KR20160141616A - 고체연료 버너용 연료공급노즐 - Google Patents

Abstract

연료공급노즐을 통하여 고체연료를 공급하는 과정에서 고체연료가 고착되거나 충돌됨 없이 선회류를 원활하게 형성시켜 산화제와의 혼합을 가속화(加速化)시킴에 따라 안정적인 연소와 연소가스 내의 질소화합물(NO_X)을 최소화할 수 있도록 연료공급노즐의 내측면에 베인 없이 공급되는 고체연료의 공급압력에 의해 선회류를 형성시키는 나선형의 선회류 유도홈이 마련되는 고체연료 버너용 연료공급노즐을 제공한다.
그에 따라 고체연료 공급이 안정적으로 이루어져 높은 연소 효율성을 가질 수 있는 효과와 함께 유해물질의 방출을 극소화함과 아울러 오래 사용기간을 확보할 수 있는 효과를 가진다.

Description

고체연료 버너용 연료공급노즐{A fuel supply nozzle for the solid fuel burner}

본 발명은 고체연료 버너에 적용된 연료공급노즐에 관한 것으로, 더 상세하게는 연료공급노즐을 통하여 고체연료를 공급하는 과정에서 고체연료가 고착되거나 충돌됨 없이 선회류를 원활하게 형성시켜 산화제와의 혼합을 가속화(加速化)시킴에 따라 안정적인 연소와 연소가스 내의 질소화합물(NO_X)을 최소화할 수 있도록 한 고체연료 버너용 연료공급노즐에 관한 것이다.

미분탄(pulverized coal)은 노(furnace) 또는 증기 발생 보일러에 사용되는 통상적인 연료이다. 사용 환경에 따라 미분탄을 대체 연료(substitute fuel)로 대신하거나 또는 보완하는 것이 바람직하다. 미분탄은, 전형적으로 연소구역에서 1~2초의 잔류 시간으로 이것이 부유되어 실질적으로 완전히 연소되는 것을 허용하는 30~40 미크론 정도의 질량 평균 입자 크기를 갖는다. 그러나 다양한 바이오 매스 연료와 같은 많은 대체 연료는 석탄처럼 미세하게 가루가 될 수 없으며, 그 결과 평균 입자 크기가 1 mm(1000 미크론)의 치수를 가지며, 많은 입자들이 수 mm로 크다. 이들 큰 대체 연료의 연소는 전형적으로 불안정하며 그리고 불완전하다. 더욱이, 이들 연료의 대부분은 석탄 보다 높은 수분 함량 및 낮은 비에너지(specific energy) 양을 가지며, 따라서 보일러 시스템의 설계 열전달을 유지하기에 충분히 높은 화염(flame) 온도를 발생시킬 수 없다. 따라서, 보일러 증기 출력에서 비용이 많이 소요되는 디레이트(de-rate)가 유발된다.

아울러, 고체연료는 산화제와 함께 혼합되면서 연소가 이루어지는 것으로, 산화제와의 혼합비율이 높을수록 높은 연소효율성을 가진다.

고체연료를 사용하는 통상적인 버너는 상기한 바와 같이 연소효율성을 높이기 위하여 고체연료와 산화제의 혼합비율을 높기 위하여, 고체연료가 공급되는 연료공급노즐의 외부에 이중관 형태로 산화제를 공급하는 산화제공급관을 구비하게 되는 데, 이때 상기 연료공급노즐과 산화제공급관 사이에는 와류(swirl)를 발생시키는 베인(vene)이 구비한다.

그러나 정작 고체연료는 와류 형태로 공급되는 산화제와 혼합되는 과정에서 그리 높은 혼합 효율성을 가지는 못하는 단점을 가진다.

상기와 같이 산화제를 와류 형태로 공급하는 종래의 선행기술에는 대한민국 등록실용신안 제20-0342827호(이하 '특허문헌 1'이라 한다)와, 대한민국 등록특허 제10-0380747호(이하 '특허문헌 2'라 한다) 및 미국 공개특허 US 2011/0076630호(이하 '특허문헌 3'이라 한다)에 개시된 바있다.

또한, 대한민국 등록특허 제10-0837713호(이하 '특허문헌 4'라 한다)에 개시된 바와 같이 다중관 형태로 형성된 기술도 제안된 바있다.

대한민국 등록실용신안 제20-0342827호 대한민국 등록특허 제10-0380747호 미국 공개특허 US 2011/0076630호 대한민국 등록특허 제10-0837713호

그러나 특허문헌 1 내지 4의 경우, 와류 형태로 공급되는 산화제와 접하는 부분의 고체연료의 혼합은 원활하게 이루어질 수 있었으나, 고체연료 자체는 분사압에 의한 직진성으로 인해 그리 효율적으로 혼합되지 못하는 단점을 가진다.

한편, 상기한 문제점을 해결하고자 종래 고체연료를 사용하는 버너의 연료공급노즐 내부에 베인을 직접 장착하여 사용하는 경우도 있었으나, 이는 베인이 연료공급노즐의 내부에 장착되어 있는 관계로, 장시간 운전시 베인이 변형되거나 손상되는 문제점이 발생하였을 뿐만 아니라 고체연료가 베인으로 고착되는 문제로 인해 고체연료의 투입이 불안정해지는 단점으로 인해 오히려 연소효율을 저하시키는 원인을 제공하였다.

상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 주된 목적은 연료공급노즐을 통하여 고체연료를 공급하는 과정에서 고체연료가 고착되거나 충돌됨 없이 선회류를 원활하게 형성시켜 산화제와의 혼합을 가속화(加速化)시킴에 따라 안정적인 연소와 연소가스 내의 질소화합물(NO_X)을 최소화할 수 있도록 한 고체연료 버너용 연료공급노즐을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 사용하는 용도에 따라 적정한 선회류의 강도를 가질 수 있도록 하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 선회류의 강도에 따라 선택적으로 사용할 수 있도록 하는 데 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은 산화제와 혼합되어 연소되도록 고체연료를 공급하는 버너에 마련되는 연료공급노즐로서, 상기 연료공급노즐의 내측면에 베인 없이 공급되는 고체연료의 공급압력에 의해 선회류를 형성시키는 나선형의 선회류 유도홈이 마련된다.

상기 선회류 유도홈은 적어도 하나 이상 형성된다.

상기 선회류 유도홈의 나선 각은 연료공급노즐 중심의 수평선과 예각 범위 내로 형성된다.

상기 연료공급노즐은 연료공급관과 탈착 가능하게 마련된다.

본 발명은 연료공급노즐을 통하여 고체연료를 공급하는 과정에서 고체연료가 고착되거나 충돌됨 없이 선회류를 원활하게 형성시켜 산화제와의 혼합을 가속화시킴에 따라 안정적인 연소와 연소가스 내의 질소화합물을 최소화할 수 있도록 함으로서, 고체연료 공급이 안정적으로 이루어져 높은 연소 효율성을 가질 수 있는 효과와 함께 유해물질의 방출을 극소화함과 아울러 오래 사용기간을 확보할 수 있는 효과를 가진다.

또한, 사용하는 용도에 따라 적정한 선회류의 강도를 가질 수 있도록 함으로써, 산화제와의 혼합률을 최적화할 수 있는 효과를 가진다.

또, 선회류의 강도에 따라 선택적으로 사용할 수 있도록 함으로써, 버너의 용량이나 사용 용도에 따라 산화제의 혼합률을 극대화할 수 있는 효과도 갖는다.

도 1은 본 발명을 설명하기 위해 버너에 설치된 상태의 개략도,
도 2는 본 발명의 연료공급노즐을 설명하기 위한 일부 절개 사시도,
도 3은 도 2에 따른 단면도,
도 4는 본 발명의 선회류 강도를 설명하기 위한 시뮬레이션이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참고하여 좀 더 상세하게 설명하면 다음과 같으며, 본 발명이 실시 예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명을 설명하기 위해 버너에 설치된 상태의 개략도이며, 도 2는 본 발명의 연료공급노즐을 설명하기 위한 일부 절개 사시도이고, 도 3은 도 2에 따른 단면도이다.

도시된 바와 같이 산화제와 혼합되어 연소되도록 고체연료를 공급하는 공지된 버너(100)에 마련되는 연료공급노즐(110)을 개시한다.

버너(100)의 연료공급노즐(110) 외부에는 고체연료와 혼합되어 연소에 필요한 산화제를 공급하기 위한 적어도 하나 이상의 산화제공급관(120)을 포함한다. 이때, 상기 산화제공급관에는 공급되는 산화제 또한 선회류를 형성할 수 있도록 나선형의 베인을 마련하는 것이 바람직하다. 또, 상기 산화제공급관을 이중 이상의 다중관 형태로 형성하여도 무방하다.

본 발명은 연료공급노즐을 통하여 고체연료를 공급하는 과정에서 고체연료가 고착되거나 충돌됨 없이 선회류를 원활하게 형성시켜 산화제와의 혼합을 가속화(加速化)시켜 안정적인 연소와 연소가스 내의 질소화합물(NO_X)을 최소화할 수 있도록 하는 데 있다.

본 발명에 따른 상기 연료공급노즐(110)의 내측면에 통상적인 선회류를 형성시키는 베인 없이 공급되는 고체연료의 공급압력에 의해 선회류를 형성시키는 나선형의 선회류 유도홈(10)이 마련된다. 이때, 상기 선회류 유도홈은 연료공급노즐의 내측면을 따라 그 연료공급노즐의 일단에서 타단까지 연속 이어지게 형성된다.

다시 말해서, 연료공급노즐을 통하여 고체연료를 공급하는 과정에서 산화제와의 혼합률을 높이기 위하여, 종래 연료공급노즐의 내부에 베인을 직접 설치시 손상이나 고착되는 문제점으로 인해 연료공급이 원활하게 이루어지지 않는 단점을 해소할 수 있다.

즉, 본 발명의 연료공급노즐(110)에 형성된 선회류 유도홈(10)은 종래와 같이 연료공급노즐의 내측면에 베인 형태로 돌출되거나 장착되는 것이 아니라 내측면으로부터 함입된 홈 형태로 형성함으로써, 고체연료가 공급되는 과정에서 선회류 유도홈을 따라 자연스럽게 선회류를 형성하게 된다. 특히, 본 발명의 선회류 유도홈은 고체연료가 종래 베인과 충돌되거나 고착되는 현상이 전혀 발생하기 않고 원활하게 선회류만을 형성한다.

고체연료는 선회류 유도홈은 타고, 즉 연료공급노즐의 내측면 일단으로부터 선회류를 발생시키면서 타단으로 공급됨으로써, 고체연료는 외측으로부터 감싸듯이 선회되면서 내부 중앙까지 선회시킴에 따라 상기 연료공급노즐를 벗어난 시점에서는 고체연료 전체가 선회하는 형태로 공급되어 진다.

이렇게, 연료공급노즐로부터 선회하면서 공급되는 고체연료는 상기 연료공급노즐의 외부에 구비된 산화제공급관으로부터 공급되는 산화제와의 혼합이 원활하게 이루어지게 된다. 이때, 상기 산화제 또한 공지된 방식에 의해 와류방식으로 공급이 이루어질 경우, 혼합률을 더욱더 증대시킨다.

그로 인해 고체연료와 산화제의 높은 혼합률에 의하여 연소 또한 안정적이면서 효율적으로 이루어질 수 있는 장점을 가진다. 또한, 높은 연소 효율성으로 인해 연소시 발생하는 질소화합물의 생성도 최소화할 수 있는 조건도 가진다.

이로써, 본 발명은 고체연료와 산화제의 혼합을 복잡한 구조를 가지거나 별도로 장착하는 것이 아니라 연료공급노즐의 내측면에 간단한 구조인 나선형 형태의 선회류 유도홈에 의해 고체연료와 산화제의 혼합률을 극대화할 수 있는 조건을 가진다.

그에 따라 안정적인 연소가 이루어질 수 있는 장점과 함께 높은 연소 효율성으로 인해 연소 과정에서 발생하는 질소화합물의 생성도 최소화할 수 있는 장점도 가진다.

한편, 상기 연료공급노즐(110)의 내측면에 형성되는 선회류 유도홈(10)은 더욱더 원활한 선회작용이 이루어질 수 있도록 적어도 하나 이상 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 하나의 선회류 유도홈 보다는 적어도 2개 이상의 선회류 유도홈이 형성될 경우 더욱더 높은 선회작용을 함에 따라 복수 개로 형성하는 것이 바람직하다.

아울러, 나선형 형태로 형성되는 상기 선회류 유도홈(10)의 나선 각은 연료공급노즐(110) 중심의 수평선과 예각 범위 내로 형성된다. 바람직하게는 45~60°로 형성하는 것이 바람직하다.

즉, 도 4는 선회류의 강도를 실험한 시뮬레이션으로, 상기 선회류 유도홈의 나선 각을 45°와 60°일 경우의 회전속도(tangential velocity)를 실험한 것이다. 이때, 실험조건은 1^st swirl: 200 x 24 mm, 연소로: 200 x 200 mm, 선회류 유도홈: 4 x 4 mm, 4개이다.

시뮬레이션의 실험 치에 나타난 바와 같이 나선 각의 각도가 커질수록 회전속도 값이 증가하는 것을 확인할 수 있다.

그에 따라 회전속도 값이 증가할수록 선회류의 강도도 높아지는 것을 확인할 수 있다.

이렇게, 고체연료의 선회류 강도가 높아지게 되면 산화제와의 혼합률 또한 높아 질 수 있는 것이므로, 고체연료의 공급량에 따라 선택적으로 적용할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

아울러, 상기 선회류 유도홈(10)이 형성된 연료공급노즐(110)은 버너(100)에 구비되는 연료공급관(130)과 도시하지 않은 기술적 구성에 의해 탈착 가능하게 마련된다. 이때, 탈착은 공지된 방식인 나사결합방식을 사용하는 것이 바람직하며, 체결홈과 체결돌기 등 공지된 방식에 의해 탈착 가능한 구조이며 족하다.

그에 따라 버너의 용량이나 용도에 따라 선회류 유도홈의 각도가 달리 제작된 연료공급노즐을 선택적으로 사용할 수 있도록 함으로써, 버너의 용량이나 용도에 따라 산화제와의 혼합률을 최적화할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

10 : 선회류 유도홈
100 : 버너 110 : 연료공급노즐
120 : 산화제공급관 130 : 연료공급관

Claims (4)

1. 산화제와 혼합되어 연소되도록 고체연료를 공급하는 버너에 마련되는 연료공급노즐로서,
   상기 연료공급노즐의 내측면에 베인 없이 공급되는 고체연료의 공급압력에 의해 선회류를 형성시키는 나선형의 선회류 유도홈이 마련되는 것을 특징으로 하는 고체연료 버너용 연료공급노즐.
2. 제1항에 있어서,
   상기 선회류 유도홈은 적어도 하나 이상 형성되는 것을 특징으로 하는 고체연료 버너용 연료공급노즐.
3. 제1항에 있어서,
   상기 선회류 유도홈의 나선 각은 연료공급노즐 중심의 수평선과 예각 범위 내로 형성되는 것을 특징으로 하는 고체연료 버너용 연료공급노즐.
4. 제1항 내지 제3항항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 연료공급노즐은 연료공급관과 탈착 가능하게 마련되는 것을 특징으로 하는 고체연료 버너용 연료공급노즐.
   

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