KR100234573B1 - 질소 산화물을 감소시키기 위한 단계적 연소 방법 - Google Patents

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프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
로버트 지. 호헨스타인
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Abstract

본 발명은 질소 산화물의 생성을 감소시키면서 연소를 수행시키기 위한 연소 방법에 관한 것이다. 이 연소 방법은 유체 연료 스트림을 저점도 산화제를 이용하여 부분적으로 연소시키고 혼합시킨 후, 형성된 산물과 제 2 산화제 스트림을 주위 기체로 희석시키는 것을 포함한다. 제 2 산화제 스트림의 속도는 질소 산화물 방출 수준을 감소시키도록 증가되거나, 질소 산화물의 형성을 추가로 감소시키는 데 유용한 바람직한 제 2 산화제/저점도 산화제의 비율을 제공하도록 조절되기도 한다. 일반적으로, 비율 및/또는 속도의 증가는 질소 산화물 방출 수준을 추가로 감소시킨다. 액체 연료가 사용될 때, 이것은 스프레이 각도가 매우 적은 액체 연료 스트림을 생성시키는 방식으로 원자화 유체로 원자화된다. 상기 스트림의 생성은 버어너가 물 냉각없이 조작되게 해준다. 더욱이, 상기 연소 방법과 조합될 때, 상기 스트림은 질소 산화물의 생성을 예상외로 감소시키면서 효과적이고 효율적인 연소시를 제공한다.

Description

질소 산화물을 감소시키기 위한 단계적 연소 방법
제1도 및 2도는 본 발명의 구체예인 제 1 산화제, 제 2 산화제 및 연료의 주입에 관련된 여러 가지 배열의 단면도.
제3도는 본 발명의 다른 구체예인 액체 연료 분무 장치의 단면도.
제4도는 본 발명의 또다른 구체예인 제3도의 분무기를 갖는 액체연료 버어너의 단면도.
제5도 및 6도는 본 발명의 부가적인 구체예인 제 1 산화제에 대한 제 2 산화제 스트림의 특정 부피비를 이용하는 중요성울 예시하는 그래프.
제7도 및 8도는 본 발명의 추가의 구체예인 제 2 산화제를 특정 속도로 분사시키는 중요성을 예시하는 그래프.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
3 : 버어너 5 : 연료 통로
7 : 제 1 산화제 통로 9 : 노즐
11 : 엔클로져 28, 36 : 내부 오프닝
29, 37 : 내화성 포트 35 : 랜스
본 발명은 일반적으로 유체 연료 연소 방법에 관한 것이며, 구체적으로는 질소 산화물의 생성을 최소화시키는 데에 유용한 액체 연료 연소 방법에 관한 것이다.
질소 산화물은 많은 연소 과정중에 상당한 양으로 생성된다. 질소 산화물은 공지된 오염물이므로, 연소 도중에 이것의 생성을 감소시키는 것이 바람직하다. 질소 산화물의 생성을 감소시키기 위해, 산소-부화 공기 또는 공업용 순 산소가 1 당량의 산소당 연소 영역내로 주입되는 질소의 양을 감소시키기 위한 산화제로서 공기 대신에 사용되고 있다. 그러나, 산화제로서 산소-부화 공기 또는 공업용 순 산소는 연소 과정이 고온에서 수행되는 것을 야기한다. 고온 연소는 동력학적으로 질소 산화물의 생성을 유발하며 버어너, 특히 비-수냉각 버어너의 구조적 수명에 불리한 영향을 미친다.
미국 특허 제 5,076,779 호 및 5,242,296 호에는 질소 산화물의 생성을 억제시키는 연소 방법이 기재되어 있다. 이 연소 방법은 산화제 혼합 영역중에서 노 기체들로 산화제 스트림을 희석시킨 후, 질소 산화물 생성에 유리한 조건이 되지 않도록 반응 영역중에서 희석된 스트림의 존재하에 연료를 연소시키는 것을 포함한다. 연료는 희석된 스트림의 존재하에 완전히 연소되기 전에 초기에 화학양론적 양의 산화제의 존재하에서 부분 연소될 수 있다. 이들 방법은 질소 산화물의 생성을 현저히 감소시키는 것으로 보여진다. 그러나, 질소 산화물 방출을 더 감소시키는 것이 바람직하다.
질소 산화물의 생성을 감소시키면서 효과적인 연소를 수행할 필요성은 액체 연료가 포함되는 경우에 증가된다. 액체 연료 분무 및 연소에 관련된 복잡성으로 인하여, 질소 산화물 방출 수준을 감소시키는 것은 어려운 일이다. 비-수냉각 버어너가 노 벽의 내화성 포트내에서 이용되는 경우에, 버어너로부터의 방출된 액체 연료는 내화성 포트와 접촉될 수 있고, 결과적으로 버어너를 오염시킬 수 있는 그을음 침착물을 생성시킨다.
따라서, 본 발명의 목적은 연료, 특히 액체 연료를 효과적이고 효율적으로 연소시키면서, 질소 산화물의 생성을 더 감소시키는 데에 있다.
본 발명의 또다른 목적은 상당량의 그을음 침착물을 생성시키지 않으면서 비-수냉각 버어너 및 랜스를 사용하여 액체 연료를 연소시키는 데에 있다.
본 발명의 또다른 목적은 불꽃 온도를 감소시키면서 액체 연료를 연소시키는 데에 있다.
하기 설명에 의해 당업자에게 명백해질 본 발명의 제반 목적은 하기의 본 발명에 의해 달성되며, 본 발명의 제 1 일면은, 질소 산화물 생성을 감소시키면서 유체 연료를 연소시키기 위한 방법으로서, (a) 하나 이상의 유체 연료 스트림을 연소 영역내로 분사시키는 단계; (b) 상기 하나 이상의 유체 연료 스트림 길이의 최소한 일부를 1초당 200 피이트 미만의 속도로 분사되는 화학양론적 양의 하나 이상의 제 1 산화제 스트림으로 덮고, 상기 유체 연료를 상기 제 1 산화제의 최소한 일부분으로 부분 연소시켜 부분 연소된 생성물을 생성시키는 단계 ; (c) 상기 유체 연료 스트림 및 제 1 산화제 스트림 위치, 또는 상기 유체 연료 스트림 및 제 1 산화제 스트림이 분사되는 위치로부터 거리를 두고 떨어진 위치로부터, 또는 상기 유체 연료 스트림 및 제 1 산화제 스트림이 분사되는 위치의 반대쪽 위치로부터 떨어져서 각도를 이루면서 하나 이상의 제 2 산화제 스트림을 분사시키는 단계(여기에서, 상기 제 2 산화제 대 상기 제 1 산화제의 부피비가 1.5 : 1 내지 20 : 1 이 되도록 분사시킴); (d) 상기 제 2 산화제 스트림을 약 0.5 내지 15부피%의 산소 농도를 함유하는 다량의 주위 기체로 희석시켜 희석된 스트림을 생성시키는 단계; 및 (f) 상기 희석된 스트림을 상기 부분 연소된 생성물에 혼합시킨후, 상기 부분 연소된 생성물을 상기 희석된 스트림중의 산소로 연소시키는 단계를 포함하는 방법이다.
본 발명의 또 다른 일면은, 질소 산화물 생성을 감소시키면서 액체 연료를 연소시키기 위한 방법으로서, (a) 하나 이상의 액체 연료 스트림을 상기 하나 이상의 액체 연료 스트림의 축으로부터 측정하여 15°미만의 바깥 주변각을 갖는 분무 스프레이 형태로 연소 영역중에 제공하는 단계; (b) 화학양론적 양의 제 1 산화제 스트림을 1초당 200 피이트 미만의 속도로 환형 스트림 형태로 분사시켜 하나 이상의 액체 연료 스트림 길이의 최소한 일부를 에워싸거나 둘러싸는 단계; (c) 상기 제 1 산화제 스트림의 최소한 일부를 상기 액체 연료 스트림내에서 비말동반시키고, 이 비말동반된 산화제로 상기 액체 연료를 부분 연소시켜 부분 연소된 생성물을 생성시키는 단계; (d) 하나 이상의 제 2 산화제 스트림을 주위 기체 순환 패턴을 이루도록 분사시키는 단계(여기에서, 다량의 주위 기체를 상기 하나 이상의 제 2 산화제 스트림내에서 비말동반시켜 상기 부분 연소된 생성물과 혼합시키기 전에 1 내지 30부피%의 산소 농도를 함유하는 희석된 스트림을 생성시킴); 및 (e) 상기 희석된 스트림을 상기 부분 연소된 생성물과 혼합시킨 후, 상기 부분 연소된 생성물을 상기 희석된 스트림중의 산화제로 연소시키는 단계를 포함하는 방법이다.
본 명세서에서, 용어 "주위 기체"는 연소 영역, 즉, 노내의 기체들을 의미한다.
본 명세서에서, 용어 "부분 연소된 생성물"은 CO₂, CO, H2O, H2, 탄화수소 및 미연소 연료를 포함하는 완전 연소 생성물 및 불완전 연소 생성물을 의미한다.
본 발명은 하기에서 도면을 참조로 상세히 설명될 것이다.
제 1도 내지 4도에 있어서, 유체 연료 및 제 1 산화제는 하나 이상의 연료 통로(5)및 하나 이상의 제 1 산화제 통로(7)를 갖는 하나 이상의 버어너(3)로부터 분사된다. 버어너(3)는 노즐(9) 및 노즐(9) 길이의 최소한 일부를 동축으로 둘러싸고 있는 엔클로져(11)를 포함할 수 있다. 노즐(9)의 외부 표면과 엔클로져(11) 내부 표면 사이에 형성된 환형 통로는 제 1 산화제 통로(7)를 나타내는 반면에 노즐(9)의 통로는 연료 통로(5)를 나타낸다.
연료 통로(5) 및 제 1 산화제 통로(7) 이외에도, 액체 연료가 사용되는 경우에는 하나 이상의 분무 유체통로(13)가 제공된다. 바람직한 분무 유체 통로(13)는 적당하게 설계되고 적절하게 위치되어서, 상기 하나 이상의 액체 연료 스트림의 축으로부터 측정하여 15°미만, 바람직하게는 10°미만의 외부 주변각을 갖는 분무 스프레이 형태의 하나 이상의 액체 연료 스트림을 생성시킨다. 제 3도 및 4도에 따르면, 분무 유체통로(13)는 노즐(9) 길이의 최소한 일부와 중간 엔클로져(15)(예컨대, 노즐과 엔클로져(11) 사이에 위치된 유체도관)로 동축으로 둘러쌈으로 인하여 중간 환형 통로의 형태로 제공될 수 있다.
본 발명의 한 가지 구체예에서, 바람직한 좁은 외부 주위각을 갖는 액체 연료 스프레이를 분사시키기에 유용한 노즐(9)은 내부 및 외부 표면을 가지며, 내부 표면은 연료 포트(17)로 종결되는 연료 통로(5)를 한정한다. 연결 통로(5)는 두 가지 이상의 길이를 포함할 수 있다. 제 1 길이(5a)는 비교적 큰 단면적 또는 직경을 가지는 반면에, 제 1 길이와 연통하는 제 2 길이(5b)는 바람직하게는 원뿔 형태로, 연료 포트(17)의 방향으로 줄어드는(방사상으로 줄어드는 테이퍼) 단면적을 갖는다. 연료 포트(17)는 연료 통로(5)로부터 연료를 수용하기 위한 유입구(19) 및 연료를 배출시키기 위한 방출구(21)를 갖는다. 연료 포트(17)의 유입구(19)는 일반적으로 제 2 길이(5b)의 단부에 위치되며 제 2 길이(5b)의 단부 오프닝의 단면적 또는 직경 이하의 단면적 또는 직경을 갖는다. 연료 포트(17)는 3가지 이상의 섹션을 포함할 수 있는데, 제 1 섹션(17a)은 연료 통로(5)의 제 2 길이(5b)의 단부에서의 단면적 또는 직경 이하의 단면적 또는 직경을 가지며, 제 2 섹션(17b)은 방출구(21) 방향으로 조금씩 줄어드는 단면적 또는 직경을 가지며, 제 3 섹션(17c)은 제 1 섹션(17a)의 단면적 또는 직경 이하의 단면적 또는 직경을 갖는다. 일반적으로, 연료 통로(5)는 연료 포트(17) 이상의 단면적 또는 직경을 갖는다.
바람직한 외부 주위각을 갖는 연료 스프레이의 생성을 촉진시킬 수 있는 분무 유체통로(13)의 형성을 위해 유용한 중간 엔클로져(15)는 내부 및 외부 표면을 가지며, 노즐(9)의 최소한 일부를 동축으로 둘러싸고 있다. 엔클로져(15)의 내부 표면과 노즐(9)의 외부 표면 사이에는, 분무 유체 통로(13), 예컨대 환형 통로, 및 분무 유체 포트(23), 예컨대 환형 분무 유체 포트가 존재한다. 환형 분무 유체 통로(13)는 환형 통로(13)로부터 분무 유체를 수용 및 배출시키기 위한 유입구 및 방출구 오프닝(25 및 27)을 갖는 환형 분무 유체 포트(23)로 종결된다. 일반적으로 환형 분무 유체 통로(13)는 환형 분무 유체 포트(23)의 단면적 또는 직경 이상의 단면적 또는 직경을 갖는다. 환형 분무 유체 포트(23)를 한정하는 노즐(9)의 외부 표면의 최소한의 일부분 및 중간 엔클로져(15) 내부 표면의 최소한의 일부분은 노즐(9)의 종축으로부터 측정하여 약 5°내지 30°, 바람직하게는 약 12°내지 약 18°의 범위내의 각도(A)로 방출구 오프닝쪽으로 줄어드는 직경을 갖는 원뿔형태로 되어 있다. 이들 버어너(3)가 기체-냉각된 이중 연료 버어너로서 사용되는 경우에, 고체 연료 입자 또는 기체 연료를 함유하는 유체와 같은 서로다른 연료 및 추가의 제 1 산화제를 분사시키기 위한 추가의 통로(예컨대, 추가의 환형 통로)를 생성시키기 위해서 추가의 엔클로져가 필요하게 된다.
하나 이상의 버어너(3)의 팁은 하나 이상의 노 벽(31)내에서 한정되는 하나 이상의 내화성 포트(29)의 하나 이상의 내부 오프닝(28)으로부터 리세스(recess)될 수 있어서, 이들 버어너는 비-수냉각 버어너로서 사용될 수 있다. 각각의 내화성 포트(29)는 노 벽(31)내에 형성된 연소 영역(33)을 마주보는 내부 오프닝(28)을 갖는다. 일반적으로, 내부 오프닝(28)으로부터 내화성 포트 내부 오프닝(28)의 직경은 0.25 내지 10 인치 이다. 내화성 포트(29)의 내부 오프닝(28)의 직경 이상의 거리만큼 각각의 버어너(3)의 팁을 리세스시킴으로써, 각각의 버어너(3)는 수냉각 수단을 사용하지 않고 이용될 수 있음이 발견되었다. 이러한 리세스된 거리는 버어너 팁의 온도를 감소시킨다. 버어너(3)는 연소 공정에 적합한 모든 재료로 제조될 수 있다. 이러한 재료로는, 기타 재료중에서, 스테인레스 강, 금속, 세라믹 및 플라스틱을 들 수 있다.
이용된 유체 연료로는 액체 연료, 기체 연료, 유체-함유 고체 연료 또는 이들의 혼합물을 들 수 있다. 기름 또는 석탄과 같은 연료는 화학적으로 결합된 질소를 함유할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 용어 "화학적으로 결합된 질소"는 화학적 화합물에 화학적으로 결합되어 있는 질소 원자(질소 분자는 제외)를 의미한다. 화학적으로 결합된 질소를 갖는 일부 화학적 화합물로는, 기타 화합물 중에서, 아민, 아미드 및 질소를 갖는 헤테로고리 화합물을 들 수 있다. 사용된 액체 연료가 고점도를 갖는 경우에, 연료 통로(5)내로 전달시키기 전에 예열시킬 수 있다. 유체 연료의 속도는 유체 연료의 안정한 부분 연소를 촉진시키기 위해서 제 1 산화제의 속도 이상 인 것이 바람직하다.
액체 연료가 사용되는 경우에, 분무 유체는 효고적이고 효율적인 연소를 위해 액체 연료를 분산시키는데 이용된다. 바람직한 분무 기술은 분무 유체가 생성된 분무된 액체 연료 스트림이 심지어 액체 연료가 저속으로, 예컨대 1초당 50 피이트 미만의 속도로 분사되는 경우에도 일관되게 바람직한 좁은 외부 주위 스프레이 각도를 갖게 한다. 바람직한 분무 기술은 유체를 약 0.5 내지 1.2 마하의 속도로 분사시키고, 액체 연료를 노즐(9)의 종축(C)으로부터 측정하여 약 5°내지 약 30°, 바람직하게는 약 12°내지 약 18°의 수렴 각도(A)로 수렴시키는 것을 포함한다. 계속하여, 환형 분무 유체 포트(23)로부터 분사된 분무 유체를 최소한 일부분의 제 1 산화제를 액체 연료 스트림내에서 비말동반시켜서, 액체 연료의 부분 연소를 일으킨다. 그외의 분무 기술은, 바람직한 좁은 외부 주위 스프레이 각도가 얻어질 수 있고, 최소한 일부분의 제 1 산화제가 액체 연료 스트림내에서 비말동반되는 한은 이용될 수 있다. 바람직한 좁은 외부 주위 각도가 얻어지면 비-수냉각 오일-연료 버어너의 사용을 촉진시킬 뿐만 아니라, 질소 산화물의 생성을 감소시키면서 액체 연료의 효과적이며 효율적인 연소를 개선시킨다. 또한, 액체 연료에 대한 분무 유체의 질량비를 0.3 내지 0.7, 바람직하게는 0.4 내지 0.7로 유지시키기 위해서 분사된 분무 유체의 속도를 조절 또는 조정하는 것은 질소 산화물 방출 수준의 감소를 더 증대시킨다. 사용되는 분무 유체는 증기, 이산화탄소, 아르곤, 질소, 공기, 산소-부화 공기 및 순 산소를 포함하는 모든 기체 물질일 수 있으며, 이들에 제한되지 않는다. 질소를 함유하지 않은 분무 기체가 일반적으로 바람직하다.
제 1 산화제 통로(7)로부터 분사된 제 1 산화제는 유체 연료를 감싸고 상기 연료와 반응한다. 분사된 제 1 산화제는 유체 연료의 반응을 위한 화학양론적 양의 산소를 함유하여, 유체 연료의 부분 연소를 일으킨다. 산소의 바람직한 화학양론적 양은 유체 연료 스트림과 반응하기 위한 산소의 화학양론적 양의 10내지 30%이다. 제 1 산화제의 속도는 안정한 부분 연소를 증대시키고 질소 산화물의 생성을 감소시키기 위해서 일반적으로 1초당 200 피이트 미만, 바람직하게는 1초당 100 피이트 미만으로 유지된다. 이용되는 제 1 산화제는 공기, 산호-부화 공기 또는 공업용 순 산소일 수 있따. 그러나, 바람직한 제 1 산화제는 30부피% 이상의 산소 농도를 함유한다. 추가의 제 1 산화제 및 연료(예컨대, 서로 다른 연료)가 추가의 통로, 예컨대 외부의 환형 통로를 통해 버어너(3)내로 주입될 수 있음이 인식되어야 한다. 추가의 제 1 산화제 및 연료를 사용함으로써, 예컨대 버어너(3)는 이중 연료 버어너로서 사용될 수 있다.
유체 연료 및 제 1 산화제가 각각의 버어너(3)로부터 분사되는 동안에, 제 2 산화제 스트림은 하나 이상의 랜스(35)으로부터 분사된다. 랜스(35)은 노벽(31)의 하나 이상의 제 2 내화성 포트(37)내에 위치된다. 내화성 포트(37)는 연소 영역(33)을 마주보는 내부 오프닝(36)을 갖는다. 랜스(35)의 팁은 내화성 포트(37)의 내부 오프닝(36)의 직경 이상의 거리 만큼 내화성 포트(37)의 내부 오프닝(36)으로부터 리세스될 수 있다. 랜스(35)의 팁이 세라믹 재료로 제조되는 경우에는, 리세스될 필요는 없다. 이러한 랜스 설계 또는 리세스는 랜스를 수냉각 없이 작동시켜, 수냉각과 관련된 부식이 방지된다.
랜스(35)의 위치는 제 2 산화제 스트림을 제 1 산화제 및 연료 스트림이 분사되고 있는 지점과 각도를 이루며 떨어진 위치, 간격을 두고 떨어진 위치, 또는 제 1 산화제 및 연료 스트림이 분사되고 있는 지점의 반대쪽 및/또는 근접한 위치로부터 분사시킨다. 랜스(35)가 버어너로부터 각도를 이루거나 거리를 두고 위치되는 경우에, 떨어진 간격 및/또는 분사 각도는 제 2 산화제 스트림이 연소된 생성물과 부분적으로 반응하기 전에, 분사된 제 2 산화제 스트림이 큰 부피의 주위 기체, 즉, 연소 영역 또는 노내에서 기체를 비말동반시킨다. 예를 들면, 제 2 산화제 스트림이 연료 스트림과 나란히 분사되는 경우에, 제 2 산화제가 분사되는 위치는 연료 및 제 1 산화제 스트림이 분사되는 위치로부터 3인치 이상 떨어진 지점이어야 한다. 다른 한편으로, 랜스(35)가 버어너(3)가 위치된 지점의 반대쪽 및/또는 인접한 하나 이상의 벽에 위치되는 경우에, 부분 연소된 생성물 및 제 2 산화제가 교차되는 지점은 제 2 산화제가 분사되어 제 2 산화제 스트림이 부분 연소된 생성물과 혼합되기 전에 바람직한 희석된 스트림을 생성시키는 지점으로부터 충분한 거리를 두고 위치되어야 한다. 바람직한 희석된 스트림은 1 내지 30부피%, 바람직하게는 2 내지 25부피%의 산소 농도를 갖는다. 바람직한 희석된 스트림은 제 2 산화제 스트림으로 주위 기체 순환 패턴을 생성시켜, 제 2 산화제 스트림은 주위 기체가 부분 연소된 생성물을 연소시키는데 사용되기 전에 주위 기체를 비말동반시킴으로써 생성된다. 주위 기체는 일반적으로 0.5 내지 15%의 산소 농도를 함유한다. 바람직한 희석된 스트림이 생성됨으로써, 불꽃 온도 및 질소 산화물 방출이 감소된다.
상기에서 설명된 제 2 산화제를 분사시키는 것에 부가하여, 주입된 제 2 산화제의 양은 주입된 제 1 산화제의 양을 기준으로 조절 또는 조정하여 질소 산화물의 생성을 더 감소시킨다. 예를 들면, 제 5도 및 6도는 제 1 산화제에 대한 제 2 산화제의 서로다른 비율을 이용하여 제 2 산화제의 분사 속도에 대한 NOx (질소 산화물 방출 수준)의 그래프를 도시한 것이다. 상기 그래프는 제 1 산화제에 대한 제 2 산화제의 부피가 증가함에 따라 생성된 질소 산화물의 질량이 감소함을 보여준다. 제 1 산화제 대 제 2 산화제의 바람직한 부피비는 1.5 : 1 이상, 바람직하게는 2.4 : 1 이상, 더욱 바람직하게는 3 : 1 내지 20 : 1 이다.
더욱이, 제 2 산화제의 속도는 질소 산화물의 생성을 더 감소시키기 위해 커야 한다. 제 7도 및 8도는 제 2 산화제 배압 및 제 2 산화제 분사 속도에 대한 NOx (질소 산화물 방출 수준)의 그래프를 도시한 것이다. 상기 그래프는 제 2 산화제 분사 속도 또는 제 2 산화제 배압이 증가함에 따라 생성된 질소 산화물의 질량이 감소함을 보여준다. 제 2 산화제의 바람직한 속도는 1초당 250 피이트 이상, 바람직하게는 1초당 300 피이트 이상, 더욱 바람직하게는 1초당 400 피이트 이상이다. 사용되는 제 2 산화제로는 공기, 산소-부화 공기 또는 공업용 순 산소를 들 수 있다. 그러나, 바람직한 제 2 산화제는 30부피% 이상의 산소 농도를 함유한다.
실제로, 상기에서 설명한 바와 같이, 바람직한 위치로부터 고속으로 분사되는 제 2 산화제는 주위 기체 순환 패턴을 생성시켜, 제 2 산화제 스트림의 제트 흡인 효과로 인하여 연료를 제 1 산화제로 연소시켜 생성시킨 부분 연소된 생성물 및 주위 기체는 제 2 산화제 스트림내로 비말동반된다. 제 2 산화제 스트림의 속도가 빠르고 연료 및 제 1 산화제 스트림으로부터 충분히 떨어진 위치로부터 분사되기 때문에, 제 2 산화제가 연료 및 제 1산화제와 혼합되는 것은 지연된다. 이러한 지연은 제 2 산화물를 주위 기체와 혼합시켜 초기에 바람직한 희석된 스트림을 생성시키면서 연료를 제 1 산화제로 부분 연소시켜 부분 연소된 생성물을 생성시킨다. 그후에, 생성된 희석된 스트림은 부분 연소된 생성물을 비말동반시키고 연소시킨다.
본 발명을 더 설명하기 위해, 하기의 실시예를 제공한다. 하기의 실시예는 본 발명을 설명하고자 제시되는 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니다.
이들 실시예 중의 모든 시험은 직경이 3 피이트이고 길이가 8 피이트인 내부 치수를 갖는 실험실용 노내에서 수행하였다. 노는 노의 내부 챔버쪽으로 통해있는 단부 오프닝을 갖는 2개 이상의 포트를 한정하는 하나 이상의 벽을 갖는다.
사용되는 연료 오일의 물리적 및 화학적 특성의 하기의 표에 나타난다.
오일은 140℉(54℃)에서 펌핑시키고, 버어너 유입구에서의 온도는 오일 점도를 16cSt(centistokes)로 유지시키기 위해서 180℉(82℃)로 유지시켰다. 버어너를 1 MM Btu/시간의 점화 속도로 점화시켰다.
상기한 문제는 산업용 노중에서 발생되기 때문에, 공기 침투를 시뮬레이션시키기 위해서 질소를 노 측벽내의 세 지점을 통해 분사시켰다.
노 내화성 벽의 평균 온도는 NOx 측정 동안에 2800℉(1538℃)로 유지 시켰다.
NOx 결과는 화학발광 분석기에 의해 측정된 NO를 기준으로 나타나며, 점화된 연료의 1백만 Btu 당 NO의 lb(파운드)로서 나타난다.
시험은 제 4도에 도시된 버어너를 사용하여 수행하였다. 버어너를 노 벽내에 한정된 내화성 포트내에 위치시켜, 버어너의 팁을 포트의 내부 오프닝으로부터 약 4인치(내부 오프닝 직경의 2배) 만큼 리세스시켰다. 산소 랜스를 노 벽내에 한정된 또 다른 내화성 포트내에 위치시켜 랜스의 팁을 포트의 내부 오프닝으로부터 약 2인치(또 다른 내화성 포트의 내부 오프닝 직경과 같은 거리) 만큼 리세스시켰다. 버어너와 랜스를 서로 평행하면서 약 6 인치 떨어지게 장치하였다. 차은 제 2 산화제를 분사시키는데 사용되는 반면에, 버어너는 오일, 분무 유체 및 제 1 산화제를 분사시켜 오일을 부분 연소시키는데 사용하였다. 증기, 공기 및 산소를 분무 유체로서 사용하였다. 분사되는 분무 유체의 영은 분무 유체/오일 질량비가 약 50%가 되도록 유지하였다. 제 5도에서는, 증기를 분무 유체로서 사용하였다. 제 6도에서는, 공기를 분무 유체로서 사용하였다. 제 5 및 6도의 그래프를 얻기 위해서, 제 2 산화제 분사 속도 및 제 2 산화제/제 1 산화제의 부피비를 변화시켰다. 상기 그래프는 질소 산화물 방출 수준에 대한 제 2 산화제/제 1 산화제의 부피비의 결과를 나타낸다. 제 5 및 6도에 따르면, 질소 산화물 방출 수준은 제 2 산화제/제 1 산화제의 부피비가 증가함에 따라 감소될 수 있다. 제 7 및 8도는 질소 산화물 방출 수준에 대한 제 2 산화제 분사 속도의 결과를 도시한다. 분사된 제 1 산화제의 양은 버어너를 통해 주입된 산소의 양이 주입된 전체 산소를 기준으로 하여 제 7도 및 8도에 대해 각각 약 30% 및 40%를 구성하도록 분사되었다. 제 7도 및 8도에서 분무 유체로서 공기를 사용하였다. 제 7도 및 8도의 그래프에 따르면, 제 2 산화제의 속도가 증가함에 따라 질소 산화물의 바출 수준이 감소된다.
본 발명을 이용하면 질소 산화물의 방출 수준은 현저하게 감소된다. 액체 연료 연소의 측면에서 질소 산화물 수준의 감소는 매우 좁은 스프레이 각도를 갖는 액체 연료 스트림을 사용하는 본 발명에 의해 제공되는 질소 산화물 방출 수준의 감소가 액체 연료 분무 및 연소와 관련된 복잡성으로 인하여 당업자에 의해 예상되지 못하는 것이기 때문에 특히 주목된다. 더욱이, 질소 산화물 생성을 감소시키면서 스프레이 각도가 매우 좁은 액체 연료 스트림을 사용할 수 있다면 장기간 오염 및 부식을 야기시키지 않고 수냉각이 필요없는 버어너를 사용할 수 있다.
본 발명이 특정 구체예를 참조로 상세히 설명되었다하더라도, 당업자는 본 발명의 사상 및 하기 특허청구의 범위내에 본 발명의 그외의 구체예가 있음을 인지할 것이다.

Claims (10)

  1. (a) 하나 이상의 유체 연료 스트림을 연소 영역안으로 분사시키는 단계 ; (b) 상기 하나 이상의 유체 연료 스트림 길이의 일부 또는 전부를 1초당 200 피이트 미만의 속도로 분사되는 화학양론적 양의 하나 이상의 제 1 산화제 스트림으로 덮고, 상기 유체 연료를 상기 제 1 산화제로 부분 연소시켜 부분 연소된 생성물을 생성시키는 단계 ; (c) 상기 유체 연료 스트림 및 제 1 산화제 스트림의 위치, 또는 상기 유체 연료 스트림 및 제 1 산화제 스트림이 분사되는 위치로부터 거리를 두고 떨어진 위치, 또는 상기 유체 연료 및 제 1 산화제 스트림이 분사되는 위치의 반대쪽 위치로부터 떨어져서 각도를 이루면서 하나 이상의 제 2 산화제 스트림을 분사시키는 단계(여기에서, 하나 이상의 제 2 산화제 스트림은 상기 제 2 산화제 대 상기 제 1 산화제의 부피비가 1.5:1 내지 20:1이 되도록 분사됨) ; (d) 상기 제 2 산화제 스트림을 0.5 내지 15부피%의 산소 농도를 함유하는 다량의 주위 기체로 희석시켜 희석된 스트림을 생성시키는 단계 ; 및 (e) 상기 희석된 스트림을 부분 연소된 생성물에 혼합시킨 후, 상기 부분 연소된 생성물을 상기 희석된 스트림중의 산소로 연소시키는 단계를 포함하는, 질소 산화물의 생성을 감소시키면서 유체 연료를 연소시키기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제 2 산화제 스트림은 상기 제 2 산화제 대 상기 제 1 산화제의 부피비가 2.4:1 이상이 되도록 분사되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제 2 산화제 스트림의 속도는 1초당 200 피이트 이상임을 특징으로 하는 방법.
  4. (a) 하나 이상의 액체 연료 스트림의 축으로부터 측정하여 15°미만의 바깥 주변각을 분무 스프레이 형태로 하나 이사의 액체 연료 스트림을 연소 영역중에 제공하는 단계 ; (b) 화학양론적 양의 제 1 산화제 스트림을 1초당 200 피이트 미만의 속도로 환형 스트림의 형태로 분사시켜 상기 하나 이상의 액체 연료 스트림 길이의 일부 또는 전부를 에워싸거나 둘러싸는 단계 ; (c) 상기 제 1 산화제 스트림의 일부 또는 전부를 상기 액체 연료 스트림내에 비말동반시키고, 이 비말동반된 산화제로 상기 액체 연료를 부분 연소시켜서 부분 연소된 생성물을 생성시키는 단계 ; (d) 하나 이상의 제 2 산화제 스트림을 주위 기체 순환 패턴을 이루도록 분사시키는 단계(여기에서는, 다량의 주위 기체를 상기 하나 이상의 제 2 산화제 스트림내에서 비말동반시켜, 상기 부분 연소된 생성물과 혼합시키기 전에 1 내지 30부피%의 산소 농도를 함유하는 희석된 스트림을 생성시킴) ; 및 (e) 상기 희석된 스트림을 상기 부분 연소된 생성물과 혼합시킨 후, 상기 부분 연소된 생성물을 상기 희석된 스트림중의 산화제로 연소시키는 단계를 포함하는, 질소 산화물 생성을 감소시키면서 액체 연료를 연소시키기 위한 방법.
  5. 제4항에 있어서, 분사되는 상기 하나 이상의 제 2 스트림의 속도는 제 2 산화제 대 제 1 산화제의 부피비가 4:1 이상이고, 하나 이상의 제 2 산화제 스트림을 상기 액체 연료 스트림의 속도 보다 빠른 속도로 유동시킬 정도의 속도임을 특징으로 하는 방법.
  6. 제4항에 있어서, 단계 (a)의 상기 하나 이상의 액체 연료 스트림은, 하나 이상의 액체 연료 스트림을 오프닝을 갖는 하나 이상의 노즐을 통해서 축방향으로 분사시키고, 분무 유체를 상기 하나 이상의 노즐과 상기 노즐 길이의 일부 또는 전부를 둘러싸고 있는 엔클로져 사이에 형성되어 있는 환형 오프닝을 갖는 환형 통로를 통해 분사시킴으로써 형성되며, 상기 분무 유체는 상기 액체 연료 스트림의 축방향으로부터 측정하여 12°내지 약 18°의 수렴 각도로 약 0.5 내지 약 1.2 이하의 속도로, 상기 노즐의 상류에 위치되거나 상기 노즐의 오프닝과 동일 평면에 위치된 상기 환형 오프닝으로부터 분사되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 하나 이상의 노즐의 팁은 상기 연소영역을 둘러싸는 하나 이상의 벽에 의해 한정된 하나 이상의 내화성 포트의 내부 오프닝으로부터 상기 내부 오프닝의 직경 이상의 거리 만큼 리세스됨을 특징으로 하는 방법.
  8. 제6항에 있어서,상기 액체 연료에 대한 상기 분무 유체의 부피비는 0.4 내지 0.7임을 특징으로 하는 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 제 2 산화제 스트림은 상기 하나 이상의 노즐로부터 간격을 두고 떨어져 있거나 각도를 이루고 떨어져 위치한 랜스로부터, 또는 상기 하나 이상의 노즐이 위치된 지점에 인접한 벽 또는 반대쪽 벽에 위치된 랜스로부터 분사됨을 특징으로 하는 방법.
  10. 제6항에 있어서, 기체 연료 스트림, 고체 연료 입자를 함유하는 기체 스트림 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 추가의 연료 스트림을 상기 엔클로져와 이 엔클로져 길이의 일부 또는 전부를 둘러싸고 있는 제 2 엔클로져 사이에 형성된 제 2 환현 오프닝으로부터 분사시키고, 추가의 제 1 산화제를 상기 제 2 엔클로져와 이 제 2 엔클로져 길이의 일부 또는 전부를 둘러싸고 있는 제 3 엔클로져 사이에 형성된 제 3 환형 오프닝으로부터 분사시키는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 방법.
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