KR20140003558A - 고체연료 버너 및 상기 버너를 이용하는 연소장치 - Google Patents

고체연료 버너 및 상기 버너를 이용하는 연소장치 Download PDF

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KR20140003558A
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duct
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쥰 가시마
히토시 오키무라
노리유키 오야쯔
유스케 오치
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바브콕-히다찌 가부시끼가이샤
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Abstract

연료 노즐(10)의 외주에 연소용 기체를 화로(40)내에 분출시키는 스로트(6)와 노즐(10)의 중심축방향에 직교하는 한 방향으로부터 기체를 넣는 유입구(8)를 갖고, 유로가 노즐(10)의 중심축방향으로 직각으로 절곡되도록 형성된, 스로트(6)로 연소용 기체를 보내는 덕트(2)와 덕트(2)내에 댐퍼(1)와 덕트(2)내의 상류측과 하류측을 흐르는 연소용 기체의 차압을 검출하는 차압검출장치(32)를 설치하고, 댐퍼(1)를 덕트(2)의 유입구(8) 근방의 하류측에 설치하며, 차압검출장치(32)의 상류측 압력 검출점(31)을 댐퍼(1)의 후류측의 연소용 기체의 정체 영역(90)에, 하류측 압력 검출점(30)을 스로트(6)의 외벽에 구비하여, 검출점(31,30)에서의 압력차를 연소용 기체의 유량으로 환산해서, 댐퍼(1)를 조작하여 연소용 기체의 유량을 조정하는 고체연료 버너(44)로서, 간소한 구성으로, 국부적인 편류의 영향을 받지 않도록 하고 각 버너별로 연소용 기체의 유량을 정밀하게 계측하여, 조절할 수 있도록 한 고체연료 버너와 그 버너를 이용하는 연소장치를 제공할 수 있다.

Description

고체연료 버너 및 상기 버너를 이용하는 연소장치{SOLID FUEL BURNER AND COMBUSTION DEVICE USING SAME}
본 발명은, 주로 화력발전 플랜트에 이용되어, 미분탄 등의 고체연료를 연소시키는 버너 및 상기 버너를 이용하는 연소장치에 관한 것이다.
주로 미분탄 등의 고체연료를 연소시키는 복수의 버너를 구비하고, 버너에서의 연료의 연소 배기가스중의 NOx 저감책으로서 2단 연소 방식을 채용하는 보일러에 있어서, 공기 과잉률의 저감과 CO 등의 미연분 배출량의 저감을 양립시키기 위해, 고체연료의 유량을 각 버너에서 개별적으로 계측하고, 그에 맞은 연소용 공기를 각 버너 혹은 2단 연소용 공기 투입구(애프터 에어포트(after-air port); AAP, 오버 파이어 에어포트(over-fire air port); OFA라고도 칭한다)로부터 투입하는 기술(WO2008/133051 A1)이 알려져 있다.
상기 기술을 현실의 보일러에 적용하기 위해서는, 각 버너별로 연소용 기체의 유량을 정밀하게 계측하여, 조절할 수 있는 것을 요구된다.
한편, 보일러의 대용량화에 맞추어 버너 단체의 용량을 증대시킨 경우에도, 연료의 미착화(未着火) 영역의 확대를 억제하기 위해서 연료 노즐의 유체의 흐름에 직교하는 단면 형상을 편평한 것으로 하는 버너에 관한 발명(WO2008/038426 A1)이 알려져 있다.　
또한, 화로내에서의 연료의 연소 위치를 바꾸어 보일러 열교환기를 흐르는 유체로의 전열량을 제어하기 위해, 버너의 연료 공급 노즐을 둘러싸는 복수로 분할된 유로를 흐르는 연소용 함산소(含酸素) 기체의 유량을 각각 조절 가능하게 하는 버너의 발명(일본 공개특허 2002-147713호 공보, WO2009/041081 A1)이 알려져 있다.
: WO2008/133051A1 : WO2008/038426A1 : 일본 공개특허 2002-147713호 공보 : WO2009/041081A1
버너로부터 분출되는 연소용 기체의 흐름은, 버너의 구조, 특히 연소용 기체의 유로의 형태에 크게 영향을 받는다.
각 버너별로 연소용 기체의 유량을 정밀하게 계측하여, 조절하기 위해서는, 계측 수단이나 조절 수단의 전후에서, 연소용 기체가 균일하게 흐르도록 직선적인 유로를 길게 형성하는 것이 바람직하다. 그러나, 현실의 보일러에 있어서는, 다수의 버너를 노(爐)외의 구조물과의 간섭을 피하여 컴팩트하게 배치해야 하는 설치상의 제약을 받는 등의 이유로, 연소용 기체의 흐름이 균일하게 되는 유로의 형태를 취하지 못하고, 국부적으로 편류(偏流)가 발생하여, 유량의 계측 및 조절에 영향을 끼칠 가능성이 있었다.
특히, 상술한 연료 노즐의 유체의 흐름에 직교하는 단면 형상을 편평한 것으로 하는 버너에서는, 편류가 발생하기 쉽다.
또한, 분할된 유로를 흐르는 연소용 기체의 유량을 각각 적극적으로 조절하는 버너에서는, 대상수가 많아져, 조정폭이나 조정 빈도도 증가하므로, 더 요구도가 높은 과제로 된다.
본 발명의 과제는, 연소용 기체의 유로 형태가 국부적인 편류의 발생을 회피할 수 없는 현실의 보일러에 있어서도, 비교적 간소한 구성으로, 상기 국부적인 편류의 영향을 받기 어렵게 하여 버너마다 개별적으로 연소용 기체의 유량을 정밀하게 계측하여, 조절할 수 있도록 한 고체연료 버너를 제공하는 것이다.　
또한, 본 발명의 과제는 간소한 구성으로, 국부적인 편류의 영향을 받기 어렵게 하여 각 버너별로 연소용 기체의 유량을 정밀하게 계측하고, 조절한 후에 공기 과잉률의 저감과 CO등의 미연분 배출량의 저감을 양립시키도록 한 고체연료 버너와 그 버너를 이용하는 연소장치를 제공하는 것이다.
상술의 과제를 해결하는 이하에 기재하는 본 발명에 의해서 해결할 수 있다.
청구항 1에 기재된 발명은, 고체연료와 그 반송 기체와의 혼합 유체를 화로(40)의 벽면으로부터 화로(40)내에 분출시키는 통 형상의 연료 노즐(10)과, 그 연료 노즐(10)의 외주(外周)에 설치되어, 연소용 기체를 화로(40)내에 분출시키는 통 형상의 연소용 기체 스로트(throat,6)와, 상기 연소용 기체 스로트(6)에 접속한 연소용 기체의 유로를 구성하는 덕트(2)와, 상기 덕트(2)내에 설치되는 연소용 기체의 유량조정수단(1)과, 상기 덕트(2)내의 상류측과 하류측을 흐르는 연소용 기체의 압력차(차압)를 검출하는 차압검출장치(32,35)를 갖는 고체연료 버너로서, 상기 덕트(2)는, 연료 노즐(10)의 중심축방향에 대해서 직교하는 한 방향으로부터 연소용 기체를 취입하는 유입구(8)를 갖고, 연소용 기체의 유로가 상기 연료 노즐(10)의 중심축방향으로 직각으로 절곡되도록 형성되며, 상기 연소용 기체의 유량조정수단(1)은, 상기 덕트(2)의 유입구(8) 근방으로서, 상기 유입구(8)의 하류측에 설치되고, 상기 차압검출장치(32,35)는, 상기 유량조정수단(1)의 후류(後流)측으로서, 연소용 기체의 정체 영역(90)에 상당하는 상기 덕트(2)의 유입구(8)로부터 가장 떨어진 덕트(2)의 내벽에 상류측 압력 검출점(31,33)을 가지며, 연소용 기체 스로트(6)의 외벽에 하류측 압력 검출점(30,34)을 갖고, 상기 차압검출장치(32,35)에서 검출된 상류측 압력 검출점(31,33)과 하류측 압력 검출점(30,34)에서의 압력차의 값을 연소용 기체의 유량으로 환산하고, 상기 유량조정수단(1)을 조작하여 연소용 기체의 유량을 조정하는 제어장치(37)를 구비하는 고체연료 버너이다.
청구항 2에 기재된 발명은, 상기 연소용 기체 스로트(6)에 접속되는 상기 덕트(2)내의 연소용 기체의 유로가, 격벽(4)에 의해 서로 연소용 기체의 유입이 없는 복수의 유로로 분할되고, 상기 복수의 유로의 각각에 상기 상류측 압력 검출점(31,33)과 하류측 압력 검출점(30,34)을 구비하는 청구항 1에 기재된 고체연료 버너이다.
청구항 3에 기재된 발명은, 상기 하류측 압력 검출점(30,34)을 상기 연료 노즐(10)의 중심축을 기준으로 하는 직경 방향의 연소용 기체유로 간격이 최대로 되는 상기 연소용 기체 스로트(6)에 형성하는 청구항 1에 기재된 고체연료 버너이다.
청구항 4에 기재된 발명은, 상기 차압검출장치(32,35)가, 상기 상류측 압력 검출점(31 또는 33)과 하류측 압력 검출점(30,34)을 구성하는 각 압력도관을 통해서 상기 덕트(2)내의 연소용 기체의 상류측 압력과 하류측 압력과의 차압의 값을 검출하는 구성인 청구항 1에 기재된 고체연료 버너이다.
청구항 5에 기재된 발명은, 청구항 1에 기재된 고체연료 버너(44)를 화로(40)의 벽면의 상하 방향으로 복수단, 노폭 방향으로 복수열 구비한 연소장치로서, 복수의 상기 고체연료 버너(44)에 유입하는 고체연료의 유량을 개별적으로 조정 계측하는 고체연료 유량 계측수단(71)을 구비하고, 제어장치(37)는, 고체연료 유량 계측수단(71)에 의해 측정되는 고체연료 유량의 변화에 따라서, 각 고체연료 버너(44)의 차압검출장치(32,35)에서 검출되는 연소용 기체 유량에 기초하여, 연소용 기체의 유량조정수단(1)의 개도(開度)를 조정하고, 연소용 기체의 유량을 개별적으로 제어하는 구성을 구비하는 연소장치이다.
상기 본 발명에 있어서, 압력 검출점의 하나인 상류측 압력 검출점(31,33)을 설정하는 연소용 기체의 정체 영역(90)(도 2, 도 3)이란, 연소용 기체의 유속이 거의 없거나, 유로내에서 상대적으로 가장 유속이 작은 영역이다.
상류측 압력 검출점(31,33)에 상당하는 것은, 구체적으로는 연소용 기체의 덕트(2)의 유입구(8)로부터 가장 떨어진 덕트(2)의 내벽 근방이다. 예를 들면, 도 2에 나타내는 덕트(2)가 화로측에 가까운 전벽(前壁)(56)과 이에 평행한 위치에 간격을 두고 배치되고, 화로측으로부터 먼 위치에 있는 후벽(後壁)(57)과, 전후벽(56,57)의 능선 부분을 연결하는 측벽(55)으로 입방체의 유로를 구성하는 경우, 연소용 기체의 유입구(8)로 되는 덕트(2)의 입구 개구면에 대향하는 측벽(55)의 상기 개구면으로부터 가장 떨어진 부위가 상류측 압력 검출점(31,33)에 해당한다.
여기서 전벽(56)과 후벽(57)이 각각 타원형의 전체에 U자 형상(도 2 참조)으로서, 측벽(55)이 전벽(56)과 후벽(57)과의 능선의 직선부와 곡선부에 걸쳐서 연소용 기체의 유로(덕트(2))를 외부와 구획하는 도 2에 나타내는 형태이면, 측벽(55)이 이루는 곡면의 정부(頂部)가 상류측 압력 검출점(31,33)(도 1)에 상당한다.
또한 상기 측벽(55)이 이루는 곡면의 정부(頂部)는, 덕트(2)의 유로 단면적, 즉 덕트(2)의 유입구(8)로부터 연소용 기체가 직진하는 덕트(2)의 직진부에 있어서의 연소용 기체가 흐르는 방향에 직교하는 덕트 단면의 면적이 무한하게 제로에 가까운 영역이라고 할 수도 있다.
또한, 연료 노즐(10)이, 그 중심축방향(출구부로 향하는 유체의 흐름 방향)에 직교하는 단면의 형상에 있어서 장경부(長徑部)와 단경부(短徑部)를 갖는 사각 형상, 타원 형상 또는 타원 형상인 경우(도 1은 타원 형상의 예로 된다)에는, 장경부의 정점과 연료 노즐(10)의 중심축을 포함하는 평면(이는, 도 1의 형태에서는 격벽(중앙 칸막이)(4)과 동일 평면으로 된다)이 덕트(2)의 측벽(55)과 교차하는 선을 따른 영역이 상류측 압력 검출점(31,33)(도 1)으로 된다.
한편, 다른 하나의 압력 검출점인 하류측의 압력 검출점(30,34)(도 1)는, 화로(40)의 버너 부착용의 개구(58)(도 2)에 연소용 기체 스로트(6)가 배치되는 경우에, 연소용 기체 덕트(2)가 상하로 구획되는 격벽(중앙 칸막이)(4)으로부터 가장 떨어진 연소용 기체 스로트(6)의 정부에 있다. 이것은, 후술하는 도 1의 연료 노즐(10)의 단면 형상이 타원형인 예에서는, 동심원 형상으로 배치되는 원통형의 연소용 기체 스로트(6)의 직경과 단면 형상이 타원형인 연료 노즐(10)의 단경과의 차, 즉, 연료 노즐(10)의 중심축을 통과하고, 연료 노즐(10)의 직경 방향에 있어서의 연소용 기체의 덕트(2)의 유로의 횡단면적이 최대로 되는 연소용 기체 스로트(6)의 부위에 있다. 바꿔 말하면, 연료 노즐(10)의 단경부와 연료 노즐(10)의 중심축을 포함하는 평면이 연소용 기체 스로트(6)와 교차하는 선을 따른 영역에 있다.
2개의 압력 검출점(도 1의 상류측 압력 검출점(31)과 하류측 압력 검출점(30); 상류측 압력 검출점(33)과 하류측 압력 검출점(34))은, 특정의 1점 또는 선상에 한정되는 것이 아니라, 어느 정도의 폭을 가진 영역이지만, 더 구체적으로는, 이하의 기하학적 수치 범위에 의해서도 정해진다.
상류측 압력 검출점(31,33)이 배치되는 개소인 연소용 기체 덕트(2)의 정체 영역(90)(도 2, 도 3)은, 연소용 기체의 유속이 거의 없거나, 덕트(2)내에서 상대적으로 가장 유속이 낮은 영역으로서, 덕트(2)의 하류측의 덕트(2)를 상하로 분할하는 격벽(중앙 칸막이)(4)을 중심으로 연료 노즐(10)의 중심축을 통과하여, 상하로 각각 15°의 범위내의 평면으로 둘러싸이는 영역에 있다.
하류측 압력 검출점(30,34)이 배치되는 개소인 연소용 기체의 스로트(6)의 정부는, 상기 스로트(6)의 직경과 연료 노즐(10)의 유로의 직경의 차가 최대로 되는 위치(도 1에서는 연소용 기체 스로트(6)의 중심축을 통과하는 수직선)를 기준으로 하여, 둘레방향으로 ±2°(도 12 참조)의 범위내, 중심축방향으로 연소용 기체 스로트(6)의 스로트길이의 2분의 1보다 하류인 측(도 11 참조)에 존재한다.
(작용)
상기 본 발명은, 이하와 같은 작용이 있다.
차압검출장치(32,35)에 의해 각각 검출된 상류측 압력 검출점(31,33)과 하류측 압력 검출점(30,34)에 있어서의 연소용 기체의 차압의 값을 소정의 환산식에 대입함으로써 연료용 기체의 유량에 환산할 수 있어, 각 버너에 연소용 기체(공기 등의 가스) 유량을 계측할 수 있다.
상기 소정의 환산식이란 다음과 같다.
Q=C√OPP (1)
(Q: 유량, C: 정수, OP: 차압, P: 연료용 기체의 밀도)
연소용 기체 덕트(2)는, 연소용 기체를 상기 연소용 기체 스로트(6)의 중심축방향(화로측의 출구부로 향하는 유체의 흐름 방향)에 대해서 직교하는 한 방향으로부터 취입하는 유입구(8)를 갖고, 연소용 기체의 유로(덕트)(2)가 상기 연소용 기체 스로트(6)의 중심축방향으로 직각으로 절곡되도록 형성되어 있다.
차압검출장치(32,35)에 의해 덕트(2)내의 연소용 기체 유량을 계측하고, 그 유량을 조절하기 때문에, 덕트(2)에 생기는 편류의 영향을 억제하는데 필요한 덕트 길이를 얻으면서, 덕트(2)가 보일러 화로(40)의 벽면을 따른 윈드박스(41)내에 컴팩트하게 수납된다.
　연소용 기체의 유량조정수단(1)은, 연소용 기체의 덕트(2)의 차압검출장치(32,35)의 설치부의 전류(前流)측에 설치되어 있다. 이에 의해, 덕트(2)의 유량조정수단(1)보다 이후의 덕트 길이를 어느 정도 확보할 수 있으므로, 특히 유입구(8)의 개도가 작을 때에 생겨, 커지기 쉬운 연소용 기체의 덕트 단면내의 유속 분포를 유량조정수단(1)으로 축소할 수 있다.
또한, 개폐 등의 기계적 동작을 수반하는 유량조정수단(1)이 화로(40)내로부터 직접 복사열을 받거나, 화로(40)의 상방 등으로부터 낙하해 오는 클린커(clinker) 등과 충돌하는 것을 회피할 수 있어, 그들에 의한 손상이나 그에 기인하는 동작 불량이 발생할 가능성을 저감할 수 있다.
차압검출장치(32,35)는, 유량조정수단(1)의 후류측으로서, 연소용 기체의 정체 영역(90)에 상당하는 상기 덕트(2)의 유입구(8)로부터 가장 떨어진 덕트(2)의 내벽 개소를 상류측 압력 검출점(31,33)으로 하기 때문에, 상기 압력 검출점(31,33)에 작용하는 동압(動壓)의 영향이 작아지고, 또한, 연소용 기체 스로트(6)의 정부 벽면과 바닥부 벽면에 각각 하류측 압력 검출점(30,34)을 배치하기 때문에, 연소용 기체의 편류의 영향을 받지 않고 연소용 기체 유량을 계측할 수 있어, 연료용 기체의 유량 계측을 고정밀도로 행할 수 있다.
연소용 기체 스로트(6)에 접속하는 연소용 기체의 덕트(2)가, 격벽(중앙 칸막이)(4)에 의해 2개로 분할되어 있고, 그들 분할된 유로의 각각 상류측 압력 검출점(31,33)과 하류측 압력 검출점(30,34)을 마련한다.
이에 의해, 복수의 덕트(2)를 흐르는 연소용 기체의 유량에 버너(44)의 연소용 공기 출구(7)의 상하에서 편차를 주어, 개별적으로 정밀하게 조절하여, 화로(40)내에 있어서의 화염의 형성 위치를 제어할 수 있고, 연소 배기가스중의 질소산화물 NOx 농도의 저감이나 보일러 화로(40)내에 설치되는 전열관(도시하지 않음)으로의 전열량의 제어를 유효하게 행할 수 있다. 덕트(2)가 복수의 유로로 분할되면 연소용 기체의 유량의 계측, 조절의 대상이 증가하여, 유로마다 적극적으로 유량을 변화시키기 위해, 그 조정폭이나 빈도도 증가하기 때문에, 상기 상류측 압력 검출점(31,33)과 하류측 압력 검출점(30,34)을 이용하는 구성은 중요도가 높다.
또한, 연료 노즐(10)은, 연소용 기체의 편류가 생기기 쉬운 중심축방향(화로측 출구로 향하는 유체의 흐름 방향)에 직교하는 단면의 형상이 장경부와 단경부를 갖는 사각 형상, 타원 형상 또는 타원 형상이어도, 하류측 압력 검출점(30,34)을 연소용 기체 스로트(6)의 중심축을 기준으로 하는 직경 방향의 연소용 기체유로 횡단면적이 최대로 되는 상기 연소용 기체 스로트(6)의 외벽면에 형성함으로써, 편류의 영향을 받지 않아, 연소용 기체의 유량을 정밀하게 계측할 수 있다.
차압검출장치(32,35)는, 상류측 압력 검출점(31,33)과 하류측 압력 검출점(30,34)을 구성하는 압력도관을 통해서 연소용 기체의 상류측 압력과 하류측 압력과의 차압의 값을 검출하는 것을 이용함으로써, 간편하게 설비비용의 대폭적인 증가를 초래함 없이, 실현할 수 있다.
특히 화로(40)의 벽면의 상하 방향으로 복수단, 노폭 방향으로 복수열 구비하고, 고체연료 버너(44)에 유입하는 고체연료의 유량을 개별적으로 계측하는 고체연료 유량 계측수단(71)을 구비하며, 고체연료 유량 계측수단(71)으로 계측되는 연료 유량의 변화에 따라서, 고체연료 버너(44)를 연소용 기체 유량을 개별적으로 제어할 수 있도록 구성된 보일러 등의 연소장치에 있어서, 복수의 유로를 흐르는 연소용 기체의 유량을 개별적으로 정밀하게 조절하는 것이 요구되는 경우, 필요한 장치의 수가 많기 때문에, 이것은 중요하다. 아울러, 본 발명의 연소장치에 한정하지 않고, 그 고체연료 버너(44)를 이용하는 다른 연소장치에도 이용할 수 있다.
청구항 1에 기재된 발명에 의하면, 연소용 기체의 덕트(2)는, 연소용 기체를 연소용 기체 스로트(6)의 중심축방향에 대해서 직교하는 한 방향으로부터 취입하는 유입구(8)를 갖고, 덕트(2)가 연소용 기체 스로트(6)의 중심축방향으로 직각으로 절곡되도록 형성되며, 또한, 연소용 기체의 유량조정수단(1)은, 연소용 기체용의 덕트(2)내의 전류부분에 설치되어 있으므로, 상기 덕트(2)의 길이를 어느 정도 확보할 수 있고, 유량조정수단(1)에서 특히 유입구(8)의 개도가 작을 때 생겨, 커지기 쉬운 연소용 기체의 덕트 단면내의 유속 분포의 확대를 축소할 수 있다.
또한, 상류측 압력 검출점(31,33)을 상기 덕트(2)내의 연료용 기체의 정체 영역(90)에 형성하였으므로, 상류측 압력 검출점(31,33)에 작용하는 동압의 영향이 작어, 연료용 기체의 유량 계측을 고정밀도로 행할 수 있고, 차압검출장치(32,35)에 의해 검출된 차압의 값을 소정의 환산식(1)에 대입함으로써 연료용 기체의 유량에 환산할 수 있어, 각 버너에 연소용 기체(공기 등의 가스) 유량을 계측할 수 있다. 이렇게 하여, 연소용 기체의 편류의 영향을 받지 않고 연소용 기체 유량을 계측할 수 있다.
또한, 차압검출장치(32,35)에 의해 연소용 기체 유량을 계측하고, 그 유량을 유량조정수단(1)에 의해 조절하기 때문에, 연료용 기체의 덕트(2)에 생기는 편류의 영향을 억제하는데 필요한 덕트 길이를 얻으면서, 덕트(2)가 보일러 화로(40)의 벽면을 따른 윈드박스(41)내에 컴팩트하게 수납된다.
또한, 유량조정수단(1)은 덕트(2)내에 있으므로 개폐 등의 기계적 동작을 수반하는 유량조정수단(1)이 화로(40)내로부터 직접 복사열을 받거나, 화로(40)의 상방 등으로부터 낙하해 오는 클린커 등이 충돌하는 것을 회피할 수 있어, 그들에 의한 손상이나 그들에 기인하는 동작 불량이 발생할 가능성을 저감할 수 있다.
청구항 2에 기재된 발명에 의하면, 청구항 1에 기재된 발명의 효과에 더하여, 연소용 기체의 덕트(2)가, 격벽(4)에 의해 2개의 연소용 기체유로로 분할되어, 상기 유로의 각각에 상류측 압력 검출점(31,33)과 하류측 압력 검출점(30,34)을 설치함에 의해, 복수의 덕트(2)를 흐르는 연소용 기체의 유량을 상하에서 개별적으로 정밀하게 조절하여, 화로(40)내에 있어서의 화염의 형성 위치를 제어할 수 있다. 덕트(2)가 복수의 유로로 분할되면 연소용 기체의 유량의 계측, 조절의 대상이 증가하여 유로마다 적극적으로 유량을 변화시킬 수 있기 때문에, 미세한 유량 조정을 할 수 있다.
청구항 3에 기재된 발명에 의하면, 청구항 1에 기재된 발명의 효과에 더하여, 연료 노즐(10)은, 연소용 기체의 편류가 생기기 쉬운 중심축방향(화로측 출구로 향하는 유체의 흐름 방향)에 직교하는 단면의 형상이 장경부와 단경부를 갖는 사각 형상, 타원 형상 또는 타원 형상이어도, 하류측 압력 검출점(30,34)을 연료 노즐(10)의 중심축을 기준으로 하는 직경 방향의 연소용 기체유로 횡단면적이 최대로 되는 상기 연소용 기체 스로트(6)의 외벽면에 형성함으로써, 편류의 영향을 받기 어려워, 연소용 기체의 유량을 정밀하게 계측할 수 있다.
청구항 4에 기재된 발명에 의하면, 청구항 1에 기재된 발명의 효과에 더하여, 차압검출장치(32,35)는, 상류측 압력 검출점(31,33)과 하류측 압력 검출점(30,34)에 각각 접속되는 압력도관을 통해서 덕트(2)내의 연소용 기체의 상류측 압력과 하류측 압력과의 차압의 값을 검출할 수 있어, 간편하게 설비비용의 대폭적인 증가를 초래하지 않고 실현할 수 있다.
청구항 5에 기재된 발명에 의하면, 연소장치의 복수의 상기 고체연료 버너(44)에 유입하는 고체연료의 유량을 고체연료 유량 계측수단(71)으로 개별적으로 조정 계측하고, 제어장치(37)가 상기 측정되는 고체연료 유량의 변화에 따라서, 각 고체연료 버너(44)의 차압검출장치(32,35)에서 검출되는 연소용 기체 유량에 기초하여 연소용 기체의 유량조정수단(1)의 개도를 조정하여, 연소용 기체의 유량을 개별적으로 제어하므로, 각각의 버너(44)의 고체연료 유량의 변화에 신속하게 대응할 수 있다. 또한, 연소용의 기체만의 조정으로 되어, 반송 기체로 반송되는 고체연료에 비해서 조정수단 등을 간편한 구성으로 할 수 있다. 또한, 연소용 기체량에 버너(44)의 상하에서 편차를 줌으로써, 화로(40)내에서 화염을 상향 또는 하향으로 변경할 수 있어, 연소 배기가스중의 질소산화물 NOx 농도의 저감이나 보일러 화로(40)내에 설치되는 전열관(도시하지 않음)으로의 전열량의 제어를 유효하게 행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예의 고체연료 버너의 개략 사시도이다.
도 2는 도 1의 버너의 구성요소를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 버너의 화로 보일러 앞쪽에서 본 연소용 공기 덕트의 정면도이다.
도 4는 도 3의 버너의 A-A선 단면도이다.
도 5는 도 1의 버너를 부착한 화로의 일례를 나타내는 개략 정면도(도 5(a))와 측면도(도 5(b))이다.
도 6은 도 1의 버너의 편류를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 1의 버너의 편류를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 1의 버너의 편류를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 1의 버너의 편류를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 도 1의 버너의 댐퍼(damper) 개도와 정압력의 관계를 설명하는 도면이다.
도 11은 도 1의 버너의 하류측 압력 검출점의 부착 위치를 설명하는 도면이다.
도 12는 도 1의 버너의 하류측 압력 검출점의 부착 위치를 설명하는 도면이다.
도 13은 도 1의 버너의 하류측 압력 검출점의 중심축방향의 부착 위치의 정압력에 미치는 댐퍼 개도의 영향을 설명하는 도면이다.
도 14는 도 1의 버너의 하류측 압력 검출점의 둘레방향의 부착 위치의 정압력에 미치는 댐퍼 개도의 영향을 설명하는 도면이다.
도 15는 도 1의 버너를 이용한 화로에서의 고체연료의 공급량 제어의 개략 설명도이다.
도 16은 일반적인 연소용 공기(가스) 유량 계측 방법을 설명하는 도면이다.
도 17은 일반적인 연소용 공기(가스) 유량 계측 방법을 설명하는 도면이다.
본 발명의 실시형태를 도면과 함께 설명한다.
이하의 본 발명의 실시예에서는, 주연료로서 고체연료, 특히 미분탄이나 목질 바이오매스 또는 미분탄이나 목질 바이오매스의 혼합물을 고체연료 버너로 연소시키는 것을 상정하고 있지만, 그렇다고 해서 연료 종류는 한정되는 것이 아니라, 액체 또는 기체를 주연료로 하는 것이라도 좋다. 또한, 연소용 가스로서는 공기를 이용하는 것으로 하고 있지만, 반드시 공기에만 한정되는 것이 아니라, 연소 배기가스의 재순환 가스나 고산소 농도 가스, 상기 각종 가스의 혼합 가스 등을 이용하는 것이라도 좋다.
본 발명의 실시예인 고체연료 버너의 개략 사시도를 도 1에 나타내고, 도 5에 본 발명을 적용한 고체연료 버너(44)를 보일러 화로(40)에 조립한 경우의 개략 정면도(도 5(a))와 측면도(도 5(b))를 나타낸다.
연소용 공기는 도 5에 나타내는 보일러 화로(40)의 측벽의 외측에 설치되는 윈드박스(41)로부터 도 1에 나타내는 연소용 공기 덕트(2)를 경유하여 버너(44)내에 들어가, 화로(40)의 벽면의 개구부에 형성된 연소용 공기 스로트(6)로부터 화로(40)내로 유출되는 것이다. 또한, 미분탄과 그 반송용 공기는 도 1의 고체 연소 반송관(연료 노즐)(10)을 경유하여 화로(40)내로 분출된다.
고체 연소 반송관(10)의 외주측에 연소용 공기를 화로(40)내로 분출하는 연소용 공기 스로트(6)가 설치되어 있고, 상기 연소용 공기 스로트(6)에는 연소용 공기 덕트(2)로부터 연소용 공기가 공급된다. 연소용 공기 덕트(2)에는 윈드박스(41)내로부터의 연소용 공기를 안내하는 공기 유입구(8)가 구비되어 있고, 도 1에 화살표 B로 나타내는 그 공기 유입구(8)의 공기 유입방향을 버너(44)가 설치된 화로 벽면에 평행한 방향으로 형성하며, 상기 공기 유입구(8)로부터 거의 직각으로 절곡되어 화로 벽면을 향해서 연소용 공기를 연소용 공기 출구(7)로부터 화로(40)내로 분출한다. 따라서 연소용 공기 덕트(2)는 고체 연소 반송관(연료 노즐)(10)의 외주부에 설치되고, 그 공기 유입구(8)로부터 유입된 공기는 고체 연소 반송관(10)의 외주부를 둘러싸도록 거의 직각으로 구부러져 연소용 공기 스로트(6)에 공급된다.
고체 연소 반송관(10)의 출구부는, 화로(40)의 안쪽에서 보아 유로가 타원형의 구조로 되어 있지만, 스로트(6)의 출구 형상은 화로 안쪽에서 보아 가스 유로가 원형의 구조로 되어 있다. 그 때문에 스로트(6)의 화로 출구는 고체 연소 반송관(10)의 출구의 주위에서 상하에 큰 개구부를 갖는다.
연소용 공기 덕트(2)는, 중앙 칸막이(4)에 의해 상하로 2분할되어 있어, 연소 덕트(2)내에서 상하의 공기(연소용 가스)가 합류하지 않는다. 또한, 연소용 공기 덕트(2)의 연소용 공기 유입구(8)는, 더욱이, 상단 칸막이(3) 및 하단 칸막이(5)에 의해 구획되고, 중앙 칸막이(4)에 의해 구획된 공간과 합하여 4개의 공간으로 이루어지며, 그 공간에는 연소용 공기(연소용 가스)량 조정용의 댐퍼(1)가 각각 설치되어 있다.
도 2는 연소용 공기 덕트(2)의 상세 사시도이다. 연소용 공기 덕트(2)는, 연소용 공기 스로트(6)에 접속되지만, 화로 벽면에 가까운 측에 그 화로 벽면과 병렬 배치된 U자형의 전벽(56)과 그 배면의 화로 벽면에 먼 측에서, 전벽(56)에 병렬 배치되는 U자형의 후벽(57) 및 전벽(56)과 후벽(57)의 능선부끼리에 양단부가 접속되어, 연소용 공기 덕트(2)의 공간을 덮는 측벽(55)으로 이루어진다. 전벽(56)에는 연소용 공기 스로트(6)를 접속하기 위한 원형의 개구(58)가 있고, 측벽 부재(57)에는 고체연료 반송관(10)을 접속하기 위한 개구(59)가 형성되어 있다.
중앙 칸막이(4)는, 연소용 공기 덕트(2)의 상기 유입구(8)의 높이 L1의 중심 위치인 높이 0.5 L1의 위치에 설치되고, 연소용 공기 유입구(8)를 상하로 2분할하고, 덕트(2)의 구성용의 전후벽(56,57)에 접합되어, 중앙 칸막이(4)에 의해 상하로 분할된 연소용 공기 덕트(2)내의 공간끼리는 연소용 공기의 유입이나 유출은 없고, 서로 독립되어 있다.
또한, 중앙 칸막이(4)에 의해 상하로 2분된 연소용 공기 덕트(2)내에는, 각각 상단 칸막이(3) 및 하단 칸막이(5)가 배치된다. 상단 칸막이(3)는 연소용 공기 유입구(8)의 정부로부터 높이 L3만큼 하측에 배치되고, 하단 칸막이(5)는 연소용 공기 유입구(8)의 바닥부로부터 높이 L4만큼 상측에 설치되어, 각각 중앙 칸막이(4)와 평행하게 배치된다. 상기 높이 L3과 높이 L4는 임의로 결정할 수 있지만, 댐퍼(1)의 날개의 가스 흐름 방향의 길이 이상으로 할 필요가 있다.
상단 칸막이(3)와 하단 칸막이(5)의 가스 흐름 방향의 길이 L6도 임의로 결정할 수 있지만, 연소용 공기가 출구(7)로부터 화로(40)내로 유출되기 위해서는, 중앙 칸막이(4)가 길이 L5 미만으로 할 필요가 있다. 본 실시예에서는, 칸막이 부재로서 상단 칸막이(3) 및 하단 칸막이(5)를 2개 이용했지만, 임의의 개수를 사용할 수 있다.
도 3은, 보일러 앞쪽(보일러 화로(40)의 전측 노벽)에서 본 연소용 공기 덕트(2)의 정면도이다. 연소용 공기 덕트(2)의 구성 부재인 측벽(55)의 단면이 반원 형상인 부분의 곡률 반경 r2는 연소용 공기 스로트(6)의 반경 r1보다 크게 할(r2＞r1) 필요가 있다. 이렇게 함으로써 연소용 공기 출구(7)에 있어서의 편류를 완화하는 효과가 있다.
도 4에 도 3의 A-A선 단면도를 나타낸다. 연소용 공기(연소용 가스) 유입구(8)로부터 연소용 공기 덕트(2)에 유입된 연소용 공기(20)는 직각으로 구부러져, 연소용 공기 스로트(6)와 고체연료 반송관(10)의 사이의 공간을 흘러, 연소용 공기 출구(7)로부터 화로(40)내로 유출된다. 연소용 공기 스로트(6)와 고체연료 반송관(10)의 사이의 공간에 관해서도, 중앙 칸막이(4)에 의해 연소용 공기 출구(7)까지 상하로 2분할되어 있다. 이에 의해, 연소용 공기 출구(7)의 상하에서 연소용 공기량에 편차를 주어, 화염을 상향 또는 하향으로 변경함으로써, 연소 배기가스중의 질소산화물 NOx 농도의 저감이나 보일러 화로(40)내에 설치되는 전열관(도시하지 않음)으로의 전열량의 제어에 유효하다.
연소용 공기 덕트(2)는, 중앙 칸막이(4)에 의해 연소용 공기 출구(7)까지 상하로 2분할되어 있다. 중앙 칸막이(4)에 의해, 연소용 공기 출구(7)의 상하에서 연소용 공기량에 편차를 주고, 보일러 화로(40)내에서 화염을 상향 또는 하향으로 변경함으로써, 연소 배기가스중의 질소산화물 NOx 농도의 저감이나 보일러 화로(40)내에 설치되는 전열관(도시하지 않음)으로의 전열량의 제어를 유효하게 행할 수 있다.
중앙 칸막이(4)를 사이에 두고 상하로 2분할된 연소용 공기 덕트(2)내의 연소용 공기의 유량은 각각 압력도관인 상류측 압력 검출점(31)과 하류측 압력 검출점(30)의 압력 측정치의 편차 및 상류측 압력 검출점(33)과 하류측 압력 검출점(34)의 압력 측정치의 편차를 계측한다.
연소용 공기의 유량을 계측하기 위한 압력도관인 상류측 압력 검출점(31,33)은, 연소용 공기 덕트(2)의 정체 영역(90)(도 3)에 부착된다. 여기서, 정체 영역(90)이란 도 2의 도색 부분과 도 3의 사선부로 나타내는 영역(90)에 나타나는 영역이며, 개구(58)의 중심을 통과하여, 연소용 공기 스로트(6)의 중심축을 원점으로서 중앙 칸막이(4)를 사이에 두고, 상하에 수평면에 대해서 경사각도 θ1, θ2로 형성되는 가상면에 의해 제한된 영역(전후벽(56,57) 및 측벽(55)으로 둘러싸이는 공간)이며, 정체 영역(90)내에 압력도관인 상류측 압력 검출점(31,33)을 임의로 부착할 수 있다. 경사각도 θ1이나 θ2의 값에 대해서는 후술한다.
또한, 다른 한쪽의 압력도관인 하류측 압력 검출점(30,34)은, 연소용 공기 스로트(6)의 반경 r1과 고체연료 반송관(10)의 출구 반경 r3의 차가 최대로 되는 위치인 연소용 공기 스로트(6)의 정부와 바닥부에 각각 설치된다. 하류측 압력 검출점(30,34)은, 동압의 영향을 받지 않도록, 도 1에 나타내는 연소용 공기 스로트(6)의 벽면에 대해서 하류측 압력 검출점(30,34)의 길이방향을 수직 방향으로 향하게 해서 부착되어 있다.
상류측 압력 검출점(31,33)으로부터는 연소용 공기 덕트(2)내를 흐르는 연소용 공기의 상류측 유체 압력(고압측 압력)이 도출되고, 하류측 압력 검출점(30,34)으로부터는 연소용 공기의 하류측 유체 압력(저압측 압력)이 도출된다. 압력도관인 상하류측 압력 검출점(30,31)은 차압검출장치(32)에 접속되고, 또한 상하류측 압력 검출점(33,34)은 차압검출장치(35)에 접속되어, 그들의 차압이 상술의 소정의 유량 환산식(1)에 대입되어, 연소용 공기의 유량이 산출된다.
상하류측 압력 검출점(30,31;33,34)을 구성하는 압력도관의 재질이나 직경은, 임의의 것을 사용할 수 있지만, 재질에 대해서는 연소용 공기의 온도(약 300℃)를 고려할 필요가 있다. 또한 상하류측 압력 검출점(30,31;33,34)을 구성하는 압력도관의 직경은 연소용 공기에 포함되는 더스트에 의한 막힘 등을 고려할 필요가 있으며, 퍼지 시스템 등을 적용하는 것도 유효하다.
도 5는, 본 발명을 조립한 버너(44)를 이용한 화로(40)의 개략도이다. 화로(40)에 윈드박스(41)가 설치되어 있고, 복수개의 2단 연소용 공기(연소용 가스) 포트(42)와 본 발명을 적용한 버너(44)가 설치되어 있다. 화로(40)의 외부로부터 공급되는 고체연료는 고체연료 반송관(10)으로부터 각 버너(44)에 접속된다.
도 5에서는, 화로(40)의 보일러 앞쪽에 버너(44)가 설치되어 있는 예를 나타내고 있지만, 본 발명은, 화로(40)의 보일러 앞쪽과 보일러 뒤쪽에 설치한 대향 연소용 버너 등에도 사용할 수 있다. 2단 연소용 공기(연소용 가스) 포트(42)를 2단 설치한 예를 도 5에 나타내고 있지만, 그 단수는 1단으로도 적용할 수 있고, 또한 도 5에서는 일렬로 6개의 포트(42)를 설치하고 있지만, 임의의 수를 설정할 수 있다.
범용되는 연소용 공기(연소용 가스)의 유량 계측장치의 일례를 도 16, 도 17에 나타낸다. 도 16은, 피토관(pitot tube)(61)을 이용한 유량 계측장치의 일례이다. 유로(60)중에 피토관(61)이, 유체의 흐름(22)에 대향하는 방향으로 전체 압력 검출구멍(62)의 도입구를 향하여 설치되어 있다. 전체 압력 검출구멍(62)과 정압 검출구멍(63)에서 검출된 유체 압력은, 차압검출장치(67)에 보내져서, 소정의 유량 환산식(1)에 대입하여 유량을 산출한다.
도 17은, 오리피스(orifice)를 이용한 연소용 공기(연소용 가스)의 유량 계측장치의 일례이다. 오리피스(64)는, 유로(60)중에서 유체의 흐름(22)에 대해서 수직 방향으로 부착되어 있다. 압력도관(65,66)은, 각각 오리피스(64)를 사이에 두고 상류측과 하류측에 설치된다. 압력도관(65,66)에서 검출된 유체 압력은 차압검출장치(67)에 보내져, 상기한 소정의 유량 환산식(1)에 대입하여 유량을 산출한다.
피토관(61)에서는, 버너(44)내에서 필요로 하는 충분한 직관 길이를 취하지 못하여, 연료 유량의 계측 정밀도는 낮아, 편류의 영향을 받을 가능성이 크다. 다수의 피토관(61)을 이용하고, 유로(60)내가 있는 단면을 복수 개소 계측하여 유량 계측 정밀도를 높게 할 수도 있지만, 비용이 비싼 것이 난점이다. 또한, 오리피스(64)를 이용하는 경우, 유량 계측이기 때문에 여분의 압력 손실이 발생하여, 연소용 공기를 각 버너(44)로 반송하기 위한 팬 등의 동력이 증가하여, 바람직하지 않다.
상기 범용의 유량 계측장치에 대해서, 본 발명의 유량 계측장치는 버너 구조에 기인하는 연소용 공기(가스)의 압력 손실을 상하류측 압력 검출점(30,31)과 차압검출장치(32) 또는 상하류측 압력 검출점(33,34)과 차압검출장치(35)에서 각각 검출하고, 연소용 공기(가스) 유량으로 환산하는 것으로, 유량 계측을 위한 여분의 압력 손실은 발생하지 않는다. 또한, 적절한 차압 검출 위치를 선정함으로써, 검출되는 차압은 연소용 공기량의 조정용 댐퍼(1)를 조작함에 의한 플로우 패턴의 변화나 편류의 영향을 받지 않기 때문에 고정밀의 유량 계측이 가능하다.
다음으로 버너 연소용 공기의 편류에 대해 설명한다.
도 6은, 연소용 공기 덕트(2)의 연소용 공기 유입구(8) 근처에 병렬 배치되는 복수의 조정 댐퍼(1)의 회전축(1a,1b,1c 및 1d)을 연결하여 얻을 수 있는 수직선(52)과 연소용 공기량 조정 댐퍼(1)가 이루는 각도 δ가 30°인 경우의 버너(44)를 보일러 앞쪽에서 본 도면이며, 도 7은, 연소용 공기 출구(7)의 유량 편차를 모식적으로 나타낸 것이다.
연소용 공기량 조정용 댐퍼(1)는, 측벽(55)과 상단 칸막이(3)로 구분된 공간(50a), 상단 칸막이(3)와 중앙 칸막이(4)로 구분된 공간(50b), 중앙 칸막이(4)와 하단 칸막이(5)로 구분된 공간(50c), 하단 칸막이(5)와 측벽(55)으로 구분된 공간(50d)에 각각 댐퍼(1a,1b,1c,1d)가 부착되어 있다.
도 6에서는, 상기 수직선(52)과 댐퍼(1)의 날개의 연장선(53)이 이루는 각도 δ가 30°(댐퍼 개도 30°)이다. 이때의 연소용 공기 덕트(2)내에서의 연소용 공기의 흐름(21)은 도 7에 나타내는 유량의 차이가 있다. 도 7에 나타내는 바와 같이 연소용 공기 출구(7)의 영역 (나)에서는 유량이 많아지고, 출구(7)의 영역 (가)에서는 유량이 적다. 출구(7)의 영역 (다)에서는 유량이 적고, 출구(7)의 영역 (라)에서는 유량이 많다. 이것이 연소용 공기의 편류이다.
도 8과 도 9는, 상기 수직선(52)과 연소용 공기량 조정용 댐퍼(1)의 연장선(53)이 이루는 각도 δ가 90°(댐퍼 개도 90°)인 경우의 버너(44)를 보일러 앞쪽에서 본 모습과 연소용 공기 출구(7)의 유량 편차를 모식적으로 나타낸 것이다. 각도 δ가 변화함으로써, 연소용 공기의 흐름(21)이 도 6의 댐퍼 개도 30°인 경우와 다르다. 따라서, 연소용 공기 출구(7)의 유량 편차도 댐퍼 개도 30°인 경우와 달리 유량 편차는 연소용 공기 출구(7)의 영역 (나)와 상기 출구(7)의 영역 (다)에서 커지고, 출구(7)의 영역 (가)와 출구(7)의 영역 (다)에서 작아진다.
댐퍼(1)는, 버너 공기비를 소정의 값으로 되도록 자동 제어되기 때문에, 수직선(52)과 댐퍼(1)가 이루는 각도 δ의 영향을 받지 않는 위치에 압력도관인 상하류측 압력 검출점(30,31;33,34)을 설치하는 것이 바람직하다. 상류측 압력 검출점(31,33)은 댐퍼(1)의 축류(縮流)의 영향이 없는 정체 영역(90)(도 2, 도 3)에 설치할 필요가 있다.
실물 크기의 모델을 사용한 검토의 결과를 도 10에 나타낸다. 가로축은, 도 6, 도 8중의 수직선(52)에 대한 연소용 공기량 조정용 댐퍼(1)의 개도(%)이며, 세로축은 동일 유량에 있어서의 버너 압력 손실에 대한 정압력의 비(무차원)이다. 상기 도 3에 나타내는 정체 영역(90)의 범위를 나타내는 것으로 추정되는 각도 θ1, θ2가 θ1=θ2≤15°의 범위에서, 실제로 사용하는 상기 각도 θ1, θ2의 범위에서는, 정압력/버너 압력 손실의 값은 거의 일정하다. 이것은, 유속은 거의 0이기 때문이고, 상기 각도 θ1, θ2가 θ1=θ2≤15°의 범위를 정체 영역(90)으로 하였다. 따라서, 상류측 압력 검출점(31,33)은, 이 범위에 포함되는 연소용 공기(연소용 가스) 덕트(2)의 구성 부재인 측벽(55)의 임의의 위치에 설치할 수 있다.
다음으로, 압력도관인 하류측 압력 검출점(30,34)의 위치에 대해서 검토한다. 도 6 내지 도 9에 나타낸 연소용 공기(가스)의 편류의 영향을 받지 않는 영역에 하류측 압력 검출점(30,34)을 설치할 필요가 있다.
도 11은, 연소용 공기 스로트(6)의 중심축방향의 하류측 압력 검출점(30)의 부착 위치(81~83)를 지시하는 모식도이며, 도 12는, 상기 스로트(6)의 둘레방향의 하류측 압력 검출점(30)의 부착 위치(84~87)를 지시하는 모식도이다. 하류측 압력 검출점 부착 위치(81~83)(도 11)는 반경 방향으로
(스로트(6)의 반경 r1)-(연료 노즐(10)의 반경 r3)
이 최대로 되는 연소용 공기 스로트(6)의 정부에 설치되고, 하류측 압력 검출점 부착위치(82)는, 상기 스로트(6)의 길이 L10의 중간 길이(0.5×L10)의 위치에 설치되며, 하류측 압력 검출점 부착 위치(81)는 상기 스로트(6)의 하류측, 하류측 압력 검출점 부착 위치(83)는 상기 스로트(6)의 상류측에 설치되어 있다. 또한, 도 12에 나타내는 바와 같이 하류측 압력 검출점 부착 위치(84,85,86,87)는 상기 스로트(6)의 중심축방향의 길이의 중간 위치에 설치되고, 하류측 압력 검출점 부착 위치(85,86)는, 스로트(6)의 중심축을 통과하는 수직선에 대해서, 상기 스로트(6)의 반경 방향의 경사각도 θ3=2°이며, 하류측 압력 검출점 부착 위치(84,87)는 상기 스로트(6)의 반경 방향의 상기 경사각도 θ3=20°이다.
실물 크기의 모델을 사용해서 검토한 결과를 도 13 및 도 14에 나타낸다. 도 13 및 도 14의 가로축은, 도 6, 도 8중의 수직선(52)과 연소용 공기(연소용 가스)량 조정용 댐퍼(1)가 이루는 각도(댐퍼 개도)이며, 세로축은 동일 유량에 있어서의 정압력/버너 압력 손실이다.
도 13에 의하면, 상기 스로트(6)의 중심축방향에 있어서 하류측 압력 검출점 부착 위치(81,82)에서, 사용하는 댐퍼 개도 범위내에서 정압력은 거의 일정하다. 도 14에 의하면, 상기 스로트(6)의 둘레방향에서는, 하류측 압력 검출점 부착 위치(82,85,86)에서, 사용하는 댐퍼 개도 범위 약 10~80%의 범위내에서 정압력/버너 압력 손실은 거의 일정하다. 사용하는 댐퍼 개도 범위내에서, 정압력/버너 압력 손실은 조금 차이가 있지만, 도 1에 나타내는 버너의 차압검출장치(32,35)에서 검출하는 차압은, 100Pa 이상이기 때문에 유량 계측 정밀도에 미치는 영향은 적다.
이와 같이, 도 1에 나타내는 버너에 있어서의 하류측 압력 검출점(30,34)의 부착 위치의 범위는, 상기 스로트부(6)의 중심축방향에 관해서는, 부착 위치를 PL로 하면, 상기 스로트(6)의 길이 L의 중심점으로부터 하류측인 0.5L10≤PL≤L10의 범위에 부착된다. 상기 스로트(6)의 둘레방향은, 도 12에 나타내는 0°≤θ3=θ4≤2°의 범위에 부착되는 것으로 한다.
또한, 도 15에는 고체연료 계측 수단을 설명하기 위한 도면을 나타내고, 고체연료는 고체연료 분쇄장치(70)(예를 들면 견형(堅型) 밀 등)에 의해, 소정의 입경까지 분쇄되고, 각 버너(44)에 고체연료 반송관(10)을 통해 반송 기체에 의해 반송된다. 고체연료 반송관(10)에는, 고체연료 계측수단(71)(예를 들면, 정전하식, 마이크로파식 등의 계측기가 있다)이 구비되어 있다. 이렇게 하여, 연소장치의 복수의 상기 고체연료 버너(44)에 유입되는 고체연료의 유량을 고체연료 유량 계측수단(71)으로 개별적으로 조정 계측하고, 제어장치(37)가 상기 측정되는 고체연료 유량의 변화에 따라서, 각 고체연료 버너(44)의 차압검출장치(32,35)에서 검출되는 연소용 기체 유량에 기초하여, 연소용 기체의 유량조정수단(1)의 개도를 조정하여, 연소용 기체의 유량을 개별적으로 제어하므로, 각각의 버너(44)의 고체연료 유량의 변화에 신속하게 대응할 수 있다.
또한, 버너 부하에 대한 제어는, 연소용의 기체만의 조정으로 충분하며, 반송 기체로 반송되는 고체연료에 비해서 조정수단 등을 간편한 구성으로 할 수 있다. 또한, 화로(40)내에서 연소용 기체량에 버너(44)의 상하에서 편차를 줌으로써, 화염을 상향 또는 하향으로 변경할 수 있어, 연소 배기가스중의 질소산화물 NOx 농도의 저감이나 보일러 화로(40)내에 설치되는 전열관(도시하지 않음)으로의 전열량의 제어를 유효하게 행할 수 있다. 또한, 중앙 칸막이(4)에 의해 연소용 공기 출구(7)까지 상하로 2분할됨에 의해, 연소용 공기 출구(7)의 상하에서 연소용 공기량에 편차를 주어 보일러 화로(40)내에서의 화염을 상향 또는 하향으로 변경함으로써, 연소 배기가스중의 질소산화물 NOx 농도의 저감이나 보일러 화로(40)내에 설치되는 전열관(도시하지 않음)으로의 전열량의 제어를 유효하게 행할 수 있다.
　본 실시예에서는, 횡단면이 편평 형상의 연료 노즐(10)을 사용하여, 버너 구조의 설명을 행하였다. 본 발명에서는, 상기 편평 형상에 한하지 않고, 횡단면이 원형인 연료 노즐(10)에 대해서도, 상술한 계측 방법을 사용할 수 있다.
연료 노즐(10)의 횡단면이 원형인 경우, 연료 노즐(10)과 연소용 공기 스로트(6)가 형성하는 연소용 공기 출구(7)의 단면 형상은 동심 원형이기 때문에, 편평 형상의 것과 비교하면 편류는 일어나지 않는다.
그러나, 연소용 공기 입구(8)로부터 유입된 연소용 공기는, 연소용 공기 덕트(2)내에서 반드시 균일하게 동심원 형상의 연소용 공기 스로트(6)로부터 배출되는 것은 아니다.
도 8을 이용하여, 연료 노즐(10)을 횡단면 원형인 연료 노즐(10)로 한 경우를 상정하여 설명한다. 연소용 공기 입구(8)로부터 유입된 공기는, 조정용 댐퍼(1)에 의해 흐름이 흐트러진다. 도 6중의 수직선(52)과 댐퍼(1)의 날개의 연장전(53)이 이루는 각도 δ가 30°인 경우, 공기류는 연직 방향 하향으로 흐르기 때문에, 조정용 댐퍼(1)의 하류에 가까운 연소용 공기 출구(7)로부터의 공기 유량이 많아진다.
이와 같이 연료 노즐(10)의 횡단면 형상이 편평이라도 원형이라도 마찬가지로 연소용 공기 출구(7)의 공기 유량에 편차가 생긴다.
다음으로 횡단면이 원형인 연료 노즐(10)의 상류측 압력 검출점(도시하지 않지만, 도 1의 횡단면이 편평형의 연료 노즐(10)의 상류측 압력 검출점(31,33)에 상당한다)의 설치 위치에 대해서 설명한다. 상술한 바와 같이, 원형인 연료 노즐(10)도 편평형의 연료 노즐(10)과 동일하게 댐퍼(1)의 개도에 의한 편류의 영향을 받는다.
상류측 압력 검출점의 부착 위치(PL)는, 도 11의 편평형의 연료 노즐(10)과 같으므로, 도 11을 이용하여 설명한다. 도 11에 나타낸 연소용 공기 덕트(2)로부터 연소용 공기 스로트(6)를 향하여 흐를 때의 공기 축류의 영향을 피하기 위해, 스로트(6)의 길이 L10에 대해서 공기가 흐르는 방향으로 0.5L10≤PL≤L10의 범위가 바람직하고, 둘레방향의 상기 부착 위치 θ3, θ4는 도 12에 나타내는 바와 같이, 0°≤θ3=θ4≤2° 범위가 바람직하다. 이것은 상류측 압력 검출점의 정압력의 변화가 사용하는 댐퍼 개도 범위내에서 거의 없기 때문이다. 따라서, 횡단면이 원형인 연료 노즐(10)의 경우도 편평형의 연료 노즐(10)의 경우와 같은 범위에 상류측 압력 검출점을 설치하는 것이 바람직하다.
또한, 하류측 압력 검출점(도 1에 나타내는 편평형의 연료 노즐(10)에 설치하는 하류측 압력 검출점(30,34)에 상당하므로, 도 1을 이용하여 설명한다.)은 연소용 기체 스로트(6)의 정부 벽면과 바닥부 벽면에 각각 하류측 압력 검출점이 배치된다. 하류측 압력 검출점이 배치되는 개소인 연소용 기체의 스로트(6)의 정부를 기준으로 하여, 둘레방향으로 ±2°(도 12 참조)의 범위내, 중심축방향으로 연소용 기체 스로트(6)의 스로트길이의 2분의 1보다 하류인 측(도 11 참조)에 존재한다. 또한, 연소용 기체 스로트(6)의 정부 벽면과 바닥부 벽면에 각각 하류측 압력 검출점이 배치되므로, 연소용 기체의 편류의 영향을 받지 않고 연소용 기체 유량을 계측할 수 있어, 연료용 기체의 유량 계측을 고정밀도로 행할 수 있다.
또한, 횡단면 원형인 연료 노즐(10)의 경우도, 도시하지 않지만 도 1에 나타내는 차압검출장치(32,35)에 상당하는 차압검출장치를 구비하여, 상류측 압력 검출점과 하류측 압력 검출점에서의 압력차의 값을 연소용 기체의 유량으로 환산하고, 연소용 공기 덕트 안에의 연소용 공기유입량을 댐퍼 조작에 의해 조정하는 제어장치도 구비한다.
다음으로, 횡단면이 편평형 또는 원형인 연료 노즐(10)을 구비한 버너의 중앙 칸막이(4)가 없는 경우에 대해 설명한다.
상술한 실시예에서는, 연소용 공기 덕트(2)를 상하로 완전하게 2분할하고, 연소용 공기의 계측점도 상측과 하측으로 분할된 연소용 공기 덕트(2)의 2개소에 각각 설치할 필요가 있었다. 그러나, 중앙 칸막이(4)가 없는 경우, 도 1의 압력 검출점(30,31,33,34)에 상당하는 계측점은 한 개소로 줄이게 된다. 압력 검출점의 설치 위치에 관해서는, 댐퍼(1)의 편류의 영향이 나오지 않는 위치에 설치해야 하는 것이다.
여기서, 댐퍼(1)의 개도에 의한 연소용 공기의 편류의 영향을 상정한다. 하류측 압력 검출점(도시하지 않음, 도 1의 하류측 압력 검출점(30,34)에 상당한다.)의 설치 위치에 대해서 검토한다. 도 9의 영역(나)나 영역(다)에 있는 연소용 공기 출구(7)의 좌측, 즉, 연소용 공기 유입구(8)로부터 가까운 쪽의 연소용 공기 출구(7)에 있어서는, 댐퍼(1)에 의한 편류의 영향을 받기 때문에, 부적합하다. 한편, 연소용 공기 출구(7)의 우측, 즉 연소용 공기 입구(8)로부터 먼 쪽(영역 (가), ㅇ영역(라))에 있어서도, 영역(나), 영역(다)의 유량 편차의 영향에 의해, 댐퍼(1)의 개도에 기초하여 공기 유량이 다르다. 연소용 공기 스로트(6)의 정부에 있어서는, 댐퍼(1)에 의한 유량 편차가 없고, 상하의 언밸런스는 적기 때문에, 댐퍼(1)의 개도에 관계없이, 유량 편차가 작다.
따라서, 하류측 압력 검출점(도시하지 않음)은 연소용 공기 스로트(6)의 정부 또는 바닥부에 부착하면 좋다. 메인터넌스성이나 부착하기 쉬운 점을 고려하면, 상기 정부에 부착하는 편이 좋다.
또한, 상류측 압력 검출점(도시하지 않음)의 부착 위치는 한 개소로 된다. 중앙 칸막이(4)가 있는 경우는, 상측, 하측 각각의 연소 공기 덕트(2)내의 정체 공간(90)(도 2 참조)을 최하류에 설치하였다. 중앙 칸막이(4)가 없는 경우도, 연소용 공기 덕트(2)의 최하류 도달전에 대부분의 연소용 공기는 스로트(6)로 유출되기 때문에, 연소용 공기의 흐름이 거의 없는 정체 영역이 생긴다. 정체 영역이면, 댐퍼(1)의 개도에 관계없이 정압력이 안정된다. 따라서, 하류측 압력 검출점은, 도 1에 있어서의 연소용 공기 덕트(2)의 최하류에서 압력 검출점(30,34)이 설치되어 있던 영역에 1개 설치한다.
중앙 칸막이(4)로 연소 공기 덕트(2)를 상하 2분할한 경우에, 중앙 칸막이(4)와 연소 공기 덕트(2)가 교차하는 덕트 중심부(연소 공기 덕트(2)의 반원형부의 정부)가, 연소용 공기 입구(8)로부터 가장 먼 위치에 있고, 정체 영역내에서도 정압력이 가장 안정되어 있다. 따라서, 상류측 검출점은, 연소용 공기 덕트(2)의 반원형부의 정부(도 1의 상류측 압력 검출점(31,33)에 상당하는 위치)가 바람직하다.
1 : 연소용 공기 유량 조정용 댐퍼 2 : 연소용 공기 덕트
3 : 상단 칸막이 4 : 격벽(중앙 칸막이)
5 : 하단 칸막이 6 : 연소용 공기 스로트
7 :　연소용 공기 출구 8 : 연소용 공기류 입구
10 : 고체연료 반송관(연료 노즐) 11 : 반송 공기·연료 출구
20~22 : 공기의 흐름 31, 33 : 상류측 압력 검출점
30, 34 : 하류측 압력 검출점 32, 35 : 차압검출장치
37 : 제어장치 40 : 화로
41 : 윈드박스 42 : 2단 연소용 공기 포트
44 : 버너
50 : 연소용 공기 덕트를 구분한 공간
52 : 수직선 53 : 댐퍼의 날개의 연장선
55 : 측벽 56, 57 : 전벽
58 : 연소용 공기(가스) 스로트 접속을 위한 개구
59 : 연소 반송관을 접속하기 위한 개구
60 : 유로 61 : 피토관
62, 63, 65, 66 : 압력도관 64 : 오리피스
67 : 차압검출장치 70 : 고체연료의 분쇄장치
71 : 고체연료 유량 계측수단
81~87 : 하류측 압력 검출점 부착 위치
90 : 정체 영역

Claims (5)

  1. 고체연료와 그 반송 기체와의 혼합 유체를 화로(40)의 벽면으로부터 화로(40)내에 분출시키는 통 형상의 연료 노즐(10)과,
    상기 연료 노즐(10)의 외주에 설치되어, 연소용 기체를 화로(40)내에 분출시키는 통 형상의 연소용 기체 스로트(throat,6)와,
    상기 연소용 기체 스로트(6)로 접속된 연소용 기체의 유로를 구성하는 덕트(2)와,
    상기 덕트(2)내에 설치되는 연소용 기체의 유량조정수단(1)과,
    상기 덕트(2)내의 상류측과 하류측을 흐르는 연소용 기체의 압력차를 검출하는 차압검출장치(32,35)를 갖는 고체연료 버너로서,
    상기 덕트(2)는, 연료 노즐(10)의 중심축방향에 대해서 직교하는 한 방향으로부터 취입하는 유입구(8)를 갖고, 연소용 기체의 유로가 상기 연료 노즐(10)의 중심축방향으로 직각으로 절곡되도록 형성되며,
    상기 연소용 기체의 유량조정수단(1)은, 상기 덕트(2)의 유입구(8) 근방으로서, 상기 유입구(8)의 하류측에 설치되고,
    상기 차압검출장치(32,35)는, 상기 유량조정수단(1)의 후류(後流)측으로서, 연소용 기체의 정체 영역(90)에 상당하는 상기 덕트(2)의 유입구(8)로부터 가장 떨어진 덕트(2)의 내벽에 상류측 압력 검출점(31,33)을 가지며, 연소용 기체 스로트(6)의 외벽에 하류측 압력 검출점(30,34)을 갖고,
    상기 차압검출장치(32,35)에서 검출된 상류측 압력 검출점(31,33)과 하류측 압력 검출점(30,34)에서의 압력차의 값을 연소용 기체의 유량으로 환산하고, 상기 유량조정수단(1)을 조작하여 연소용 기체의 유량을 조정하는 제어장치(37)를 구비한 것을 특징으로 하는 고체연료 버너.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 연소용 기체 스로트(6)에 접속되는 상기 덕트(2)내의 연소용 기체의 유로가, 격벽(4)에 의해 상호 연소용 기체의 유입이 없는 복수의 유로로 분할되고,
    상기 복수의 유로의 각각에 상기 상류측 압력 검출점(31,33)과 하류측 압력 검출점(30,34)을 설치한 것을 특징으로 하는 고체연료 버너.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 하류측 압력 검출점(30,34)을 상기 연료 노즐(10)의 중심축을 기준으로 하는 직경 방향의 연소용 기체유로 간격이 최대로 되는 상기 연소용 기체 스로트(6)에 설치한 것을 특징으로 하는 고체연료 버너.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 차압검출장치(32,35)는, 상기 상류측 압력 검출점(31,33)과 하류측 압력 검출점(30,34)을 구성하는 각 압력도관을 통해서 상기 덕트(2)내의 연소용 기체의 상류측 압력과 하류측 압력과의 차압의 값을 검출하는 구성인 것을 특징으로 하는 고체연료 버너.
  5. 제 1 항에 기재된 고체연료 버너(44)를 화로(40)의 벽면의 상하 방향으로 복수단, 노(爐)폭 방향으로 복수열 구비한 연소장치로서,
    복수의 상기 고체연료 버너(44)에 유입되는 고체연료의 유량을 개별적으로 조정 계측하는 고체연료 유량 계측수단(71)을 구비하고,
    제어장치(37)는, 고체연료 유량 계측수단(71)에 의해 측정되는 고체연료 유량의 변화에 따라서, 각 고체연료 버너(44)의 차압검출장치(32,35)에서 검출되는 연소용 기체 유량에 기초하여 연소용 기체의 유량조정수단(1)의 개도(開度)를 조정하여, 연소용 기체의 유량을 개별적으로 제어하는 구성을 구비하는 것을 특징으로 하는 연소장치.
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