노즐(13), 3차공기노즐(14) 등의 외측공기노즐의 적어도 일부가 연료노즐을 감싸도록 놓여진 공기노즐구조가 사용될 수도 있다. 또한, 외측공기가 하나의 노즐로부터 공급될 수도 있고, 또는 3이상의 부분으로 분할된 노즐구조가 사용될 수도 있다.
제7실시예
도 17은 본 발명에 따른 고체연료버너의 제7실시예를 나타내는 단면도로서, 고체연료버너에서, 추가 공기노즐의 설치위치가 변경되는 도면이다. 추가공기노즐(12)은 도 13에 도시된 바와 같이, 공기를 연료노즐의 내부에서 외측을 향하여 분출되는 대신에, 도 17에 나타내는 바와 같이, 연료노즐의 둘레의 분할벽으로부터 중심을 향하여 분출될 수도 있다.
추가공기노즐(12)은 연료노즐(11)의 유로가 확대되는 위치에 배치되는 것이 바람직하다. 유로로부터 벽면을 향하는 속도성분이 유기되기 어려운 유로확대부에 추가공기노즐(12)의 출구를 배치하면, 연료입자가 추가공기노즐내에 들어가거나 또는 퇴적되는 것을 억제할 수 있다.
연료노즐(11)내에서의 연료착화에 의해 발생되는 연료노즐(11)의 소손이나 역화의 발생을 방지하기 위해서는, 연료노즐(11)내에서의 연료의 체류시간이 착화지연시간보다도 짧아지도록, 추가공기노즐(12)의 배치를 결정하는 것이 바람직하다. 일반적으로, 가스연료의 착화지연시간은, 미분탄의 착화지연시간보다 짧은 대략 0.1초정도이고, 연료노즐(11)내의 유속은 10m/s 내지 20m/s를 지표로 한다. 예를 들어, 연료노즐(11)의 출구와 추가공기노즐(12)의 출구 사이의 거리는 대략 1m미만으로 설정된다.
제8실시예
도 18은 농축기(33)를 갖지 않는 고체연료버너의 제8실시예의 구조를 나타내는 단면도이다. 제6실시예에서는, 농축기(33)가 연료노즐(11)내에 배치된다. 그러나, 도 18에 도시되는 바와 같이, 연료노즐(11)내를 흐르는 연료제트의 방향에 거의 수직한 방향에서 추가노즐로부터 공기가 분출되면, 농축기(33)가 없는 경우에서도, 제1실시예의 경우와 유사하게 연료제트와 공기가 서로 혼합된다.
제9실시예
도 19 및 도 20은 각각 본 발명에 따른 고체연료버너의 제9실시예의 구조를 나타내는 단면도이다. 도 19는 저부하조건하의 고체연로버너로부터 분출된 연료가 연소장치(41)에서 연소되는 상태를 나타내고, 도 20은 고부하조건하의 고체연로버너로부터 분출된 연료가 연소장치(41)에서 연소되는 상태를 나타낸다.
본 제9실시예와 제6실시예의 주된 차이는 연료노즐(11)의 외측분할벽(22)의 선단부에 보염기(23) 및 가이드(25)가 배치되지 않는다는 점이다. 본 제9실시예에서는, 보염기(23)나 가이드(25)를 사용하지 않고, 화염(20)의 형상을 변경시키기 위하여, 2차공기유로에 배치되는 선회기(27)가 사용된다.
저부하조건하에서, 추가공기노즐(12)로부터 공기의 공급에 의하여, 연료노즐(11)의 외측분할벽(22) 근처에서 연료제트(16)중의 산소농도가 증가된다. 산소농도가 낮은 경우에 비해 연소속도가 증가되기 때문에, 연료입자의 착화가 빨라져서, 연료노즐(11) 근처의 위치에 화염(20)이 형성된다.
본 제9실시예에서는, 강한 선회유속(일반적으로, 1이상의 선회수)이 2차공기유로에 배치된 선회기(27)를 사용하는 2차공기에 추가된다. 2차공기노즐(13)로부터 분출된 후, 2차공기의 흐름(17)은 선회유속에 의한 원심력에 의하여 연료제트(16)로부터 멀어지는 방향으로 확장된다. 이 때, 연료제트(16)와 2차공기흐름(17) 사이의 구역에서는, 압력이 감소되어, 연료제트(16) 및 2차공기흐름(17)의 흐름방향과 역방향으로 흐르는 순환류(19)가 유기된다. 2차공기유로의 유량이 감소시키기 위한 댐퍼를 부착시켜, 2차공기흐름의 유량을 제로에 가깝게 감소되면, 3차공기흐름(18)과 연료제트(16) 사이에 순환류가 유기될 수 있다.
고부하조건하에서는, 화염(20)이 고체연료버너로부터 떨어진 위치에 형성되어, 고체연료버너 주위의 열부하를 감소시킨다. 따라서, 추가공기노즐(12)로부터 공급된 공기량이 감소된다. 추가공기의 공급량이 감소되면, 연료노즐(11)의 외측분할벽(22) 근처에서, 연료제트(16)중의 산소농도가 저부하조건일 때보다 낮아져서, 연소속도가 느려진다.
또한, 본 제9실시예에서는, 2차공기유로에 배치된 선회기(27)를 사용하여, 2차공기에 추가되는 선회유속이 약해진다. 2차공기흐름(17)은 2차공기노즐(13)로부터 분출된 후, 연료제트(16)와 평행하게 흐르기 때문에, 연료제트(16)와 2차공기흐름(17) 사이의 구역에는 역방향 흐름의 순환류(19)가 발생하지 않는다. 2차공기 유로에 부착된 댐퍼를 개방하여, 2차공기의 유량이 증가되면, 연료제트(16)와 2차공기흐름(17) 사이의 구역에 역방향 흐름의 순환류(19)가 발생되는 것을 막을 수 있다.
도 21은 보염기의 다른 구조의 예를 나타내는 도면이다. 본 제9실시예에서는, 도 21에 도시된 바와 같이 톱니모양의 보염기(54)가 배치될 수도 있다. 연료는 톱니모양의 보염기(54)의 뒷쪽 주위에서 흘러 쉽게 착화된다. 즉, 톱니모양의 보염기(54)의 뒷쪽에서 연료가 착화된다.
제6실시예 내지 제9실시예에 도시된 고체연료버너를 사용하는 연소장치의 구조는 도 10 및 도 11과 동일하다.
본 발명에 따르면, 연료입자와 연료노즐내의 공기와의 혼합을 가속시켜 연료를 안정적으로 연소시키는 수단을 포함하는 고체연료버너를 제공할 수 있고, 비교적 연소성이 낮은 고체연료 즉, 갈탄, 아탄 등등과 같이 석탄화도가 낮은 석탄을 사용할 때에도, 추가공기노즐의 출구로부터 연료노즐의 출구까지의 거리를 변화시키지 않고, 고부하조건으로부터 저부하조건까지의 넓은 범위에 걸쳐 연소재에 의하여 발생되는 슬러깅의 발생을 막을 수 있다.
또한, 연료입자와 공기와의 혼합을 가속시켜 연료를 안정적으로 연소시키고, 연소재에 의하여 발생되는 슬러깅을 방지하는 수단을 포함하는 고체연료버너를 사용하는 연소방법을 제공할 수 있고, 고체연료버너를 포함하는 연소장치, 고체연료버너를 포함하는 연소장치 및 고체연료버너를 포함하는 석탄보일러를 작동시키는 방법도 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 갈탄 등과 같은 저급 고체연료의 이송가스와 같이 산소농도가 낮은 가스를 사용할 때, 추가공기노즐 출구로부터 연료노즐 출구까지의 거리를 변화시키지 않고, 고부하조건으로부터 저부하조건까지의 폭넓은 범위에 걸쳐, 연료노즐내에서의 연료입자와 공기간의 혼합을 가속시키고, 또한 연료노즐내의 연료농도와 산소농도가 연료노즐내의 평균치보다 높은 연료농도와 산소농도를 가지는 구역을 형성시켜, 연료를 안정적으로 연소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고체연료버너의 제1실시예의 구조를 나타내는 단면도로서, 고체연료버너의 제1실시예가 저부하조건하에서 사용될 때, 보염기의 하류측에서 순환류 근처에 고체연료버너의 화염이 형성되는 상태를 예시하는 도면,
도 2는 노(furnace)의 내측에서 볼 때 고체연료버너의 제1실시예의 구조를 나타내는 개략도,
도 3은 고체연료버너가 고부하조건하에서 사용될 때, 보염기의 하류측에서 순환류 근처에 고체연료버너의 화염이 형성되는 상태를 나타내는 도면,
도 4는 고체연료버너의 제1실시예를 사용하는 연소장치의 구조를 나타내는 수평단면도,
도 5는 도 1에 도시된 고체연료버너의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 6은 본 발명에 따른 고체연료버너의 또 다른 예를 나타내는 단면도,
도 7은 노의 내측에서 볼 때 또 다른 구조를 갖는 보염기를 채택하는 고체연료버너의 구조를 나타내는 개략도,
도 8은 본 발명에 따라 농축기가 없는, 고체연료버너의 제2실시예의 구조를 나타내는 단면도로서, 고체연료버너로부터 분출된 연료가 저부하조건하에서 연소되는 상태를 나타내는 도면,
도 9는 본 발명에 따른 고체연료버너의 제3실시예의 구조를 나타내는 단면도로서, 고체연료버너로부터 분출된 연료가 저부하조건하에서 연소되는 상태를 나타내는 도면,
도 10은 본 발명에 따른 고체연료버너를 사용하는 연소장치의 구조를 나타내는 개략도,
도 11은 도 10의 연소장치의 수평단면도,
도 12는 본 발명에 따른 고체연료버너를 사용하는 연소장치의 또 다른 예의 구조를 나타내는 개략도,
도 13은 본 발명에 따른 고체연료버너의 제6실시예의 구조를 나타내는 단면도로서, 고체연료버너의 제6실시예가 저부하조건하에서 사용될 때 보염기의 하류측에서 순환류 근처에 고체연료버너의 화염이 형성되는 상태를 나타내는 도면,
도 14는 연소장치의 내측으로부터 본 고체연료버너의 제6실시예의 구조를 나타내는 개략도,
도 15는 고체연료버너의 제6실시예가 고부하조건하에서 사용될 때, 보염기의 하류측에서 순환류 근처에 고체연료버너의 화염이 형성되는 상태를 나타내는 도면,
도 16은 고체연료버너의 노즐부의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 17은 본 발명에 따른 고체연료버너의 제7실시예를 나타내는 단면도로서, 고체연료버너에서, 추가 공기노즐의 설치부가 변경되는 도면,
도 18은 본 발명에 따른 고체연료버너의 제8실시예를 나타내는 단면도로서, 고체연료버너가 농축기를 갖지 않는 도면,
도 19는 본 발명에 따른 고체연료버너의 제9실시예의 구조를 나타내는 단면도로서, 고체연로버너로부터 분출된 연료가 저부하조건하에서 연소되는 상태를 나타내는 도면,
도 20은 본 발명에 따른 고체연료버너의 제9실시예의 구조를 나타내는 단면도로서, 고체연료버너로부터 분출된 연료가 고부하조건하에서 연소되는 상태를 나타내는 도면,
도 21은 또 다른 구조를 갖는 보염기의 예를 나타내는 도면이다.

Claims (18)

  1. 고체연료와 이송가스의 혼합유체를 분출하는 연료노즐;
    상기 혼합유체의 흐름방향에 거의 수직한 방향에서 상기 연료노즐로 공기를 분출시키는 추가공기노즐; 및
    상기 연료노즐의 외측에 배치되며 공기를 분출시키는 하나 이상의 외측공기노즐을 포함하며,
    상기 추가공기노즐의 출구는 상기 연료노즐의 출구보다 버너 상류측에 배치되는 것을 특징으로 하는 고체연료버너.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 추가공기노즐은 상기 연료노즐의 중심부에 배치되는 것을 특징으로 하는 고체연료버너.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 추가공기노즐은, 상기 연료노즐을 상기 외측공기노즐로부터 분리시키는 분할벽부에 배치되는 것을 특징으로 하는 고체연료버너.
  4. 제3항에 있어서,
    유로를 나누는 분배기는 상기 연료노즐 내에 배치되고,
    상기 이송가스는 공기의 산소농도보다 낮은 산소농도를 갖는 가스이며,
    상기 추가공기노즐의 출구는, 이 출구를 버너의 축선에 수직인 방향에서 볼 때, 이 출구가 상기 분배기와 중첩되는 위치에 있는 것을 특징으로 하는 고체연료버너.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연료노즐내부 중 상기 추가공기노즐의 출구보다 상류측에 장애물이 제공되고, 상기 장애물은 상기 연료노즐내부의 유로 단면적을 축소시키는 부분과 확대시키는 부분으로 이루어지며, 상기 부분들은 상기 버너의 상류측으로부터 상기 축소부와 상기 확대부의 순서로 배치되는 것을 특징으로 하는 고체연료버너.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 혼합유체의 흐름방향에 거의 수직한 방향에서 공기를 분출시키는 상기 추가공기노즐은, 상기 장애물의 유로단면적축소부 내에 또는 상기 유로단면적축소부보다 하류에 위치된 상기 유로단면적확대부 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 고체연료버너.
  7. 청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제4항에 있어서,
    상기 연료노즐내부 중 상기 추가공기노즐의 출구보다 상류측에 장애물이 제공되고, 상기 장애물은 상기 연료노즐내부의 유로 단면적을 축소시키는 부분과 확대시키는 부분으로 이루어지고, 상기 부분들은 상기 버너의 상류측으로부터 상기 축소부와 상기 확대부의 순서로 배치되며,
    상기 분배기에 의하여 분할되는 연료노즐의 유로 중 상기 분배기의 상류 끝단부에서, 추가공기노즐을 배치하는 측의 유로 단면적이 상기 장애물에 의하여 축소된 유로 단면적보다 큰 것을 특징으로 하는 고체연료버너.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 분배기는 원통형 또는 테이퍼진 얇은 판구조체로 형성되고,
    상기 고체연료버너는 상기 분배기의 상류측에 상기 연료노즐의 외주면으로부터 유로를 축소시키는 유로축소부재를 포함하고, 상기 유로축소부재의 하류측에 상기 연료노즐의 중심축선측으로부터 유로를 축소시키는 농축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체연료버너.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 연료노즐과 상기 공기노즐을 분할시키는 분할벽의 선단에 장애물이 제공되고, 상기 장애물은 상기 고체연료와 상기 연료노즐로부터 분출되는 고체연료의 이송가스의 흐름과 상기 공기노즐로부터 분출되는 공기의 흐름을 차단하는 것을 특징으로 하는 고체연료버너.
  10. 청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제9항에 있어서,
    상기 장애물은 상기 연료노즐의 출구의 벽면에 배치되는 톱니모양의(toothed) 보염기인 것을 특징으로 하는 고체연료버너.
  11. 청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제1항에 있어서,
    선회기가 상기 공기노즐 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 고체연료버너.
  12. 제1항에 따른 고체연료버너를 사용하는 연소방법에 있어서,
    연소부하가 낮을 때에는, 상기 추가공기노즐로부터 공급되는 공기량이 증가되고,
    연소부하가 높을 때에는, 상기 추가공기노즐로부터 공급되는 공기량이 감소되는 것을 특징으로 하는 고체연료버너를 사용하는 연소방법.
  13. 청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제1항에 따른 고체연료버너를 사용하는 연소방법에 있어서,
    연소부하가 낮을 때에는, 상기 추가공기노즐로부터 공급되는 공기량이 증가되고, 상기 외측공기노즐들 중 상기 연료노즐에 가장 근접한 외측공기노즐로부터 공급된 공기의 유량이 감소되거나 선회유속이 증가되며,
    연소부하가 높을 때에는, 상기 추가공기노즐로부터 공급되는 공기량이 감소되고, 상기 외측공기노즐들 중 상기 연료노즐에 가장 근접한 외측공기노즐로부터 공급되는 공기의 유량이 증가되거나 선회강도가 감소되는 것을 특징으로 하는 고체연료버너를 사용하는 연소방법.
  14. 제1항에 따른 고체연료버너를 사용하는 연소방법에 있어서,
    상기 연료노즐의 출구단면상의 외주부에서의 산소농도는 중심부의 산소농도보다 높게 증가되는 것을 특징으로 하는 고체연료버너를 사용하는 연소방법.
  15. 제1항에 따른 고체연료버너를 사용하는 연소방법에 있어서,
    상기 연료노즐의 출구단면상의 외주부에서의 산소농도 및 연료농도는 중심부의 산소농도 및 연료농도보다 높게 증가되는 것을 특징으로 하는 고체연료버너를 사용하는 연소방법.
  16. 제1항에 따른 고체연료버너를 사용하는 연소방법에 있어서,
    상기 연료노즐의 출구단면에서, 연료농도 및 산소농도 모두가 연료농도 및 산소농도의 평균값보다 높은 구역이 각각 형성되고, 연료농도 및 산소농도 모두가 연료농도 및 산소농도의 평균값보다 낮은 구역이 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 고체연료버너를 사용하는 연소방법.
  17. 제1항에 따른 복수의 고체연료버너를 갖는 노(furnace);
    호퍼;
    급탄기;
    상기 급탄기 하류의 연소배기가스배관 내에서 상기 연소장치의 상부로부터 추출된 연소배기가스와 혼합되는 연료가 공급되는 분쇄기;
    상기 분쇄기에 의하여 분쇄된 연료를 상기 고체연료버너들로 공급하는 연료배관;
    공기를 상기 고체연료버너로 공급하는 블로어;
    저부하조건하에서, 상기 각각의 고체연료버너에 형성된 화염을 모니터링하는 저부하 화염검출기 또는 온도계 또는 복사열 고온계;
    고부하조건하에서, 상기 고체연료버너로부터 떨어진 위치에 형성된 화염을 모니터링하는 고부하 화염검출기 또는 온도계 또는 복사열 고온계; 및
    상기 측정기구로부터의 신호를 토대로 상기 추가공기노즐로부터 분출되는 공기의 공급량을 제어하는 제어수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소장치.
  18. 제17항에 따른 연소장치의 작동방법에 있어서,
    상기 연소장치가 높은 연소부하로 작동될 때, 상기 고체연료의 화염은 상기 고체연료버너로부터 떨어진 위치에 형성되고,
    상기 연소장치가 낮은 연소부하로 작동될 때, 상기 고체연료의 화염은 상기 고체연료버너의 연료노즐의 출구 바로 뒤의 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 연소장치의 작동방법.
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