KR101615064B1 - 고체연료 버너 - Google Patents

Abstract

고체연료를 공급하는 연료 노즐(8) 내에 연료 유로의 횡단면을 축소시키는 압축부를 가지는 벤투리(7)와, 상기 벤투리(7)의 후류측에 노즐(8) 내의 흐름을 바깥 방향으로 바꾸는 연료 농축기(6)를 구비하고, 상기 노즐(8)은, (a) 보일러 화로 벽면(18)의 개구부(32) 근방에서의 개구 형상이 편평형 형상이며, (b) 노즐(8)의 외주벽의 노즐 중심축(C)에 직교하는 단면 형상이, 벤투리(7)의 압축부까지 횡단면이 원형이고, (c) 상기 압축부로부터 개구부(32)에 이르기까지의 동안은, 서서히 편평 정도가 증대하는 부분을 가지며, (d) 상기 개구부(32)에서 편평 정도가 최대로 되는 편평형 형상이 되도록 형성하고 있다. 상기 노즐(8)의 출구에서 둘레방향에서의 연료 농도의 균일화를 도모하면서, 연료의 착화ㆍ보염에 충분한 연료 농도가 얻어지고, 연소 배기가스의 저 NOx 농도화를 달성할 수 있는 고체연료 버너가 얻어진다.

Description

고체연료 버너{SOLID-FUEL BURNER}

본 발명은 고체연료 버너, 특히 고체연료의 효율이 좋은 저 질소산화물(NOx) 연소가 가능한 버너에 관한 것이다.

일반적으로 고체연료 버너의 연료 노즐의 출구부의 단면은 원형 또는 정방형에 가까운 형상을 하고 있고, 화로 내에서 연료 함유 유체(流體) 분류(噴流)의 외측에서 착화한 화염이 연료 함유 유체 분류의 중심부까지 전파하려면 상당한 거리를 필요로 하는 경우가 있다. 연료 노즐로부터의 연료 함유 유체의 분출 방향에서 착화한 화염이 연료 함유 유체 분류의 중심부까지 전파하는 거리, 즉, 미(未)착화거리는 연료 노즐의 지름 또는 외경부가 커질수록 길어지고, 미(未)착화영역이 확대된다. 버너 근방의 환원 영역에서 연소를 촉진하는 것이, 연소 가스 중의 NOx 발생을 억제하는데 있어서 중요하지만, 미(未)착화영역의 확대는 착화 후의 연소시간이 짧아지는 것을 의미하고, NOx 억제가 불충분하거나, 연소 효율이 저하하거나 하는 요인으로도 된다.

복수의 고체연료 버너를 연소 장치로서 구비한 보일러 플랜트에 있어서, 버너 용량의 증가는 비용 저감과 버너 개수 삭감에 의한 운용성 향상을 위해서 유효한 수법이지만, 연료 노즐의 지름 또는 외경부의 길이가 길어지고, 미(未)착화영역이 확대하여, NOx의 증가와 연소 효율의 저하의 원인으로 되는 문제점이 있었다.

이 문제는, 연료 함유 유체 분류 표면의 착화 영역으로부터 연료 함유 유체 분류의 중심부까지의 거리가 큰 것이 원인이었다.

WO2008－038426 A1(특허 문헌 1)는, 본 출원인의 발명에 따른 선행 기술이며, 연료 노즐의 횡단면의 출구 형상을 긴 지름부와 짧은 지름부를 가지는 사각형상, 타원 형상 또는 대략 타원 형상으로 하는 버너에 의해, 버너 용량을 종래보다 크게 하면서, 미(未)착화영역의 확대를 억제하고, 연소 가스 중의 NOx 농도의 증가 방지와 연료의 연소 효율의 저하 방지를 도모한 발명이 개시되어 있다.

또, WO2009－125566 A1에도 이것에 유사한 버너의 개구 형상이 개시되어 있다.

또, 보일러 플랜트에 있어서, 보일러 화로의 고체연료 버너에 의해 얻어지는 고온의 배기가스에 의해 복수의 전열관 내를 흐르는 유체를 가열하여 얻은 증기를 이용하기 위한 유체 경로, 또한 얻어진 증기를 재이용하기 위한 복잡한 유체 경로를 유체가 통과하는 경우에, 각 전열관이 설치되는 전열부에서 유체로의 규정의 전열량을 얻는 것이 중요하고, 그 때문에 각 전열부에 대하여 연소 가스의 온도 및 유체 유량을 제어할 필요가 있다. 그 때문에, 화로 내에서의 연료의 연소 위치를 바꿈으로써 각 전열관 내의 유체로의 전열량을 제어할 수 있다고 하는 발명이 있다(WO2009－041081 A1). 이 발명에 기재된 예에서는, 고체연료 버너에 형성된 기체 분출 노즐 출구를 상하의 2개로 분할하고, 각각의 공기유량을 독립하여 조정함으로써 연료의 연소 위치를 상하로 변경하는 것을 가능하게 하고 있다.

한편, 일반적으로 고체연료를 사용하는 보일러는, 고체연료로서 미분탄을 이용하므로, 이러한 보일러를 이하, 미분탄 버닝 보일러, 고체연료 버너를 미분탄 버너라고 하는 경우가 있다. 미분탄 버닝 보일러의 기동시에는, 팬을 기동하여 보일러 화로에 설치된 복수의 미분탄 버너 및 2단 연소용 공기구에 연소용 가스로서 공기를 공급한다. 계속하여, 각 버너의 점화 토치에 화염을 형성시키고, 프레임 디텍터(frame detector)(이하 FD라고 한다)로 이 화염을 검지한 후, 점화 토치의 화염에 의해 점화버너로부터 분출한 액체 연료로 착화시켜 점화버너에 화염을 형성한다. 점화버너에 의한 화염이 형성된 것을 FD에 의해 검지한 후, 점화 토치를 소화하여 점화 토치용 건(gun)은 소손(燒損) 방지를 위해, 노(爐) 외로 제거된다.

그 다음에, 점화버너에 의해 노 출구 온도가 설정 온도에 이를 때까지 화로를 온도상승 한 후, 밀(mill)을 기동하여 서서히 미분탄 연소로 전환한다. 즉, 미분탄 버너에서는, 미분탄에 착화시키기 때문에, 액체 연료 등을 이용한 점화버너를 설치하고, 또한 이 점화버너를 착화하는 점화 토치 및 화염을 검지하는 FD가 설치되어 있다.

미분탄 버너 중에는, 중심에 점화버너를 설치하고, 그 주위로부터 미분탄과 반송용 가스로서의 일차 공기를 흘려 화로 내로 분출하며, 그 주위로부터 연소용 공기를 공급하는 미분탄 버너가 이용된다. 이 경우, 점화 토치와 FD는, 미분탄의 흐름을 흩뜨려 미분탄의 버너 내에서의 퇴적이나 보염(flame stabilization) 불량을 일으키지 않기 때문에, 미분탄 출구부가 아니라, 주위의 연소용 공기 공급부에 설치되어 있다.

종래 기술과 마찬가지로 연소용 공기 공급부에 FD나 점화 토치를 설치한 경우, 설치 장소에 의하여 FD에서의 화염 검지나, 점화 토치에 의한 점화버너에서의 안정된 착화 보염에 영향을 미치는 상황이 있었다.

또, 미분탄 버너에 있어서 3차 공기 유로 내에 화염 검지기를 배치하는 것도 알려져 있다(일본 공개특허공보 평성 4－268103호 공보).

WO2008－038426A1 WO2009－041081A1 WO2009－125566A1 일본 공개특허공보 평4－268103호

상기 특허 문헌 1은, 본 출원인의 발명에 따른 선행 기술이며, 연료 노즐이 횡단면의 출구 형상을 긴 지름부와 짧은 지름부를 가지는 사각형상, 타원 형상 또는 대략 타원 형상으로 하는 버너를 개시하고 있다.

이 버너에 의하면, 연료 함유 유체 분류 표면의 착화 영역으로부터 연료 함유 유체 분류의 중심부까지의 거리를 단축함으로써, 미(未)착화영역을 축소하여 착화 후의 연소시간을 확보할 수 있다.

그러나, 본 출원인에 의한 계속적 연구의 결과, 연료 노즐의 보일러 화로 벽면 개구부 근방에서의 개구 형상이 「편평형 형상」으로 되는 버너에서는, 단지, 연료 노즐의 개구 형상을 편평하게 하는 것만으로는, 의도하는 바와 같이, 연료 함유 유체의 분류의 발화원으로 되는 외주측으로부터 중심부 측까지의 거리를 짧게 하고, 형상이 연료 노즐 개구와 더불어 편평형 형상의 화염을 형성하는 것은 어려운 것이 판명되었다.

이것은, 고체연료 버너의 경우, 연료 입자의 관성력이 기체나 액체에 비해 크고, 반드시 노즐 내의 짧은 거리로 상기 노즐 형상을 따라서 균일하게 확산한다고는 할 수 없는 것, 동 용량의 완전한 원 형상의 노즐에 비해, 연료를 폭 방향으로 넓게 분산시키는 것 등에 기인하는 것이라고 생각된다. 특히 버너 출력을 줄이는 저부하 영역에서는, 연료 유량이 저하하기 때문에 이 문제는 현저하게 된다. 그 결과, 노즐 둘레방향에서 보았을 때에 부분적으로 착화 상태가 불충분하고, 미연분의 생성 증대로 연결되는 영역이 생기는 염려가 있었다.

이것은, 원통 형상의 반송 배관의 접속부 근방에서 약 25m/s로 고속의 연료 함유 유체의 분류(噴流)가 짧은 연료 노즐 거리(축방향의 길이；예를 들면 약 3m)에서 「편평형 형상」으로 퍼지도록 흘릴 필요가 있는 것에 의한다.

즉, 고체연료는, 반송 유체에 비해 관성력이 크고, 연료가 흐르기 쉬운 폭이 넓은 방향의 중앙부에서는 연료 농도가 높으며, 연료가 흐르기 어려운 폭이 넓은 방향의 양단부에서는 연료 농도가 낮은 등, 연료 노즐 출구부 개구 단면 내의 폭이 넓은 방향으로 연료 함유 유체 중의 연료 농도 분포가 생기기 쉬운 것이 밝혀졌다.

연료 노즐에서의 연료 농도가 낮은 부분에서는 연료/산소량론비가 과소, 연료 농도가 높은 부분에서는 연료/산소량론비가 과대하게 되지만, 연료 농도 분포를 연료 노즐 둘레방향에 대해 거의 균일하게 하고, 또 외주(의 연소용 가스 노즐(주로 2차 공기 노즐))로부터의 연소용 가스의 연료 함유 유체에의 혼합도 연료 노즐 외주부에서 거의 균일하게 할 수 있다.

또, 상기 특허 문헌 1에는, 연료 노즐의 입구부에, 상기 노즐 내에서 연료를 균등하게 분배하는 유체 분배판을 설치한 것을 특징으로 하는 구조에 대해서의 기재가 있다. 이 유체 분배판은, 연료 함유 유체를 단순하게 충돌시켜 분산시키는 것에 의해 짧은 지름 방향의 연료 농도의 편차의 억제에는 효과를 가지지만, 긴 지름 방향의 연료 농도를 균일화시키는 기능은 가지고 있지 않았다. 그 결과, 도 18(c)와 도 18(d)에 나타내는 바와 같이, 연료 노즐 출구부의 연료 농도는, 긴 지름 방향의 중심부에서 높고 양단으로 낮은 분포가 된다.

또, 고체연료 버너로부터 분출하는 연소용 가스(공기)의 흐름은, 버너의 구조, 특히 연소용 가스의 유로의 형태에 크게 영향을 받는다. 특히, 고체연료 노즐 유체의 흐름에 직교하는 단면 형상을 편평한 것으로 하는 고체연료 버너에 있어서는, 편류(偏流)가 발생하기 쉽다. 이와 같이, 편류가 생기면, 버너로부터의 화염의 안정성이 나빠진다고 하는 과제가 있다. 특히, 고체연료 노즐 출구 외주부, 혹은 거기에 설치한 보염기 근방에서의 흐름이 중요하다. 즉, 고체연료 노즐의 외주부로부터 분출하는 연소용 가스의 분류를 둘레방향에서 균등하게 배분하면서, 연료 노즐의 중심축으로부터 외주부를 향하는 지름 방향의 노즐 출구 외주부 내지 보염기에 가까운 영역(연료 노즐의 내벽 근방)에는, 연료와 반송 가스와의 혼합 유체를 착화ㆍ보염에 충분한 연료 농도로까지 농축시키는 것이 중요하다.

또, 상기 특허 문헌 3에 기재된 발명에 있어서, FD나 점화 토치는 미분탄 공급 노즐 외주의 연소용 공기 공급부에 설치하고 있지만, 둘레방향의 설치 개소에 대해서는 특정하지 않았다. 미분탄 노즐 및 연소용 공기 공급구가 서로 동심원 형상이면, 문제는 되지 않지만, 미분탄 공급 노즐 출구의 형상이 사각형상, 타원 형상 혹은 대략 타원 형상의 경우에는, 안정된 화염의 검지나, 점화 토치로부터의 점화버너의 착화가 곤란하게 되는 문제가 생긴다.

본 발명의 과제는, 연료 노즐 출구에서 둘레방향에서의 연료 농도의 균일화를 도모하면서, 연료의 착화ㆍ보염에 충분한 연료 농도를 얻을 수 있어, 연소 배기가스의 저 NOx 농도화를 달성할 수 있는 고체연료 버너를 제공하는 것이다.

상기 본 발명의 과제는 다음의 해결 수단에 의해 달성된다.

청구항 1에 기재된 발명은, 고체연료와 상기 고체연료의 반송용 가스와의 혼합 유체가 흐르는 원통 형상의 연료 반송 배관(22)에 접속하는 고체연료 유로(2)를 가지는 화로 벽면(18)에 개구한 연료 노즐(8)과, 상기 고체연료의 연소용 가스가 흐르는 풍상(wind box, 3)에 연통하고, 상기 연료 노즐(8))의 외주벽 측에 형성되는 단일 혹은 복수의 연소용 가스 노즐(10, 15)을 가지는 고체연료 버너로서,

상기 연료 노즐(8) 내에 상기 노즐(8) 내의 고체연료 유로(2)의 횡단면을 축소시키는 압축부(constricting portion)를 가지는 벤투리(venturi, 7)와 상기 벤투리(7)의 후류측에 상기 노즐 내의 흐름을 바깥 방향으로 바꾸는 연료 농축기(6)를 구비하고, 상기 연료 노즐(8)은, (a) 보일러 화로 벽면(18)의 개구부(32) 근방에서의 개구 형상이 편평형 형상이며, (b) 연료 노즐(8)의 외주벽의 노즐 중심축(C)에 직교하는 단면 형상이, 상기 벤투리(7)의 압축부까지 횡단면이 원형이고, (c) 상기 벤투리(7)의 압축부로부터 상기 보일러 화로 벽면(18)에 형성된 개구부(32)에 이르기까지의 동안은, 서서히 편평 정도가 증대하는 부분을 가지며, (d) 보일러 화로 벽면(18)의 개구부(32)에서, 편평 정도가 최대의 편평형 형상이 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고체연료 버너이다.

청구항 2에 기재된 발명은, 상기 연료 노즐(8)의 외주벽의 선단 외주에 보염기(9)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재된 고체연료 버너이다.

청구항 3에 기재된 발명은, 상기 복수의 연소용 가스 노즐(10, 15) 내에서 가장 내측에 설치되는 2차 연소용 가스 노즐(10) 내에 설치되는 2차 연소용 가스 유로(4)는, 상기 2차 연소용 가스 노즐(10)의 외주벽의 상기 중심축(C)에 직교하는 단면 형상이, 2차 연소용 가스 유로(4)의 출구부에서 편평형 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재된 고체연료 버너이다.

청구항 4에 기재된 발명은, 상기 복수의 연소용 가스 노즐(10, 15) 내에서 가장 외측에 설치되는 3차 연소용 가스 노즐(15) 내의 3차 연소용 가스 유로(5)는, 3차 연소용 가스 노즐(15)의 외주벽의 상기 중심축(C)에 직교하는 단면 형상이, 화로 벽면(18) 근방의 3차 연소용 가스 유로(5)의 출구부에서 원형인 것을 특징으로 하는 청구항 3에 기재된 고체연료 버너이다.

여기서, 상기 「편평형 형상」이란, 도 1(a)의 장방형, 도 1(b)의 타원형, 도 1(c)의 반원형과 장방형을 조합한 형상, 도 1(d)의 폭이 넓은 다각형 등의 형상이며, 긴 지름이나 긴 변(W)과 짧은 지름이나 짧은 변(H)을 가지는 납작한 형상이라고 정의한다.

도 1(a)에서, 4개의 모서리부의 일부 또는 전부는 곡선 형상이라도 좋다. 마찬가지로 도 1(d)에서, 다각형의 모서리부의 일부 또는 전부가 곡선 형상이라도 좋다. 또, 상기의 각 형상에 있어서, 곡선부의 곡율은 일정한 곡율인 것으로 한정되지 않는다.

또, 상기 「편평 정도」란, 긴 지름이나 긴 변(W)과 짧은 지름이나 짧은 변(H)의 비(W/H)이다고 정의한다. 따라서, 서서히 편평 정도가 증가하는 것은, 연료 노즐(8)의 중심축(C)에 직교하는 단면의 비(W/H)가 조금씩 증가해 가는 것을 의미하고, 최대의 편평형 형상이란, 연료 노즐(8) 내에서 비(W/H)가 가장 큰 부분의 형상을 가리킨다.

실용상, 연료 노즐(8)의 화로 개구부(32)에서의 비(W/H)는, 1.5~2.5의 범위로 설정된다. 비(W/H)가 약 1.5를 밑돌면, 편평 정도(비율)의 증가가 충분하지 않고, 화로(11) 내에서의 화염이 폭이 넓은 방향으로의 퍼짐이 작기 때문에, 본 발명에 의한 고효율로 저 NOx의 연소 성능을 달성할 수 없다. 또, 비(W/H)가 약 2.5를 웃돌면, 연료 노즐(8)의 출구에서의 긴 지름이나 긴 변(W)의 치수가 너무 커져서, 연료 노즐(8)을 버너 개구부에 설치하는 것이 곤란해진다.

청구항 5에 기재된 발명은, 2차 연소용 가스 유로(4)가, 연소용 가스 유입부(17)로부터 화로 벽면(18)의 개구부(32)를 향하여 유로 단면적을 차례차례 축소하는 구조로 한 것을 특징으로 하는 청구항 3에 기재된 고체연료 버너이다.

청구항 6에 기재된 발명은, 2차 연소용 가스 유로(4)의 연소용 가스 유입부(17)의 가스 유입방향을 화로 벽면(18)에 수직인 방향으로 설치하고, 상기 연소용 가스 유입부(17)에 복수의 개구부(17aa, 17ba)를 가지는 평판(17a, 17b)을 배치한 것을 특징으로 하는 청구항 3에 기재된 고체연료 버너이다.

청구항 7에 기재된 발명은, 2차 연소용 가스 유로(4)의 연소용 가스 유입부(17)에 배치되는 평판(17a, 17b)의 개구부(17aa, 17ba)를 2차 연소용 가스 유로(4) 내에서의 연소용 가스의 유속이 상기 유로(4)의 둘레방향에서 균등하게 되도록 배치한 것을 특징으로 하는 청구항 6에 기재된 고체연료 버너이다.

청구항 8에 기재된 발명은, 2차 연소용 가스 유로(4)의 연소용 가스 유입부(17)의 단면적에 대한 평판(17a, 17b)의 개구부(17aa, 17ba)의 개구 비율을 0.05~0.30으로 한 것을 특징으로 하는 청구항 6에 기재된 고체연료 버너이다.

청구항 9에 기재된 발명은, 2차 연소용 가스 유로(4)의 연소용 가스 유입부(17)로부터 출구부를 향하고 상기 2차 연소용 가스 유로(4)의 유로 단면적의 축소율을 30%~80%로 한 것을 특징으로 하는 청구항 5에 기재된 고체연료 버너이다.

청구항 10에 기재된 발명은, 프레임 디텍터(40)와 점화 토치(41)를, 고체연료와 상기 고체연료 반송용 가스를 분출하는 연료 노즐(8)의 출구의 형상이 사각형상의 경우는 긴 변 측의 양단 상에, 상기 연료 노즐(8)의 출구의 형상이 타원 형상인 경우는 초점 상에, 상기 연료 노즐(8)의 출구의 형상이 직선부와 원주부를 가지는 대략 타원 형상의 경우는 직선부의 양단 상에 설치하는 것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재된 고체연료 버너이다.

청구항 1에 기재된 발명에 의하면, 연료 함유 유체는, 연료 노즐(8)의 내벽 근방의 연료 함유 유체 중의 연료 농도 분포를 균일하게 유지하면서 화로(11)에 공급되므로, 연료 노즐(8)의 내주 벽 근방의 산소량론비가 전(全) 내주에 걸쳐 적정하게 되고, 고효율로 저 NOx 농도 연료의 연소가 달성된다.

청구항 2에 기재된 발명에 의하면, 청구항 1에 기재된 발명의 효과에 더하여, 보염기(9)의 설치에 의해 연료 노즐(8)의 근방에서의 연료의 착화가 촉진되어, 고효율로 저 NOx 농도의 연료의 연소가 더 촉진된다.

청구항 3에 기재된 발명에 의하면, 청구항 1에 기재된 발명의 효과에 더하여, 2차 연소용 가스가 공급되는 보염기(9)와 2차 연소용 가스 노즐(10) 사이의 빈틈을 전체 둘레에 걸쳐서 균일하게 되도록, 2차 연소용 가스 노즐(10)의 외주벽의 중심축(C)에 직교하는 단면 형상을, 노즐 출구부에서 편평형 형상으로 함으로써, 연료 노즐(8)의 내주 벽 근방에 형성된 균일한 연료 농도 분포에 따라서, 2차 연소용 가스도 균일한 공급이 가능해진다. 즉, 연료 노즐(8)의 내주 벽 근방의 연료 농도가 높은 영역의 연료와, 상기 영역을 둘러싸는 외측의 2차 연소용 가스의 국소적 연료/연소용 가스 유량비율을 연료 노즐(8)의 출구부 전체 둘레 영역에서 균등하게 할 수 있기 때문에, 상기 전체 둘레 영역에서 최적인 연소가 얻어진다.

청구항 4에 기재된 발명에 의하면, 청구항 3에 기재된 발명의 효과에 더하여, 3차 연소용 가스 노즐(15)은 원형의 출구 형상을 가지고, 3차 연소용 가스 유로(5)가 편평형 형상의 연료 노즐(8)의 긴 지름 또는 긴 변(W)을 사이에 끼우고 상하로 배치되기 때문에, 3차 연소용 가스 노즐(15)도 연료 노즐(8) 및 2차 연소용 가스 노즐(10)과 같은 편평형 형상으로 한 경우에 비해 3차 연소용 가스와 연료의 혼합은 억제되고, 버너 중심부의 연료 과잉 구역(환원 구역)이 확대되며, 저 NOx 연소가 촉진된다.

또, 최외주의 3차 연소용 가스 노즐(15)의 출구 형상을 원형으로 함으로써, 신설 버너로서의 적용뿐만 아니라, 원형의 버너 개구부를 가지는 이미 설치된 버너의 개조에의 적용도 용이하다.

청구항 5에 기재된 발명에 의하면, 청구항 3에 기재된 발명의 효과에 더하여, 상기 2차 공기 유로(4)의 연소용 가스 유입부(17)로부터 화로(11) 내에의 분출구인 출구부를 향하고, 상기 유로(4)의 유로 단면적을 차례차례 축소해 감으로써, 2차 공기 유로(4)의 출구부를 향하여 둘레방향으로, 차례차례 균일한 유속에 가까워진다.

청구항 6에 기재된 발명에 의하면, 청구항 3에 기재된 발명의 효과에 더하여, 2차 공기 유로(4)의 연소용 가스 유입부(17)의 가스 유입방향을 화로 벽면(18)에 수직인 방향으로 설치하고, 복수의 개구부(17aa, 17ba)를 가지는 평판(17a, 17b)을 배치함으로써, 화로(11) 내에서의 2차 공기의 분출량을 2차 공기 유로(4) 출구부의 둘레방향에서 균등화할 수 있기 때문에, 화염의 안정화에 기여함과 함께, 연소성도 양호하게 되기 때문에 CO나 연료의 미연분의 저감에도 연결된다. 특히, 최외주부의 3차 공기 유로(5) 내의 3차 공기유량을 화로(11)의 상하로 변경할 수 있는 버너(31)에서는, 이 2차 공기 유로(4)의 출구부에서의 2차 공기의 분출량을 둘레방향에서 균등화할 수 있고, 이 균등화가 보염 강화의 면에서 중요하다.

청구항 7에 기재된 발명에 의하면, 청구항 5에 기재된 발명의 효과에 더하여, 2차 연소용 가스 유로(4)의 연소용 가스 유입부(17)에 배치되는 평판(17a, 17b)의 개구부(17aa, 17ba)를 2차 연소용 가스 유로(4) 내에서의 2차 연소용 가스의 유속이 상기 유로(4) 내의 둘레방향에서 균등하게 되도록 배치했으므로, 2차 연소 가스 유로(4)의 출구부에서의 2차 공기의 분출량을 둘레방향에서 균등화할 수 있어 보염 강화를 도모할 수 있다.

청구항 8에 기재된 발명에 의하면, 청구항 5에 기재된 발명의 효과에 더하여, 2차 연소용 가스의 유속을 2차 연소용 가스 유입부(17)의 단면적에 대한 평판(17a, 17b)의 개구부(17aa, 17ba)의 개구 비율을 0.05~0.30으로 설정함으로써 최대 유속과 최소 유속의 비가 2 이하가 되므로 2차 연소용 가스 유로(4)의 출구부 둘레방향에서의 유속을 균등화할 수 있어, 2차 연소용 가스 흐름의 편류가 없어진다.

청구항 9에 기재된 발명에 의하면, 청구항 5에 기재된 발명의 효과에 더하여, 2차 연소용 가스 유로(4)의 연소용 가스 유입부(17)로부터 출구부를 향하고 상기 2차 연소용 가스 유로(4)의 유로 단면적의 축소율(정의는 후술)을 30%~80%로 했으므로, 최대 유속과 최소 유속의 비가 너무 크게 변화하지 않기 때문에, 2차 연소용 가스 유로(4)의 출구부 둘레방향에서의 유속을 균등화할 수 있어, 2차 연소용 가스 흐름의 편류가 없어진다.

청구항 10에 기재된 발명에 의하면, 청구항 1에 기재된 발명의 효과에 더하여, 고체연료 버너의 연소 성능을 유지한 채, 점화 토치(41)의 화염을 확실히 검지할 수 있기 때문에, 상기 고체연료 버너를 구비한 연소 장치 등의 기동 조작 등에서의 오동작을 없앨 수 있다.

도 1은, 본 발명의 일실시예에 따른 미분탄 노즐의 개구부의 각종 횡단면 형상을 나타내는 도이다.
도 2는, 본 발명의 일실시예에 따른 미분탄 버너의 측단면도(도 2(a))와 화로측에서 본 정면도(도 2(b))와 도 2(a)의 A－A에서 본 선단면도(도 2(c))와 미분탄 버너의 수평 단면도(도 2(d))이다.
도 3은, 도 2의 미분탄 버너의 미분탄 노즐 내의 미분탄 주류의 유동 상태를 설명하는 도(도 3(a)은 측단면도)와 화로측에서 본 정면도(도 3(b))와 수평 단면도(도 3(c))와 도 2의 미분탄 노즐 출구부의 미분탄 농도 측정 결과를 나타내는 도(도 3(d))이다.
도 4는, 일반적인 미분탄 버너의 보염기 근방의 연료 농도/평균 연료 농도와 착화성의 관계를 나타내는 도이다.
도 5는, 본 발명의 일실시예의 미분탄 버너의 2차 공기 유로의 유입부에 설치된 평판의 평면도(도 5(a))와 상기 평판의 반의 사시도(도 5(b))이다.
도 6은, 본 발명의 일실시예의 미분탄 버너의 2차 공기유입부에 설치된 평판의 다른 실시예이고, 도 6(a)는 2차 공기유입부의 평판의 평면도, 도 6(b)는 상기 평판의 반의 사시도이다.
도 7은, 본 발명의 일실시예의 미분탄 버너의 2차 공기유입부의 개구 비율과 2차 공기 유로의 출구부에서의 유속 분포와의 실측치의 관계도이다.
도 8은, 본 발명의 일실시예의 미분탄 버너의 2차 공기유입부의 단면적에 대한 2차 공기 출구부의 단면적의 축소율과 2차 공기 유로에서의 최대 유속과 최소 유속의 비의 관계를 나타내는 도이다.
도 9는, 본 발명의 일실시예의 미분탄 버너의 2차 공기 유로의 2차 공기 입구부에 평판을 설치하지 않는 경우(도 9(a))와 설치한 경우(도 9(b))에서의 2차 공기 입구부의 유속 분포의 모식도이다.
도 10은, 본 발명의 일실시예의 미분탄 버너의 측단면도이다.
도 11은, 도 10의 B－B에서 본 선단면도이다.
도 12는, 본 발명의 일실시예의 미분탄 버너의 변형예(도 10의 B－B에서 본 선단면도)이다.
도 13은, 본 발명의 일실시예의 미분탄 버너의 변형예(도 10의 B－B에서 본 선단면도)이다.
도 14는, 본 발명의 일실시예의 미분탄 버너의 변형예(도 10의 B－B에서 본 선단면도)이다.
도 15는, 본 발명의 일실시예의 미분탄 버너의 화로벽으로의 배열 예를 나타내는 도(도 15(a), 도 15(b))이다.
도 16은, 도 15(a)의 버너를 배치한 화로 전체의 측단면도(도 16(a))와 도 16(a)의 A－A에서 본 선단면도(도 16(b))이다.
도 17은, 종래 기술의 편평형 형상이 아니라 횡단면 형상이 원형의 미분탄 노즐을 가지는 버너를 배치한 화로 전체의 측단면도(도 17(a))와 도 17(a)의 B－B에서 본 선단면도(도 17(b))이다.
도 18은, 종래 기술의 미분탄 버너 노즐의 수평 단면도(도 18(a))와 도 18(a)의 A－A에서 본 선단면도(도 18(b))와 도 18(a)의 연료 노즐의 가로폭 방향에서의 연료 농도 분포에 대해 평균 농도를 1.0으로 했을 때의 상대치로 나타낸 도(도 18(c))와 미분탄 노즐의 개구부 출구 단면에서의 연료 농도 분포(영역)에 대해 평균 농도를 1.0으로 했을 때의 상대치로 나타낸 도(도 18(d))이다.

본 발명의 실시예를 도면과 함께 설명한다.

도 2는 본 발명의 버너의 최량인 실시형태예를 나타낸다.

먼저 고체연료 버너(31)(이하, 미분탄 버너(31)라고 하는 경우가 있다.)의 전체 구성에 대하여 설명한다. 도 2에서는, 중심에 기름 등을 연료로 하는 기동용 버너(1), 그 주위에 반송용 가스(공기 등)에 의하여 반송되는 고체연료(미분탄 등)의 유로(2), 또한 그 주위에 연소용 가스(공기)를 풍상(3) 내에서 2분할하고, 2차 연소용 가스(이하 2차 공기라고 하는 경우가 있다.)의 유로(4)와 3차 연소용 가스(이하 3차 공기라고 하는 경우가 있다.)의 유로(5)가 설치되어 있다. 상기 고체연료와 반송용 가스의 혼합 유체의 유로(2)에는 일단 유로를 좁히고, 그 후 확대하는 벤투리(7) 및 연료 농축기(6)를 설치, 연료 노즐(8)(이하 미분탄 노즐(8)이라고 하는 경우가 있다.) 출구부의 외주에는 보염기(9)가 설치되어 있다.

도 2(b)에는 화로(11) 측에서 본 미분탄 버너의 화로(11) 측에서 본 정면도를 나타낸다. 보염기(9)는, 상기 보염기(9)의 후류측에 순환류를 형성하여 착화성과 보염 효과를 높이도록 미분탄 노즐(8)의 선단부에 링 형상으로 설치된다. 도 2(b)에는, 미분탄 노즐(8) 측에는 상어 이빨 형상의 돌기를 형성한 보염기(9)를 이용한 예를 도시하고 있다.

또, 이 미분탄 버너(31)의 미분탄 노즐(8) 및 2차 공기 노즐(10)의 형상은 화로(11)(도 16 참조) 측에서 보아 편평형 형상으로 되어 있다. 2차 공기유입부(17)로부터 2차 공기가 2차 공기 유로(4) 내로 유입하고, 보일러 화로(11) 측의 출구로부터 미분탄 노즐(8)의 주위로 연소용 2차 공기를 공급한다.

3차 공기유입부(12)에는 개구 면적을 조절할 수 있는 복수의 개구부재(13)를 형성하고 있다. 또, 화로(11) 측 출구부의 3차 공기 노즐(15)은 외측으로 넓어지고, 3차 공기는 화로(11) 내에서는 외측을 향하여 공급된다.

다음에, 미분탄 노즐(8)의 구조의 상세와 본 구조에 의한 특유의 효과에 대해 설명한다.

미분탄과 반송용 가스와의 혼합 유체(21)는 연료 반송 배관(22)을 통해 버너 도입부(23)로 유도된다. 버너 도입부(23) 이후의 미분탄과 반송용 가스와의 혼합 유체 유로(2)는, 벤투리(7)에서 일단 좁혀진 후, 확대한다. 벤투리(7)의 상하 방향으로의 확대(H1)는, 버너 도입부(23)의 미분탄 노즐(8)의 내경(D1) 보다 작은 범위에 머무르고, 그 후, 혼합 유체 유로(2)를 구성하는 미분탄 노즐(8)의 상하벽은 화로(11)(도 16 참조)를 향한 직진 방향으로 연장된다. 벤투리(7) 부근에서의 혼합 유체 유로(2)의 수평 방향에의 확대는, 미분탄 노즐(8)의 출구 근방까지 계속 되고, 확대 과정에서 미분탄 노즐(8)의 단면 형상은 원형으로부터 편평형 형상으로 변화하며, 수평 방향에의 확대에 수반하여 편평 정도(비율)는 조금씩 증가한다. 미분탄 노즐(8)의 수평 방향에의 확대 종료 후의 직선 부분은, 보염기(9)를 장착하기 때문에 설치되어 있고, 보염기(9)의 장착 방법을 궁리함으로써, 미분탄 노즐(8)의 수평 방향의 확대는 보염기(9) 부분까지 계속해도 좋다. 편평 정도(율)는 미분탄 노즐(8)의 출구부, 즉 보염기(9)의 영역에서 최대로 된다.

버너 도입부(23)로부터 미분탄 노즐(8) 출구까지의, 미분탄 노즐(8) 내의 미분탄의 주류의 흐름을 도 3에 나타낸다. 도 3(a)는 미분탄 노즐(8)의 세로 방향 단면도이며, 도 3(b)는 미분탄 노즐(8)의 수평 방향 단면도이다. 미분탄 노즐(8) 내의 벤투리(7) 이후의 흐름에 있어서, 도 3 중에서 반점 모양을 실시한 부분(35)은, 미분탄의 농축된 영역을 모식적으로 표시한 것이다.

상기 미분탄과 반송 가스의 혼합 유체는 벤투리(7)의 압축 과정에서 중심축(C)을 향하여 축류(縮流)로 되고, 연료 농축기 서포트관(24)을 따른 원환 형상 흐름을 형성한다. 이 흐름이 연소 농축기(6)에 도달하면, 연료 농축기(6)의 전면의 경사부에 의해 바깥 방향으로 흐름을 바꿀 수 있다.

한편, 연료 농축기(6)의 구조 예로서는, 연료 농축기 서포트관(24)을 중심 축으로 하고 축방향 단면적이 증대하는 원뿔 형상의 전면(前面) 경사부와, 그 후류측에 축방향 단면적이 거의 동일한 원기둥 형상의 평행부, 또한 그 후류측에 축방향 단면적이 감소하는 원뿔 형상의 후면 경사부가 형성된 것을 들 수 있다.

후면 경사부가 위치하는 미분탄 노즐(8) 내의 유로는, 유로 단면적이 크게 증대하기 때문에 유로 확대부라고 칭하기도 한다.

버너 도입부(23)에서 미분탄 노즐(8) 내의 미분탄의 유량 분포가 균일하지 않은 경우에서도, 벤투리(7)의 압축부에서 연료가 일단, 중심축(C)방향으로 모아지고, 그 후, 연료 농축기(6)로 퍼지는 과정에서, 둘레방향의 연료 유량 분포는 균일화된다. 연료 농축기(6)로 퍼진 미분탄의 흐름 중에서, 연직 방향 성분의 흐름은 도 3(a)에 나타내는 바와 같이 바로 상하의 미분탄 노즐(8) 내주 벽의 수평부에 충돌하여, 직진 방향으로 바꾸어지고, 수평 방향 성분의 흐름은 연료 농축기(6)의 전면의 경사부에서 부여된 외부로 향한 속도성분이 미분탄 노즐(8)의 출구부까지 보존되며, 미분탄의 주류는 미분탄 노즐(8)의 출구 이후의 화로(11)에 유입 후도 계속 퍼진다.

상기한 미분탄 노즐(8)의 구조 및 벤투리(7)와 연료 농축기(6)의 조합에 의해, 미분탄의 흐름을 편평형 형상으로 하여 편평 정도(비율)를 미분탄 노즐(8)의 출구 이후도 확대시킴과 동시에, 보염기(9) 주위의 미분탄 노즐(8)의 내주 벽 근방의 연료 농도 분포를 균일하게 할 수 있다.

도 3(d)는 도 2의 미분탄 노즐(8)의 출구부의 미분탄 농도 측정 결과를 나타내는 도이고, 본 실시예의 미분탄 노즐(8)의 출구부에서 연료 농도의 분포를 측정한 일례를 나타낸다. 미분탄 노즐(8) 중앙부의 연료 농도/평균 연료 농도는 0.8배 이하로 희박하고, 외주부로 가까워질수록 연료 농도는 진해지며, 최외주부의 연료 농도는, 평균 농도의 1.5배 정도로 농축된다. 또, 미분탄 노즐(8)의 둘레방향의 농도 분포는 균일하고, 예를 들면 착화에 중요한 역할을 완수하는 보염기(9)에 가장 가까운 미분탄 노즐(8)의 최외주부의 연료 농도 편차는, 연료 농도/평균 연료 농도로 ±0.1배 정도로 억제되어 있다. 이와 같이, 미분탄 노즐(8)의 둘레방향에서 균일한 연료 농도가 얻어짐으로써, 안정된 착화 보염성이 얻어진다.

여기서, 상기한 미분탄 노즐(8)의 구조 및 벤투리(7)와 연료 농축기(6)의 조합에 해당하지 않는 도 18에 나타내는 종래 기술의 연료 노즐(42)의 출구부에서의 농도 분포를 조사했다. 한편 도 18의 연료 노즐(42)은, 상기 특허 문헌 1에 나타낸 버너 형상이고, 도 18(a)에는 미분탄 노즐(42)의 수평 단면도를 나타내며, 도 18(b)에는 도 18(a)의 A－A에서 본 선단면도를 나타낸다.

도 18(c)는, 도 18(a)의 미분탄 노즐(42)의 수평 단면도에 대응하는 미분탄 노즐(42)의 가로폭 방향에서의 연료 농도 분포에 대하여 평균 농도를 1.0으로 했을 때의 상대치로 표시한 도이고, 도 18(d)는, 미분탄 노즐(42)의 개구부 출구 단면에서의 연료 농도 분포(영역)에 대하여 평균 농도를 1.0으로 했을 때의 상대치로 표시한 도이다.

이와 같이 도 18에 나타내는 비교예에서는 수평 방향(노즐 폭이 넓은 방향) 중앙부의 농도가 높고, 양단부 측으로 멀어짐에 따라 연료 농도가 저하하며, 중앙부로부터 가장 멀어진 양단부에서는 평균치의 0.5배 정도로까지 저하해 버린다. 이것은, 공기의 흐름이 노즐 형상과 같도록 수평 방향으로 퍼지는 것에 대해, 고체 입자인 미분탄은 수평 방향 등으로 분산되지 않고, 노즐 형상을 따라서 퍼지지 않고 중앙부에 집중하기 때문이다. 따라서, 도 3(c)에 나타내는 본 발명의 연료 분류와 같은, 수평으로 분산하는 분류 형상은 얻을 수 없다.

여기서 만일 특허 문헌 1의 도면 등에 나타낸 바와 같이, 미분탄 노즐(42)의 폭이 넓은 방향 전역에 걸쳐서, 미분탄 노즐(42)의 상하 방향으로 연료를 농축시키는 형태의 연료 농축기를 설치했다고 해도, 상하 방향 노즐(42)의 개구부 상변측 및 하변측에는 연료가 농축되지만, 노즐(42)의 수평 방향(가로폭 방향) 중앙부의 미분탄 농도가 높고, 양단부측으로 멀어짐에 따라서 미분탄 농도가 저하하며, 중앙부로부터 가장 멀어진 양단부의 미분탄 농도가 낮은 것에는 변화가 없다.

미분탄 노즐(8)의 최외주부의 연료 농도와 착화 보염성의 관계는, 연료 농도가 높아질수록 양호하게 된다. 따라서, 도 18에 나타내는 미분탄 노즐 형상의 경우, 미분탄 노즐(42)의 최외주부 중, 연료 농도가 1.3 이상이 되는 중앙부에서는 착화 보염이 유지되지만, 연료 농도/평균 연료 농도가 1.0배 이하가 되는 양단부에서의 착화성은 저하한다.

한편, 본 발명으로 되는 미분탄 노즐 형상의 경우, 미분탄 노즐(8)의 최외주부의 연료 농도는, 평균 농도의 1.5배 정도로 균일하게 농축되어 있고, 미분탄 노즐(8)의 전체 둘레에서 착화 보염성이 양호하게 된다.

미분탄 노즐 최외주부의 연료 농도를 평균 농도보다 농축하고, 또한 둘레방향으로 균일하게 투입하는 이점으로서 이하를 생각할 수 있다. 첫째는, 먼저 서술한 바와 같이 착화 보염성을 유지함으로써, 고체연료의 연소를 촉진하는 것이다. 연소성을 촉진함으로써 고효율 연소가 가능해진다.

둘째는, 착화 보염성을 향상시킴으로써, 저(低) NOx 연소에 의해 효과를 일으키는 것이다. 본 발명에 의한 고체연료 버너의 경우, 미분탄 노즐 출구에서 형성된 화염과 3차 공기 등의 외주 공기는 바로 혼합되지는 않는다. 연료 분류와 외주 공기 분류 동안에는 순환 영역을 형성하고, 노 내의 가스가 버너 근방까지 역류하는 현상이 생긴다. 이 영역에서는, 연소 가스가 체류하고 있기 때문에, 산소 농도가 낮고, 미분탄 노즐 출구에서 형성된 화염에서 생기는 NOx는 이 영역에서 환원된다. 이 상태를 환원역(還元域)이라고 칭한다. 미분탄 노즐 출구에서의 착화를 앞당김으로써, 환원역의 체류 시간을 충분히 확보할 수 있기 때문에, 연소 가스 중의 NOx 농도를 저감하는 것이 가능해진다.

도 18에 나타내는 미분탄 노즐 형상의 경우, 미분탄 노즐(42) 출구에서의 착화성은, 둘레방향에서 불균일하고, 양단부에서는 착화 보염성이 불량하게 되며, 환원역에서의 체류 시간을 확보할 수 없으므로, NOx 농도가 높아진다. 한편, 본 발명에 의한 미분탄 노즐 형상의 경우, 미분탄 노즐(8)의 최외주의 연료 농도는 둘레방향에서 균일하고 또 평균 농도보다 높기 때문에, 착화 보염성이 우수하며, 환원역에서의 체류 시간도 충분히 확보됨으로써, 저(低) NOx 연소가 가능해진다.

다음에, 본 발명의 도 2에 나타내는 실시예에서의 2차 공기 노즐(10)에 대하여 설명한다. 도 2의 2차 공기 노즐(10)은, 보염기(9)와의 사이의 빈틈을 전 둘레에 걸쳐서 균일하게 하는 편평형 형상으로 하고 있다(도 2(c) 참조).

한편, 본 실시예에서는, 2차 공기 노즐(10)의 내주 벽은, 미분탄 노즐(8)(연료 노즐)의 외주벽에 상당한다.

도 2(c)에 나타내는 바와 같이, 2차 공기 노즐(10)과 보염기(9)의 사이의 빈틈은 전 둘레에 걸쳐서, 거의 균일하게 되어 있다. 따라서, 미분탄 노즐(8)의 내주 벽 근방에 형성된 균일한 연료 농도 분포에 따라서, 2차 공기도 둘레방향으로 균일하게 공급할 수 있다. 즉, 미분탄 노즐(8)의 내주 벽 근방의 연료 농도가 높은 영역의 연료와, 상기 영역을 둘러싸는 외측의 2차 공기의 국소적 연료/연소용 가스 유량비율을 미분탄 노즐(8)의 출구부의 전체 둘레 영역에서 균일하게 할 수 있기 때문에, 상기 전체 둘레 영역에서 최적인 연소가 얻어진다.

도 2에 나타내는 본 실시예에 있어서는, 3차 공기 노즐(15)은 원형의 출구 형상을 가지고 있고, 3차 공기 유로(5)는 미분탄 노즐(8)을 사이에 끼우고 상하로 배치된다(도 2(c) 참조). 그 결과, 3차 공기와 연료의 혼합은 억제되어, 저(低) NOx 연소가 촉진된다.

또한, 미분탄 버너(31)의 최외주의 3차 공기 노즐(15)의 출구 형상을 원형으로 함으로써, 신설 버너로서의 적용뿐만 아니라, 원형의 버너 개구부를 가지는 이미 설치된 버너의 개조에의 적용도 용이해진다.

화로 벽면(18)을 구성하는 수벽관은, 화로 벽면(18)의 버너 개구부(32)를 우회하도록 가공할 필요가 있지만, 그 가공하는 정도는 버너(31)를 대용량화 할수록 현저하게 된다. 최외주의 3차 공기 노즐(15)의 출구 형상이 원형이면, 버너 개구부(32)를 형성하기 위해서, 만곡 형상으로 가공되는 수벽관의 곡율이 비교적 큰 매끄러운 형상으로 할 수 있다. 이것에 의해 상기 수벽관의 가공이 행해지기 쉽고, 굽힘 가공 때의 응력 집중을 완화할 수 있는 것 외, 수벽관의 내부를 흐르는 내부 유체의 저항 증대를 억제할 수 있다.

다음으로 2차 공기 유로(4)의 2차 공기 노즐(10)로부터의 2차 공기의 분출을 둘레방향에서 균등화함으로써 화염의 안정을 도모하기 위한 구성에 대하여 설명한다.

2차 공기 유로(4)는, 2차 공기유입부(2차 공기 입구부)(17)로부터 화로측의 2차 공기 출구를 향하여 유로 단면적이 축소하는 구조로 되어 있다.

우선, 2차 공기 유로(4)의 출구부에서의 유속 분포에 대한 2차 공기유입부(17)의 단면적과 2차 공기 유로(4)의 출구부 부근의 단면적과의 비의 영향을 검토했다.

본 발명자들이 독자적으로 조립한 유동 시험 장치를 이용하여, 상기 단면적 비율과 2차 공기 유로(4)의 출구부에서의 유속 분포와의 관계를 실험으로부터 평가했다. 장치는 도 1에 나타내는 출구 형상을 가지는 미분탄 버너(31)와 같은 형상의 것을 제작하여, 유입부(17)의 단면적과 출구부 근방의 단면적 비를 바꾸고, 2차 공기 유로(4)의 출구부를 둘레방향에서 16 등분하여 각 부의 유속을 열선 풍속계로 측정했다. 한편, 유체는 상온의 공기를 이용했다. 유속의 균등화를 나타내는 지표로서는, 최대 유속과 최소 유속의 비를 취하여 평가했다. 최대 유속과 최소 유속의 비가 1이 되면, 유속이 균등화하고 있는 것을 나타낸다.

도 8에 평가 대상으로 한 2차 공기유입부(17)의 단면적에 대한 2차 공기 출구부의 단면적의 축소율과 2차 공기 유로(4)에서의 최대 유속과 최소 유속의 비의 관계를 나타낸다. 도 8에 있어서의 가로축의 단면적 축소율은 하기에서 정의한 것이다. 다만, 여기에서는 2차 공기유입부(17)에 평판(17a, 17b)을 설치하지 않았다.

또, 2차 공기유입부(17)의 출구부 단면적은 보염기(9)가 없는 상태, 바꾸어 말하면 2차 공기 유로가 보염기(9)에 의하여, 축소되기 직전의 단면적을 가리킨다.

단면적 축소율=(1－출구부 단면적/유입부 단면적)×100(%)

그 결과, 축소율 약 40%까지는 최대 유속과 최소 유속의 비가 크게 감소하고, 그 이후는 점차 감소하여 1에 가까워진다. 축소율 30% 이상으로 하면, 최대 유속과 최소 유속의 비가 2 이하였다. 그러나, 단면적 축소율을 너무 크게 하면, 후술하는 개구 비율과 마찬가지로 유입하는 가스량이 감소해 버리기 때문에, 2차 공기 유로(4)의 단면적 축소율은, 30~80%로 설정하는 것이 바람직하다.

다음에, 2차 공기 유로(4)의 2차 공기유입부(17)에 설치한 평판(17a)의 형상에 관한 실시예를 도 5에 나타낸다. 도 5(a)에는 평판(17a)의 평면도를 나타내고, 도 5(b)에는 평판(17a)의 반의 사시도를 나타낸다.

도 5(a)에 나타내는 실시예에서는, 모서리가 둥근 장방형의 평판(17a)에 복수의 원형 개구부(17aa)를 상하 및 좌우 대칭으로 형성하고 있다. 한편, 내부의 큰 원형 개구부는 미분탄 노즐(8)과의 접촉부이다. 또, 이 평판(17a)은 장착하기 쉽게 하기 위해서 도 10(b)에 나타내는 바와 같이, 좌우로 반 나눈 구조로 되어 있다. 이 실시예에서는, 2차 공기유입부(17)에 형성된 평판(17a)의 개구 비율은, 약 9%이다.

도 6에는, 2차 공기유입부(17)에 배치하는 평판의 다른 실시예를 나타낸다. 도 6(a)에는 2차 공기유입부(17)에 설치한 평판(17b)의 평면도를 나타내고, 도 6(b)에는 평판(17b)의 반의 사시도를 나타낸다. 2차 공기유입부(17)에 형성한 평판(17b)의 개구 비율은 약 11%이다.

한편, 도 5와 도 6에 나타내는 실시예에서는, 2차 공기유입부(17)의 개구부에 형성하는 평판(17a, 17b)의 개구부를 개구부(17aa, 17ba)와 같이 원형으로 했지만, 본 발명은 이러한 형상으로 한정되지 않고, 타원형, 사각형 등의 다각형으로 해도 좋다. 또, 2차 공기유입부(17)의 구조에 의하여, 평판(17a, 17b)도 모서리가 둥근 장방형뿐만 아니라, 원형, 각형(角型) 등 여러 가지 형상을 채용할 수 있다. 그러나, 2차 공기 유로(4) 출구부의 횡단면 방향에서의 유속을 균등하게 하기 위해서는, 2차 공기유입부(17)의 평판(17a, 17b)의 개구부의 배치는 상하 및 좌우 대칭인 것이 바람직하다.

이 2차 공기유입부(17)의 평판(17a, 17b)의 개구 비율에 대하여 2차 공기 유로(4)의 출구부에서의 유속 분포에 대하여 상술과 같은 유동 시험으로 검토한 결과를 도 7에 나타낸다. 도 7의 결과로부터, 상기 개구 비율 0.10 부근에서 2차 공기 유로(4)의 출구부의 최대 유속과 최소 유속의 비가 최소가 되고, 개구 비율 0.30 이하에서 최대 유속과 최소 유속의 비가 2 이하였다. 그러나, 개구 비율을 너무 작게 하면, 유입하는 가스량이 극단적으로 감소해 버리기 때문에, 2차 공기유입부(17)의 개구 비율은, 0.05~0.30으로 설정하는 것이 2차 공기 유로(4)의 출구부에서의 유속을 균일하게 하기 위해서 바람직하다.

도 9에, 2차 공기 유로(4)의 2차 공기 입구부(17)에 도 5나 도 6에 나타내는 개구부(17aa, 17ba) 부착의 평판(17a, 17b)을 설치하지 않는 경우(도 9(a))와 설치한 경우(도 9(b))에서의 2차 공기 입구부(17)의 유속 분포의 모식도를 나타낸다. 2차 공기가 흐르는 방향과 세기를 화살표의 방향과 길이로 나타낸다.

도 9(a)에 나타내는 평판(17a, 17b)을 설치하지 않는 경우, 윈드 박스(3) 내의 가스 흐름의 방향에 의해(도 9에 나타내는 예에서는 도면의 좌 상방으로부터 2차 공기가 공급되고 있다.), 2차 공기 유로(4)의 2차 공기 입구부(17)로 2차 공기가 유입되면 편류로 되고, 유속 분포도 2차 공기 입구부(17)의 단면에서 차이가 생겨 버린다. 이러한 편류나 유속 분포는, 2차 공기 출구부의 유속 분포에 영향을 준다. 한편, 도 9(b)에 나타내는 2차 공기 입구부(17)의 개구부(17aa, 17ba)붙이의 평판(17a, 17b)을 설치한 경우는, 평판(17a, 17b)에 의한 저항으로, 상기 편류나 유속 분포의 차이는 해소되고, 2차 공기 입구부(17)로 유입하는 공기 흐름은, 거의 균일 유속의 직진 흐름만으로 된다.

이하, 2차 공기 노즐(10) 내에는, 프레임 디텍터(FD)(40)를 설치하여 점화버너(1)로부터의 화염이나 버너(31)의 출구에서의 미분탄 화염을 검지하는 구성에 대하여 설명한다. 또, 점화 토치(41)는 점화버너(1)를 확실히 착화시키기 위해서 설치된다.

도 10에 본 발명의 일실시예의 미분탄 버너(31)의 측단면도를 나타내고, 도 11에 도 10의 B－B에서 본 선단면도를 나타낸다. 또한 도 10은 도 2에 나타내는 미분탄 버너(31)의 측단면도와 동일하지만, 일부 부재의 도시를 생략하고 있다.

도 10, 도 11에 나타내는 미분탄 버너(31)의 미분탄 노즐(8)의 출구 형상은, 짧은 지름부와 긴 지름부를 가지는 사각형상, 타원 형상 혹은 직선부와 원주부를 가지는 대략 타원 형상으로 되어 있고, 그 외주부는 타원 혹은 대략 타원 형상의 2차 공기 노즐(10)이 있으며, 또한 외주의 3차 공기 노즐(15)의 형상은 점화(기동용)버너(1)와 동심원 형상이다.

3차 공기 노즐(15)에는, 버너 중심 수평 단면의 상하를 분할하는 칸막이 판(14)이 삽입되어 있고, 상하에 투입하는 3차 공기유량을 변화시킬 수 있다.

즉, 2차 공기 노즐(10)의 외주벽과 3차 공기 노즐(15)의 내주 벽에는 칸막이 판(14)이 설치되고, 상기 칸막이 판(14)에서 3차 공기 유로(5)를 상하로 2분할 하고 있다. 상기 칸막이 판(14)은 윈드 박스(3) 내를 상하로 양분하는 칸막이 판(14)이기도 하다. 그 때문에 상하로 2분할 한 3차 공기 유로(5)에 도입하는 윈드 박스(3)로부터 3차 공기량을 각각 댐퍼(30a~30d)로 조정함으로써, 각각의 유로를 흐르는 연소용 공기의 운동량에 편차를 부여하는 것이 가능하게 되며, 미분탄 버너(31)로부터 분출하는 화염을 화로(11) 내에서 상하 방향으로 편향시킬 수 있다.

미분탄 노즐(8) 상측의 2차 공기 노즐(10) 내에는, FD(40)와 점화 토치(41)가 설치되어 있다. FD(40)는 버너(31)의 중심부에 설치한 점화버너(1)로부터의 화염이나 미분탄 화염을 검지하는 목적을 가지고 있고, 보일러 화로(11)의 전후 측벽면(18)에 설치된 버너(31)로부터의 화염이 부력 및 상승류에 의해 상향으로 구부러지기 때문에, FD(40)는 버너 중심을 포함하는 수평선보다 상측에 설치하는 것이 바람직하다.

또, FD(40)에는 점화 토치(41)의 화염을 검지하는 목적도 있기 때문에, FD(40)와 점화 토치(41)는 같은 면에 설치하는 것이 바람직하고, 따라서 점화 토치(41)도 버너 중심을 포함하는 수평선보다 위쪽에 설치하는 것이 바람직하다.

FD(40)나 점화 토치(41)는, 연소용 공기 노즐(10, 15) 내로 파이프를 통과 시키기 때문에, 설치 위치에 따라서는, 외주 공기의 흐름을 저해하게 된다. 2차 공기 노즐(10)의 분출구는, 미분탄 노즐(8)의 긴 지름부의 외주에서 단면적이 넓게 되어 있기 때문에, 짧은 지름부의 외주보다 긴 지름부의 외주벽이 2차 공기의 유량은 많다.

미분탄 노즐(8)의 짧은 지름부의 외주벽에 FD(40)나 점화 토치(41)를 설치한 경우, 연소용 공기의 흐름을 저해하기 때문에, 짧은 지름부 외주벽에는 공기가 흐르지 않게 된다.

그 경우, FD(40)나 점화 토치(41)를 냉각하는 것이 없어지기 때문에, 화로(11)로부터의 복사열에 의해 FD(40)나 점화 토치(41)가 소손할 우려가 있다. 한편, 미분탄 노즐(8)의 긴 지름부 외주벽은 공기유량이 많기 때문에, 소손의 가능성은 저감하지만, 예를 들면 점화 토치(41)의 경우는, 연소용 공기의 유량이 많으면 점화버너(1)에의 토치 화염이 날려 버려지기 때문에, 연소용 공기량이 많은 곳에 설치하는 것은 바람직하지 않다.

점화 토치(41)는, 점화버너(1)를 확실히 착화시키기 위해서는, 연소용 공기유량이 적은 곳에 설치하는 것이 바람직하다.

FD(40)는, 소손 방지의 관점에서 연소용 공기량이 많은 곳에 설치하는 것이 바람직하지만, 미분탄 노즐(8)의 출구 형상이 사각형상이나 타원 형상, 혹은 대략 타원 형상의 경우, 출구의 양단 상에 연료의 진한 영역이 형성되기 때문에, FD(40)는 가능한 한 연료의 진한 영역을 보도록 설치하는 편이, 화염의 검지 감도가 양호하게 된다.

따라서, FD(40)나 점화 토치(41)는, 연소용 공기량이 적고, 연료의 진한 영역에서, 또 소손의 가능성을 저감할 수 있는 영역에 설치하는 것이 바람직하다.

도 11에 나타내는 실시예는, 미분탄 노즐(8)의 출구 형상이 직선부와 원주부를 가지는 대략 타원 형상의 예이고, 직선부의 외주벽은 2차 공기 유로(4)가 넓고, 원주부 외주는 2차 공기 유로(4)가 좁기 때문에, FD(40)나 점화 토치(41)는, 상기 직선부와 원주부의 접점 상에 설치하는 것이 바람직하다.

도 12에 나타내는 실시예(도 10의 B－B에서 본 선단면도)는, 미분탄 노즐(8)의 출구 형상이 사각형상의 경우이며, 긴 지름부측의 2차 공기 유로(4)가 넓고, 짧은 지름부측의 2차 공기 유로(4)가 좁아지고 있다. 따라서, 미분탄 노즐(8)의 출구 형상의 긴 지름부나 짧은 지름부의 중앙에 설치하는 것은 바람직하지 않고, 긴 지름부의 양단 상에 설치하는 것이 바람직하다.

도 13에 나타내는 실시예(도 10의 B－B에서 본 선단면도)는, 미분탄 노즐(8)의 출구 형상이 타원의 경우이며, 초점 간의 외주는 2차 공기 유로(4)가 넓고, 초점 외의 외주벽은 2차 공기 유로(4)가 좁아지고 있다. 따라서, 이 경우는, 미분탄 노즐(8)의 초점 외의 외주벽 상에 FD(40)나 점화 토치(41)를 설치하는 것이 바람직하다.

한편, 도 11~도 13에 있어서, 미분탄 버너(31)를 화로(11) 측에서 보았을 때에 FD(40)를 좌상(佐上), 점화 토치(41)를 우상(右上)에 배치하고 있지만, 실제는 반대라도 문제는 생기지 않는다.

도 14에 나타내는 실시예(도 10의 B－B에서 본 선단면도)는, 도 11에 나타내는 버너를 90도 회전시켰을 때의 예이다. 즉, 미분탄 노즐(8)의 출구의 외주벽을 구성하는 원주부가 상하로 위치하고, 직선부가 좌우에 위치하고 있는 예이다. 이 경우, FD(40)나 점화 토치(41)는, 버너(31)의 중심을 포함하는 수평선보다 상측에 설치하는 것이 바람직하다.

다음에, 도 15(a)에 본 발명의 일실시예의 버너(31)의 화로 벽면(18)에의 배열예를 나타낸다. 본 예에서는, 버너(31)는 화로 벽면(18)에 3단 4열로 설치되어 있고, 버너 전체 수에 있어서 편평형 형상의 미분탄 노즐(8)의 폭이 넓은 방향을 수평으로 하고 있다. 도 16은 종래 기술 적용시에 비해, 도 15(a)에 나타내는 미분탄 버너(31)를 이용한 경우에는 화로(11)의 공간을 유효하게 활용할 수 있는 것을 모식적으로 설명한 도이고, 도 16(a)는 도 15(a)의 버너(31)를 배치한 화로(11) 전체의 측단면도와 도 16(a)의 A－A에서 본 선단면도를 도 16(b)에 나타낸다. 또, 도 17(도 17(a)은 편평형 형상이 아니고 횡단면 형상이 원형의 미분탄 노즐을 가지는 버너를 배치한 화로(11) 전체의 측단면도와 도 17(a)의 A－A에서 본 선단면도를 도 17(b)에 나타낸다.)에 종래 기술의 구성을 나타낸다.

도 16에 나타내는 바와 같이 미분탄 버너(31)의 전체 수로, 편평형 형상의 미분탄 노즐(8)의 폭이 넓은 방향을 수평으로 배치함으로써 연료 분류는 화로(11) 내에서 수평 방향으로 분산되고, 화로(11) 내 공간의 유효 활용이 가능하게 되어, 연료를 고효율로, 저(低) NOx 농도로 연소시킬 수 있다.

도 16(a), 도 16(b)에 나타내는 바와 같이, 화로 벽면(18)에 배치하는 버너(31)의 전체 수를 편평형 형상의 미분탄 노즐(8)의 폭이 넓은 방향을 수평으로 배치함으로써, 도 17에 나타내는 종래 기술에 비해 화로(11) 내에서 화염은 수평 방향으로 퍼져, 화로(11) 내의 미활용 공간이 작아진다.

즉, 본 실시예에 의해 화로(11) 내의 수평 단면에서 화염이 통과하는 단면의 면적이 커지고, 화염이 화로(11) 내에서 체류할 시간이 증가하며, 연료 효율이 좋아져, 연소 가스의 NOx 농도를 낮출 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 미분탄 노즐(8)의 구조 및 벤투리(7)와 연료 농축기(6)의 조합에 해당하지 않는 도 18(a), 도 18(b)에 나타내는 종래 기술의 미분탄 노즐(42)의 경우, 도 18(c)와 도 18(d)에 나타내는 바와 같이 수평 방향 양단부에서 연료 농도가 낮은 분포로 된다. 따라서, 화로 내의 수평 방향, 특히 미분탄 노즐(42)의 폭 방향으로의 퍼지는 것(중심 축에 대한 경사 각도)을 초과하여 외측으로 연료를 확산시켜, 화염을 수평 방향으로 퍼지도록 하는 것이 어렵다.

이것에 비해, 본 발명의 실시예에서는, 단지 미분탄 노즐(8)과 그 외주의 2차 공기 노즐(10)과의 격벽측(보염기(9)가 설치되는 경우는, 그 근방)에 미분탄 연료를 농축시키고, 미분탄 노즐(8)의 개구부 전체 둘레에 걸쳐서 균일하게 착화할 수 있도록 할 뿐만 아니라, 미분탄 노즐(8)의 수평 단면상(버너(31)을 상하 방향에서 보았을 때)의 연료 분포(특정의 수평 방향 위치에서 상하 방향의 연료를 적분한 값)는, 수평 방향(노즐 폭이 넓은 방향) 중앙부 부근보다, 양단부 측의 쪽이 많아진다.

이 때문에, 노 내 수평방향, 특히 미분탄 노즐(8)의 폭 방향으로 퍼지는 것(중심축(C)에 대한 경사 각도)을 초과하여 외측 연료를 확산시키고, 화염을 수평 방향으로 퍼지게 할 수 있다.

따라서, 버너(1) 단기 용량이 확대하여 화로 수평 방향으로 서로 이웃하는 버너(31)끼리의 거리가 커져도 화염이 형성되지 않는 영역이 확대되지 않고, 화로 공간을 유효하게 이용할 수 있다.

도 15(b)는 본 발명의 다른 실시예에 의한 버너(31)의 배열 예를 나타낸다. 본 실시예에서는, 버너(31)는 화로 벽면(18)에 3단 4열로 설치되어 있고, 화로 벽면(18)에의 재가 부착된다는 문제가 일어나기 쉬운 측벽 쪽의 버너(31)는, 미분탄 노즐(8)의 폭이 넓은 방향이 연직 방향을 향하도록 배치하고, 그 외의 버너(31)에 대해서는 편평형 형상의 미분탄 노즐(8)의 폭이 넓은 방향을 수평 방향을 향하여 배치하고 있으며, 재가 부착되는 문제를 억제하면서 연료를 고효율로 저 NOx 농도 연소시킬 수 있다. 본 실시예에서는 측벽 쪽의 버너(31)의 편평형 형상의 미분탄 노즐(8)의 폭이 넓은 방향이 연직 방향을 향하도록 배치하고 있지만, 측벽에서의 일부 버너(31)만(예를 들면 최상단 버너(31)만)의 편평형 형상의 미분탄 노즐(8)의 폭이 넓은 방향을 연직 배치로 하고, 다른 버너(31)의 편평형 형상의 미분탄 노즐(8)의 폭이 넓은 방향은 수평 방향을 향하여 배치하는 구성으로 해도 좋다.

한편, 도 15(a) 및 도 15(b)에 나타내는 버너(31)의 배치 예에서는, 편평형 형상의 미분탄 노즐(8)의 폭이 넓은 방향은 완전하게 연직 방향 또는 수평 방향으로 하고 있지만, 버너(31) 주위의 다른 구조물의 영향 등으로 완전히 연직 방향 또는 수평 방향으로 배치할 수 없는 경우는, 기울기를 가지게 한 배치로 해도 좋다.

1 : 기동용 버너　　　　　　　　　　2 : 미분탄의 유로
3 : 풍상(윈도우 박스)　　　　 4 : 2차 공기의 유로
5 : 3차 공기의 유로　　　　　 　　 6 : 연료 농축기
7 : 벤투리　　　　　　　　　　 8 : 미분탄 노즐
9 : 보염기　　　　　　　　　　　　 10 : 2차 공기 노즐
11 : 화로　　　　　　　　　　　　 12 : 3차 공기유입부
13 : 3차용 개구부재　　　　　　　 14 : 칸막이 판
15 : 3차 공기 노즐　　　　　　　　 17 : 2차 공기유입부
18 : 화로 벽면　　　　　　　　　　 21 : 혼합 유체
22 : 연료 반송 배관　　　　　　　　23 : 버너 도입부
24 : 연료 농축기 서포트관　　　　　28 : 버너 화염
29 : 2단 연소용 가스 공급구　　　　31 : 고체연료(미분탄) 버너
32 : 화로 개구부(버너 스로트부) 40 : 프레임 디텍터
41 : 점화 토치

Claims (10)

1. 고체연료와 상기 고체연료의 반송용 가스와의 혼합 유체가 흐르는 원통 형상의 연료 반송 배관에 접속하는 고체연료 유로를 가지는 화로 벽면에 개구한 연료 노즐과, 상기 고체연료의 연소용 가스가 흐르는 풍상(wind box)에 연통하고, 상기 연료 노즐의 외주벽 측에 형성되는 단일 혹은 복수의 연소용 가스 노즐을 가지는 고체연료 버너로서,
   상기 연료 노즐 내에 상기 노즐 내의 고체연료 유로의 횡단면을 축소시키는 압축부(constricting portion)를 가지는 벤투리(venturi)와 상기 벤투리의 후류측에 상기 노즐 내의 흐름을 바깥 방향으로 바꾸는 연료 농축기를 구비하고,
   상기 연료 노즐은, (a) 보일러 화로 벽면의 개구부 근방에서의 개구 형상이 편평형 형상이며, (b) 연료 노즐의 외주벽의 노즐 중심축에 직교하는 단면 형상이, 상기 벤투리의 압축부까지 횡단면이 원형이고, (c) 상기 벤투리의 압축부로부터 상기 보일러 화로 벽면에 형성된 개구부에 이르기까지의 동안은, 서서히 편평 정도가 증대하는 부분을 가지며, (d) 보일러 화로 벽면의 개구부에서, 편평 정도가 최대의 편평형 형상이 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고체연료 버너.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 연료 노즐의 외주벽의 선단 외주에 보염기가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 고체연료 버너.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 연소용 가스 노즐 내에서 가장 내측에 설치되는 2차 연소용 가스 노즐 내에 설치되는 2차 연소용 가스 유로는, 상기 2차 연소용 가스 노즐의 외주벽의 상기 중심축에 직교하는 단면 형상이, 2차 연소용 가스 유로의 출구부에서 편평형 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 고체연료 버너.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 복수의 연소용 가스 노즐 내에서 가장 외측에 설치되는 3차 연소용 가스 노즐 내의 3차 연소용 가스 유로는, 3차 연소용 가스 노즐의 외주벽의 상기 중심축에 직교하는 단면 형상이, 화로 벽면 근방의 3차 연소용 가스 유로의 출구부에서 원형인 것을 특징으로 하는 고체연료 버너.
5. 제 3 항에 있어서,
   2차 연소용 가스 유로는, 연소용 가스 유입부로부터 화로 벽면의 개구부를 향하여 유로 단면적을 차례차례 축소하는 구조로 한 것을 특징으로 하는 고체연료 버너.
6. 제 3 항에 있어서,
   2차 연소용 가스 유로의 연소용 가스 유입부의 가스 유입방향을 화로 벽면에 수직인 방향으로 설치하고, 상기 연소용 가스 유입부에 복수의 개구부를 가지는 평판을 배치한 것을 특징으로 하는 고체연료 버너.
7. 제 6 항에 있어서,
   2차 연소용 가스 유로의 연소용 가스 유입부에 배치되는 평판의 개구부를 2차 연소용 가스 유로 내에서의 연소용 가스의 유속이 상기 유로의 둘레방향에서 균등하게 되도록 배치한 것을 특징으로 하는 고체연료 버너.
8. 제 6 항에 있어서,
   2차 연소용 가스 유로의 연소용 가스 유입부의 단면적에 대한 평판 개구부의 개구 비율을 0.05~0.30으로 한 것을 특징으로 하는 고체연료 버너.
9. 제 5 항에 있어서,
   연소용 가스 유입부로부터 출구부를 향하여 상기 2차 연소용 가스 유로의 유로 단면적의 축소율을 30%~80%로 한 것을 특징으로 하는 고체연료 버너.
10. 제 1 항에 있어서,
    프레임 디텍터와 점화 토치를, 고체연료와 상기 고체연료 반송용 가스를 분출하는 연료 노즐 출구의 형상이 사각형상의 경우는 긴 변 측의 양단 상에, 상기 연료 노즐의 출구의 형상이 타원 형상인 경우는 초점 상에, 상기 연료 노즐의 출구의 형상이 직선부와 원주부를 가지는 타원 형상의 경우는 직선부의 양단 상에 설치하는 것을 특징으로 하는 고체연료 버너.

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