KR0150012B1 - 응집한 제트류 연소 방법과 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 수냉할 필요없이 조작할 수 있는 주 연소 면적으로부터 리세스된 공동 내에서 응집한 제트류 산화제 흐름을 달성하기 위한 연소방법 및 장치에 관한 것이다.

Description

응집한 제트류 연소 방법과 장치

제1도는 본 발명의 바람직한 구현예를 나타낸 단면도.

제2도는 조작하는 동안을 간단하게 나타낸 단면도.

제3도는 본 발명에서 유용한 주 산화제 노즐의 구현예를 나타낸 단면도.

제4도는 제3도의 노즐을 나타낸 정면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 버너 2 : 연료 튜브

3 : 산화제 제공 수단 4 : 벽으로 둘러싸인 공동

12 : 외부 환형 통로 14 : 노즐

본 발명은 일반적으로 버너와 연소 방법의 분야에 관한 것으로, 특히 산화제로서 산소 또는 산소-농후화된 공기를 사용한 연소 방법과 버너를 사용하는데 유리하다.

연소를 수행하기 위해 버너를 조작하는 동안, 특히 산업적인 조작에 있어서, 주요한 문제는 버너에 대한 열 손상이다.

버너에 대한 열 손상을 감소시키기 위한 통상적인 방법은 버너를 통해 물과 같은 냉각제를 순환시키는 것이다. 이 방법이 버너에 대한 적절한 냉각을 제공 하기는 하지만, 몇몇의 단점을 갖는다. 정수(clean water)의 공급은 필수 압력에서 요구되며 그러한 공급물은 상당한 노력이나 추가의 장치없이 항상 용이하게 쓰일수는 없다. 이 버너 디자인 그 자체는 냉각제 통로를 수용하기 위해서는 상당히 복잡하다. 이 냉각된 버너 표면 온도는 버너에 충돌될 수도 있는 로가스의 응축을 야기시킬만큼 낮을 수도 있다. 버너 내에서 손상 또는 연소 조작의 정지를 야기시킬 수 있는 냉각제 누출을 발달시킬 수도 있다.

모든 이들 이유에 대해 순환 냉각제를 사용할 필요없이 조작할 수 있는 버너와 연소 방법을 갖는 것이 바람직하다.

산업적 연소 조작에서 사용시 발견되어온 이 문제를 해결하기 위한 한 방법은 로 또는 연소 영역으로부터 버너를 리세싱(recessing)하는 것으로 이루어진다. 일반적으로 그러한 버너는 로벽내의 공동 안에서 리세스된다. 이러한 방법에 있어서, 연소 영역으로부터의 열 또는 에너지는 버너 표면으로 더 적게 복사되고 이에 따라 분리 냉각제는 필요하지 않다. 로에서부터의 복사에 의한 열 전달은 버너가 공동안으로 물러나 있을때 감소된다. 그러나 공동안에 리세스된 버너를 사용하여 연소할 수 있는 통상 그렇게 하지만, 이에 따라 공동내에서 열을 버너 표면에 근접하여 생성시키고 이로 인해 버너에 대한 가열을 증가시킨다.

산화제로서 공기를 사용하면 버너와 내화물 벽을 냉각시키는데 사용될 수 있는 큰 부피의 산화제 흐름이 있어야 한다. 나아가 공기와 연소시키기 위한 불꽃 온도는 산소 또는 산소-농후화된 공기와의 연소를 위한 불꽃온도 보다 더 낮아서 공동내의 연소는 통상적으로 극심한 결과를 갖지 않는다. 그러나 공동내의 연소에 의한 리세스된 버너에 대한 열 손상의 문제는 산화제의 산소 농도가 공기 농도보다 상당히 더 큰 농도로 증가할 때 더욱 첨예화된다. 이에 따라서, 그러한 상황에 있어서, 버너는 연소 영역으로부터 단지 작은 거리로 리세스되어 이에 따라 리세션의 보호 작용을 감소시키고 및/또는 연료와 산화제의 흐름속도는 연소 조작을 복잡하게 하고 그것의 효율을 감소시키게 하는 버너에 인접한 연소를 감소시키도록 매우 주의깊게 조절되어야 한다.

이에 따라, 본 발명의 목적은 수냉할 필요없이 효과적으로 조작할 수 있는 연소 방법을 제공하는 것이다.

추가의 본 발명의 목적은 열에 의해 야기된 손상없이 그리고 수냉을 사용할 필요없이 조작할 수 있는 버너를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 수냉할 필요없이 수행될 수 있는, 산화제로서 산소 또는 산소-농후 공기를 사용한 연소 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 수냉을 필요로 하지 않을뿐 아니라, 산화제로서 산소 또는 산소-농후화된 공기를 사용할 수 있는 버너를 제공하는 것이다.

이 명세서를 숙지하여 상기 및 다른 목적은 당해 기술 분야에서 숙련된 사람에게 명백하게 될 것이며, 다음과 같은 본 발명에 따라 달성한다.

본 발명의 목적은

(A) 연소 영역과 소통되는 벽으로 둘러싸인 공동을 제공하는 단계;

(B) 연료를 공동에 제공하고 연료를 공동을 통해 공동 벽 근처로 흐르게 하는 단계;

(C) 주 산화제를 공동에 제공하고 주 산화제를 공동을 통해 흐르게 하는 단계

(D) 공동에 제2산화제를 제공하고, 그것이 공동을 통해 흐를때 주 산화제 흐름이 실질적으로 응집하게 유지되도록 유동하는 연료와 유동하는 주 산화제 사이에서, 공동을 통해 주 산화제 보다 더 낮은 속도에서 제2산화제를 흐르게 하는 단계; 그리고

(E) 연료와 산화제를 그안에서 연소시키기 위해 연소 영역으로 통과시키는 단계로 이루어진 연소를 수행하는 방법에 의해 달성된다.

본 발명의 또 다른 목적은

(A) 출구 단부를 갖는 벽으로 둘러싸인 공동;

(B) 연료를 출구 단부로 부터 리세스된 벽으로 둘러싸인 공동에 제공하기 위한 수단;

(C) 주 산화제를 출구 단부로부터 리세스된 공동에 제공하기 위한 수단;

(D) 출구 단부로부터 리세스되고, 주 산화제와 연료가 공동안에서 내부에 위치된 제2산화제에 의해 섞이지 않게 유지되도록 충분한 길이를 갖는 공동으로 제2산화제를 연료와 주 산화제 사이에서 제공하기 위한 수단으로 이루어진 비-수냉식 연소 장치에 의해 달성된다.

본원에서 사용된 바와 같은 용어수냉은 물 또는 물-함유 액체를 사용하여 버너를 냉각시키는 것을 의미한다.

본원에서 사용된 바와 같은 용어 응집한(coherent)은 유동 가스로의 주의 가스의 흡기 현상(entrainment)이 적거나 또는 없는 가스의 흐름을 의미한다.

본원에서 사용된 바와 같은 용어 제트류(jet) 는 실직적으로 고속에서 노즐 내의 홀을 떠나는 가스의 스트리임을 의미한다. 통상적인 제트류에 있어서, 제트류-주위 가스 표면에서의 난류로 인해 실질적인 양의 주변 가스가 제트류에 흡기되어, 제트류가 노즐로부터 흐를때 제트류가 팽창된다. 응집한 제트류에 있어서는 단지 최소한의 양의 주변 가스가 제트류에 흡기되어 제트류가 노즐 면으로부터 흐를때 이 제트류는 매우 적게 팽창한다.

본 발명은 일반적으로 공동내의 연소를 지체시키기는 하지만 공동 출구 단부로부터 연소 영역으로 통과할 때 연소의 안정화를 촉진시키는 연소 영역으로부터 리세스된 공동내의 하나 또는 그 이상의 고속 응집한 산화제 제트류의 설비 및 사용을 의미한다.

본 발명은 도면을 참조로 하여 상세하게 기술될 것이다. 본 발명의 한 바람직한 구현예를 나타낸 제1도를 참조로 하면, 버너(1)는 출구 단부(5)에서 연소 영역(6)과 소통되는 벽으로 둘러싸인 공동(4)안으로 연료와 산화제를 제공하는 연료 튜브(2)와 산화제 제공 수단(3)으로 이루어진다. 이 연료와 산화제는 그것의 출구 단부로부터 리세스된 벽으로 둘러싸인 공동내의 제1도에 도시된 바와 같은 그것의 입구 단부(7)에서 또는 임의의 지점에서 공동(4)로 제공될 수도 있다. 이 벽으로 둘러싸인 공동은 임의의 바람직한 배치를 가질수도 있다. 예를들어 이 벽으로 둘러싸인 공동은 바깥쪽으로 테이퍼된 벽(8)을 가져서 그것이 제1도에 도시한 바아 같은 원추형이 되도록 할 수도 있고 수평한 벽을 가져서 그것이 원통형이 되도록 할 수도 있다. 이 벽으로 둘러싸인 공동은 일반적으로 로벽 부분인 내화물(9)내에 위치된다. 이 버너(1)는 블록판(10)과 플랜지(11)에 의해 내화물 벽 공동에 고정된다.

연료는 외부 환형 통로(12)를 통해 공동(4)에 제공되고 공동(4)을 통해 공동 벽(8)에 인전하게 그리고 출구 단부(4)를 통해 연소 영역(6)에 흐른다. 이 연료는 천연 가스, 메탄, 프로탄 또는 코우크스 로가스와 같은 가스상 연료이다.

산화제는 산화제 제공 수단(3)을 통해 공동(4)에 제공된다. 제1도에 도시한 구현예에 있어서 산화제 제공 수단은 환형 통로(15)를 규정하도록 외부 튜브(13)보다 약간 작은 나사로 조절하여 이동할 수 있는 노즐(14)을 포함한 외부 튜브(13)로 이루어진다. 바람직하게는 제1도에 도시된 바와 같이, 산화제 제공수단(3)의 단부(16)는 제1도에 나타낸 바와 같이 거리 X 만큼 공동 유입 단부(17)로부터 리세스된다. 거리 X 는 버너 장치의 절대 크기에 따라 좌우되어 변경될 것이다. 이 버너의 분사 단부는 벽으로 둘러싸인 공동의 또는 공동 내에서의 상류일 수도 있다. 그밖에 바람직하게는 노즐(14)의 단부(18)는 0.125 내지 0.5 inch의 범위내에 있을 수도 있는 거리 Y 만큼 단부(16)로부터 리세스 된다.

노즐(14)은 임의의 효과적인 배치를 가질수도 있다. 그러한 배치중 하나를 제3도와 제4도에 나타내었다. 제3도와 제4도를 참조로 하면, 노즐(30)은 노즐이 외부 튜브에 삽입될 수도 있는 나사산(31)으로 이루어진다. 또한 노즐(30)은 그것을 통해 산화제가 고속에서 벽으로 둘러싸인 공동에 제공되는 다수의 개개의 제트류 통로(32)로 이루어진다. 제3도와 제4도에 도시한 이 노즐은 8개의 그러한 제트류 통로(32)제4도는 제트류 통로가 원형의 배치로 있는 바람직한 배치를 나타내었다. 노즐(30)은 또한 그것을 통해 산화제가 환형 통로에 흐르는 환형의 산화제 공급 수단(33)을 갖는다.

이 산화제는 임의의 효과적인 산화제일수도 있다. 본 발명에 따라 얻을 수 있는 장점은 산화제가 30%또는 그 이상의 산소 농도를 가질때 가장 주목할 만하다. 특히 바람직한 산화제는 99.5%또는 그 이상의 산소 농도를 갖는 공업용 순수 산소이다.

주 산화제는 벽으로 둘러싸인 공동에 제공되어 그것을 통해 고속에서 흐른다. 일반적으로 주 산화제의 속도는 5P 보다 더 큰데, 여기서 P는 주 산화제 중에서의 산소 부피 %이고 속도는 매초당 피트(fps)이다. 제1도를 참조로 하여, 주 산화제는 제트류 통로(19)를 통해 하나 또는 그 이상의 고속 제트류로서 벽으로 둘러싸인 공동(4)에 제공된다. 바람직하게는 주 산화제가 제공되고 다수의 제트류로서 벽으로 둘러싸인 공동을 통해 흐른다. 이 제트류는 일반적으로 1 내지 16의 범위, 바람직하게는 1내지 8개의 범위안에 포함한다.

제2산화제는 벽으로 둘러싸인 공동에 제공되고 주 산화제 보다 적은 속도에서 그것을 통해 흐른다. 일반적으로 제2산화제의 속도는 주 산화제 속도의 1/2 이하이고 바람직하게는 100fps 이하이다. 제2산화제는 벽으로 둘러싸인 공동에 제공되는 전체 산화제의 약 1내지 10%로 이루어질 것이다.

연소성 화합물의 점화는 임의이 통상적인 수단에 의해 달성된다. 제1도에 나타낸 구현예에 있어서 연소 반응을 점화하기 위한 수단으로서 미국 특허 No.4,892,475-Farrenkopf 등에 기술된 점화기의 사용(20)을 도시하고 있다.

조작하는 동안 고속의 주 산화제가 하나 또는 그 이상의 고속 제트류로서 벽으로 둘러싸인 공동을 통해 통과하는 한편 더 낮은 속도의 제2산화제는 고속 주 산화제와 연료 사이에서 벽으로 둘러싸인 공동을 통해 흘러서 이에 따라 그것이 벽으로 둘러싸인 공동을 통해 흐를때 주 산화제의 실질적으로 응집한 흐름을 유지하게 한다.

특히 바람직한 구현예에 있어서 공동내에서 그것의 더 낮은 속도로 인해 제2산화제가 연료와 혼합되고 연소되어 이 연소는 고속의 산화제 둘레로 얇은 외피를 형성한다. 만약 연소 반응이 주 산화제 제트류 경계에서 일어난다면, 계속해서 이 온도는 가스 부피의 상응한 증가와 함께 증가할 것으로 여겨진다. 접촉면에서 이 가스는 팽창되어 방사상 방향으로의 속도 성분을 얻는다. 가스가 방사상으로 이동될때, 고속-저속 접촉면에서 시작되는 난류 경계층은, 평판상에 걸쳐 가스 흐름에 대해서 난류 경계층을 연속적으로 제거하고 그것의 성장을 막는 흡입관을 사용하여 일어날 수도 있는 동일한 방법으로 제트류의 길이를 따라 연속적으로 제거된다. 만약 난류 경계층이 제트류의 길이에 대해 연속적으로 제거된다면 흡기 현상은 최소화 될 것이며 이 제트류는 응집하게 될 것이다.

제2제도는 벽으로 둘러싸인 공동을 통해 응집한 제트 흐름을 달성하기 위한 본 발명의 조작을 단순한 형태로 나타내었다. 제2도를 참조로 하여 버너(21)는 벽으로 둘러싸인 공동(22) 안에 놓여져서 연소 영역(24)과 소통되는 공동(22)의 출구 단부(23)로부터 리세스된다. 연료는 통로(25)를 통해 공동(22)에 제공되고 저속 제2산화제는 환형 통로(26)을 통해 공동(22)에 제공된다. 공동(22)안에서는 연료와 고속의 주 산화제가 최소한으로 연소하면서 공동(22)을 통해 통과하는 고속의 산화제의 하나 또는 그 이상의 응집한 제트류(27)가 달성된다. 연료와 더 낮은 속도의 제2산화제의 연소로 주 산화제 둘레로 연소 생성물의 완충(buffer) 층이 결과된다. 공동(22)의 출구 단부(23)를 통해 연소 영역으로 통과될 때 결과된 난류는 응집한 제트류 또는 제트류들을 분쇄시켜서 산화제와 연료의 빠른 흡기 현상 또는 혼합을 결과하여 효과적으로 안정한 연소를 얻는다.

대부분이 연소가 벽으로 둘러싸인 공동내에서 리세스된 버너로부터 떨어진 연소 영역에서 잘 일어난다는 사실의 결과로서, 연소로부터 방출된 매우 소량의 열이 버너에 복사된다. 따라서 이 버너는 열로부터의 손상을 피하기 위해 수냉을 사용할 필요가 있다.

리세션이 깊을수록 열 손상으로부터의 버너의 보호성이 더 커지기 때문에, 이 버너는 가능한한 벽으로 둘러싸인 공동의 출구 단부로부터 깊게 리세스되어야 하는 것이 바람직하다. 그러나 만약 이 버너가 매우 깊게 리세스 된다면, 고속의 주 산화제 제트류(들)의 응집은 그들의 흐름이 출구 단구를 통해 연소 영역으로 통과하기 전에 분쇄되어 벽으로 둘어싸인 공동내에서 상당한 연소가 상응하는 과열을 동반하면서 결과한다. 이것은 본 발명의 목적을 좌절시킨다. 버너가 리세스될 수도 있는 최대 길이는 매 경우에 버너장치의 절대 크기에 따라 좌우되어 변환될 것이다.

언급한 바와 같은 공동이 원추 형태이고 이 버너가 공동의 상류인 제1도에 도시된 본 발명의 구현예가 바람직한 구현이다. 본 발명자들은 그러한 구현예에 있어서 대부분의 유리한 결과는 A 0.5F 이고 L 4 (F의 제곱근)인 경우에 달성됨을 발견하였다. (A=버너 단부에서의 더 작은 부분의 원추형 오프닝의 면적(평방인치), F=버너의 연소 속도(MMB+u/hr) 및 L=내화물 원추형의 길이(인치)).

그밖에 원추의 반각은 15도 이하인 것이 바람직하다.

다음의 실시예는 설명을 목적으로 제공하는 것이지 제한을 가하고자 하는 것이 아니다.

본 발명의 버너는 공동 출구 단부로부터 리세스된 원통형 공동 내에서 조작하였다. 이 리세스를 1 내지 8인치로 변화시켰다. 사용한 산화제는 공업용 순수 산소이었고, 이 연료는 천연가스이었다. 주 산화제 속도는 약 1000 fps 인 음속보다 더 크고 제2산화제 속도는 약 80 fps 이었다. 이 주 산화제는 8개의 고속 제트류들로 이루어졌다. 이 버너는 10 MM Btu/hr의 연소 속도에서 연소하였다. 버너 면으로부터 뒤로 스테인레스 강 노즐 1/8 인치로 열전쌍을 셋팅시켰다. 이 버너를 지름 4.5 인치인 공동내에 리세스하였다. 리세스 길이가 1 내지 6 내지 8 인치로 증가할 때, 측정된 노즐 온도는 각각 425°, 398°F 및 412°F이었다. 이 산소 제트류는 공동내에서 응집되어 있다. 이들 시험으로 버너 장치와 연소 방법이 과열을 피하기 위한 수냉을 사용할 필요없이 사용될 수 있음을 알 수 있다.

본 발명은 특정한 구현예를 참조로 하여 상세하게 기술하였지만, 당해 기술 분야에서 숙련된 사람은 특허청구 범위의 정신 및 범위 내에서의 본 발명의 다른 구현예가 있음을 인지하게 될 것이다.

Claims (23)

1. (A) 연소 영역과 소통되는 벽으로 둘러싸인 공동을 제공하는 단계; (B) 연료를 공동에 제공하고 연료를 공동을 통해 공동벽에 인접하게 흐르게 하는 단계; (C) 주 산화제를 공동에 제공하고 주 산화제를 공동을 통해 고속으로 흐르게 하는 단계; (D) 공동에 제2산화제를 제공하고, 그것이 공동을 통해 흐를때 주 산화제 흐름을 실질적으로 응집하게 유지되도록, 유동하는 연료와 유동하는 주 산화제 사이에서, 공동을 통해 주산화제 보다 더 낮은 속도에서 제2산화제를 흐르게 하는 단계; 그리고 (E) 연료와 산화제를 그 안에서 연소시키기 위해 연소 영역으로 통과시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연소를 수행하기 위한 방법.
2. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 주 산화제와 제2산화제가 30% 또는 그 이상의 산소 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 주 산화제와 제2산화제가 공업용 순수 산소로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 주 산화제의 속도가 매 초당 500피트 이상인 것을 특징으로 하는 방법
5. 제1항에 있어서, 제2산화제의 속도가 주 산화제 속도의 1/2 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제1항에 있어서, 제2산화제가 벽으로 둘러싸인 공동에 제공되는 전체 산화제의 1내지 10%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제1항에 있어서, 제2산화제가 주 산화제 주변의 환형류로서 벽으로 둘러싸인 공동에 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제1항에 있어서, 주 산화제가 다수의 제트류들로서 벽으로 둘러싸인 공동에 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제8항에 있어서, 다수의 주 산화제 제트류가 1 내지 16개의 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제1항에 있어서, 제2산화제가 공동 내에서 연료와 연소하고, 공동 내에서 주 산화제 주변의 연소 생성물로 이루어진 외피를 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
11. (A) 출구 단부를 갖는 벽으로 둘러싸인 공동; (B) 연료를 출구 단부로부터 리세스된 벽으로 둘러싸인 공동에 제공하기 위한 수단; (C) 주 산화제를 출구 단부로부터 리세스된 공동에 제공하기 위한 수단; (D) 출구 단부로부터 리세스되고, 주 산화제와 연료가 공동 안에서 내부에 위치된 제2산화제에 의해 섞이지 않게 유지하도록 충분한 길이를 갖는 공동으로 제2산화제를 연료와 주 산화제 사이에서 제공하기 위한 수단으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비-수냉식 연소장치.
12. 제11항에 있어서, 공동이 원추형태를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
13. 제11항에 있어서, 공동이 원통 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
14. 제11항에 있어서, 벽으로 둘러싸인 공동안에 연료, 주 산화제 그리고 제2산화제를 제공하는 수단이 버너인 것을 특징으로 하는 장치.
15. 제14항에 있어서, 버너가 벽으로 둘러싸인 공동의 분사 단부 상류를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
16. 제14항에 있어서, 버너가 벽으로 둘러싸인 공동내에서 분사 단부는 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
17. 제11항에 있어서, 제2산화제를 제공하기 위한 수단이 주 산화제를 제공하기 위한 수단 둘레에서 환형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 장치.
18. 제11항에 있어서, 주 산화제를 제공하기 위한 수단이 다수의 제트류 통로를 갖는 노즐로 이루어지는 것을 특징으로 하는 장치.
19. 제18항에 있어서, 다수의 제트류 통로가 16개 이하인 것을 특징으로 하는 장치.
20. 제18항에 있어서, 제트류 통로가 원형으로 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
21. 제12항에 있어서, 벽으로 둘러싸인 공동에 연료, 주 산화제 그리고 제2산화제를 제공하기 위한 수단이 버너인 것을 특징으로 하는 장치.
22. 제21항에 있어서, A = 버너 단부에서 더 작은 부분의 원추형 오프닝의 면적(평방 인치), F = 버너의 연소 속도(백만 BTU/hr), 그리고 L = 내화물 원추형 길이(인치)일때, A0.5F 이고 L4(F의 제곱근)인 것을 특징으로 하는 장치.
23. 제12항에 있어서, 원추형 반각이 15°이하인 것을 특징으로 하는 장치.