KR101737235B1

KR101737235B1 - 다종연료 혼소버너

Info

Publication number: KR101737235B1
Application number: KR1020150180369A
Authority: KR
Inventors: 황명수
Original assignee: 황명수
Priority date: 2015-12-16
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2017-05-18

Abstract

본 발명은 다종연료의 혼소버너에 관한 것으로, 특히 1종 이상의 미분화된 고체연료를 착화는 물론 연소의 효율이 우수하게 하면서 동시에 보조버너에 사용되는 보조연료를 극한으로 줄일 수 있도록 한 것이다.
이를 위하여 연소실 내벽으로 연통되는 보조버너의 1차 연소공기 공급관의 외주에 동심관을 배치하여 저급연료에 해당되는 제1 고체연료 및 2차 연소공기를 2차 연소공기 공급관을 통하여 공급하고, 동시에 그 외주에 또 다른 동심관을 형성하여 제2 고체연료 및 3차 연소공기를 3차 연소공기 공급관을 배치하면서 상기 제2 고체연료 및 3차 연소공기 공급관관의 선단의 분무 노즐부에서 직진관을 중심 방향으로 꺾어 제1 고체연료 및 2차 연소공기 분무 노즐부와 동일 원주에서 보조버너의 화염에 분사되도록 배치하여 3차 연소공기 공급관관의 선단의 노즐부와 2차 연소공기 분무 노즐부가 동일 원주에서 징검다리 방식으로 한 칸씩 건너서 배치한 것이다.

Description

다종연료 혼소버너{mixed-combustion burner}

본 발명은 다종연료의 혼소버너에 관한 것으로, 특히 1종 이상의 미분화된 고체연료를 착화는 물론 연소의 효율이 우수하게 하면서 동시에 보조버너에 사용되는 보조연료를 극한으로 줄일 수 있도록 한 것이다.

현재 고체 연료의 연소 방식은 크게 2가지로 나뉜다.

첫째는 분쇄하지 않은 Bulk 상태로 연소하는 것과 적정한 크기의 입도로 즉 미분상태로 분쇄하여 연소하는 방법이 있다.

작금의 오일(Oil)류나 가스(GAS)류 등의 연료는 그 매장량의 한계로 가격이 상승할 수 밖에 없으며 과거처럼 고유가시대가 다시 올 것이고, 그로 인한 에너지 사용 산업에서는 원가 부담이 늘어나고 그에 따라 경쟁력이 떨어질 것이다.

따라서 이러한 것에 대비하여 각종 저가, 저급, 저열량, 난 착화성, 난 연소성의 연료 예를 들면 미분탄, 페트로코크스(Petro Cokes)분말, 저급 고체연료 분말, 목질계 바이오매스 분말, 폐목질계 반탄화 목분, 및 공정 중에 발생되는 각종 가스류, 저가 폐 가스류, 폐유 기타 등등을 적용해 고효율로 연소시켜 에너지를 활용함으로서 에너지 고원가 시대에 비용절감으로 산업체의 경영개선을 기할 수 있는 연소기기 및 시스템(System)의 개발이 필요하게 된 것이다.

따라서 이러한 각종 저가, 저급, 저열량, 난 착화성, 난 연소성의 연료를 활용하기 위하여 일반적으로 현재 사용되고 있는 대표적인 버너로는 미분탄 버너 및 혼소버너가 사용되고 있다.

도 1 및 도2는 현재 사용되고 있는 상기 미분탄 버너 및 혼소버너의 일 실시 예를 도시한 것으로, 버너의 중심에 오일 혹은 가스(LNG 등)등의 보조버너를 배치하고 보조버너와 동심원 외주에 연소공기 및 주연료(분말연료 혹은 저급 GAS연료)를 단지 샌드위치 방식의 겹겹으로 공급하여 연소하고 있는 것이다.

그러나 이러한 경우 버너의 중심에 위치되는 보조버너의 화염이 작거나 연소량이 적을 경우 버너의 외주의 미분화되어진 고체연료(일명 주 연료)와 화염의 접촉이 불량하여 초기 착화가 어렵게 되고 그로 인하여 연소시간이 길어지게 되어 결국 연소실의 크기가 커지게 되는 것이다.

또한 보조버너의 연료(오일 혹은 가스 등)의 사용량 즉 보조연료와 주 연료에 해당되는 미분화된 고체연료 혹은 저급의 가스연료(일명 저급연료)와의 혼소의 비를 극한으로 줄이기 어려워지고 만일 혼소의 비를 극한으로 줄이기 위하여는 통상 연소실(로) 내부의 온도를 미분화된 고체연료 즉 주 연료가 자연 착화 연소할 수 있는 고온을 항상 유지할 수 있도록 하여야 하는 것이다.

그러나 이럴 경우에는 질소산화물의 발생은 물론 불완전연소로 인하여 미연분의 발생이 과다하게 발생하거나 연소실 외면의 방산열 손실이 많아지는 등 에너지 손실율이 높아진다는 문제점이 있는 것이다..

따라서 본 발명에서는 주연료 즉 미분화 되어진 고체연료의 완전연소는 물론 상기 고체연료를 1종 이상을 혼소할 경우에도 완전연소가 가능토록 함은 고체연료의 착화시간을 단축하여 보조연료의 혼소의 비를 극한으로 줄일 수 있도록 한 것이다.

이의 해결을 위하여 주연료가 보조버너의 화염과의 효과적이고 빠른 접촉과 산소와의 빠른 접촉 반응을 유도하여 연소가 빠르게 진행되도록 한 것이다.

버너의 노즐구조를 개선하여 주연료(미분화된 고체연료 즉 저급연료)가 보조버너의 화염과 빠른 시간에 효과적으로 접촉 착화될 수 있도록 하고 주연료에 점화가 시작된 후에는 최대한 빠른 시간에 연소가 확산될 수 있도록 한 것이고, 확산 점화된 불씨가 빠른 시간에 전체적으로 확산 연소가 완료될 수 있도록 하는 것이다.

따라서 미분화된 고체연료를 일정한 입도를 갖게 되면서 일정비율이 유지토록 함으로서 보조연료를 극한으로 줄이게 되면서도 주연료가 완전연소가 가능토록 할 수 있는 것이고, 상기 주연료를 다종으로 사용할 경우에도 완전연소가 가능토록 함은 물론 연소실의 온도를 고온으로 유지토록 하지 않게 됨으로 질소산화물의 발생도 없게 되는 것이다.

도1은 종래의 미분화된 고체연료의 연소를 위한 버너의 일실시예
도2는 종래의 버너의 또 다른 일실시예
도3은 본 발명의 버너의 일실시예
도4는 본 발명의 버너가 적용된 연소장치의 일실시예
도5는 본 발명의 버너의 노즐상태를 도시한 단면도.
도6은 도5의 B-C단면도이다.

우선 본 발명에서는 고체연료의 경우에는 최대한 연소하기 좋은 입자로 분쇄하는 것이 필요하여 최적의 입도가 100~200mesh에서 전체의 혼합 비율이 90% 이상이 되도록 할 경우에 최적의 연소 조건을 갖도록 한 것이다.

또한 저 칼로리의 가스류의 경우에는 가능한 단독(한 종류)으로 사용토록 함으로서 연소조건을 우수하게 하는 것이다.

그러나 여러 가지 가스류를 동시에 연소하고자 할 경우에는 이들을 최대한 혼합하여 일정한 조건을 유지시켜주는 것이 좋은 것이다.

또한 주연료가 보조버너의 화염과 빠른 시간에 직접 접촉 점화될 수 있도록 연료의 공급(분사)을 화염 방향으로 분사하거나 유도시켜 주는 것이 중요하다.

또한 주연료가 고온의 화염에 접촉되어 착화가 된 후에는 공기(산소)와 효과적으로 혼합 접촉하여 연소가 빠르게 진행될 수 있도록 공기의 공급 방법을 개선함이 중요한 것이다.

또한 화염의 온도를 저급연료가 연소하기 좋은 온도(약 1000℃ 이상)를 유지하면서 저공해연소(저NOx 연소조건)가 될 수 있도록 단계적 연소가 일어나도록 유도함이 중요한 것이다.

이하 첨부도면에 의거 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도3은 본 발명의 버너의 구조를 나타낸 일실시 예이고, 도 4는 상기 버너가 적용되는 연소장치의 일례를 나타내는 개략 구성도이다.

도3 및도4에 도시된 바와 같이 본 발명의 버너의 설치위치는 연소실(8)을 구성하는 로벽(7)의 특정위치(일반적으로 연소로의 전면판의 중심)에 연소화염(9-4)를 유도할 수 있는 경사면을 갖는 버너 타일부(7-1)를 설치하고 상기 경사면을 갖는 버너 타일부(7-1)의 중심선상에 버너(10)를 설치하는 것이다.

또한 상기 버너(10)의 중심선에는 보조버너(1)를 배치하고 상기 보조버너(1)는 일반 고급연료인 오일이나 가스(LNG를 포함하는 개념)를 연소하기 위한 버너로서 분무용 기체로 압축공기 혹은 스팀(steam)을 동시에 사용하여 연소하기 위하여 보조버너(1)의 선단에는 분무공기 공급구(1-1)와 연료(Oil or GAS)공급구(1-2)를 구성하여 동시에 일정비율로 공급하는 것이다.

상기 보조버너(1)는 압축 유체를 이용하여 보조버너(1)의 선단의 분무 노즐부(1-3)에서 무화를 시키고 1차 연소공기 공기관(2)을 통하여 공급된 공기가 1차 연소공기 공급관(2)의 선단에 형성되는 분무 노즐부(2-2)로 분사되면서 상기의 1차 연소공기 공기관(2)을 통하여 공급된 공기와 혼합 무화되어 착화된 화염과 만나 보조버너(1)의 화염(9)을 형성한다.

동시에 1차 연소공기 공급관(2)의 외주에 동심관을 배치하여 저급연료에 해당되는 분말화되어진 제1 고체연료 및 2차 연소공기를 제1 고체연료공급구(3a) 및 2차 연소공기 공급관(3)을 통하여 공급하고, 동시에 그 외주에 또 다른 동심관을 형성하여 제2 고체연료 및 3차 연소공기를 제2고체연료공급구(4a)와 3차 연소공기 공급관(4)을 배치하여 연료의 종류와 수에 따라 적정 위치를 선정 공급하게 되는 것이다.

이때 제1,2 고체연료는 분말(미분탄, Petro Coke, 목질계 바이오매스, 반탄화 목분 등등)상으로 이루어지는 것이고, 반드시 분말상이 아니더라도 난착화성, 난연소성 및 저급 저열량 가스류 등을 모두 사용할 수 있다.

상기 제1 고체연료 공급구(3a)와 제2 고체연료 공급구(4a) 중 1개소에만 주 연료에 해당되는 분말상의 고체연료를 공급할 경우에는 어느 1개의 공급구(3a, 또는 4a)에는 2차 연소공기만 공급할 수 있는 것이다.

이는 제2 고체연료 및 3차 연소공기가 공급되는 공급관(4)관의 선단의 노즐부(4-2)에서 직진관을 중심 방향으로 꺾어 제1 고체연료 및 2차 연소공기 분무 노즐부(3-2)와 동일 원주에서 분사되도록 배치함으로서 가능토록 되는 것이다.

즉 제2 고체연료 및 3차 연소공기가 공급되는 공급관(4)관의 선단의 노즐부(4-2)와 2차 연소공기 분무 노즐부(3-2)가 도5에 도시된 바와 같이 동일 원주에서 징검다리 방식으로 한 칸씩 건너서 배치함으로서 가능토록 한 것이다.

이렇게 함으로서 복수의 종류의 미분화된 고체연료를 연소하고자 할 때는 제1 및 제2 고체연료의 혼합 효율이 향상하게 되어 효율적인 연소화염이 형성될 수 있는 것이다.

또한 한 종류의 미분화된 고체연료만을 연소하고자 할 경우에도 2차 연소공기가 미분화된 한 종류의 고체연료와 효과적으로 혼합되어 착화연소 효율을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

특히 도5에 도시된 바와 같이 동일 원주에서 징검다리 방식으로 한 칸씩 건너서 배치함으로서 난 연소성 연료를 연소할 경우에는 제2 고체연료의 공급구(4a)를 통하여 제2 고체연료 및 3차 연소공기의 분무노즐(4-2)를 통하여 보조버너(1)의 분사노즐(1-3)에 형성되는 화염(9)를 향하여 분사함으로서 고온의 보조버너 화염(9)과 직접 접촉을 유도함으로서 빠른 착화가 일어나게 되는 것이다.

즉 도6에 도시된 바와 같이 3차 연소공기공급관(4)을 통하여 공급되는 제2고체연료 및 3차 연소공기는 화염(9)을 향하여 내측방향(9-2)으로 분사되고, 2차 연소공기 공급관(3)을 통하여 공급되는 제1고체연료 및 2차 연소공기는 화염(9)을 향하여 직선방향(9-1)으로 분사되어지면서 난류가 발생되어 도3에 도시된 보조버너의 화염(9)에 혼합이 용이하게 되면서 연소가 우수하게 되는 것이다.

따라서 제1 고체연료 및 2차 연소공기 분무 노즐부(3-2)로 부터 공급되는 2차 연소공기가 보조버너 화염(9)을 감싸게 되어 샌드위치 부위에서 난류가 형성되어 미분화되어진 제1 또는 제2 고체연료 중의 탄소분과 제2,3 연소공기 중의 산소가 빠르게 효과적으로 혼합되어 연소가 빠르고 효율적으로 일어날 수 있게 되는 것이다.

따라서 보조버너 화염(9)에 제1 고체연료와 제2 고체연료를 단독 혹은 동시에 공급(투입)시켜 적절히 연소하기 위하여 상기 분무 노즐부(3-2,4-2)는 보조버너의 화염(9)를 향하여 45°~ 60°범위로 꺾어서 공급함으로서 보조버너의 화염(9)와 1차 착화를 행하여 연소 불씨를 키움과 동시에 착화구간의 분위기 온도를 상승시키는 효과를 갖도록 함으로서 혼소비를 최대한 높일 수 있도록 하여 보조버너에 공급되는 보조연료의 사용량을 최소화할 수 있도록 한 것이고 본 발명에서의 보조연료의 극한의 사용비율은 5~10%의 범위로 사용할 수 있게 된 것이다.

통상의 보조연료와 주연료의 혼소비욜이 20%:80%인 점을 감안하면 상당한 절감이 가능한 것을 알 수 있는 것이다.

또한 4차 연소공기 공급관(5)을 통하여 그 선단의 노즐(5-2)를 통하여 분무한 4차 연소공기가 경사면을 갖는 버너 타일부(7-1)로 인하여 상기 보조버너의 연소 화염(9)의 외부를 감싸게 되면서 2차 연소를 유도하여 미분화되어진 고체연료의 완전한 연소가 되도록 함으로서 효과적이고 효율적인 연소를 유도할 수 있게 되는 것이다.

도4는 본 발명의 혼소버너(10)을 적용된 상태에서의 연소장치의 일례를 도시한 것으로 이를 간략하게 설명하면 다음과 같다.

우선 외부로부터 필요한 입도 특히 일반적으로 100~200mesh로 분쇄된 상태가 전체적으로 90% 이상이 함유되어지도록 고체연료를 분쇄하여 BCT(벌크운반트럭)로 운반 입고한다.

통상 BCT에서 Coal SILO(110)에 공급은 BCT 자체에 설치되어 있는 공기 수송 장치로 공급(투입)한다.

상기 연료 SILO(110)에 저장된 분말의 고체연료는 배출 Feeder(111)와 Rotary Feeder(90)및 Damper(80)를 경유하여 정량 공급장치(70)에 공급된다.

상기 정량공급장치에서의 연료의 공급(보충)과 정지(완료)는 정량 공급 장치의 Controller의 지시신호(설정값)에 의하여 행하여진다.

상기 정량 공급 장치의 연료 Tank에서 공급된 연료는 공급 장치 출구 측의 (하부) Screw Feed Rotary Feeder(60)를 경유하여 공기수송용 Ejector(40)에 공급된다.

상기 Ejector(40)는 특수구조로 흡입 측(연료 공급측)에 고진공상태를 형성하여 외부 누출 없이 연료를 흡입 장거리 압송할 수 있도록 되어 있다.

상기 Ejector(40)에 흡입(공급)된 연료는 공기이송 및 Burner의 분무공기용으로 사용되는 Blower(50)의 압축공기를 이용 Coal Pipe Line(30)을 통하여 버너(10)에 이송되고 Coal Pipe Line(30)을 이용하여 이송된 고체연료는 Burner(10) 내부의 연료 공급관을 통하여 분무노즐(3-2,4-2,5-2)를 통하여 연소실(Hot Stove)(100)에 공급 연소된다.

이때 연소에 필요한 연소공기는 연소공기 Fan(160)과 4차 연소공기 및 Mixing 공기 Fan(170)를 이용하여 혼소버너(10)에 공급한다.

상기 혼소버너(10)의 초기 승온 및 혼소용 보조연료(Flower Sheet에는 Oil임)를 사용하는 보조버너(1)에 연료의 공급이 오일일 경우에는 Oil Pump Unit(140)를 이용하여 공급하게 되는 것이다.

상기 보조연료의 보조버너(1)의 선단에서 분무를 위하여 Compressor의 고압공기 혹은 steam을 Air Com' Line(150)을 통하여 공급한다.

Claims

연소실(8)의 내벽(7)의 연소로의 전면판의 중심에 연소화염(9-4)를 유도할 수 있는 경사면을 갖는 버너 타일부(7-1)를 설치하고 상기 버너 타일부(7-1)의 중심선상에 버너(10)가 설치된 것에 있어서,
상기 연소실의 내벽으로 연통되는 보조버너의 1차 연소공기 공급관(2)의 외주에 동심관을 배치하여 저급연료에 해당되는 제1 고체연료 및 2차 연소공기를 제1 고체연료공급구(3a)와 2차 연소공기 공급관(3)을 통하여 공급하고,
동시에 그 외주에 또 다른 동심관을 형성하여 제2 고체연료 및 3차 연소공기를 공급할 수 있도록 제2고체 연료공급구(4a)와 3차 연소공기 공급관(4)을 배치하고
상기 제2 고체연료 및 3차 연소공기를 공급하는 3차 연소공기 공급관(4)의 선단의 분무 노즐부(4-2)에서 직진관을 중심 방향으로 꺾어 제1 고체연료 및 2차 연소공기 분무 노즐부(3-2)와 동일 원주에서 보조버너의 화염(9)에 분사되도록 배치하고,
상기 보조버너 화염(9)에 제1 고체 연료와 제2고체연료를 단독 혹은 동시에 공급(투입)시켜 연소하기 위하여 상기 분무 노즐부(3-2,4-2)는 보조버너 화염(9)를 향하여 45°~ 60°각도로 꺾어서 공급하여 보조버너화염(9)과 1차 착화를 행하여 연소 불씨를 키움과 동시에 착화구간의 분위기 온도를 상승시키는 효과를 갖도록 하고,
제2 고체연료 및 3차 연소공기가 공급되는 공급관(4)의 선단의 노즐부(4-2)와 2차 연소공기 분무 노즐부(3-2)가 동일 원주에서 징검다리 방식으로 한 칸씩 건너서 배치하며,
상기 제1 고체연료 공급구(3a)와 제2 고체연료 공급구(4a) 중 선택된 1개소에만 주 연료에 해당되는 분말상의 고체연료를 공급할 경우에는 선택되지 않은 나머지 공급구(3a, 또는 4a)에는 2차 연소공기만 공급할 수 있는 다종연료 혼소버너.
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삭제
제1항에 있어서,
상기 3차 연소공기 공급관(4)을 통하여 공급되는 제2고체연료 및 3차 연소공기는 내측방향(9-2)으로 분사되고, 2차 연소공기 공급관(3)을 통하여 공급되는 제1고체연료 및 2차 연소공기는 직선방향(9-1)으로 분사되어지면서 난류가 발생되어 보조버너의 화염(9)에 혼합이 용이하게 되면서 연소가 우수하게 되는 다종연료 혼소버너.