KR0165902B1 - 열노즐 연소방법 - Google Patents

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KR0165902B1
KR0165902B1 KR1019930019842A KR930019842A KR0165902B1 KR 0165902 B1 KR0165902 B1 KR 0165902B1 KR 1019930019842 A KR1019930019842 A KR 1019930019842A KR 930019842 A KR930019842 A KR 930019842A KR 0165902 B1 KR0165902 B1 KR 0165902B1
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엘링 앤더슨 존
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조안 엠. 젤사
프랙스에어 테크놀로지 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 열에너지를 운동에너지로 변환시켜서 낮은 산화제 공급압력으로도 높은 분사속도를 얻고, 노즐을 교체하거나 조절식 노즐을 사용하지 않고서도 주어진 공급압력에서 분사속도를 변화시킬 수 있는 열노즐을 이용하여 산화제를 연소영역에 공급하는 방법에 관한 것이다.

Description

열노즐 연소방법
제1도는 본 발명의 열노즐 연소 시스템을 실시하는데 사용되는 장치의 한가지 바람직한 실현예를 나타내는 횡단면도.
제2도는 연료와 산화제를 별도로 분사시켜서 연소공정을 수행하는 연소실에 대한 한가지 실현예를 나타낸 개략도.
제3도는 천연가스-산소에 대한 화염온도의 관계를 산소의 소비 함수로 나타낸 그래프, 그리고
제4도는 800 ft/sec의 산화제 분출 속도를 얻는데 필요한 산화제 공급관의 실내압력을 산화제 공급관 실내의 산화제의 온도의 함수로 나타낸 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 열노즐 2 : 연소영역
3 : 산화제 4 : 산화제 공급관
5 : 개구부 6 : 연료
7 : 연료노즐 8 : 연소반응영역
8 : 산화제 스트림 11 : 연소영역
12 : 연료공급수단
본 발명은 산소농도가 대기보다 높은 산화제를 이용하여 연소를 시키는 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 방법은 산화제를 비교적 낮은 압력으로만 사용할 수 있는 경우에 특히 유리하다.
연료의 비용이 증가됨에 따라 연소의 분야에서는 연료 사용량을 절감하면서 연소를 수행하는 것이 중대한 관심사로 부각되었다. 산소나 산소-부화 공기를 산화제로 사용하여 연소를 수행하는 것은, 연소반응을 거치면서 연소에 의해 발생된 열을 흡수하는 질소의 양을 감소시키기 때문에 연료의 소모를 줄이는 한가지 방법이 된다는 것이 오랫동안 공지되어 왔다. 따라서 의도된 목적을 위해서, 주어진 양의 연료로 더 많은 열을 얻을 수 있는 것이다.
연소반응에 산소 또는 산소-부화 공기를 산화제로 사용하는 것과 관련된 한가지 문제점은 연소반응에서 얻어지는 더 높은 온도가 반응속도론상 오염물질로 알려진 질소 산화물(NOx)을 생성시키기가 더 쉽다는 점이다. 연소기술 분야에 있어서의 최근의 연구는 이와 같은 점에 착안하고 있으며, 과도한 수준의 NOx를 발생시키지 않고서 산소 또는 산소-부화 공기를 사용할 수 있는 진보를 달성한 바이다. 연소 기술분야에서의 이러한 최근의 몇 가지 진전에 관해서는 미국특허 제 4,378,205 호-앤더슨, 미국특허 제 4,541,796 호-앤더슨, 미국특허 제 4,907,961 호-앤더슨, 그리고 미국특허 제 5,100,313 호-앤더슨 등-에 개시되어 있고 특허청구 범위에 청구되어 있다.
대량의 NOx가 발생되지 않도록 하면서 산소나 산소-부화 공기를 연소공정에 사용할 수 있도록 하는 상기의 여러 가지 최근의 진전된 방법들에서는, 산화제를 연소영역내에 높은 속도로 제공해야 할 필요가 있다. 이러한 면에 있어서, 고속 분사에는 산화제의 압력이 높아야 하고 때로는 산화제가 공급원으로부터 필요한 만큼 높은 압력으로 제공되지 못하는 문제점이 있다. 이와 같은 상황에서는, 압축기를 이용하여 산화제를 원하는 고압으로 압축시키게 된다. 압축기를 사용하는 것은, 자본의 면에 있어서나 연소시스템의 비용을 처리한다는 면에 있어서, 그리고 특히 산화제가 기술적으로 정제시킨 수순한 산소일 경우에는 산화제를 압축시키는 것이 시스템 자체에 어느 정도의 위험을 부담시키는 것이 되므로 바람직하지가 않은 것이다.
그러므로 연소영역 이내로 분사되는 산화제의 속도를 다른 방법으로 실행할 수 있는 속도 이상으로 상승시킬 수 있도록 산화제의 공급원에 압력을 제공할 수 있도록 하면서도, 압축기를 통해 산화제를 압축시켜야 할 필요성을 감소시키거나 배제하는 방법이 절실히 요망되는 실정이다.
산화제가 연소영역내로 분사되는 속도를 증가시키는 한가지 방법으로서 기계식 노즐을 통해 연소영역내로 산화제를 분사시키는 방법이 있다는 것은 공지되어 있다.
기계식 노즐은 산화제가 연소영역내로 통과해 나갈 때 산화제의 속도가 상승될 수 있도록 산화제 공급관보다 직경이 작아진 구멍이다. 그러나, 좁은 구명을 통해 산화제를 효과적으로 통과시키는 데에는 여전히 비교적 높은 압력이 요구되기 때문에 위와 같은 구멍도 단지 제한적으로만 장점을 가진다. 기계식 노즐 시스템의 다른 중요한 한계점은, 주어진 산화제 흐름속도로는 노즐을 바꾸거나 매우 복잡한 조절식 밸브를 사용하지 않고서는 연소영역내로 분사된 산화제의 속도를 변화시킬 수 없다는 것이다. 노즐을 바꾸는 것은 번거롭고 시간이 소모적일 뿐만 아니라 위험하기까지 하며, 조절이 가능한 노즐은 값이 비싸고 연소영역의 악환경(harsh environment)에 노출되면 파손되는 것으로 판명되었다.
따라서, 본 발명의 목적은, 연소영역내로 분사되는 산화제의 속도가 다른 방법으로 달성할 수 있는 속도 이상으로 상승되도록 산화제 공급원에 압력을 제공하면서도 산화제를 압축기에 통과시켜서 압축시킬 필요성을 배제하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 분사노즐을 교체하거나 조절식 노즐을 사용하지 않고서 연소영역내로 분사되는 산화제의 속도를 어떠한 주어진 공급압력으로라도 조절 또는 변화시킬 수 있는 연소방법을 제공하는 것이다.
이상과 같은 본 발명의 목적들은 본 발명에 의해 달성될 수 있으며, 이러한 사실은 당해 업계에 숙련된 자가 본원 명세서에 의해서 명백하게 인식할 수 있는 것으로서, 본 발명의 일면은 이하와 같다.
본 발명의 열노즐 연소방법의 일면은 다음과 같은 단계들로 이루어진다 :
(A) 산소농도가 30 부피% 이상인 산화제를 연소영역과 연결된 산화제 공급관에 초기속도로 제공하는 단계 ;
(B) 산화제 공급관에 연료를 제공하고 산화제 공급관내에 제공된 산화제의 약 20% 이하를 연료와 함께 연소시켜서 열과 연소반응 생성물을 생성시키는 단계 ;
(C) 산화제 공급관내에서 연소반응 생성물을 산화제중의 잔류 산소와 혼합시켜서 산화제 공급관내에 남아있는 산화제의 온도를 상승시키는 단계 : 및
(D) 산화제 공급관에서 나오는 가열된 산화제를 초기 속도보다 높은 분출속도로 연소영역내로 전달하는 단계.
본 발명의 다른 면은 다음과 같다. 본 발명의 열노즐 연소방법은 다음의 단계로 이루어진다 :
(A) 산소농도가 30 부피% 이상인 산화제를 연소영역과 연결된 산화제 공급관에 초기속도로 제공하는 단계;
(B) 산화제 공급관내에 열을 가하는 단계 ;
(C) 산화제 공급관내에 제공된 열을 산화제에 전달하여 산화제 공급관내의 산화제의 온도를 상승시키는 단계 ;
(D) 가열된 산화제를 초기 속도보다 높은 속도로 산화제 공급관으로부터 연소영역으로 전달하는 단계 ;
(E) 산화제 공급관을 통해 연소영역 내로 전달되는 산화제와는 별도로, 연소가 가능한 물질을 연소영역내로 제공하는 단계 ; 및
(F) 연소영역이내에서 연소가능 물질을 산화제로 연소시키는 단계.
일반적으로, 본 발명은 열에너지를 운동에너지로 변환시켜서 비교적 낯은 속도에 관한 문제점을 극복하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법으로는 산화제 압축기의 사용을 줄이거나 배제할 수가 있다. 본 발명의 매우 중요한 또 한가지 장점은, 시스템내에 가해지는 열에너지를 변화시켜서 공정중에 발생되는 운동에너지를 조절함으로써, 노즐을 교체하거나 조절식 노즐을 사용하지 않고서도 연소반응에 분출되는 산화제의 속도를 변화시키거나 조절할 수 있다는 점이다.
이하에서는, 도면을 참조로 본 발명을 구체적으로 설명한다.
제1도에 있어서, 열노즐(1)은 산화제가 통과되어 연소영역(2)내로 제공되는 창(lance)이다. 본 발명의 실시에 있어서는, 산소 농도가 30 부피% 이상, 바람직하게는 85 부피% 이상인 산화제(3)를, 개구부(5)를 통해 연소영역(2)과 연결되는 산화제 공급관(4)내로 제공한다. 산화제는 산소농도가 99.5% 이상인, 기술적으로 수순하게 정제시킨 순수 산소인 것이 더욱 바람직하다. 산화제 공급관(4)이내에서 산화제의 초기 속도는 50 내지 300 ft/sec(fps)이 일반적이고 전형적으로 200 fps 미만이다.
본 발명의 실시에 관하여 개괄하자면, 열은 모든 적당한 수단, 예컨대 연소, 전기아크 또는 전기저항 가열방법에 의해서 산화제 공급관내로 가할 수 있다. 제1도는 본 발명의 바람직한 실현 예를 도시한 것으로서, 여기에서는 산화제 공급관내에서의 연소에 의해 산화제 곱급관에 열을 가하도록 되어 있다. 본 발명의 이와 같은 바람직한 실시에 있어서는, 연료노즐(7)을 통해 산화제 공급관(4)내로 연료를 공급하게 되는데, 상기 연료노즐은 연료를 분사시키는 데에 일반적으로 사용되는 것이기만 하면 어떤 것이라도 가능하다. 연료로서는 연료가 가능한 유체이기만 하면 어떤 것이라도 가능하며, 이것의 예로서 천연가스, 메탄, 프로판, 수소 및 코우크스오븐 가스가 있다. 연료로서는 기체상태의 연료가 바람직하다. 산화제 공급관내에서 액체 연료와의 양호한 혼합과 완전하고 안전한 연소상태를 유지하는 것이 기체상태 연료를 사용하는 것보다 더 어렵기는 하지만, 2호 연료 오일과 같은 액체 연료도 사용할 수 있다.
산화제 공급관에 공급되는 연료는 산화제 공급관내에서 산화제와 함께 연소되어 열과 예컨대 이산화탄소 및 수증기와 같은 연소반응 생성물을 생성시킨다. 산화제 공급관 내에서 산화제중의 산소의 약 20% 미만을 연소시키거나 연소영역내로 다른 불충분한 산소를 공급하여 후속 연소공정을 수행하는 것은 본 발명의 중요한 요소이다. 또한, 산화제 공급관내에서 산소의 20% 이상이 연소되면, 남아있는 산소의 온도가 후술하는 바와같이 원하지 않는 수준까지 상승하게 될 수 있다.
산화제 공급관(4)내에서, 연소반응 생성물은 잔존 산소와 혼합되어 잔존 산화제에 열을 제공하고 온도를 상승시킨다. 제1도에 도시된 바와 같이, 연료(6)는 전형적으로 200fps이상, 일반적으로 500내지 1500fps의 범위 이내의 고속으로 산화제 공급관(4)에 제공되는 것이 바람직하다. 높은 속도는 산화제가 연소반응(8)에 들어가서 안정된 화염을 이룰 수 있도록 해준다. 높은 속도는 연소반응 생성물과 산화제가 연소반응에 도입되는 것을 더 원활하게 해줌으로써, 산화제 공급관내에서 뜨거운 연소반응 생성물이 잔류 산소와 혼합되는 것을 개선시켜 잔류 산소를 더욱 효율적으로 가열시킨다.
산화제 공급관내 잔류 산소의 온도는 약 260℃ (500℉) 이상, 바람직하게는 약 538℃ (1000℉) 이상으로 상승하게 된다. 그러나, 산화제 공급관내의 잔존 산화제의 온도가 약 1649℃ (3000℉) 보다 높아지면 연소 반응생성물의 분해가 현저해져서 산화제 공급관과 노즐의 내부가 과열하게 되는 문제를 일으키게 되므로, 상기 잔존 산화제의 온도는 1649℃ (3000℉)를 초과하지 않아야 한다.
제3도는 천연가스-산소에 대하여 계산된 화염의 온도를 산화제 공급관에서 소모된 산소의 백분율 함수로 나타낸 그래프이다. 제 3도에서 보는 바와 같이, 온도상승은 대부분 산소의 약 20% 이하를 연소시켜서 달성되고, 산소소모량이 20%를 초과하면 온도가 1649℃ (3000℉) 이상으로 상승되어 앞에서 설명한 유해한 효과가 초래된다.
산화제 공급관 이내에 남아 있는 산소의 온도가 상승함에 따라 주어진 산화제가 산화제 공급관 내에 공급되어 연소영역내로 분출되는 압력을 달성하는데 필요한 공급압력은 감소된다. 이와 같은 효과는 제4도에서 특정 실시 예에 대한 그래프로 나타내고 있다. 수평축은 산소의 온도를 나타내고, 필요한 압력은 수직축에 나타내었다. 곡선은 산화제 공급관에서 연소영역으로 800 fps 의 산화제 분사속도를 달성하기 위한 2개 파라미터의 관계를 나타내는 점들의 궤적이다. 제4도에서 보는 바와 같이, 산소의 온도가 실온일 때, 산소를 연소영역에 800 fps 의 속도로 분사하는데 필요한 압력은 평방 인치 당(psig) 7psig 이상이다. 산소의 온도가 증가함에 따라, 필요한 압력은 급격하게 감소된다. 약 815℃ (1500℉)의 온도에서, 필요한 압력은 1.65psig 이고, 1649℃ (3000℉)에서는 단지 0.91 psig 이다. 온도가 1649℃ (3000℉)를 초과할 때에는 부수적인 이득이 거의 없기 때문에, 산화제 공급관에서 산소의 연소량이 20%를 초과하지 않아야 할 또다른 명분을 제공해 주는 것이다. 따라서, 제4도에 그래프로 나타낸 바와 같이, 본 발명의 방법은 높은 압력을 공급해야 할 필요없이 연소영역내로 산화제를 고속으로 공급할 수가 있으므로, 연소영역내로 공급하기 전에, 본 발명 이외의 방법에서는 산화제의 압력원이 높지 않을 경우에 필요하게 되는,산화제를 압출시켜야 할 필요가 감소되거나 배제된다.
다시 제1도를 참조하자면, 산화제 공급관(4)에 있는 가열된 산화제는 개구부(5)를 통과하여 고속 산화제 스트림으로서 연소영역(2)내로 전달된다. 가열된 산화제 스트림(9)의 유출 속도는 일반적으로 500 내지 2000 fps 이내의 범위이고 초기속도 보다 300 fps 이상을 초과한다.
제1도에 도시된 바와 같이, 개구부(5)의 직경은 산화제 공급관(4)의 직경보다 작아져서 본 발명의 속도 증진 방법의 효율을 개선할 수 있도록 되어있는 것이 바람직하다. 가장 바람직하게는, 제1도에 도시된 바와 같이, 산화제 공급관(4)의 직경으로부터 개구부(5)의 직경이 감소되는 방식은 둥글게(rounded) 또는 만곡을 이루는(curved) 형태로 제한되는 방식으로 달성된다. 이러한 방식으로, 기체의 흐름은 거의 가역 적이고 단열적인 흐름이 된다. 또한 개구부(5)에서는 여러 개의 구멍을 가진 유출 노즐을 구비하는 것도 가능하다.
연소영역내로 전달된 산화제는 연소영역내에서 가연성 물질과 함께 연소된다. 가연성 물질로서는 산소스트림을 둘러싼 환형(annular) 스트림 형태로, 또는 별도의 창(lance)을 통해서 연소영역에 공급되는 예컨대 천연가스, 메탄, 프로판, 또는 수소와 같은 기체상태 연료, 폐기물의 소각 시에 폐기물에서 증발되는 가연성 유기물질, 그리고 시멘트로(kiln)내에서 적재물과 함께 혼합된 상태인 석탄이 있다.
가연성 물질은 스트림(9)내의 연소영역내로 전달된 산화제와는 별도의 연소영역에 제공된다. 이 가연성 물질은 예를 들어, 가연성 물질이 분사되는 곳에 인접한 연소영역내로 산화제가 분사될 수 있게 하는 버너를 통해서 연소영역내로 제공될 수도 있고, 별도의 연료 공급수단(fuel lance)을 통해서나 기타의 적당한 수단에 의해서 연소영역내로 공급될 수도 있다. 제2도에는, 가열된 산화제가 산화제 공급수단을 통해서 연소영역에 제공되고, 예컨대 천연가스와 같은 가연성 물질이 연소영역의 다른 쪽에 있는 연료 공급수단(12)을 통해 산화제와는 별도로 연소영역으로 제공되는 단순화시킨 연소영역(11)을 나타낸다. 연료는 산화제와 같은 쪽에서 연소영역내로 공급할 수도 있고, 예를 들어 고체나 액체 상태의 가연성 폐기물질로서 연소영역내로 공급하는 것과 같은 다른 모든 방법으로 연소영역내로 공급할 수도 있다. 산화제와 가연성 물질은 연소영역내에서 연소되어 열을 발생한다. 연소영역은 예를 들어 강철, 유리 또는 알루미늄에 사용되는 가열 가마(furnace), 소각로(incinerator), 로(kiln), 또는 건조용 가마와 같은 모든 적당한 시스템일 수 있다.
본 발명의 중요한 장점은, 산화제 공급관내로 공급되는 열량을 변화시켜서 연소영역내에 전달되는 산화제의 속도를 변화시키거나 조절할 수 있는 능력이다. 산화제의 일부로 연소연료를 연소시켜서 산화제 공급관내에 열을 공급하는 경우에는, 산화제 공급관에 공급된 연료의 유속을 증감시킴으로써 산화제 공급관 내에 제공된 열량을 증감시킬 수 있다. 이와 같이하면, 노즐을 교체시키거나 조절식 노즐을 사용해야 할 필요없이 연소영역이 전달되는 산화제의 속도를 증감시킬 수 있게 되는 것이다. 이 열노즐 조절기작은 본 발명의 주요장점으로서, 지금까지는 공급압력을 변화시키지 않고서는 기계식 노즐을 교환시키지 않고서 또는 조절식 기계식 노즐을 사용하지 않고서는 이루어질 수 없었다.
이제 본 발명을 이용함으로써, 산화제 공급압력이 낮을 때 연소영역내로 산화제를 고속으로 제공할 수 있으면서도 산화제를 압출시켜야 할 필요성을 배제하거나 감소시킬 수 있게 되었다. 또한, 본 발명은 주어진 산화제 공급압력에서 연소영역으로 들어가는 산화제 분사속도를 용이하게 증감시킬 수 있게 되어, 연소영역내의 연소반응시에 산화제를 분시키기 위해 노즐을 교체하거나 조절식 노즐을 사용하지 않고서도 조절을 개선할 수 있는 것이다.
지금까지는 바람직한 실현예를 참조로 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 당업자라면 청구범위의 사상과 영역이내에서 본 발명의 다른 실현도 가능하다는 것을 명백히 인식할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 열노즐 연소방법에 있어서, (A) 산소농도가 30 부피% 이상인 산화제를 연소영역과 연결된 산화제 공급관에 초기속도로 제공되는 단계 ; (B) 산화제 공급관에 연료를 제공하고 산화제 공급관내에 제공된 산화제의 20% 이하를 연료와 함께 연소시켜서 열과 연소반응생성물을 생성시키는 단계 ; (C) 산화제 공급관내에서 연소반응 생성물을 산화제중의 잔류 산소와 혼합시켜서 산화제 공급관내에 남아있는 산화제의 온도를 상승시키는 단계 ; 및 (D) 산화제 공급관에서 나오는 가열된 산화제를 초기 속도보다 높은 분출속도로 연소영역내로 전달하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열노즐 연소방법.
  2. 제1항에 있어서, 산화제중의 산소농도가 85 부피% 이상인 것을 특징으로 하는 열노즐 연소방법.
  3. 제1항에 있어서, 산화제의 온도를 3000℉ (1649℃ )이하로 상승시키는 것을 특징으로 하는 열노즐 연소방법.
  4. 제1항에 있어서, 가열된 산화제를 산화제 공급관의 직경보다 직경이 작은 1개 이상의 개구부를 통해 연소영역내로 전달하는 것을 특징으로 하는 열노즐 연소방법.
  5. 제1항에 있어서, 산화제 공급관내에 제공되는 연료의 유속을 변화시켜서 연소영역내에 전달되는 산화제의 유출속도를 변화시키는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 열노즐 연소방법.
  6. 제1항에 있어서, 연소영역내에 가연성 물질을 제공하여 가열된 산화제를 연소영역내에서 가연성 물질과 함께 연소시키는 것을 특징으로 하는 열노즐 연소방법.
  7. 열노즐 연소방법에 있어서, (A) 산소농도가 30 부피% 이상인 산화제를 연소영역과 연결된 산화제 공급관에 초기속도로 제공하는 단계 ; (B) 산화제 공급관내에 열을 가하는 단계 ; (C) 산화제 공급관내에 제공된 열을 산화제에 전달하여 산화제 공급관내의 산화제의 온도를 상승시키는 단계 ; (D) 가열된 산화제를 초기 속도보다 높은 속도로 산화제 공급관으로부터 연소영역으로 전달하는 단계 ; (E) 산화제 공급관을 통해 연소영역 내로 전달되는 산화제와는 별도로, 연소가 가능한 물질을 연소영역내로 제공하는 단계 ; 및 (F) 연소영역이내에서 연소가능 물질을 산화제로 연소시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열노즐 열노즐 연소방법.
  8. 제7항에 있어서, 산화제중의 산소농도가 85 부피% 이상인 것을 특징으로 하는 열노즐 연소방법.
  9. 제7항에 있어서, 산화제의 온도를 3000 (1649 )이하로 상승시키는 것을 특징으로 하는 열노즐 연소방법.
  10. 제7항에 있어서, 산화제 공급관내에 제공되는 연료의 유속을 변화시켜서 연소영역내에 전달되는 산화제의 유출속도를 변화시키는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 열노즐 연소방법.
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