KR100328794B1 - 부분산화방법및다공성팁을갖는버너 - Google Patents

Abstract

부분 산화 방법 및 신규한 버너는 합성가스 및 연료가스, 또는 환원가스의 제조를 위한 자유-유출 부분 산화 가스 발생기로 둘 또는 세가지의 각기 공급스트림을 동시에 인가하는 것을 제공한다. 반응물 공급스트림은 액체 탄화수소질 연료 또는 고체 탄소질 연료의 펌프가능한 슬러리, 및 공기 또는 산소등의 가스를 함유하는 자유-산소를 포함한다. 버너는 중심관 및 하류유출 환상 경로에 의한 다수 공간의 동심 동축관으로 이루어진다. 균일한 조성, 벽면의 두께 및 서로 연결된 여러개의 공극에 의한 공극성의 편평한 환상형 디스크 또는 컵형 다공성 세라믹 또는 다공성 금속 냉각 수단은 버너의 하류 팁에 부착된다. 압력하에 액체 냉각제의 조절된 양은 내부 표면, 다공성 코어 및 증발되는 냉각수단의 다공성 외부 표면을 통해 계속해서 통과된다. 버너의 팁은 이렇게 냉각된다. 버너팁의 응력 균열은 방지되고, 버너의 수명은 연장된다. 더우기, 버너의 표면에 재의 퇴적이 방지된다.

Description

부분 산화 방법 및 다공성 팁을 갖는 버너

본 발명은 가스상 탄화수소, 액체 탄화수소질 연료 또는 액체 운반체중 펌프 가능한 고체 탄소질 연료의 슬러리의 부분 산화에 의해 H2 및 CO, 예를 들면, 합성가스, 연료가스 및 환원가스로 이루어진 가스상 혼합물을 제조하기 위한 개선된 방법 및 버너에 관한 것이다.

환형(環形) 버너는 부분 산화 가스 발생기내로 공급류(feedstream)를 인가하기 위해 사용되어 왔다. 예를 들면, 단일 환상 버너는 미국 특허 제 3,528,930호에 기재되어 있고, 이중 환형 버너는 미국 특허 제 3,758,037호 및 제 3,847,564호에 기재되어 있으며, 삼중 환형 버너는 미국 특허 제 4,443,230호 및 제 4,525,175호에 기재되어 있다. 증산(蒸散) "가스에 의한 열전달의 전도에 의한 버너의 표면을 냉각하는 것은 미국 특허 제 4,775,314호에 기재되어 있다.

버너는 부분 산화 가스 발생기(여기서는 가스 기화기로도 언급한다)내로 여러가지 공급류를 동시에 도입시키기 위해 사용된다. 버너의 외측표면에 접하는 재순환 가스는 약 927℃ 내지 1927℃ (1700°F 내지 3500°F)온도 범위이다. 버너는상기 온도에 견디게 하기 위하여 통상적으로 액체 냉각제가 통과되는 냉각 채널에 의해 냉각된다. 냉각 채널 타입의 하나는 버너의 길이를 따라 그의 외부 직경 주위를 휘감는 코일이 있다. 환형의 냉각실은 버너 정면에서 추가로 냉각을 실시한다. 합성 가스 발생기는 고온으로 부식되는 조건으로 인하여, 버너 팁의 금속에 열응력 균열이 발달한다. 또한, 재(ash)가 버너의 정면에 퇴적한다. 이러한 문제점 들과 그외의 문제점들은 주로 버너의 디자인을 개선시킴으로써 피할 수 있게 된다.

이하, 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

개선된 부분 산화 방법 및 하류 흐름 버너는 합성가스, 연료가스 또는 환원가스의 생성을 위한 자유-흐름 부분 산화 가스 발생기 내로 2 또는 3종류의 분할된 반응물 공급류를 동시에 도입하기 위해 제공되어 있다. 분할된 공급류는 3개의 흐름 버너를 위해서 (1), (2) 및 (3)으로 이루어지고, 또한 두 개의 흐름 버너를 위해서는 (2)와 (3)으로 이루어지는 바, 여기서 (1)은 물(H₂O)과 같은 온도 조절제와 선택적으로 혼합된 자유-산소를 함유하는 가스, 또는 물(H₂O)과 같은 온도 조절제와 선택적으로 혼합된 탄화수소가스 또는 재생 가스 일부로 이루어진 가스상 물질의 흐름, (2)는 온도 조절제와 선택적으로 혼합된 액체 탄화수소질 연료의 흐름, 또는 석탄-물등의 액체상에 펌프 가능한 고체 탄소질 연료의 슬러리 흐름, (3)은 스팀등의 온도를 조절하는 가스와 선택적으로 혼합된 자유-산소를 함유하는 가스의 흐름이다.

본 발명은 특허청구범위 제 1항에 따른 버너를 제공한다.

버너의 실시예는 중앙 도관과, 도관들 사이에서 하향 흐름의 환형 통로를 갖고 있는 여러개의 동심 및 동축 도관, 여기서, 상기 도관들의 환형통로는 그의 상류 선단이 밀폐되어 있고, 그의 하류 선단은 개방되어 있고; 반응물 공급류 또는 액체 냉각제의 통과를 위해 각 도관의 상류 선단에 연결되어 있는 유입수단, 각 통로의 하류 선단을 종결시키기 위한 동심 및 동축 노즐; 상기 버너의 하류 선단에 부착되어 있는, 얇고 평평한 환형 디스크 또는 얇은 벽면을 갖는 컵의 형태를 하고 있는 다공성 세라믹 또는 다공성 금속 냉각 수단; 상기 다공성 냉각수단과 연계되어 있는 액체 냉각제 공급 수단으로 이루어지되 상기 다공성 냉각수단은 균일한 조성과 벽면 두께 그리고 여러개의 기공이 상호 연결된 다공성의 내부 및 외부 표면과 다공성코어를 포함하고 있는 한 조작의 다공성, 단단한 재료로 이루어지고, 이것에 의해 상기 다공성 팁 냉각수단을 통과하는 상기 액체 냉각제의 유량은 제어가 가능하고, 상기 팁 냉각수단은 반응 대역으로 상기 반응물 공급류의 자유 통로를 위한 중앙 홀을 갖고 있으며, 가압 상태에서 상기 액체 냉각제가 상기 다공성 냉각수단의 기공들을 통과하고 증발되는 것에 의해 상기 버너의 팁을 냉각시키도록 되어 있다.

유리-산소를 함유하는 가스와 액체 탄화수소질 연료 또는 고체 탄소질 연료의 수성 슬러리의 분무화 및 친밀한 혼합은 주로 반응대역에서 일어나게 된다. 그러나, 한 실시예에서, 중앙 도관 및/또는 이차 도관의 팁은 외부 도관의 출구 오리피스에서 또는 그 전에 약간의 혼합이 일어날 수 있도록 버너의 정면으로부터 상류쪽로 수축되어 있다. 이 경우에, 온도 조절제와의 혼합물 중에서 연료와 유리-산소함유 가스의 혼합물의 벌크 속도가 버너의 출구를 가로지른 곳에서 높게 유지된다. 상기 버너에 의해서, 연료흐름의 분무 및 혼합을 위해 항상 유리-산소 함유 가스의 고속 흐름이 이용될 수 있다. 유리-산소 함유 가스의 속도는 액체 탄화수소질 연료 또는 고체 탄소질 연료의 슬러리를 분산시키기는데 최적의 값을 유지하거나 최적의 값 근처가 될 수 있다. 더우기, 반응물의 흐름 패턴을 위한 축 대칭이 유지된다. 물의 증기화에 의해서 버너의 정면에서의 재의 퇴적이 방지된다. 버너 팁의 응력 균열이 방지되고, 버너의 수명은 연장된다.

본 발명의 다른 실시예는 다음의 개선된 부분 산화 방법을 제공한다.

액체 운반체중에 펌프가능한 고체 탄소질 연료의 슬러리 또는 온도 조절제와 임의로 혼합되어 있는 액체 탄화수소질 연료 및 온도 조절제와 임의로 혼합되어 있는 유리-산소를 함유하는 가스의 공급류로 이루어진 공급류의 부분 산화에 의해서 H₂, CO, CO₂와 H₂O, N₂, A, CH₄, H₂S 및 COS의 군으로 부터 적어도 하나의 물질로 이루어진 가스 혼합물을 제조하되 상기 부분 산화는 927℃ 내지 1927℃(1700°F 내지 3500°F)의 자진 온도범위 및 약 1 내지 304 바아(1 내지 300기압)의 압력 범위에서 자유-흐름 가스 발생기 자유-흐름 가스 발생기의 반응 대역에서 일어나는 연속 공정에 있어서 그 개선점은 버너의 일차 환형 통로를 통해서 약 260℃(500°F) 전후 범위의 온도와 약 0.3 내지 15 m/s(1 내지 50ft/s) 범위의 속도에서 액체 운반체 중의 고체 탄소질 연료의 슬러리 또는 온도 조절제와 임의로 혼합되어 있는 액체 탄화수소질 연료로 이루어진 일차 반응물 공급류를 통과시키되, 여기서, 상기버너는 버너의 중앙 종축과 동축인 중앙 종축을 가지는 중압 원통형 도관; 상기 중앙 도관의 하류 선단에서 원형 출구 노즐을 갖는 똑바른 원통형 부위로 전재되어 있는 방해 방지 수렴 출구 노즐; 상기 중앙 도관을 밀폐하기 위하여 상기 중앙 도관의 상류 선단에 부착되어 있는 밀폐 수단; 물(H₂O)과 같은 온도 조절제가 혼합되어 있는 유리-산소를 함유하는 가스로 이루어지거나 또는 물(H₂O)과 같은 온도 조절제가 혼합되어 있는 탄화수소질연료 또는 일부 재생 가스로 이루어진 가스상 공급류를 20ft/s 범위의 속도로 도입시키기 위한 중앙 도관의 상류 선단과 연계되어 있는 유입 수단; 상기 중앙 도관의 길이 방향을 따라서 상기 중앙 도관과 동축 및 동심인 이차도관, 상기 이차 도관의 하류 선단에서 원형 출구 오리피스를 갖는 똑바른 원통형 부위로 전재되어 있는 수렴 출구 노즐; 상기 중앙 도관과 상기 이차도관이 방사형으로 공간을 가지게 하고, 이들 사이에서 하류 선단 가까이에 똑바른 환형 통로로 전재되게 되는 일차 환형 통로를 형성하도록 하는 수단; 상기 이차 도관과 상기 일차 환형 통로를 밀폐하기 위해 그들의 상류선단에 부착되어 있되, 상기 중앙 도관이 상기 이차 도관의 밀폐된 상류 선단을 통해서 지나가고, 그들 사이에 가스 기밀 밀봉을 형성하게 되는 밀폐수단과, 일차 반응물 공급류를 도입시키기 위하여 이차 도관의 상류선단과 연계되어 있는 유입수단; 상기 이차 도관의 길이 방향과 동축 및 동심의 외부 도관, 상기 이차 도관 및 외부 도관인 방사형으로 공간을 가지게 하고, 그 사이에 상기 하류 선단을 향하고 있는 수렴 원추대 부위로 전재되어 있는 이차 환형 통로를 형성하게 되는 수단; 상기 이차 환형 통로와 외부도관을 밀폐하기 위해 그들의 상류 선단에 부착되어 있되, 상기 이차 도관이 상기 외부 도관의 밀폐된 상류 선단을 통해서 지나가고, 그들 사이에 가스기밀 밀봉을 형성하게 되는 밀폐 수단; 및 온도 조절제가 혼합되어 있는 유리-산소 함유 가스의 공급류를 상기 이차 환형 통로로 음속에 대해 약 6m/s(20ft/s)의 속도로 도입하기 위한 상기 외부 도관의 상류 선단과 연계되어 있는 유입 수단; 상기 각 입구수단의 외부에 연결된 분할 공급류 도관; 및 상기 공급류 도관을 경유하는 공급류의 유량을 각기 제어하기 위해 상기 각 공급류 도관의 각각에 있는 유량 제어 수단; 및 상기 버너의 하류선단을 가스 발생기의 정상부에 있는 포트를 통해서 아래 방향으로 지나가게 할 때 상기 가스 발생기의 중앙축에다 상기 버너의 중앙 종축을 맞추도록 하기 위하여 상기 외부 도관의 외측 표면에 부착되어 있는 플랜징 수단; 상기 다공성 냉각수단과 연계되어 있는 액체 냉각제 공급 및 제거수단으로 이루어지되, 상기 다공성 냉각 수단은 균일한 조성과 벽면 두께 그리고 여러개의 기공이 상호 연결된 다공성의 내부 및 외부 표면과 다공성 코어를 포함하고 있는 다공성의 단단한 재료로 이루어지고, 이것에 의해 상기 다공성 팁 냉각수단을 통과하는 상기 액체 냉각제의 유량은 제어가 가능하고, 상기 다공성 팁 냉각 수단은 반응 대역으로의 상기 공급류의 자유-흐름을 위한 중앙 홀을 포함하고 있으며; 여기서, 상기 가스 기화기에서의 압력보다 큰, 약 0.07 내지 42바아(1 내지 600psig), 바람직하기로는 약 2.4 내지 14.8바아(20 내지 200psig)의 범위의 압력하에서 상기 액체 냉각제의 적어도 일부는 상기 다공성 냉각수단에 있는 기공을 통해서 지나가고 증발됨으로써 상기 버너의 팁을 냉각시키게 되고; 상기 중앙 도관과 이차 도관의 팁은 외부 도관출구 오리피스로부터 상류로 수축되어 있고, 또 버너의 종축에 대해 수직한 외부 도관의 출구 오리피스와 동일한 평면에서 종결될 수 있으며;

그리고 가스상 코어인 원통형의 슬러리 흐름은 버너의 정면을 통과하고, 온도 조절제와 임의로 혼합된 유리-산소를 함유하는 가스의 빠른 속도흐름에 의해서 충격을 받고, 이 충격은 버너의 팁으로부터의 하류 이전, 하류에서 또는 하류를 일으켜 유리-산소를 함유하는 가스와 슬러리 공급물과의 분무화 및 친밀한 혼합을 제공하는 것으로 이루어진다.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 합성가스, 연료가스 또는 환원가스를 제조하기 위한 비촉매형 부분 산화 방법에 사용하기 위한 신규한 버너에 관한 것이다. 이 버너는 액체 운반체 중에 액체 탄화수소질 연료 또는 펌프가능한 고체 탄소질연료가 포함된 반응물 연료 흐름을 사용한다. 버너에 의해서, 온도 조절제와 혼합되거나 또는 혼합되지 않은 유리-산소를 함유하는 가스의 반응물 공급류가 반응물 연료 흐름과 임의로 온도 조절제와 혼합된다. 분무화 및 혼합은 통상적인 부분산화 가스 발생기의 반응 대역 중의 하류에서 일어난다.

고열 원료 가스 흐름은 약 927℃ 내지 1927℃(1700°F 내지 3500°F)온도 범위와 약 1 내지 304바아(1 내지 300기압), 바람직하기로는 5.1 내지 253바아(5 내지 250 기압), 더욱 바람직하기로는 약 10.1 내지 101바아(10 내지 100기압)의 압력 범위에서 비촉매형, 내화재-라인, 자유-흐름부분산화 가스발생기의 반응대역 중에서 생성되어진다. 대표적인 부분산화가스발생기는 미국특허 제 2,809,104호에 기재되어 있다. 가스발생기로 부터 유출된 원료 가스 흐름은 H₂및 CO로 이루어진다. 또한, 다음 물질 중에서 하나 또는 2개 이상이 존배하게 된다: CO₂, H₂O, N₂, A, CH₄, H₂S 및 COS, 연료 및 공정 조건에 따라, 입자성 탄소-검댕, 플라이애쉬, 또는 슬래그 등의 연행 물질이 원료 가스 흐름과 함께 생성될 수 있다.

버너는 기화기와 수렴 노즐의 축과 동축인 중앙 종축을 가지는 중앙원통형 도관으로 이루어져 있으며, 상기 수렴 노즐은 하류 선단에서 이 보다 작은 직경인 똑바른 원통형 부위로 전재되어 있다. 이 실시예에 따르면 1, 2 또는 3개의 원통형 도관들이 방사형으로 공간을 두고 있으며, 그의 길이 방향을 따라 중앙 도관과 동축이면서 동심을 이룬다. 공급류를 배출하게 되는 가장 바깥쪽의 도관의 하류 선단에 방해 방지 수렴 출구 노즐이 위치하고 있다. 이차 도관의 내부 표면 및 중앙 도관의 내부 및 외부 표면의 수렴 부위는 그들의 하류 선단에 가까이에 있는 똑바른 원통형 부위로 전재되게 된다. 이 실시예에 따르면, 통상적인 분리대가 도관들 사이에 방사형태로 공간을 주고, 첫 번째나 첫 번째와 두 번째, 또는 첫 번째 내지 다섯 번째 중 어느 한쪽의 방해 방지 환형 통로들 사이에 형성하기 위해 사용한다. 예를 들면, 정렬핀, 안정판(fins), 중앙 날개(centering vanes), 스페이서 및 다른 통상적인 수단이 도관이 서로에 대해 대칭적으로 공간을 가질 수 있도록 그리고 공급류의 자유-흐름에 대한 방해를 최소로 하면서 안정한 정렬 상태로 상기 도관들을 유지시키는데 사용된다.

일차 환형 통로의 하류 선단 가까이에는 똑바른 원통형 환형 부위로 전개되는 수렴 원추대 환형 부위가 있다. 이차 및 외부 환형 배출 통로의 하류 선단 가까이에는 수렴 원추대 환형 부위가 있다. 상기 도관과 환형 부위는 기밀 밀봉, 예를 들면 플랜지, 플레이트 또는 나사 캡 등과 같은 통상적인 수단에 의해서 그들의 상류 선단에서 밀폐되어 있다. 세가지 흐름 버너의 바람직한 실시예로서, 플랜지된 유입구는 다음의 공급류를 도입하기 각 도관의 상류 선단과 연계되어 있다.

(1) 중앙 도관 - 물(H₂O)과 같은 온도 조절제와 임의로 혼합되어 있는 유리-산소를 함유하는 가스, 또는 물(H₂O)과 같은 온도 조절제와 임의로 혼합되어 있는 탄화수소가스 또는 재생 가스의 일부로 이루어진 가스상 물질;

(2) 이차도관 - 물(H₂O), 이산화탄소(CO₂) 등의 온도 조절제와 임의로 혼합되어 있는 액체 탄화수소질 연료; 또는 고체 탄소질 연료의 수성 슬러리; 및

(3) 외부도관 - 물(H₂O)과 같은 온도 조절제와 임의로 혼합되어 있는 고속의 유리-산소를 함유하는 가스 흐름.

다른 실시예로서, 2종류 공급류 버너는 상기 중앙 도관을 경유하는 물(H₂O) 또는 질소(N₂)와 같은 온도를 조절하는 가스 흐름과 혼합되거나 혼합되지 않은 유리-산소를 함유하는 가스; 및 스팀 등의 온도 조절제와 임의로 혼합된 액체 탄화수소질 연료 및/또는 외부 환형 통로를 경유하는 고체탄소질 연료의 수성 슬러리로 이루어진다.

하류 선단 가까이에서, 이차 도관 및 외부 환형 통로는 약 15° 내지 60°,특히 20° 내지 40° 범위의 수렴 각도로 중앙 종축을 향해서 수렴되어진다.

제 1도에 나타난 실시예에 대하여, 중앙 도관, 일차 도관 및/또는 외부 도관을 위한 배출 오리피스의 내부 직경은 서로에 대해 점점 커지는 수평선상의 방향에 있다. 중앙, 일차 및 외부 도관을 위한 배출 오리피스는 버너의 팁에서 동일한 수평면 상에 위치하게 되고, 외부 도관을 위한 수평면상의 원형 출구 오리피스로부터 상류쪽으로 수축되어 있다. 여기서, 외부 도관을 위한 수평면상의 원형 출구 오리피스는 버너의 팁(하류 말단)에 있다.

따라서, 중앙 및 일차 도관들의 팁은 외부 도관을 위한 팁에 대해 수직적으로 수축력이 0일 수 있거나 또는 그들은 점차적으로 또는 점차적이지 아닌 상태로 상류로 수축되어 있을 수 있다.

중앙 도관과 일차 도관의 수축에 관한 실시예에서, 외부 도관 출구오리피스 또는 그 바로 전에 위치하는 공간에서 소량의 혼합이 일어날 수 있다. 또한, 고체 탄화수소질 연료의 슬러리와 온도 조절제가 임의로 혼합되어 있는 유리-산소 함유 가스의 혼합물의 고속 벌크 속도가 버너의 출구오리피스를 교차하면서 유기되고 있다.

본 발명 버너의 중앙 도관 및 외부 환형 통로를 경유하는 가스상 흐름(온도 조절제와 혼합되거나 혼합되지 않는)의 속도는 약 6m/s(20 ft/s)내지 음속, 특히 약 46 내지 229m/s(150 내지 750 ft/s)의 범위이다. 일차환형 통로를 경유하는 액체 탄화수소질 연료 및 고체 탄소질 연료의 액체슬러리의 흐름의 속도는 약 0.3 내지 15m/s(1 내지 50 ft/s), 바람직하기로는 약 3 내지 7.6m/s(10 내지 25 ft/s) 범위이다. 각 가스상 흐름의 속도는 적어도 액체슬러리 흐름 속도보다 큰 17m/s(56ft/s)이다.

모든 유리-산소를 함유하는 가스는 실시예에 따라 두 흐름으로 분리할 수 있고, 또는 단일 흐름으로 남게 할 수 있다. 따라서, 유리-산소를 함유하는 가스의 분할된 두 부위는 중앙 도관과 외부 환형 통로를 경유할 수 있다. 또한, 모든 유리-산소를 함유하는 가스는 증앙 도관 또는 외부 환형 통로를 경유할 수 있다. 유리-산소를 함유하는 가스 전체가 중앙 도관 및 외부 환형 통로를 경유하게 되는 실시예에서, 버너를 통과하는 유리-산소를 함유하는 가스의 총 유량은 중앙 도관(약 5 내지 60부피% 특히, 약 10 내지 20부의%), 외부 환형 통로(나머지 부분)로 상기 도관 및 경로로 분할 될 수 있다. 각 도관 또는 통로를 경유하는 유리-산소를 함유하는 가스 양의 선택은 유리-산소를 함유하는 가스의 유출의 100%가 버너를 경유하도록 만들 수 있다.

본 발명의 개선된 버너에 의해서, 버너 팁의 열응력 균열을 피하고 버너의 사용 수명을 연장한다. 물 또는 액체 이산화탄소등의 액체 냉각제의 흐름이 버너의 하류 선단을 냉각하는데 사용된다.

다공성 세라믹 또는 다공성 금속판 또는 컵이 버너 팁의 부근에서 가스 발생기 내의 가열된 불리한 환경으로부터 버너의 하류 선단을 보호 및 냉각하는데 상요된다. 버너는 H₂, CO, CO₂, H₂O, NH₃, HCOOH, H₂S, COS, 입자성 탄소 및 재의 혼합물로 이루어질 수 있는 생성가스의 재순환성 흐름과의 접촉을 견디어내야만 한다. 가스 기화기에서의 온도는 약 927℃ 내지 1927℃(1700°F 내지 3500°F)범위 일 수 있다. 버너 팁의 냉각은 다공성 매체를 경유하는 물 등의 액체 냉각제의 증발에 의해 달성된다. 추가로, 두번째 장점은 다공성 매체의 외부 표면을 물로 급척하여 성취될 수 있다. 이 스팀 흐름은 버너 표면에 퇴적되는 재의 양을 감소시킬 수 있다. 추가로, 약 149℃ 내지 427℃(300°F 내지 800°F), 바람직하기로는 204℃(400°F의 더욱 균일하고, 낮아진 온도가 버너 팁에서 달성될 수 있고, 이렇게 하여 열화를 감소시킬 수 있다.

버너 팁에서 약 149℃ 내지 427℃(300°F 내지 800°F), 특히 약 204℃(400°F)의 온도범위로 다공성 세라믹 또는 다공성 금속판 또는 컵을 유지하기 위하여, 버너 팁의 외부를 둘러싸는 가스 기화기의 온도가 약 1260℃ 내지 1427℃(2300°F 내지 2600°F), 특히 약 1371℃(2500°F) 범위가 되는 동안, 사용된 공정 버너의 크기, 버너 팁의 기하구조, 및 버너팁에 부하된 열에 좌우되는 다공성 표면적의 ㎠당 버너팁에서 분당 1갤론의 액상 물의 양이 다공성 판 또는 컵의 외부 표면으로 부터 증발된다. 예를 들면, 상업적인 규모의 버너를 위해, 다공성 표면의 ㎠ 분당 적어도 0.03d㎥(0.01갤론)의 증발속도는 791,292 kJ/Hr(750,000 BTU/Hr)의 열부하를 조절하게 된다. 그러나, 이 공정의 열적 효능은 통상적인 수냉각 및 외부 열교환에 의해 시스템으로 부터 통상적으로 제거되는 열에 의해 가스 기화기에 진입된 물이 증발되기 때문에 가볍게 개선된다. 더우기, 다공성 매체를 통해서 공정에 들어가는 물은 버너 팁에 슬러리의 혼합 또는 농축에 영향을 주지 못하고, 이로인해 석탄 슬러리-산소 혼합물의 연소의 효능에 영향을 주지 못한다.

버너팁을 보호하는 환형 디스크 또는 컵형 부재(部材)를 제조하기 위한 다공성 세라믹 물질은 친수성이며, 약 0.01 미크론 내지 100 미크론, 특히 0.1 내지 40미크론 범위의 입자크기와 약 46.1 내지 54.8%, 특히 약 48.5 내지 52.3% 범위의 균일한 다공성을 갖는다. 이때, 알파-알루미나가 가장 바람직한 다공성 세라믹이며, 감마 알루미나, 지르코니아, 실리카, 티탄 및 그의 혼합물을 포함하는 다른 다공성 세라믹-유사 물질도 적합하다. 환형 디스크 또는 컵형 부재를 제조하기 위한 다공성금속 물질은 약 46.1 내지 54.8%, 특히 약 48.5 내지 52.3% 범위의 균일한 다공성을 함유하고, 타입 300 시리즈(Type 300 Series)의 다공성 스테인레스강, 인코넬(Inconel), 인콜로이(Incoloy)등의 니켈합금 및 하이네스 168(Haynes 168)유엠씨오 50(UMCO 50) 등이 코발트 합금을 포함한다. 다공성 금속은 약 0.01 내지 100미크론, 특히 약 0.1 내지 40 미크론 범위의 입자크기를 갖는다.

버너의 다공성 판 또는 컵형 부재의 벽면 두께는 약 0.1 내지 3㎝, 특히 약 0.3 내지 1.0 ㎝의 범위이다.

바람직한 실시예에서, 액체 냉각제의 액상 물은 약 16℃ 내지 49℃(60°F 내지 120°F)의 온도범위에서 다공성 세라믹 또는 다공성 금속판 또는 컵의 내부 표면에 진입하고 접촉한다. 대부분의 액체 냉각제는 약 24℃ 내지 57℃(75°F 내지 135°F)의 온도범위에서 액체로 다공성 판 또는 다공성 컵의 내부 표면에 접촉된 후, 버너를 떠난다. 액체 냉각제의 실제 압력차는 약 0.07 내지 42바(1 내지 600psig), 특히 2.4 내지 14.8바(20 내지 200psig)의 압력범위에서 다공성 매체를 통과하고, 다공성 매체를 통해 액체 냉각제의 작은 부분이 이동한다. 다공성 매체를 경유하는 냉각제의 양은 액체 냉각제의 출구라인에 통상적인 압력을 조절하는 밸브의 의해 조절될 수 있다. 다공성 매체를 경유하는 물은 순환하는 물 시스템 및 레벨 조절 물 탱크를 사용하여 측정할 수 있되 여기서, 상기 다공성 매체(제 1도 참조)를 경유하는 것에 의해 시스템을 이탈하는 물로부터 저 레벨에 응답하여 정제수가 자동적으로 첨가되게 된다. 이 방식에서, 적당한 냉각 조절은 작동 모드에 여러가지 변화를 위한 버너팁에 유지될 수 있다.

다공성 세라믹 또는 다공성 금속팁을 냉각하는 수단의 최대 수명을 위해, 여과 및 탈염수 또는 정제 및 증류수가 바람직한 액체 냉각제이다. 다른 실시예에서, 액체 이산화탄소가 액체 냉각제이다. 이 경우, 부가적인 CO는 부분산화 가스발생기에서 생성되게 된다.

버너의 작동시, 흐름 조절수단은 버너중 경로에 대한 공급흐름의 흐름을 시작, 정지 및 조정하기 위하여 사용될 수 있다. 실시예하에서, 버너에 진입하고, 다른 속도로 동시 및 일시에 통과하는 공급흐름은 버너의 하류흐름 팁 바로전, 하류팁에서 또는 하류흐름에서 서로 충돌 및 혼합될 수 있다. 높은 속도로 온도조절제와 선택적으로 혼합된 유리-산소를 함유하는 가스의 가스상 흐름과 같은 다른 반응물 흐름에 의한 액체 매체중 고체 탄소질 연료의 액체 슬러리와 같은 하나의 반응물 흐름의 충돌은 미세한 스프레이내로 부서지는 액체 슬러리를 일으킨다. 다중상의 혼합물은 반응대역에서 생성된다.

유리-산소를 함유하는 가스의 각 흐름을 위한 흐름 속도는 버너의 각 공급라인에 흐름 조절 밸브로 조절된다. 고체 탄소질 연료의 펌프가능한 슬러리를 위한흐름 속도는 버너의 공급라인에 위치한 속도를 조절하는 펌프로 조절될 수 있다.

버너의 턴다운(turnodown) 또는 턴업(turnup)은 원자산소 대 탄소비와 H₂O 대 연료의 중량비가 실질적으로 일정하게 유지되는 동안 각 흐름을 위한 흐름속도를 변화시켜 실행된다. 유리-산소를 함유하는 각 가스흐름을 위한 각 공급라인에 흐름 조절 밸브를 조절함에 의해서 높은 압력차와 높은 속도가 턴업 또는 턴다운 동안에도 항상 유지될 수 있다. 따라서, 제 1도에 나타낸 실시예예서, 가스상 코어와 함께 원통 형상의 슬러리 기류는 버너의 정면에서 배출되며 버너의 팁이 있는 곳 전에, 버너의 팁이 있는 곳에서, 또는 버너의 팁이 있는 곳을 지나서 고속의 유리 산소를 함유하는 가스 기류와 충돌하게 된다. 슬러리 기류의 분무화, 슬러리와 유리 산소를 함유하는 가스와의 초기 혼합이 효율적으로 보장되게 된다.

연소가능한 물질의 연소는 버너를 통과하는 동안 불꽃확산 속도보다 큰 방출속도로 버너 팁의 중앙 및 환형 출구 오리피스에 반응물 공급 흐름을 분출함에 의해서 방지할 수 있다. 불꽃 속도는 혼합물, 온도 및 압력의 조성과 같은 요소의 기능이다. 그들은 통상적인 방법 또는 실험적으로 측정함에 의해 계산될 수 있다.

본 버너 제품은 예를 들면, 미국 특허 제 3,544,291호에 나타난 것처럼 콤펙트, 언팩된 자유-흐름 비촉매형 내화재가 연결된 합성 가스 발생기의 정상 유입 포트를 통해서 하향으로 삽입된다. 버너는 반응 대역으로부터 직접 배출되는 하류 선단과 함께 가스 발생기의 중앙 종축을 따라서 확장되어 있다. 반응물 공급류와 가스 발생기로 도입되는 임의의 온도 조절제의 상대비율은 탄소산화물에 대해 약 98중량% 또는 그 이상까지 연료중 탄소의 실질적인 부분을 전환하기 위해서; 그리고 약 927℃ 내지 1927℃(1700°F 내지 3500°F), 바람직하기로는 1260℃ 내지 1427℃(2300°F 내지2600°F)의 범위에서 자발적 반응대역 온도를 유지하기 위해 주위깊게 조절된다.

반응대역의 체류시간은 약 1 내지 10초, 바람직하기로는 약 2 내기 8초 범위내이다. 가스 발생기에 공급하는 실질적으로 순수한 산소에 의한 가스발생기로 부터 유출된 가스의 조성은 건조 중량을 기준으로 하는 몰%로 H₂O (10 내지 60 몰%), CO(20 내지 60 몰%); CO₂(5 내지 40 몰%), CH₄(0.01 내지 5 몰%); H₂O + COS (0내지 5 몰%); N₂(0 내지 5 몰%), 및 A (0 내지 1.5 몰%) 이다. 가스발생기로의 공기 공급과 관련하여, 발생기 유출 가스의 조성은 건조 중량을 기초로 하는 몰%로 H₂O (2 내지 30 몰%) : CO (5 내지 35 몰%) ; CO₂(5 내지 25 몰%), CH₄(0 내지 2 몰%): H₂S + COS (0 내지 3 몰%), N₂(45 내지 80 몰%); 및 A(0.5 내지 1.5 몰%)이다. 전환되지 않은 입자성 탄소-검댕이, 재, 슬래그 또는 그의 혼합물은 유출된 가스 흐름 중에 포함되어 있다.

약 30 내지 75중량%, 바람직하기로는 50내지 70중량%의 범위로 건조 고체 함량을 갖는 고체 탄소질 연로의 펌프가능한 슬러리가 일차 환형배출 통로의 유립 통로를 경유할 수 있다. 슬러리의 유입구 온도는 약 260℃(500°F) 전후이지만, 그러나 약 1 내지 304바아(1 내지 30기압), 바람직하기로는 약 5.1 내지 101바아(5 내지 250기압), 더욱 바람직하기로는 약 20.2내지 101바아(20 내지 100기압)로 주어진 유입구 압력에서 고체 탄소질 연료를 위한 운반체의 증발온도 이하가 바람직하다.

여기에 기재한 적합한 고체 탄소질 공급원료로 사용된 고체 탄소질 연료는 석탄, 석탄에서 추출한 코우크스, 석탄에서 추출한 차르, 석탄액화 잔류물, 석유 코우크스, 입자성 탄소검댕이 및 함유혈암(含油頁岩), 타르모래 및 핏치로부터 유도된 고체물 등으로 이루어진 군으로 부터의 여러가지 물질 및 그의 혼합물을 포함하게 된다. 석탄의 모든 타입은 무연탄, 역청탄, 아역청탄 및 갈탄을 포함하여 사용될 수 있다. 입자성 탄소 검댕이는 주로 부분산화 공정의 부산물로 얻어지거나 또는 화석연료를 연소하여 얻어질 수 있다. 또한, 고체 탄소질 연료는 찌꺼기의한정 부분, 탈수된 오수(汚水) 및 아스팔트, 고무 및 자동차 고무 타이어를 포함하는 고무-유사 물질과 같은 반(semi)-고체 유기 물질을 포함한다.

고체 탄소질 연료는 물질의 100%가 ASTM E 11-70 지정 표준체 1.40㎜(별칭번호 14)의 체를 통과하는 입자크기로 분쇄하는 것이 바람직하다. 더우기, 한 실시예에서 적어도 80%가 ASTM E 11-70 지정 표준체 425 ㎜(별칭 번호 40)의 체를 통과한다. 고체 탄화질 연료 입자의 수분 함량은 약 0 내지 40 중량%, 특히 2 내지 20 중량%범위이다.

여기에 기재된 고체 탄소질 연료의 펌프가능한 슬러리를 생산하기 위해 현탁하는 매체로 사용된 액체 운반체는 물, 액체 탄화수소물질 및 그들의 혼합물로 이루어진 여러가지 물질을 포함하게 된다. 그러나, 물은 고체탄소질 연료의 입자를위한 운반체로 바람직하다. 한 실시예에서, 액체 운반체는 액체 이산화탄소이다.

이 경우에, 액체 슬러리는 고체 탄소질 연료 40 내지 70 중량%와 그 잔여분이 액체 이산화탄소(CO₂)로 이루어진다. 이산화탄소(CO₂)-고체연료 슬러리는 압력하에서 약 -55℃ 내지 38℃(-67°F 내지 100°F) 범위온도에서 버너로 인가될 수 있다.

여기에 사용된 유리-산소를 함유하는 가스는 공기, 21몰%의 산소보다 많은 산소가 농축된 공기 그리고 산소 95몰% 보다 많은 실질적으로 순수한 산소(나머지는 N₂및 희귀 가스임) 이다.

연료 흐름과 동시에 유리-산소를 함유하는 가스의 흐름은 산소-농축된 공기를 위해 약 816℃(1500°F) 전후, 및 약 149℃(300°F) 전후의 온도범위와 공기를 위해 약 260℃ 내지 816℃ (500°F 내지 1500°F) 온도범위에서 가스 발생기의 반응대역에 공급된다. 부분산화 반응대역에서 압력은 약 1 내지 304바아(1 내지 300기압), 바람직하기로는 5.1 내지 253바아(20 내지 100기압), 더욱 바람직하기로는 20.2 내지 101바아(20 내지 100기압)의 범위이다. 고체 탄소질 연료에서 탄소의 원자수당 고체 탄소질 연료중 유기적으로 결합된 산소의 원자수를 더한 유리-산소의 원자수(O/C 원자 비율)는 약 0.5 내지 1.95의 범위 일 수 있다.

여기에 사용된 온도 조절제는 물, 스팀, 이산화탄소(CO₂), 질소(N₂) 및 생성가스 흐름의 냉각된 재순환 부분을 포함한다. 온도 조절제는 연료흐름 및/또는 산화 흐름과 혼합될 수 있다. 그러나, 생성가스 스팀의 냉각된 재순환 부분이 사용된다면, 산화 흐름과 혼합될 수 없다.

여기에 사용된 탄화수소 가스는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 및 천연가스를 포함할 수 있다.

한 실시예에서, 공급류는 액체 탄화수소질 물질 및 고체 탄소질 연료의 슬러리로 이루어지고, 액체중에서 물(H₂O)은 예를 들면 에멀젼으로 액체탄화수소질 운반체와 혼합될 수 있다. 존재하는 물(H₂O)의 총량의 약 0 내지 25중량%인 물(H₂O)의 부분은 유리-산소를 함유하는 가스와 혼합된 스팀으로 인가될 수 있다. 물(H₂O)/연료의 중량비는 약 0 내지 5, 바람직하기로는 0.1 내지 3의 범위일 수 있다.

여기에 사용된 액체 탄화수소질 연료는 여러가지 물질, 특히 액화 석유가스, 석유 증류물 및 잔류물, 가솔린, 나프타, 케로신, 원유, 아스팔트, 가스 오일, 잔류 오일, 타르샌드오일 및 셰일오일, 석탄유도된 오일, 방향족탄화수소(벤젠, 톨루엔, 크실렌 분류물등), 석탄 타르, 유동체-촉매-크랙킹 처리로 부터의 순환 가스오일, 코우크스 가스오일의 푸르프랄 추출물, 메탄올, 에탄올 및 다른 알콜 및 옥소 또는 옥실합성으로 부터의 부산물 산소를 함유하는 액체 탄화수소, 및 그의 혼합물을 포함하게 된다.

이하, 본 발명을 도면에 의해 설명하면 다음과 같다.

본 발명을 상세하게 나타내는 첨부하는 도면에 의거하여 본 발명을 더욱 완전히 이해할 수 있을 것이다. 비록 도면은 본 발명의 실시예를 예시하기 위한 것이지만, 여기에 기재한 특정한 장치나 재료에 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다.

도 1에 의하면, 바람직한 3종류 흐름 버너 장치를 기술하고 있다. 여기서, 이 실시예는 제 1도의 실시예 A라고 칭하기로 한다. 3종류 흐름 버너는 3종류의 별도 공급류들을 동시에 조절하게 된다. 버너(1)는 자유-흐름부분 산화 합성 가스 발생기(도면에 도시하지 않음)의 정상부에 있는 포트를 통해서 아랫방향으로 지나가게 되는 하류 선단이 설치되어 있다. 버너(1)의 중앙 종축은 마운팅 플랜지(3)에 의해서 합성 가스 발생기의 중앙축과 일직선으로 만나게 하는 것이 바람직하다. 버너(1)는 각각 중앙, 이차 및 외부 동심 원통형 도관(8, 9, 10)으로 이루어져 있다. 버너(1)의 하류선단에는 다공성 금속제 동축 수냉 팁 컵(12)이 자리잡고 있다. 버너(1)의 하류 부위는 외부 냉각 코일(13)이 감싸고 있다. 버너(1)에 대한 공급류를 위한 플랜지 유입관(20 ∼ 22)이 중앙 도관(8) 및 동심, 중공, 원통형 도관(9, 10)에 각각 연결되어 있다.

상기 버너는 공급류의 자유 흐름을 위해서 2개의 방해 방지 환형 통로를 가지고 있다. 상기 환형 통로는 상기 3개의 통로와 방사형태로 공간을 두고 형성되어 있다. 그러므로 제 1환형 통로(25)는 중앙 도관(8)의 외측면 직경과 이차 도관(9)의 내측면 직경 사이에 위치하게 된다. 중앙 도관과 이차 도관 사이의 방사형의 공간에는 월 스페이서(wall spacers)(26)가 설치되어 있다. 외부 환형 통로(27)는 이차 도관(9)의 외측면 직경과 외부 도관(10)의 내측면 직경 사이에 위치하게 된다. 월 스페이서(28)가 이차 도관과 외부 도관과의 사이에 방사형의 공간을 유지시키고 있다.

각 도관의 상류 선단과 환형 통로는 밀폐되어 있다. 덮개판(35 ∼ 37)이 중앙 도관(8), 환형 통로(25) 및 외부 환형 통로(27)의 상류 선단을 각각 밀봉하고 있다. 덮개판을 각 도관의 상류에 고정시키는데 통상적인 방식, 예를 들면, 이음, 용접, 나사 등을 사용할 수 있다. 누설 방지 밀봉을 위해 카스킷을 사용할 수 있다.

버너의 하류 선단은 중앙 도관(8)의 외측면 직경과 이차 도관(9)의 내측면 직경이 예를 들어, 30 ∼ 50% 정도 점차적으로 작아지고, 각각 수직원통형 부위(40, 41)로 전개되어 있다. 수직 원통형 부위(40, 41)들 사이에 수직 환형 통로(42)가 위치하게 된다. 이차 도관(9)의 팁(44)과 중앙 도관(8)의 팁(43)은 도면에 나타낸 바와 같이, 산개(散開)하는 원추대 영역(47)을 제공하도록 버너의 정면으로부터 상류쪽으로 점차적으로 좁아져 있다. 또한, 팁(43, 44)은 상기 버너의 하류 표면에서 버너의 중앙 종축에 수직한 수평면 상에서 동일하게 끝나게 되어 있다. 바람직하기로는 냉각실(12)의 맨 앞 부위는 버너의 정면(46)에서 동일한 수직 평면상에서 끝나게 되어 있다.

버너(1)의 하류에 가깝게 위치하고 있는 부호 31의 지점에서, 외부도관(10)은 2개의 분지 벽면(50, 51)으로 분리되어 있다. 분지 벽면(50)은 원추대 형태이고, 버너의 하류 정면을 향해서 모아지고 있다. 분지 벽면(50)의 내부 표면은 격리 수단(28)에 의해서 이차 도관(9)의 하류 수렴 부위(52)의 외부 표면과 떨어져 있으므로 외부 환형 통로(27)의 하류 배출 부위(53)를 형성하게 된다. 다공성 팁(12)은 용접, 납땜, 볼트 체결, 시멘트 접합 또는 기타 적당한 수단에 의해서 버너(1)의 팁에 접합되어 중공형 기밀 환형 액체 냉각실(54)를 형성하게 된다. 다공성 금속컵(12)의 측벽면의 상부 선단, 예를 들어 부호 55 지점은 외부 도관(10)의 분지 벽면(51)의 선단에 주변을 둘러싸도록 용접되거나 접합되어진다. 접합부(55)는 액체 냉각제 파이프(70, 71) 근방에서 냉각되어지고 보호되고 있다. 다공성 컵(12)의 안쪽 하부 표면(59)은 부호 56의 지점에서 분지 벽면(50)의 선단에 주변을 둘러싸도록 용접되어 있거나 홀(57) 둘레가 밀봉되어 있다.

제 1도의 실시예 B(도면에 도시하지 않음)는 버너 정면에서의 고열의 소용돌이 가스로부터 상기 접합부(56)를 보호하기 위해서 상기 접합부(56)가 버너 정면(46)에서 상류 쪽으로 올라가 있는 것을 제외하고는 실질적으로 실시예 A와 동일하다. 이 경우에, 팁 컵(12)의 다공성 금속 바닥면은 중앙 홀(57) 부위에서 방향이 가파르게 바뀌게 되고, 부호 58 지점에 위치하게 되는 원주형의 접합부 쪽으로 위로 향하게 된다. 이에 따라 짧은 원추대 형태의 다공성 립 부분이 형성되며, 이 부분은 버너의 정면에 있는 중앙 홀(57)의 직경의 약 1/4 ∼ 1/2에 해당하는 높이를 가지게 된다. 부호 58로 나타낸 위치에서, 다공성 금속 립 부분의 상류 말단은 원추대 형태의 분지 벽면(50)의 하류 말단과 원주적으로 용접되어 기밀성의 밀봉을 제공하게 된다. 다공성 컵(12)의 바닥에서의 동축의 홀(57)의 직경은 버너에서의 모든 공급류 통과물로부터 모든 공급류의 자연 배출이 가능하게 되어 있다.

버너(1)의 상류 선단에서 플랜지 유입관(20 ∼ 22)에 연결되어 있는 따로 분리되어 있는 공급라인을 통해서 공급류들이 버너로 도입되어진다. 따라서, 임의로 물(H₂O)과 같은 온도 조절제가 혼합되어 있는 유리-산소 함유 가스 또는 임의로물(H₂O)과 같은 온도 조절제가 혼합되어 있는 탄화수소가스나 환류 생성 가스 일부로 이루어진 가스상 재료가 라인(60), 흐름 제어 밸브(61), 라인(62) 및 유입관(20)을 통과하게 된다. 펌프가능한 고체탄소질 연료의 수성 슬러리, 예를 들면, 석탄-물 슬러리가 라인(63) 흐름제어 수단(64), 라인(65) 및 유입관(21)을 통과하게 된다. 임의로 온도 조절제와 혼합되어 있는 유리- 산소 함유 가스의 별도 흐름이 라인(66), 흐름제어 밸브(67), 라인(68) 및 유입관(22)을 통과하게 된다.

액체 냉각제, 예를 들면 물이 라인(70)을 경유해서 환형의 액체 냉각실(54)로 공급된다. 액체 냉각제는 일정 압력하에서 냉각실(54)을 통해서 흘러 액체 냉각제의 일부가 팁 컵(12)의 다공성 바닥벽면과 측벽면을 통해서 흘러나가게 된다. 컵(12)의 벽면을 경유하는 물과 컵(12)의 외부 표면위를 경유하는 물은 컵(12)으로부터의 열을 흡수하여 스팀으로 전환됨으로써 버너의 팀을 냉각시키게 된다. 냉각제가 냉각실(54)의 안과 바깥을 지나감으로써 전도에 의해 열을 추가로 회수하게 된다. 냉각제는 라인(71)을 통해서 냉각실(54)을 떠나게 되며, 버너의 외부 직경을 감싸고 있는 코일(13)을 지나가게 된다. 다른 실시예에 의하면, 액체 냉각제는 라인(70, 71) 모두를 통해서 냉각실(54)로 들어오게 된다.

실시예 C(도면에 도시하지 않음)는 팁 컵(12)을 평편한 다공성 세라믹 또는 다공성 금속 환형 디스크로 대체하는 것 이외에는 도 1의 실시예 A 또는 B와 실질적으로 동일하다. 이 경우에, 분지 벽면(51)은 버너의 말단까지 내려오게 되며, 거기에서 용접되거나 다른 한편으로는 볼트에 의해서 가스킷과 함께 거기에 부착될수 있다. 이에 따라 편평한 다공성 세라믹 디스크에 대해 기밀성의 밀봉이 이루어지게 된다. 상기 분지 벽면(50)의 선단은 편평한 다공성 디스크에 이와 유사하게 부착시킬 수 있다. 분지 벽면(50)의 선단은 중앙 홀(57)의 표면 정상부 및/또는 안쪽 가장자리에 용접시키거나 다공성 금속 팁 냉각 부재의 부호 58 지점에서의 상향 확장부의 선단에 용접시킬 수 있다.

여기서는 도시하지 않았지만, 도 1의 실시예 D로 언급하게 되는 또다른 실시예에 의하면, 버너는 단지 2개의 공급류로만 도입되게 하는 것이다. 예를 들어, 이차 도관(9), 수렴 부위(52) 및 유입관(21)이 도 1에 나타낸 버너에서 제외시키는 것이다. 예를 들어, 스팀과 같은 온도 조절제가 혼합되어 있는 유리-산소를 함유하는 가스의 흐름이 유입 노즐(20) 또는 유입노즐(22)을 통과하게 된다. 필요에 따라서, 온도 조절제, 예를 들면 스팀이 혼합되어 있는 액체 연료 흐름, 예를 들면 액체 탄화수소질 연료 또는 고체탄소질 연료의 액체 슬러리가 나머기 자유 통로를 통과하게 된다.

본 명세서에서 언급한 본 발명의 개조 및 변형은 본 발명의 정신과 범위를 벗어남이 없이 만들 수 있으며, 이에 따라 이러한 한정은 첨부하는 청구범위에 기재한 것과 같은 발명을 이용한 것임이 당연하다.

제 1도는 버너의 하류 선단에 부착되어 있는 다공성 금속제 컵-형 캡을 나타내는 3종류 흐름 버너의 바람직한 실시예의 상류 및 하류 선단의 종단면도이다.

1 --- 버너 3 --- 마운팅 플랜지

8 --- 중앙 도관 9 --- 이차 도관

10 --- 외부 도관

12 --- 다공성 금속제 동축 수냉 팁 컵(냉각실, 다공성 팁)

13 --- 외부 냉각 코일 20, 21, 22 --- 플랜지 유입관

25 --- 제 1환형 통로

26, 28 --- 월 스페이서(격리 수단)

27 --- 외부 환형 통로 35, 36, 37 --- 덮개판

40, 41 --- 수직 원통형 부위 42 --- 수직 환형 통로

43, 44 --- 팁 46 --- 표면

47 --- 원추대 영역

50, 51 --- 분지 벽면, 원추대 형상의 벽면

52 --- 하류 수렴 부위 53 --- 하류 배출 부위

54 --- 중공형 기밀 환형 액체 냉각실

55 --- 접합부 57 ---- 홀

59 --- 안쪽 하부 표면

60, 62, 63, 65, 66, 68, 70 --- 라인

61, 67 --- 흐름 제어 밸브 64 --- 흐름 제어 수단

Claims (12)

1. 중앙 도관과 도관들 사이에 하향하는 흐름의 환형 통로를 갖고 있는 여러개의 동심 및 동축 도관, 여기서, 상기 도관들과 환형 통로는 그의 상류 선단이 밀폐되어 있고, 그의 하류 선단은 개방되어 있고;

   반응물 공급류 또는 액체 냉각제의 통과를 위해 각 도관의 상류 선단에 연결되어 있는 유입수단;

   각 통로의 하류 선단을 종결시키기 위한 동심 및 동축 노즐로 이루어진 액체 운반체 중에 액체 탄화수소질 연료 또는 펌프가능한 고체 탄소질연료의 슬러리가 포함되어 있는 반응물 연료 흐름을 부분 산화 하기 위한 버너에 있어서,

   상기 버너의 하류 선단에 부착되어 있는 다공성 세라믹 또는 다공성 금속 냉각수단;

   상기 다공성 냉각수단과 연계되어 있는 유체 상태로 액체 냉각제를 공급 및 제거하기 위한 수단으로 이루어지되

   상기 다공성 냉각수단은 균일한 조성과 벽면 두께 그리고 여러개의 기공이 상호 연결된 다공성의 내부 및 외부 표면과 다공성 코어를 포함하고 있는 다공성의 재료로 이루어지고,

   이것에 의해 상기 다공성 팁 냉각수단을 통과하는 상기 액체 냉각제의 유량은 제어가 가능하고, 상기 팁 냉각수단은 반응 대역으로 상기 반응물 공급류의 자유 통로를 위한 중앙 홀을 갖고 있으며,

   가압 상태에서 상기 액체 냉각제의 적어도 일부가 상기 다공성 냉각수단의 다공성 내부 표면, 다공성 코어 및 다공성 외부 표면을 통해 연속적으로 통과하여 증발되는 것에 의해 상기 버너의 팁을 냉각시키도록 하는 것을 특징으로하는 버너.
2. 제 1항에 있어서, 상기 다공성 냉각 수단은 컵 형태 또는 평편한환형디스크와 같은 형태인 것을 특징으로 하는 버너.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 다공성 냉각수단은 알파 알루미나 감마 알루미나, 지르콘니아, 실리카, 티탄 및 그의 혼합물로 이루어진 군으로 부터 선택한 다공성 세라믹 물질로 만들어진 것을 특징으로 하는 버너.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 다공성 냉각 수단은 다공성 스테인레스강, 인코넬 및 인콜로이와 같은 니켈합금, 및 하이네스 168 및 유엠씨오 50과 같은 코발트 합금으로 이루어진 군으로부터 선택한 다공성 금속으로부터 만들어지는 것을 특징으로 하는 버너.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 다공성 냉각수단은 46.1 내지 54.8% 범위의 균일한 다공성과 0.1 내지 3㎝의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 버너.
6. 제 1항에 있어서, 다공성 매체를 통해서 액체 냉각제를 이동시키기 위하여0.07 내지 42바아(1 내지 600psig) 범위의 강제적인 압력차에서 상기 냉각제를 공급하기 위한 수단이 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 버너.
7. 버너의 중앙 종축과 동축인 중앙 종축을 가지는 중앙 원통형 도관;

   상기 중앙 도관의 하류 선단에서 원형 출구 노즐을 갖는 똑바른 원통형 부위로 전재되어 있는 방해 방지 수렴 출구 노즐;

   상기 중앙 도관을 밀폐하기 위하여 상기 중앙 도관의 상류 선단에 부착되어 있는 밀폐 수단;

   물(H₂O)과 같은 온도 조절제가 혼합되어 있는 유리-산소를 함유하는 가스로 이루어지거나 또는 물(H₂O)과 같은 온도 조절제가 혼합되어 있는 탄화수소질 연료 또는 일부 재생 가스로 이루어진 가스 공급류를 도입시키기 위한 중앙 도관의 상류 선단과 연계되어 있는 유입 수단;

   상기 중앙 도관의 길이 방향을 따라서 상기 중앙 도관과 동축 및 동심인 이차도관, 상기 이차 도관의 하류 선단에서 원형 출구 오리피스를 갖는 똑바른 원통형 부위로 전재되어 있는 수렴 출구 노즐;

   상기 중앙 도관과 상기 이차도관이 방사형으로 공간을 가지게 하고, 이들 사이에서 하류 선단 가까이에 똑바른 환형 통로로 전재되게 되는 일차환형 통로를 형성하도록 하는 수단;

   상기 이차 도관과 상기 일차 환형 통로를 밀폐하기 위해 그들의 상류선단에부착되어 있되, 상기 중앙 도관이 상기 이차 도관의 밀폐된 상류 선단을 통해서 지나가고, 그들 사이에 가스 기밀 밀봉을 형성하게 되는 밀폐수단과, 온도 조절제가 혼합되어 있는 액체 탄화수소질 연료 또는 펌프가능한 고체 탄소질연료의 슬러리로 이루어진 공급류를 도입시키기 위해 상기 이차도관의 상류선단과 연계되어 있는 유입수단;

   상기 이차 도관의 길이 방향과 동축 및 동심의 외부 도관, 상기 이차 도관 및 외부 도관이 방사형으로 공간을 가지게 하고, 그 사이에 상기 하류선단을 향하고 있는 수렴 원추대 부위로 전재되어 있는 이차 환형 통로를 형성하게 되는 수단;

   상기 이차 환형 도관과 외부 도관을 밀폐하기 위해 그들의 상류 선단에 부착되어 있되, 상기 이차 도관이 상기 외부 도관의 밀폐된 상류 선단을 통해서 지나가고, 그들 사이에 가스 기밀 밀봉을 형성하게 되는 밀폐 수단: 및

   온도 조절제가 혼합되어 있는 유리-산소 함유 가스를 상기 이차 환형 통로로 도입하기 위한 상기 외부 도관의 상류 선단과 연계되어 있는 유입수단;

   상기 각 입구수단의 외부에 연결된 분할 공급류 도관; 및

   상기 공급류 도관을 통해 통과하는 공급류의 유량을 각기 제어하기 위해 상기 각 공급류 도관의 각각에 있는 유량 제어 수단; 및

   상기 버너의 하류 선단을 가스 발생기의 정상부에 있는 포트를 통해서 아래 방향으로 지나가게 할 때 상기 가스 발생기의 중앙축에다 상기 버너의 중앙 종축을 맞추도록 하기 위하여 상기 외부 도관의 외측 표면에 부착되어 있는 플랜징 수단;

   상기 버너의 팁에 부착되어 있고, 공동의 환형 액체 냉각실을 형성하게 되는다공성 세라믹 또는 다공성 금속제 냉각수단으로 이루어지되

   상기 중앙 도관 및 이차 도관의 팁은 외부 도관 출구 오리피스로부터 상류로 들어와 있거나, 또는 버너의 종축에 수직한 외부 도관 출구 오리피스와 동일한 평면상에서 종결되어지고,

   여기서, 원통 형상의 슬러리 기류는 가스상의 코어와 함께 상기 버너의 정면 부위를 통과하게 되고, 온도 조절제가 임의로 배합되어 있는 고속의 유리 산소를 함유하는 가스 기류와 충돌을 하게 되는 바, 이러한 충돌은 버너의 팁이 있는 곳 바로 전, 버너의 팁이 있는 곳, 또는 버너의 팁이 있는 곳을 지나서 일어나게 되어 상기 슬러리 공급물과 유리 산소를 함유하는 가스와의 분무 및 초기 혼합을 제공하게 되는 것으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자유-흐름 부분 산화 가스 발생기의 반응대역으로 하향하는 유리-산소를 함유하는 가스의 흐름과 펌프가능한 연료 흐름을 동시에 도입시키기 위한 버너.
8. 제 7항에 있어서, 상기 다공성 냉각수단은 다공성 금속제이며, 상기 공급류의 분출을 허용하기 위해 바닥에 동축 중앙홀을 갖는 컵 형태이고;

   상기 외부도관의 벽면은 버너의 하류 선단에 있는 수직한 분지 벽면과 수렴 분지 벽면으로 전재되어 있고; 및

   상기 다공성 컵형의 냉각 수단은 상기 외부도관의 상기 수직한 분지 벽면의 하류 선단에다 상기 다공성 팁-컵의 수직한 벽면의 상류 선단을 용접하는 것에 의해 상기 버너의 팁에 부착하고, 상기 외부 도관의 상기 수렴분지 벽면의 하류 선단에 중앙홀을 감싸는 다공성 팁 컵의 바닥의 상향 확장 부위의 정상부를 용접하는 것에 의해사 상기 버너의 팁에 부착하는 것에 의해 액체 냉각제를 위한 다공성 환형 냉각실을 버너의 팁에 제공하는 것을 특징으로 하는 버너.
9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서, 상기 중앙 및 이차 도관의 팁은 상기 외부 도관 출구 오리피스로부터 상류쪽으로 점차적으로 수축되어 있는 것에 의해 버너의 하류 팁 전에 분기된 원추대 분출 대역을 제공하는 것을 특징으로 하는 버너.
10. 제 8항에 있어서, 상기 다공성 환형 냉각실의 상부 선단으로 상기 액체 냉각제를 도입하기 위한 유입관; 상기 다공성 환형 냉각실로부터 상기 액체 냉각제를 제거하기 위한 유출관, 및 상기 버너의 하류 선단을 감싸고, 상기 액체 냉각제 제거관에 연결되어 있는 냉각코일이 설치된 것을 특징으로 하는 버너.
11. 버너의 중앙 종축과 동축인 중앙 종축을 가지는 중앙 원통형 도관:

    상기 중앙 도관의 하류 선단에서 원형 출구 노즐을 갖는 똑바른 원통형 부위로 전재되어 있는 방해 방지 수렴 출구 노즐;

    상기 중앙 도관을 밀폐하기 위하여 상기 중앙 도관의 상류 선단에 부착되어 있는 밀폐 수단;

    온도 조절 가스가 혼합되어 있는 유리-산소를 함유하는 가스로 이루어진 반응물 공급류(1), 또는 온도 조절제가 혼합되어 있는 액체 탄화수소질 연료 또는 고체 탄소질 연료의 수성 슬러리로 이루어진 반응물 공급류(2)를 도입시키기 위한 중앙 도관의 상류 선단과 연계되어 있는 일차 유입수단;

    상기 중앙 도관의 길이 방향을 따라서 상기 중앙 도관과 동축 및 동심이고, 수렴 출구 노즐이 하류 전단에 원주대 부위로 전재되어 있는 외부 도관;

    상기 중앙 도관과 외부 도관을 방사 형태로 공간을 두게 하여 그 사이에 제 1환형 통로를 형성하게 하기 위한 수단;

    상기 외부 도관을 밀폐하기 위하여 상기 외부 도관과 제 1환형 도관의 상류 선단에 부착되어 있되 상기 중앙 도관이 상기 외부 도관의 상류 밀폐 선단을 통해서 지나가고 그곳에 가스 기밀 밀봉을 형성하게 되는 밀폐수단;

    상기 일차 유입 수단을 통해서 도입시키지 않았던 일부 공급류(1) 또는 (2)를 도입시키기 위하여 상기 외부 도관의 상류 말단에 연계되어 있는 제 2유입 수단;

    상기 공급류 도관을 경유하는 공급류의 유량을 각각 별개로 조절하기 위하여 상기 공급류 각각의 흐름 제어 수단이 상기 유입 수단 외부에 각각 연결되어 있는 분할 공급류 도관; 및

    상기 버너의 하류 선단을 가스 발생기의 정상부에 있는 포트를 통해서 아래 방향으로 지나가게 할 때 상기 가스 발생기의 중앙축에다 상기 버너의 중앙 종축을 맞추도록 하기 위한 상기 외부 도관의 외측 표면에 부착되이 있는 플랜징 수단;

    상기 일부 액체 냉각제의 유량을 조절하게 되고, 중공형 환형 액체 냉각실을 형성하게 되는 다공성 세라믹 또는 다공성 금속 냉각 수단으로 이루어지되

    여기서, 상기 중앙 도관의 팁은 상기 외부 도관 출구 오리피스로부터 상류쪽으로 들어가 있거나 상기 버너의 종축에 수직하게 되어 있는 상기 외부 도관 출구 오리피스와 동일한 평면상에서 종결되어지고, 반응물 공급류는 버너의 팁이 있는 곳 이전에, 팁이 있는 곳 또는 버너의 팁이 있는 곳을 지나서 서로 충돌하여 분무화되고 잘 혼합된 연료를 제공하는 것으로 이루어진 자유-흐름 부분 산화 가스 발생기의 반응 대역으로 하향하는 유리-산소를 함유하는 가스의 흐름과 펌프가능한 연료 흐름을 동시에 도입하기 위한 버너.
12. 제 11항에 있어서, 상기 다공성 냉각수단은 컵 형태이고, 상기 다공성 냉각수단은 상기 버너의 팁에 부착되어 상기 액체 냉각제를 위한 기밀 환형실을 제공하는 것을 특징으로 하는 버너.