KR100272892B1 - 층류식 버너용 산화제 제공수단 및 이의 연소 수행방법 - Google Patents

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Abstract

연속적인 노즐표면을 갖는 산화제 분사기는 연속적인 열의 제거와 거의 노즐표면에서 발생되는 발열성 자유라디칼의 재결합을 방지하는 역할을 하는, 노즐표면위에서의 제2산화제를 층류식 흐름을 가능하게 한다.

Description

층류식 버너용 산화제 제공수단 및 이의 연소 수행방법
제1도는 노즐표면이 연속면으로 되어 있는 본 발명의 양호한 일 실시예를 도시하는 단순 횡단면도.
제2도는 노즐표면이 불연속면으로 되어 있는 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 단순 횡단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
2 : 도관 3 : 노즐
4,10 : 통로 8 : 오목부
[기술분야]
본 발명은 강산소 산화제와 작동하는 버너용 랜스(lance) 또는 산화제 분사기에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 그와 같은 버너를 수냉시킬 필요없이 사용할 수 있게 하는 것이다.
[배경기술]
강산소 산화제는 제강용 노와 알루미늄 제조용 노와 같은 산업용 노에서 연소를 수행하는데 점진적으로 사용되어 왔다. 강산소 산화제는 30체적%이상의 산소, 양호하게 80체적% 이상의 산소를 함유하는 혼합물이다. 또한, 강산소 산화제는 99.5체적%이상의 산소농도를 갖는 상업적으로 순수한 산소를 함유한다. 강산소 산화제에 의해 수행되는 연소는 약80체적%의 공기를 함유하는 질소를 처리하고 가열하는데 사용되는 에너지보다 훨씬 작은 에너지가 사용되므로, 공기에 의해 수행되는 연소보다 연료효율이 높다. 게다가, 강산소 산화제에 의해 수행되는 연소는 상당한 환경오염물질이라고 생각되는 질소산화물(NOx)을 형성하는 산소와의 연소반응에 이용될 수 있는 질소가 적으므로 환경상의 장점을 가진다.
강산화제에 의해 수행되는 연소는 공기를 산화제로서 사용하는 경우 보다 높은 연소반응 온도를 갖는데 특징이 있다. 높은 연소반응 온도는 버너노즐의 수명을 단축 또는 손상할 수 있다. 게다가, 높은 연소온도는 화염구역내에 O,OH 및 H와 같은 자유라디칼을 높은 비율로 발생시키게 된다. 이들 자유라디칼이 표면과 접촉하게 되면, 이들은 재결합하여 상기 공정중에 과량의 열을 방출하게된다. 상기 버너노즐의 열을 적절히 제거해 주지 않으면, 노즐은 과열 손상되어 노즐의 수명을 단축하게 된다.
상기와 같은 노즐손상을 억제하는 한 방법은 물 또는 몇몇 다른 액체 냉각제로 버너와 노즐을 냉각하는 것이다. 그러나, 수냉은 수행하는 것이 복잡하며, 버너부품의 부식가능성을 증대시키며, 노와 스틸, 알루미늄 등과 같은 노내의 장입물을 누출 및 손상할 위험을 초래한다.
따라서, 본 발명의 목적은 버너에 대한 손상을 방지하기 위한 냉각수의 사용 필요성이 없고 강산소 산화제와 작동할 수 있는 버너용 랜스 또는 산화제 분사기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 산화제 분사 노즐을 냉각하기 위한 냉각수 없이도 고산소 산화제를 사용할 수 있는 연소방법을 제공하는 것이다.
[발명의 개요]
다음 설명을 숙독함으로써 본 기술분야의 숙련자에게 분명해질 상기 목적 및 기타의 목적들이 다음과 같은 본 발명에 의해 성취된다.
보노 발명의 일면으로서, 버너용 산화제 제공수단은
중앙도관과,
상기 중앙도관을 지나 축방향으로 연장하는 표면과, 상기 중앙도관으로부터 노즐을 통과하는 주산화제 통행용 하나 이상의 통로를 갖고 상기 중앙도관에 부착되는 노즐, 및
연속면으로 형성되어 있는 노즐표면에 제2산화제를 제공하는 수단을 포함한다.
본 발명의 다른 일면으로서, 연소를 수행하는 방법은,
중앙도관, 및 상기 중앙도관에 부착되고 상기 중앙도관을 지나 축방향으로 연장하는 표면과 상기 중앙도관으로부터 노즐을 통과하는 주산화제 통행용 하나 이상의 통로를 갖는 노즐을 포함하는 산화제 제공수단을 통해 연소구역 내측으로 주산화제를 제공하는 단계와,
연료를 상기 연소구역 내측으로 제공하여 연소구역 내측의 상기 연료로 주산화제를 연소시키는 단계, 및
연속면으로 형성되어 있는 노즐 표면위로 제2산화제를 제공하고, 자유라디칼을 형성하도록 연료로 제2산화제를 연소시키고, 노즐표면과 자유라디칼 사이에 제2산화제의 경계층을 형성하고, 상기 자유라디칼이 상기 경계층에 의해 노즐표면과 재결합하는 것을 방지하는 것을 단계를 포함한다.
본 발명의 또다른 일면으로서, 버너용 산화제 제공수단은
중앙도관과,
상기 중앙도관에 부착되고, 상기 중앙도관을 지나 축방향으로 연장하는 표면 및 상기 중앙도관으로부터 노즐을 통과하는 주산화제 통행용 하나 이상의 통로를 갖는 노즐과,
불연속면으로 형성되어 있는 노즐표면 위로 제2산화제를 제공하는 수단, 및
상기 중앙도관으로부터 노즐을 통해 불연속 노즐표면으로 반작용 산화제를 제공하는 수단을 포함한다.
본 발명의 또다른 일면으로서, 연소를 수행하는 방법은,
중앙도관과, 상기 중앙도관에 부착되며 상기 중앙도관을 지나 축방향으로 연장하는 표면과 상기 중앙도관으로부터 노즐을 통과하는 주산화제 통행용 하나 이상의 통로를 갖는 노즐을 포함하는 산화제 제공수단을 통해 연소구역 내측으로 주산화제를 제공하는 단계와,
연료를 상기 연구소역 내측으로 제공하여, 자유라디칼을 형성하도록 연소구역 내측의 연료로 주산화제를 연소시키는 단계, 및
불연속면으로 형성되어 있는 노즐표면 위로 제2산화제를 제공하고, 자유라디칼을 형성하도록 연료로 제2산화제를 연소시키고, 노즐표면과 상기 불연속면을 제외한 자유라디칼 사이에 제2산화제의 경계층을 형성하는 단계, 및
상기 중앙도관으로부터 노즐을 통해 불연속 노즐표면으로 반작용 산화제를 제공하고, 상기 경계층에 의해 자유라디칼이 노즐표면과 재결합되는 것을 방지하는 단계를 포함한다.
본 명세서에 사용된 "연속면"이란 용어는 표면상의 한 지점의 기울기가 노즐면을 따라 흐르는 가스의 방향 또는 노즐표면을 따라 흐르는 가스의 반대방향중 어느 방향으로 접근하든지 동일한 노즐표면을 의미한다.
또한, "불연속"이란 용어는 노즐표면상의 한 지점의 기울기가 노즐면을 따라 흐르는 가스의 방향의 방향 또는 노즐표면을 따라 흐르는 가스의 반대방향으로 접근하느냐에 따라 달라지는 노즐표면을 의미한다.
[상세한 설명]
연소반응의 효율은 가연성 혼합물을 형성하기 위한 연료와 산화제간의 혼합정도에 의해 영향을 받는다. 이제까지는 산화제의 완전한 혼합을 향상시키기 위해 와류가 사용되어 왔다. 본 발명은 어떤 순간, 즉 수냉을 피하면서 강산소 산화제를 사용할 때 노즐표면에서 자유라디칼의 재결합을 방지하기 위해서는 버너노즐의 층류가 와류보다 더 양호하다는 사실을 기초로 한다. 노즐위의 흐름이 와류인 경우보다 연료와 산화제 사이의 혼합이 훨씬 덜 완전할지라도, 노즐표면의 어떤 지점에 대한 열 플럭스(heat flux)의 감소로 인해 수냉이 필요없으면서도 노즐의 손상도 없는 연소의 실행을 가능하게 한다.
본 발명은 도면을 참조하여 더 상세히 설명한다.
제1도를 참조하면, 중앙도관(2) 및 상기 중앙도관에 부차되고 상기 중앙도관(2)을 지나 축방향으로 연장하는 노즐(3)을 구비하고 있는 산화제 제공수단(1)이 도시되어 있다. 상기 중앙도관은 강산소 산화제의 공급원과 연통되어 있으며, 작동시 강산소 산화제는 중앙도관(2) 및 노즐(3)을 관통하는 하나 이상의 통로(4)를 통해 주산화제로서 통과되며, 상기 연소구역에서 강산소 산화제는 연료제공수단(11)을 통해 산화제 제공수단의 중심부 주위의 연소구역으로 제공되는 연료와 혼합하여 연소된다. 연료는 메탄, 프로판 또는 천연가스와 같은 어떤 유체연료일 수 있다. 중앙도관과 노즐은 예를들어 인코넬(inconel) 또는 스텐레스 스틸과 같은 어떤 적합한 고온재료로 제조된다. 노즐은 일반적으로 반구형 형상을 가진다.
일반적으로 주산화제와 동일한 조성을 갖는 제2산화제는 노즐(3)의 표면(6) 위를 통과한다. 일반적으로, 제2산화제는 사용된 총 산화제, 즉 주산화제 및 제2산화제의 합의 5 내지 15%를 함유한다. 제1도에 도시한 실시예에서, 제2산화제는 중심도관(2)으로부터 블리이드 라인 또는 통로(7)을 통해, 산화제가 노즐(3) 표면위로 흐르는 지점인 노즐 오목부(8) 내측으로 통과한다. 실제로, 본 발명에서는 어떤 적합한 숫자의 통로(7)가 사용될 수 있다. 노즐(3)표면위로 흐르는 제2산화제는 연소구역(5)과 노즐(3) 사이의 열차단 또는 열장벽으로서의 기능을 한다.
노즐(3) 표면위로 흐르는 제2산화제의 열차단 효과를 위해서는 연소구역내의 자유라디칼과 연소화염이 노즐표면과 접촉하는 것을 방지하도록 상기 제2산화제의 열차단 흐름은 얇은 층형상으로 형성될 것이 요구되나. 자유라디칼은 제2산화제의 연료사이의 경계지역에 있는 화염 정면에서 주로 발생된다. 난류는 노즐로부터 열을 제거할 수 있음에도 불구하고 노즐표면상의 어떤 불연속적인 구역에서 열을 강화시킴으로써 이들 지점에서의 노즐손상을 초래하게 된다.
노즐표면위의 제2산화제 층류식 흐름은 제2산화제가 표면위로 흐르는 전체 표면영역 위의 노즐표면을 연속면으로 형성함으로써 성취된다. 즉, 관련 노즐표면은 각진 부분이나 코너 없이 매끄럽다. 예를들어, 제1도에 도시한 바와같이 표면상의 오복부(8)는 종래와 같이 예리하게 형성하기 보다는 둥글게 되어 있다. 제1도에 도시한 본 발명의 실시예에서, 관련 노즐표면은 오목부(8)의 하류구역 또는 그 오목부에 의해 한정된 구역이다.
노즐표면위의 제2산화제의 흐름은 노즐로부터 열을 빼앗아 제거하는 역할을 한다 또한, 제2산화제 흐름의 층류 성격상 자유라디칼이 노즐 표면과 재결합을 유지할 수 없도록 연소구역내의 열과 노즐사이에 두꺼운 경계층을 설정한다. 층류와 두꺼운 경계층을 냉각하는 상기 두 효과는 수냉할 필요없이 강산소 산화제를 사용한 연소의 수행을 가능하게 한다.
몇몇 상황하에서, 노즐표면의 불연속성이 방지될 수 없게 된다. 그러한 상황이 제2도에 도시되어 있다. 제2도에 도시한 본 발명의 실시예는 제1도에 도시한 것과 상당히 동일하게 작동하며 그 작동상의 공통점은 다시 설명하지 않는다. 제2도의 도면부호들은 공통 소자들에 대해서는 제1도와 동일하다.
제2도에 도시한 실시예에 있어서, 노즐측면은 도면부호 9지점에서 불연속이 되도록 절단되어 있다. 상기 지점에서의 매끄럽지 못한 노즐표면이 상기 지점을 통과하는 제2산화제의 흐름을 방해하여 상기 불연속 지점에서 비층류식 흐름이 되게 하므로 난류가 대략 불연속지점(9)에서 형성된다고 예상할 수 있다. 상기 난류는 노즐표면상의 연소구역으로부터 자유라디칼을 가져오므로 상기 지점에서의 노즐손상과 고온스폿을 유발하는 원인이 된다. 그러한 상황은 도관(2)을 하나 이상의 불연속지점(9)에 연결하는 노즐(3)을 관통하는 하나 이상의 통로(10)를 제공함으로써 그러한 결과를 방지하거나 줄일 수 있다. 노즐표면에 통로(10)를 통해 흐르는 산화제는 상기 불연속 지점에서의 난류에 의한 고온스폿을 상쇄하는 반작용을 하여 상기 지점에 추가의 냉각효과를 제공하며 자유라디칼이 노즐표면과의 재결합 상태를 유지하도록 제2산화제의 경계층과 작동한다. 통로(10)는 연소구역(5) 내부에서의 연소를 위한 연소 산화제로서의 역할을 하도록 통로(10)를 통과하는 반작용 산화제에 대해 노즐표면상의 불연속 지점이 적절히 위치되어 있다면 주산화제 통로가 될 수 있다. 실제적인 사항으로서, 노즐표면상의 모든 불연속지점에 반작용 산화제를 제공하는 것은 불가능할 수 있다. 주산화제와 제2산화제처럼, 반작용 산화제는 강산소 산화제이다.
본 발명에서는 중요한 버너부품을 보호하기 위해 냉각수를 사용할 필요없이 연소를 수행하는 강산소 산화제를 사용할 수 있다. 본 발명에 대해 몇몇 특정실시예를 참조하여 상세히 기술하였지만, 본 기술분야의 숙련자들은 특허청구범위의 정신과 범주내에 있는 본 발명의 다른 실시예가 있을 수 있다고 인정할 것이다.

Claims (5)

  1. 버너용 산화제 제공수단으로서, 중앙도관과, 상기 중앙도관을 지나 축방향으로 연장하는 표면과, 상기 중앙도관으로부터 노즐을 통과하는 주산화제 통행용 하나 이상의 통로를 갖고, 상기 중앙도관에 부착되는 노즐, 및 연속면으로 형성되어 있는 노즐표면에 제공되는 둥근 표면을 갖는 오목부 및 상기 오목부를 중앙도관에 연결하는 통로를 갖춘 제2산화제 제공 수단을 포함하여, 상기 노즐표면 위의 제2산화제의 흐름이 층류를 이루는 것을 특징으로 하는 버너용 산화제 제공수단.
  2. 연소를 수행하는 방법으로서, 중앙도관 및 상기 중앙도관에 부착된 노즐을 포함하는 산화제 제공수단을 통해 연소구역 내측으로 주산화제를 제공하는 단계로서, 상기 노즐이 중앙도관을 지나 축방향으로 연장하는 표면 및 상기 중앙도관으로부터 노즐을 통해 주산화제를 통행시키기 위한 하나 이상의 통로를 가지는, 연소구역 내측으로 산화제를 제공하는 단계와, 연료를 상기 연소구역 내측으로 제공하여 연소구역 내측의 상기 연료로 주산화제를 연소시키는 단계, 및 연속면으로 형성되어 있는 노즐표면 위로 제2산화제를 제공하고, 자유라디칼을 형성하도록 연료로 제2산화제를 연소시키고, 노즐표면과 자유라디칼 사이에 제2산화제의 경계층을 형성하고, 사기 자유라디칼이 상기 경계층에 의해 노즐표면과 재결합하는 것을 방지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 수행방법.
  3. 버너용 산화제 제공수단으로서, 중앙도관과, 상기 중앙도관에 부착되며, 상기 중앙도관을 지나 축방향으로 연장하는 표면 및 상기 중앙도관으로부터 노즐을 통과하는 주산화제 통행용 하나 이상의 통로를 갖는 노즐과, 불연속면으로 형성되어 있는 노즐표면 위로 제2산화제를 제공하는 수단, 및 상기 중앙도관으로부터 노즐을 통해 불연속 노즐표면으로 반작용 산화제를 제공하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 버너용 산화제 제공수단.
  4. 제3항에 있어서, 상기 노즐표면 위로 제2산화제를 제공하는 수단을 노즐표면상의 오목부와 상기 오목부를 중앙도관에 연결하는 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 버너용 산화제 제공수단.
  5. 연소 수행을 하는 방법으로서, 중앙도관 및 상기 중앙도관에 부착되며 상기 중앙도관을 지나 축방향으로 연장하는 표면과 상기 중앙도관으로부터 노즐을 통과하는 주산화제 통행용 하나 이상의 통로를 갖는 노즐을 포함하는 산화제 제공수단을 통해 연소구역 내측으로 산화제를 제공하는 단계와, 연료를 상기 연소구역 내측으로 제공하여 연소구역 내측의 연료로 주산화제를 연소시키는 단계, 및 불연속면으로 형성되어 있는 노즐표면 위로 제2산화제를 제공하고, 자유라디칼을 형성하도록 연료로 제2산화제를 연소시키고, 노즐표면과 상기 불연속면을 제외한 자유라디칼 사이에 제2산화제의 경계층을 형성하는 단계, 및 상기 중앙도관으로부터 노즐을 통해 불연속 노즐표면으로 반작용 산화제를 제공하고, 상기 경계층에 의해 상기 자유라디칼이 노즐표면과 재결합하는 것을 방지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 수행방법.
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