KR100408209B1 - 연료스트림및산화제스트림을분리주입하는연소방법및장치 - Google Patents

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레꾸르 패트릭
우가랭 라오엥
트시아바 레미
더비 베르나르
리오 로렝
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레르 리뀌드, 소시에떼 아노님 아 디렉또와르 에 꽁세예 드 쉬르베양스 뿌르 레뛰드 에 렉스쁠로아따시옹 데 프로세데 죠르쥬 끌로드
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Abstract

본 발명은 불꽃 길이 및 모양조절이 개선된 버너 조립체에 관한 것으로서, 예시적인 양태에서는 하나 이상의 유체 연료 유입구 및 하나 이상의 유체 산화제 유입구, 상기 연료 유입구로부터 다수개의 연료 배출구로 유체 연료를 수송하는 수단, 상기 산화제 유입구로부터 하나 이상의 산화제 배출구로 유체 산화제를 수송하는 수단을 포함하고, 상기 유체 연료는 연소 챔버내로 주입되는 연료 스트림중에 연료 배출구로 나가는 유체 연료이고, 상기 유체 산화제는 연소 챔버내로 주입되는 산화제 스트림중에 연료 배출구로 나가는 유체 산화제이고, 상기 연료 및 산화제 배출구는 물리적으로 분리되어 있으며, 기하학적으로 배열되어 안정하고, 넓고, 발광하는 불꽃내에서 산화제와 함께 유체 연료를 연소시키는 유체 연료 스트림 및 유체 산화제 스트림 각도 및 속도를 부여한다. 선택적으로, 주입기는 단독으로 사용되거나, 또는 내화성 블록과 함께 사용되어 산화제 및 연료 가스를 주입할 수 있다. 상기 버너 조립체는 불꽃 크기 및 모양을 다양화시킬 수 있으며 필요에 따라 사용시 특정한 노에 부합시킬 수 있다.

Description

연료 스트림 및 산화제 스트림을 분리 주입하는 연소 방법 및 장치
본 발명은 노()의 연소 챔버에 연료 및 산화제를 따로 주입하는 분리식 주입기를 포함한 연소 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 산화제와 함께 연료가 큰 발광 화염으로 연소됨으로써 상기 산화제와 연료의 연소에 따라 질소 산화물(NOx)의 양을 감소시키는 연소 방법 및 그 연소 장치에 관한 것이다.
공업적인 고온 공정, 예를 들면, 유리 또는 프릿 융해, 철 및 비철 물질의 용융 제련은 다양한 원료 물질을 고온 용융 생성물로 변형시키도록 많은 양의 에너지를 사용한다. 그후, 주형, 성형 또는 공업적인 공정의 추가 단계에 공급한다. 이 조작은 통상 대형 노에서 수행되며, 용융물질이 매일 500 톤(미터법) 정도 생성될수 있다. 천연기체, 분무 연료 오일, 프로판 등과 같은 화석 연료를 산소를 함유하는 산화제와 함께 노에서 연소시키는 것은 에너지를 공급하는 바람직한 방법이다. 경우에 따라, 전기 가열을 함으로써 상기 연소를 보완한다. 대부분, 연료 및 산화제는 불꽃을 생성시키기 위해 버너를 통하여 상기 노에 주입된다. 상기 화염으로부터 용융하고자 하는 재료에 에너지를 전달하는 것은 그 재료 표면에서의 대류 작용과, 그 재료가 복사선에 투과되는 경우 그 표면 또는 그 내부로의 복사 작용을 결합시킴으로써 이루어진다. 크게 복사하는 화염(대개 발광 화염으로 일컬음)이 일반적으로 바람직하다. 왜냐하면, 이는 더 우수한 열전이를 제공하여 더 높은 연료 효율을 얻을 수 있기 때문이다.
화염 가열을 위해서는, 용융하고자 하는 재료의 표면 위에 화염으로부터 나온 에너지를 균일하게 분배시키는 것 또한 매우 중요하다. 그렇지 않은 경우, 노에 고온 부위와 저온 부위가 공존할 수 있는데, 이는 바람직하지 못하다. 이러한 상태의 노에서 융해되는 재료를 사용하여 제조된 생성물의 품질은 종종 불량하다. 예를 들면, 용융 기체 배쓰에서, 저온 부위에는 유리석이 존재할 수 있고, 고온 부위에서는 유리의 휘발화가 촉진될 수 있다. 또한, 넓은 화염은 배쓰 전체를 양호한 열상태로 보존하는 데 바람직하다.
다수 국가, 특히 미국에서는, NOx의 방출에 관해 더욱 엄격한 규제를 공표하였다. 그러므로, NOx 형성을 제한하는 연소 기술을 개발하는 것이 중요하다. 극 고온 공정에서는 불꽃 및 노의 고온 구간에서 산소 및 질소 분자들의 체류시간이 길어져 NOx의 형성이 촉진된다. 산화제로서 공기 대신 실질적으로 순수한 산소(90%이상)를 사용하면, NOx의 방출을 90% 정도까지 감소시키는 데 매우 유효한 것이 입증되었다. 이는 질소가 모두 제거되었기 때문이다. 그러나, 공기를 실질적으로 순수한 산소로 대체하면 불꽃 온도를 상승시키므로 질소와 산소의 반응성이 큰 노내의 구간들이 생성되어, 비록 공기와의 연소에 비해서 전반적으로 NOx 형성이 감소되기는 하지만 NOx의 형성이 비례적으로 증가할 수 있다. 또한, 노로부터 질소를 모두 제거하는 것은 실제로 불가능하다. 왜냐하면, 공업용 노는 기밀성이 완벽하지 않고, 연료는 대개 상당량의 질소를 함유하며, 비냉각 공급원으로부터 공급된 산소, 예를 들면 진공 스윙 흡착 플랜트(VSA)에서 생성된 산소는 낮은 잔여 질소 농도를 함유하기 때문이다.
가열용 노에 있어서, 연료 및 산소를 연소하는 통상의 방법은 산소-연료 혼합 버너를 사용하는 것이다. 이러한 종래 산소-연료 버너는 금속체로서, 연료와 산화제의 입구를 구비하여 고농도 산소 분자를 제공하며, 버너의 선단에 배치된 다중 주입기에 연결된 별도의 동축 연신된 채널들을 사용하여 상기 스트림들을 이송하는 수단을 구비한다. 이러한 버너는, 노 벽의 과열을 막거나 감소시키기 위해서, 상기 노에서 충분히 떨어지게 위치시킬 필요가 있는 버너 선단에서 좁은 연필 모양의 고온 불꽃들을 생성한다. 이 버너의 중요한 한가지 단점은, 노를 융해하는 고온에 도달하지 않도록 냉각을 필요로 한다는 것이다. 대개는 물과 같은 유체를 순환시켜 냉각하는 자켓을 사용한다. 상기 버너는, 예를 들면 영국 특허 제1,215,925호에 개시되어 있다. 노의 대기가 축합성 증기를 함유하는 경우에, 특히 냉각 자켓에 심한 부식 문제를 일으킬 수 있다.
상기 기체 냉각식 산소-연료 버너는 수냉식 버너를 개선한 것으로서, 버너 본체는 버너 블록으로 종종 언급되는 내화 벽돌에 의해 노 복사로부터 보호된다. 상기 블록은 노를 향해 개방된 실질적으로 원통형인 캐비티를 갖는다. 상기 버너는 대개 캐비티 뒤에 장착되며, 캐비티에 배치된 연료 및 산화제의 동심형 주입기들을 노 벽으로부터 들어간 상태로 포함한다. 벽돌 및 버너는 주변을 환류하는 기체, 대개는 산화제 기체의 흐름에 의해 냉각된다. 이러한 버너는 미국 특허 제5,346,390호 및 미국 특허 제5,267,850호에 기재되어 있다. 이러한 타입의 버너에 의하면, 노에 도달하기 전에 버너 블록속에서 연소가 시작된다. 그러므로, 불꽃은 그 속에 가두어지고 좁은 축대칭 제트류로서 원통형 캐비티에 따라 유도되어 노중의 용융 물질을 불충분하게 포위한다. 이들 불꽃은 고온이며 비교적 다량의 NOx를 발생시키는데, 그 이유는 산소와 상기 연료가 연소 생성물에 의해 희석됨이 없이 직접적으로 접촉하기 때문이다.
이 기체 냉각식 버너의 또 다른 단점은 불꽃이 과열되어 노의 내화성 벽에 손상을 입힐 수 있다는 것이다. 그 원인은 불꽃이 그 벽자체로부터 시작하기 때문이다. 불꽃 아래의 재순환 구간 또한 노의 대기가 노의 내화성 벽재와 화학적으로 반응하는 경우, 내화 구조체 자체의 마모를 촉진시켜서 노의 수명을 감소시키는 경향이 있다.
영국 특허 제1,074,826호 및 미국 특허 제5,299,929호는 평탄한 불꽃을 얻기 위해 평행한 열로 산소와 연료의 다수 주입기를 교번시킨 버너의 예를 개시하고 있다. 이것은 상기 용융 물질의 커버에 관한 것은 개선되긴 하였으나 이 버너는 여전히 비교적 다량의 NOx를 발생시킨다. 이들 버너의 또 다른 단점으로는 평탄한 불꽃을 얻기 위해서는 장치가 기계적으로 복잡하다는 것이다.
또한, 내화 구조재의 마모를 감소시킬 목적으로 분리 이격시킨 스트림 주입기 각각으로부터 연료 및 산화제를 연소 챔버내로 주입하여 노벽으로부터 불꽃을 분리 발생시키는 것이 공지되어 있다. 연료와 산화제의 제트류가 수렴 각도로 노내에 주입되게 한 장치의 일례가 미국 특허 제5,302,112호에 개시되어 있는데 이는 두개의 제트류의 수렴점에서 산화제와 및 연료 기체를 잘 혼합하므로, 연소 효율은 향상시키는 반면, 불꽃을 짧게 만든다. 그러나, 이러한 버너 불꽃은 고온이며 노내에 다량의 질소 산화물을 생성한다. 이같은 고온을 저하시키고, NOx 생성을 현저히 감소시키기 위해, 미국 특허 제4,378,205호에서는 연료 및/또는 산화제의 제트류를 고속 주입하고, 연료와 산화제 기체의 별도 주입기를 사용할 것을 제시하고 있다. 여기서는 연료 및/또는 산화제 제트류는 노의 대기중에 포함된 연소 생성물에 편승하여 실제 연소 전에 희석된다. 그러나, 이러한 버너에 의해 생성된 불꽃은 거의 눈에 보이지 않는다는 것이 상기 특허 컬럼. 9, 58-65 행에 기술되어 있다. 그러므로, 연소 구간의 위치, 그리고 상기 버너 장치를 실제로 켜야하는 지 꺼야하는 지를 결정하고/또는 제어하는 것은 이 노의 오퍼레이터에게 매우 어려우며, 이것은 위험할 수도 있다. 이 버너의 또 다른 단점은 연소 생성물의 편승이 노내에서 재순환하는 기체 스트림을 크게 촉진시켜서 노의 내화성 벽의 마모를 촉진시킨다는 것이다. 또한, 고속 산화제 제트류를 사용하는 것은 고압 산화제 공급을 필요로 하는데, 이는 산화제 기체의 고압 생성 또는 공급을 의미하거나(연료 기체는 비교적 고압이다), 또는 대개 VSA 유니트에 의해 공급되는 저압 산소와 같은 산화제 기체는 노내로 주입되기 전에 재압축되어야 한다는 것을 의미한다.
오늘날 통용되고 있는 버너는 액체 연료의 스프레이에 의해 액체 연료 또는 기체 연료를 사용하도록 고안된 것으로, 두가지 연료 유형을 동시에 연소시키거나, 기체 연료를 액체 연료로 쉽게 교체 사용할 수 없다.
액체 연료에는 연소 기술자 자체의 문제가 존재한다. 액체 연료는 통상적으로 분무화되는데, 액체 연료의 분무화 처리에 유용한 몇가지의 상이한 기술이 있다. 그 목적은 기하학적 특성을 한정하는 액체 연료 유체의 소적("스프레이"로도 일컬음) 제트류를 생성하는 것이다. 통상적인 액체 연료는 액체 상태에서 특히 가연성이 없다. 단지 기체 상태에서만 산화 작용에 의해 충분히 빠르게 불꽃을 발생시킬 수 있다. 상온에서 액체 또는 점성인 연료로 안정한 불꽃을 얻고자 하는 경우, 기본적인 어려움은 불꽃 내부에서 산화 반응을 촉진시기키 위해 급속하게 기화시키는 방식으로 액체를 "예민한 상태"로 만들어야 하는 것이다.
이 예민한 상태를 달성하는 데 사용되는 현행 방법은 소적 형태로 연료를 분무화하는 것이다. 그러므로, 주어진 양의 연료에 대해, 상기 산화제에 노출되는 액체 표면의 양을 실제로 증가시킬 수 있다(소적이 작을 수록 계면, 즉 증발부위는 커진다).
간략히, 액체를 분무화하는 데 주로 사용되는 세가지 방법이 있다:
1. 이동용 기계적 부품의 공기로 액체를 세단하는 것을 포함하는 회전식 컵 분무화.
2. 기계적 분무화에서는, 연료를 극고압(15∼30 바아)으로 압축하여 고 운동 에너지를 부여한다. 이 에너지는 액체의 외부 대기와의 접촉시 전단을 초래하여, 소적을 형성한다.
3. 기체-유체-보조형(gaseous-fluid-assigted) 분무화는 고압을 낮추면서 도(2∼6 바아) 유사한 결과를 얻을 수 있다.
단순화하면, 기체-유체-보조형 분무화는 액체 연료 및 분무화 유체가 상기 분무기 헤드의 안쪽 또는 바깥쪽의 어느쪽과 접촉하는가에 따라 두가지 유형으로 분류될 수 있다. 이 유형들은 내측 분무화 및 외측 분무화로서 일컬을 수 있다.
내측 분무화는 에멀션 챔버내에 액체 연료와 분무화 유체를 유폐시키는 것에 특징이 있다. 이 두개의 유체를 챔버내로 도입하는 유형은 상당히 다양할 수 있으며, 이 챔버로부터 배출되는 에멀션의 특성에 직접적으로 영향을 미친다. 이와 유사하게, 이 챔버의 내부 형상(예, 전용적, 회전 생성용 바람개비, 입구 및 출구 오리피스의 개수와 직경 등) 또한 연소시키고자 하는 연료/분무화 유체 혼합물의 구체적인 특성에 영향을 준다.
일반적으로 분무화의 이러한 모드는 탁월한 질의 분무화를 제공한다. 즉, 극소 입자로 이루어지는 에멀션은 이러한 작은 직경에서 매우 협소한 입자 크기로 분포한다. 제공된 연료 공급 속도에 있어서, 이 에멀션의 질은 당연히 사용되는 분무화용 유체 공급 속도와 분무화용 챔버 내부의 압력 레벨의 함수가 된다.
외측 분무화에서는, 상기 두 상사이의 접촉은 임의의 밀폐된 봉입물 외부에서 일어나는데, 에멀션은 주로 분무화 유체에 의해 액체 연료의 제트류가 전단됨으로써 생성된다. 두개의 유체를 위한 출구의 형상은 상기 분무화의 질을 전적으로 결정하여, 접촉에 의해 생긴 소적의 입자 크기 분석 결과 비교적 넓은 직경 분포(작은 입자 및 큰 입자가 동시에 존재함)를 나타낸다.
액체 연료 분무화 분야에서, 발명의 기본적인 우선권은 공개된 유럽 특허 출원 제0687858 A1호로서, 이는 매우 협소한 분사 각도(15°이하)의 외부 분무화 디바이스에 관한 권리를 청구하고 있다. 이 건에는 특히 구체적 특징을 성공적으로 수행하기 위해 분무화 유체와 액체 연료 사이에 형성된 각도가 5 내지 30°이어야 한다는 것을 청구하고 있다.
개시된 또 다른 액체 연료 분무화 디바이스는 유럽 특허 출원 제0335728 A3호에 개시되어 있는데, 이는 통상의 주 회로로부터 분지된 몇개의 별도 회로의 촉진부를 통해 유체를 연소 봉입물내로 주입하는 장치를 청구하고 있다.
저압에서 운용될 수 있는 버너의 필요성이 존재하는데, 이는 특히 산화제 기체를 위한 것으로서, NOx 방출이 감소된, 넓고 평평한 발광 불꽃을 생성하는 반면, 노에 사용된 불꽃 길이를 조절할 수 있도록 하는 것이다. 또한, 당해 분야에서는 기체 연료와 액체 연료를 동시에 또는 교대로 연소시킬 수 있는 특성을 갖는 버너가 필요하다. 분무화의 세번째 유형의 범주에 드는 액체 연료 분무기에 대한 연소 분야에서는, 분무화 기체와 액체 연료 소적의 2상 혼합물이 존재하는 연소 구간으로 제어 유체를 주입시킬 수 있는 완전한 디바이스가 필요하며, 여기서 분무화는 노즐 밖에서 일어나며(외부 분무화), 비교적 큰 각도(5°∼ 30°)를 갖는 분리된스프레이 제트류를 형성시킨다. 특히, 연소 분야에서는 기체 유체를 사용하여 액체 연료를 분무시키는 디바이스가 요구되며 이 디바이스를 본 명세서에 개시된 버너 조립체와 같은 버너에 응용할 것이 요구된다.
도 1은 본 발명 버너 조립체의 내화성 블록 부품의 제1 실시 형태를 예시한다. 여기서 연료 "시이트"는 제1 평면에 위치한 3개의 연료 주입기를 사용하여 형성되며, 산화제는 제2 평면에 위치한 2개의 주입기에 의해 공급된다.
도 2는 도 1의 배치의 정면도이다.
도 3은 도 1 또는 도 2의 배치가 사용된 경우, 노에서 일어나는 연소 과정의 개략 측면도이다.
도 4는 도 3의 연소 과정의 상면도이다.
도 5는 본 발명 버너 조립체의 제2 실시 형태를 예시한다. 여기서, 연료 "시이트"는 제1 연료 평면에 존재하는 두개의 연료 캐비티를 사용하여 형성시키고, 산화제는 제2 평면에 존재하는 두개의 캐비티에 의해 공급되며, 불꽃의 안정화는 상기 제2 평면에 추가 연료를 주입함으로써 제공된다.
도 6은 본 발명 버너 조립체의 제3 실시 형태를 예시한다. 여기서, 연료 "시이트"는 제1 연료 평면에 존재하는 두개의 연료 캐비티를 사용하여 형성시키고, 산화제는 제2 평면에 존재하는 두개의 캐비티에 의해 공급되며, 불꽃은 그 연료 캐비티들 사이, 상기 제1 평면에 존재하는 추가 산화제 캐비티에 의해 안정화된다.
도 7은 본 발명의 한 버너 조립체 실시 형태의 사시도이다.
도 8a, 도 8b 및 도 8c는 각각 캐비티를 포함하는 본 발명의 버너 조립체의 평면도, 이면도 및 측면도이다.
도 9a 및 도 9b는 다양한 캐비티를 보여주는 본 발명의 내화성 블록을 도시한다.
도 10a, 도 10b, 도 10c 및 도 10d는 본 발명의 버너 블록 조립체, 산소 분배기 및 연료 분배기를 도시한다.
도 11a, 도 11b, 도 11c 및 도 11d는 본 발명의 또 다른 버너 블록 조립체, 산소 분배기 및 연료 분배기를 도시한다.
도 12a, 도 12b, 도 12c 및 도 12d는 본 발명의 버너 조립체의 상면도, 측면도, 저단면도 및, 특히 관 밀봉을 상술하는 세부 확대도이다.
도 13a는 2개의 산화제 캐비티, 3개의 연료 기체 캐비티 및 하나의 연료 오일 캐비티를 예시하는 본 발명에 유용한 내화성 블록의 사시도이다.
도 13b는 도 13a의 내화성 벽돌의 측 정면도이다.
도 13c는 도 13a의 내화성 벽돌에 대한 대안적인 디자인의 측 정면도이다.
도 14는 산화제 및 연료 주입기만을 구비하고 내화성 블록은 없는 버너 조립체의 측 정면도이다.
도 15는 캐비티를 예시하는 내화성 블록의 평면도이다.
도 16은 상기 캐비티내에 짧은 주입기를 구비한 실시 형태를 예시하는 도 15의 내화성 블록의 평면도이다.
도 17은 캐비티 밖으로 돌출하는 긴 주입기를 구비한 실시 형태를 예시하는도 15의 내화성 블록의 평면도이다.
도 18은 본 발명에 유용한 액체 연료 분무기의 측단면도이다.
로 19a 및 도 19b는 각각 도 18의 액체 연료 분무기의 단면도 및 정면 단부의 단면도이다.
도 20a는 내화성 블록과 캐비티의 단면도이다.
도 20b는 목(throat) 직경과 주입기 또는 캐비티용 기체 출구 직경간 바람직한 관계를 나타내는 단면도이다.
도 21, 도 22, 도 23, 도 24, 도 25, 도 26, 도 27, 도 28, 도 29, 도 30, 도 31, 도 32 및 도 33은 본 발명의 13개의 내화성 블록 실시 형태의 정면도이다.
본 발명에 따르면, 산화제 기체내에 함유된 산소로 연료를 연소시키는 방법 및 시스템이 제공된다. 여기서, 연료 및 산화제 기체는 분리된 유체 스트림으로, 연료 흐름에 대한 산화제 흐름내의 산소 몰비를 0.95 내지 1.05(화학량론적 비)로 만드는 비율로, 고온 노(820℃ 또는 1500°F 이상의 온도)의 연소 챔버내로 주입하며, 상기 연료 및 산화제는 폭이 넓은 발광하는 윤곽이 뚜렷한 불꽃을 낸다. 본 발명의 방법 및 시스템은 감소된 양의 NOx를 생성한다.
일반적으로, 본 발명의 버너 조립체는 하나 이상의 연료 유체 입구와 하나 이상의 산화제 유체 입구, 상기 연료 유체를 연료 입구로부터 다수개의 연료 출구로 이송하는 수단, 연소 챔버내로 주입되는 연료 스트림으로 연료 출구를 나가는 유체 연료, 산화제 유체를 산화제 입구로부터 하나 이상의 산화제 출구로 이송하는 수단, 연소 챔버내로 주입되는 산화제 유체 스트림으로 산화제 출구를 나가는 산화제 유체에 특징이 있으며, 연료 출구와 산화제 출구는, 안정하고, 폭이 넓고, 발광하는 불꽃으로 연료 유체를 산화제와 연소시키는 각도("최종" 각도로 언급) 및 속도(연료 및 산화제가 연소 챔버에 들어가는 때)를 연료 유체 스트림 및 산화제 유체 스트림에 제공하기 위해서 물리적으로 분리되어 있으며, 기하학적으로 배열되어 있다.
그러므로, 본 발명의 한 가지 특징은 불꽃 모양 및 길이 조절이 개선된 버너 조립체로서, 하기의 특징을 갖는다:
연료 및 산화제 유입 말단 및 연료 및 산화제 배출 말단을 구비하는, 산화제 및 연료 공급원과 유체 연통되도록 개조된 사용되는 내화성 블록으로서, 상기 배출 말단은 연료 출구 및 산화제 출구를 구비하고, 상기 내화성 블록은 다수개의 연료 캐비티와, 다수개의 산화제 캐비티를 더 가지며, 상기 연료 캐비티 중 2개 이상은 제1 연료 평면을 구획하고, 산화제 캐비티는 제2 산화제 평면을 구획하며, 상기 연료 캐비티 수가 산화제 캐비티 수 보다 많다.
산화제 출구가 연료 출구보다 큰 본 발명의 이러한 버너 조립체 및 본 명세서에 기술된 대로, 하나 이상의 캐비티 내부에 위치된 주입기를 갖는 양태가 바람직하다.
바람직한 내화성 블록은 5개 이상의 캐비티, 즉 노 연소 챔버내로 연료를 주입하기 위해 블록의 저부에 존재하는 3개의 캐비티와 노 연소 챔버내로 산화제를 주입하기 위해 블록의 상부에 존재하는 2개의 캐비티를 갖는다.
선택적으로, 연료 오일과 같은 액체 연료를 연료로서 사용하는 경우에는 특히, 산화제 캐비티 수가 연료 캐비티 수 보다 많은 것이 바람직하다.
특히 바람직한 실시 형태에서(소위 "이성분-연료" 실시 형태), 상기 내화성 블록은 하나 이상의 액체 연료 캐비티 및 하나 이상의 기체 연료 캐비티를 갖는다. 이 실시 형태에서, 상기 액체 연료 캐비티는 기체 연료 캐비티 아래에 위치하며 기체 연료 캐비티는 산화제 캐비티 아래에 위치시키는 것이 바람직하다. 이는 본 명세서에 추가로 기술되어 있다.
연료 및 산화제 출구는 원형이고 굽은형인 것이 바람직하다. 캐비티는 블록의 유체 유입 말단으로부터 블록의 유체 배출 말단에 이르는 내화성 블록을 관통하는 곧은 구멍인 것이 바람직하다. 본 발명의 버너 조립체의 일부 바람직한 실시 형태는 내화성 블록의 캐비티 내부에 고정시킨 단일의 일체식 부품인 연료 분배기 또는 분무기를 포함하는데, 상기 연료 분배기는 다수개의 연료 출구를 갖는다.
본 발명의 또 다른 버너 조립체의 실시 형태는 연료 및 산화제 유입 말단 및 연료 및 산화제 배출 말단을 구비하며 추가로 단일의 액체 연료 캐비티 및 다수개의 산화제 캐비티를 갖는 내화성 블록에 특징이 있으며, 상기 산화제 캐비티는 내화성 블록 상부 및 액체 연료 캐비티 위에 위치한 산화제 면을 구획한다.
본 발명의 또 다른 버너 조립체는 연료 및 산화제 유입 말단 및 연료 및 산화제 배출 말단을 가지고, 추가로 다수개의 연료 캐비티 및 다수개의 산화제 캐비티를 가지며, 상기 산화제 캐비티중 2개 이상이 내화성 블록의 상부 및 연료 면을 구획하는 연료 캐비티의 일부 위에 위치한 제1 산화제 면을 구획하며, 산화제 캐비티 중 적어도 일부는 제1 산화제 면의 위치보다 내화성 블록내 낮은 위치에서 제2 면을 형성하며, 제2 산화제 면 중 하나 이상의 산화제 캐비티는 상응하는 산화제 캐비티보다 더 작은 직경의 연료 주입기가 내부에 배치된다.
본 발명의 또 다른 버너 조립체 실시 형태는 연료 및 산화제 유입 말단과 연료 및 산화제 배출 말단, 및 추가로 다수개의 연료 캐비티 및 단일의 산화제 캐비티를 갖는 내화성 블록에 특징이 있는 것으로, 상기 산화제 캐비티는 내화성 블록의 상부 및 연료면을 구획하는 연료 캐비티의 일부의 위에 위치한다. 산화제 캐비티 자체(단면) 및 그것의 출구는 장방형, 타원형, 타원체 등과 같이 원형이 아닐 수 있으며, 본명세서에 기술한 바와 같이 상기 블록의 출구 면에서 굽은 에지를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 버너 조립체는 (a) 내지 (c)와 같은 특징을 갖는다:
(a) 제1 면을 구획하는 둘 이상의 연료 주입기,
(b) 하나 이상의 산화제 주입기,
(c) 탈착식으로 벽에 고정된 산화제 및 연료 주입기가 연소 챔버내로 돌출되어 있는 벽으로서, 상기 산화제 주입기는 연소 챔버내 제1 면쪽으로 0°∼ 15°범위의 수렴 각도로 배치된다.
본 발명의 또 다른 측면은, 하기 (a) 내지 (g) 단계에 특징이 있는 연료와 산화제 연소 방법이다:
(a) 산화제 유체 스트림을 공급하는 단계,
(b) 상기 산화제 유체 스트림을 연소 챔버내로 주입하여 주입된 하나 이상의 산화제 유체 스트림을 생성시키는 단계,
(c) 연료 유체 스트림을 공급하는 단계,
(d) 상기 연료 유체 스트림을 연소 챔버내로 주입하여 주입된 두개 이상의 연료 유체 스트림을 생성시키는 단계,
(e) 주입된 두개 이상의 연료 유체 스트림을 상기 연소 챔버내로 주입함으로써 연소 챔버내에서 거의 평탄한 연료 유체 시이트를 생성시키는 단계(이 때, 상기주입된 두개 이상의 연료 유체 스트림은 실질적으로 제1 연료 평면에 배치된다),
(f) 연소 챔버내의 연료 유체 시이트를 상기 산화제 유체 스트림과 교차시키는 단계, 및
(g) 상기 연료 유체를 산화제 유체와 연소 챔버내에서 연소시키는 단계.
본 발명의 바람직한 방법에서는, 두개의 인접한 연료 유체 스트림이 15°를 넘지 않는 최종 분기 각도를 갖는다. 기타 바람직한 방법은 기체 및 액체 연료를 동시에 연소시키는 방법 및 기체 연료(또는 액체 연료)를 먼저 연소시킨 후, 액체 연료(또는 기체 연료)를 연소시키는 방법이 있다.
산화제 흐름 캐비티를 분기유형으로 배열하는 경우, 불꽃이 넓어진다는 것이 밝혀졌다. 몇몇 양태에서는, 초기의 분기 각도보다 약간 더 큰 최종 분기 각도를 갖는 연료 및/또는 산화제 흐름 캐비티들을 제공함으로써 불꽃 너비를 증가시킬 수 있다(불꽃 길이는 현저히 감소되지 않음)는 것이 본 명세서에 추가 기재되어 있다. 또한, 몇몇 실시 형태에서는, 연료 및/또는 산화제 캐비티를 내부에 고정시킨 산화제 및 연료 주입기를 사용한다(특히 연료에 대해).
본 발명의 장치 및 방법의 기타 실시 형태는 연소되는 연료의 유형(예를 들면, 기체 연료 내지 액체 연료), 비평행한 산화제 캐비티(즉, 분기 각도를 지님)에 좌우되는 산화제 캐비티 및 연료 캐비티 간의 상이한 거리 지정 및 특히 연료 오일용으로서 다수개의 분기하는 연료 서브-주입기를 갖는 연료 주입기 지정을 포함한다. 상기 연료 주입기는 내화성 블록의 한 캐비티내에 위치한다.
I. 개요
본 발명의 일면에 따르면, 연소 방법 및 이를 위한 장치는, 진공 스윙 흡착 산소 생성 유니트에 의해 전달되는 압력과 같이 낮은 산화제 공급 압력에서 조작되도록 제공된다. 이러한 낮은 산화제 압력은 105,000 내지 170,000 Pa(절대 압력)(50 mbar 내지 0.7 bar/상대 압력)범위의 압력을 의미한다.
본 발명에 따르면, 연료 및 산화제가 버너 조립체내 분리된 캐비티들을 통하여 노내로 주입된다. 본 명세서에 사용된 상기 용어 "연료"는, 예컨대 메탄, 천연기체, 액화 천연기체, 프로판, 분무 오일 등의 (기체 또는 액체 형태로) 실온(25℃) 또는 예열된 형태의 것을 의미한다. 본 명세서에 사용된 상기 용어 "산화제"는 50% 이상의 산소 몰 농도를 갖는 기체를 의미한다. 상기 산화제로는 50 부피% 이상의 산소 농축 공기, 산소, 예를 들면 저온 공기 분리 플랜트에 의해 생성된 "공업용" 순수 산소(99.5%) 또는 전술한 진공 스윙 흡착법에 의해 생성된 비순수 산소(88 부피% 또는 그 이상의 O2), 또는 공기 또는 기타 공급원으로부터 여과, 흡수, 흡착, 박막 분리 등에 의해 상온 또는 예열된 형태로 생성된 "불순한" 산소 등이 있다.
본 명세서에 정의한 캐비티란, 세라믹 블록 또는 노벽을 통과하는 통로로서, 일반적으로 원통형 횡단면을 갖는 것이 바람직하다. 예를 들면, 정사각형, 직사각형, 타원체, 타원형 등과 같은 임의의 등가 단면이 사용될 수 있다. 주입기는 그것의 대응하는 캐비티와 짝을 이루는 외형을 갖는 관형 부재로서 본 명세서에 정의되어 있는데, 이것은 대응하는 캐비티에 배치되어 내화성 버너 블록의 사용을 연장시킬 수 있다. 주입기는 금속 관, 세라믹 말단을 갖는 금속 관 또는 파이프, 세라믹관 또는 이들의 조합물로 이루어질 수 있다. 주입기 관으로 적당한 세라믹 재료로는 알루미나, 지르코니아, 이트리아, 탄화규소 등이 있다. 주입기가 금속인 경우, 각종 스텐인레스 강도 사용할 수 있으며, 세라믹 주입기에 대해 언급한 바와 같은 재료를 사용하여, 방열 내화성 코팅된 금속 주입기도 가능하다.
이와 같은 주입기는 바람직하지만 절대적으로 필요한 것은 아니다. 예를 들면, 세라믹 또는 고온을 견디고 기체가 상기 내화성 블록을 통해 침투하는 것을 막도록 적절히 비다공성인 기타 재료 층으로 캐비티가 덮이거나 또는 피복되는 경우, 주입기는 불필요하다.
이들 주입기는 노벽을 통해 또는 노벽내에 장착된 내화성 또는 세라믹 벽돌을 통해 개방된 캐비티내에 설치된다. 몇몇 실시 형태에 있어서, 이 주입기의 길이를 일부러 버너 블록내 캐비티 길이에 미치기에 불충분하도록 만든다. 즉, 연료 또는 산화제 흐름은 주입기로부터 캐비티내로 이른 후에, 이 캐비티로부터 노의 연소 챔버에 이른다. 그러므로, 본 발명의 몇몇 실시 형태에서는, 캐비티의 기하 형상에 의해 제공될 수 있는 기체 흐름의 방향 변화가 일어나기 전에 주입기가 정지한다. 다른 실시 형태에서, 주입기는 내화성 블록의 외부 및 상기 연소 챔버 내부로 돌출되어 있어도 좋다. 또 다른 실시 형태에서는, 주입기가 전혀 존재하지 않을 수도 있다.
연료 주입은 두개 이상의, 바람직하게는 동형의, 바람직하게는 축이 동일한 평면(이것을 제1 연료면으로도 언급함)에 위치한 캐비티에 의해 이루어지는 것이바람직하다. 상기 연료 출구 및 산화제 출구는 물리적으로 분리시키고, 기하학적으로 배치하여 안정하고, 넓고, 발광하는 불꽃으로 연료 유체를 산화제와 연소시키는 각도 및 속도를 연료 유체 스트림 및 산화제 유체 스트림에 제공한다.
바람직한 실시 형태에서, 연료 캐비티는 초기의 각도로 분기되고, 이후 이 초기 분기 각도는 연료가 연소 챔버에 들어가기 직전에 최종 분기 각도로 약간 증가한다. 이 최종 분기 각도는 초기의 분기 각도보다 단지 몇도 큰 것이 바람직하다. 인접한 두캐비티 간의 바람직한 최종 각도는 3 내지 10°이다. 연료가 노의 연소 챔버로 들어갈 때 캐비티의 선단간 거리 ℓ은 제1 평면의 각 연료 주입기의 내경 d의 4 내지 10 배인 것이 바람직하다. 이 제1 평면은 용융 표면에 대해 반드시 평행할 필요는 없으나, 그것이 바람직하다. 연료 주입기 또는 캐비티가 원형이 아닌 경우, 이 치수 "d"는 그 단면적을 표시하는 동일한 직경이다. 연료 캐비티로부터 나온 연료 제트류 조합은 연료 "시이트"를 형성할 수 있는 것이다. 연료 "시이트"란 연료 소적(액체인 경우) 또는 연료 기체가 실질적으로 연속 형성된 구름으로 존재하는 것을 의미하는 것으로, 제1 평면의 각도가 최대 120° , 바람직하게는 20° 내지 60° 이며, 바람직하게는 연료 캐비티의 장축 방향의 축에 대하여 대칭이다. 연료 기체의 캐비티내에서의 속도는 15 m/s 이상인 것이 바람직하다.
본 발명의 한 바람직한 실시 형태에 따르면, 예컨대 최종 분기 각도가 바람직하게 15° 보다 작은 2개 이상의 연료 캐비티에 의해 가열하고자 하는 그 표면의 상부에 연료 유체의 "시이트"가 생성되는 하나의 방법이 제공된다. 이때 연료 캐비티는 제1 평면내에 존재하며, 연료 유체보다 속도가 낮은(바람직하게는 60 m/s를초과하지 않는 속도) 산화제 유체를, 바람직하게는 2개 이상의 산소 캐비티, 즉 15° 이하의 최종 분기 각도를 만드는 2개의 인접한 산소 캐비티를 사용하여 가열하고자 하는 표면 위에 주입한다. 이들 캐비티는 바람직하게는 제2 평면내에 배치되고, 그 면은 연소 챔버내에 놓인 제1 평면에 집중되고 교차한다. 이 연료 시이트와 교차하는 저속 산화제 유체 제트류는, 연료 시이트를 따르는 연료 흐름에 의해 이동되어, "시이트"를 따라 연장된 연소 구간을 형성한다. 따라서, 연소 챔버의 연소 구간 초입에 연료가 풍부한 부분이 연료 구름의 아래쪽에 형성되는데, 이 부분에서 극히 다량의 그을음이 생성된다. 그후, 이 그을음 및 연료는 산화제에 의해 점진적으로 산화되며 이 연소 구간을 따라 확산된다.
본 발명의 특정 실시 형태에 따르면, 2개 이상의 연료 유체 캐비티, 1개 이상의 산화제 유체 캐비티, 및 상기 연료 유체 캐비티 및 산화제 연료 캐비티가 끝나는 하나 이상의 출구면을 포함하는 버너 조립체에 대한 연소 구간에서의 연소 방법이 제공된다. 상기 방법은 하기 단계들을 수반한다:
산화제 유체 스트림을 공급하는 단계,
상기 산화제 유체 스트림을 상기 하나 이상의 산화제 유체 캐비티를 통해 주입하여 주입된 하나 이상의 산화제 유체 스트림을 생성시키는 단계,
연료 유체 스트림을 공급하는 단계,
상기 연료 유체 스트림을 상기 2개 이상의 연료 유체 캐비티를 통해 주입하여 주입된 2개 이상의 연료 유체 스트림을 생성시키는 단계.
최종 분기 각도를 갖는 주입된 2개 이상의 연료 유체 스트림을 주입함으로써실질적으로 평탄한 연료 유체 시이트를 생성시키는 단계(상기 주입된 두개 이상의 연료 유체 스트림은 실질적으로 제1 연료면에 배치된다),
연소 구간내에서 연료 유체 시이트를 상기 산화제 유체 스트림과 교차시키는 단계, 및
연소 구간내에서 상기 연료 유체와 산화제 유체를 연소시키는 단계.
추가로, 본 발명은 또한 연료 및/또는 산화제 기체를 보조적으로 주입하여 불꽃을 안정화시키는 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 추가의 연료 캐비티를 가질 수 있는데, 예컨대 이것은 제1 연료 평면 아래 및 바람직하게는 제1 연료 평면과 평행하거나 또는 약간 수렴하도록 제2 연료 평면에 배치되는 것이 좋다.
산화제 유체의 주입은 2개 이상, 바람직하게는 축이 동일한 평면, 소위 제1 산화제 평면에 놓인 동일한 캐비티에 의해 이루어진다. 산화제 흐름이 노의 연소 챔버내로 들어가는 산화제 캐비티의 선단 간 축거리 L은 제2 평면내의 각 산화제 주입기의 내경 D(또는 "d" 로 전술한 것과 동일한 직경)의 2 내지 10 배인 것이 바람직하다. 두개의 인접한 산화제 캐비티는 최종 분기 각도가 (흐름 방향으로) 0 내지 15° , 바람직하게는 0 ° 내지 7° 이다. 캐비티내 산화제 속도는 제1 산화제 평면의 캐비티에서의 연료 속도보다 작으며, 바람직하게는 60(m/s) 미만이다. 본 발명의 몇가지 실시 형태에서, 산화제 캐비티는, 상기 산화제 스트림에 와동을 만들어주기 위한 소위 와동기를 포함하여, 연소 구간내 산화제 스트림의 분산을 증가시키고 산화제 및 연료 시이트 간 혼합을 개선시킨다. 적당한 와동기는 캐비티 또는 주입기 내에 배치된 금속 핀 또는 금속제 트위스트 스트립이다.
연소 시스템에서 사용되는 연료 및 산화제의 총량은, 산소 흐름이 연료 흐름을 완전 연소시키는 데 필요한 이론상 화학량론적인 산소 흐름의 0.95 내지 1.05 범위에 있도록 하는 양이다. 상기 기술의 다른 표현으로서 연소 비가 0.95 내지 1.05 라고도 한다.
제1 연료 평면과 제2 (산화제) 평면 사이의 각도α는 0 내지 20 ° 이고, 제1 연료 평면 및 제2 평면은 연소 챔버쪽으로 수렴한다. 거의 수평으로 여겨지는 제1 연료 평면과 제2 평면사이의 거리 h는 캐비티 출구에서 수직 평면에 있어서의 직경 D와 적어도 같거나 2 배 이하이다.
본 발명은 또한, 2개 이상의 연료 유체 캐비티, 하나 이상의 산화제 유체 캐비티 및 상기 연료 유체 캐비티와 상기 산화제 유체 캐비티가 끝나는 하나 이상의 출구면을 포함하는 버너 조립체에 관한 것으로 다음과 같은 특징을 갖는다:
산화제 유체 스트림을 공급하는 수단,
산화제 유체 스트림을 하나 이상의 산화제 유체 캐비티에 주입하여 주입된 하나 이상의 산화제 유체 스트림을 생성시키는 수단,
연료 유체 스트림을 공급하는 수단,
상기 연료 유체 스트림을 두개 이상의 연료 유체 캐비티내에 주입하여 주입된 두개 이상의 연료 유체 스트림을 생성시키는 수단,
이때 상기 산화제 유체 스트림 및 연료 유체 스트림의 주입 방향은 실질적으로 수렴하는 반면, 두개 이상의 인접 연료 유체 통로의 방향은 분기한다.
본 발명의 버너 조립체 실시 형태의 제1 내화성 블록 부품(5)이 도 1에 도시되어 있는데, 제1 평면(2)에 3개의 연료 유체 캐비티(1a, 1b, 1c)를 가지며, 제 2 평면(4)에 두개의 산화제 유체 캐비티(3a, 3b)를 갖는다. 상기 두개의 제1 및 제2 평면(2 및 4)은 각도α를 이룬다. 3개의 연료 유체 캐비티(1a, 1b, 1c)는 두개의 인접한 캐비티 사이에 각도β, 바람직하게는 동일한 각도를 이룬다. 중앙의 연료 캐비티(1b)의 축은 내화성 블록(5)의 출구면(10)에 수직인 것이 바람직하다.
도 2는 도 1의 블록(5)의 정면도를 도시한다. 도 2에서, d는 출구면(10)에서의 연료 캐비티(1a, 1b, 1c)의 직경을 나타내며, ℓ은 출구면(10)에서의 축간 거리를 나타내고, D는 출구면(10)에서의 산화제 캐비티(3a, 3b)의 직경을 나타내고, L은 이들의 배출면(10)에서의 축간 거리를 나타낸다. "h"는 블록(5)의 출구면(10)에서의 제1 평면(2)과 제2 평면(4)간의 간격을 나타낸다. 도 2를 참조로 기술된 모든 치수들은 사용된 연료의 종류에 따라 변경될 수 있는 것으로 인식된다. 예를 들면, 연료 오일이 사용되는 경우, 상기 간격 h는 천연기체가 연료로 사용되는 경우 보다 더 큰 경향이 있다.
도 3은 예를 들면 유리 용융 탱크(12)에서 사용되는 바와 같은 도 1 및 도 2의 연소 시스템 조작의 개략적인 측단면도이며, 도 4는 도 1 내지 도 3 시스템의 사시도이다. 연료 "시이트" 또는 "구름"은 제1 평면(2)에서 연료 캐비티로부터 분출되는 연료 유체 스트림에 의해 형성된다. 산화제(6)의 제트류는 제2 평면(4)의 캐비티로부터 분출되어, 노의 연소 챔버(70) 내 연료 시이트와 교차한다. 연료와 산화제의 연소는 상기 두 흐름사이 계면에서 발생하여 상기 용융물(9)위에 불꽃(8)을 생성시킨다. 초기 연소 단계에서, 불꽃 하부에 위치한 구간은 연료가 풍부하여, 탄소 입자(그을음)의 형성을 촉진시켜서 상기 불꽃의 광도를 강화시킨다. 이것은 본 발명의 특징 중 하나이다. 즉, 하나의 평면에 연료를 분산시키고, 용융물 전체에 대해 실질적으로 평행한 평면층 또는 "시이트"를 만들고, 산소를 위로부터 이 "시이트"의 방향으로 유도하여 "시이트"와 교차시키고, 이어서 바람직하게는 산화제 유체와 연료 유체가 서로 교차하는 지점 사이에서 소정의 연소가 일어난다. 상기 면들이 교차하기 전에는, 흐름을 층으로 만들고, (용융물에 근접한) 불꽃의 하부는 연료가 풍부하므로 과량의 연료로 인해 고온 불꽃에 의해 갈라지는 그을음이 발생한다. 이 그을음은 평면들이 교차하는 지점보다 먼저 기체 스트림에 편승하여 더욱 발광하는 불꽃으로 추가 재연소된다.
도 1 내지 도 3에 예시된 배열은 단면이 사각형(폭 1 m x 길이 2.5 m)인 파일럿 규모의 노에서 시험하였다. 산소 천연기체 보조 버너를 사용하여 노를 820℃(1500°F)로 가열했다. 노의 온도가 충분히 높아지면, 본 발명의 연소 시스템을 개시하고 상기 보조 버너를 정지시켰다. 관찰 포트를 구비한 노의 측면으로부터 불꽃을 관찰하였다. 필요에 따라, 도 1에 도시한 내화성 블록을 포함하는 상기 버너 조립체를 회전(예. 90°)시켜서, 불꽃이 측면 관찰 포트로부터 더 잘 모니터될 수 있게 조절하였다. 모든 실험에서, 상기 천연기체 캐비티의 제1 평면은 노의 벽(측벽 또는 저벽)중 하나에 대해 평행하였다.
테스트된 연소 시스템은 연료 유체로서 32 nm3/hr(1200 scfh)로 유동하는 천연기체 흐름 및 산화제 유체로서 64 nm3/hr(2400 scfh)로 유동하는 순수 산소를, 상기 노압력보다 100 mbar 높은 압력에서 사용하였다. 이는 연소 비가 1이라는 것을 나타낸다. 상기 산소 캐비티사이의 간격 L은 15 cm였다. 이 천연기체 캐비티 사이의 각도는 5°였다. 제1 평면과 제2 평면사이의 간격 h는 2.5 cm 내지 10 cm에서 변경 가능하며, 두 산소 캐비티의 상대 각도도 0 내지 5° 에서 변경 가능하다. 이 캐비티는 세라믹 멀라이트 관(스텐레스 강 관 또한 추가로 테스트하였다)으로 만든 주입기를 구비한다. 모든 캐비티는 내화성 재료(예, 내화성 블록(5)으로 언급)를 관통하여 천공된 캐비티로 배치되었다. 이 천연기체 캐비티의 직경은, 연료 유체 속도가 각각 44 m/s, 26 m/s 및 16 m/s가 되도록 0.925 cm 내지 1.58 cm(0.364 inch ∼ 0.622 inch)에서 변경 가능하다. 산소 캐비티의 직경은, 산소 속도가 16 m/s, 27 m/s 및 31 m/s가 되도록 1.9 cm 내지 2.66 cm(0.75 inch ∼ 1.049 inch)에서 변경 가능하다. 연료 기체 중의 CO, O2, CO2, NOx 함량을 연속하여 모니터하였다. 과량 산소를 수반하는 유사한 조건 및 노의 누수(공기 유입)를 다양한 배열로부터 NOx의 방출을 비교할 수 있도록 전 테스트 동안 유지하였다. 노의 평균 온도는 전 테스트에서 1450℃였다. 블록(5)으로부터 2 미터 거리에서 샘플링 탐침을 노에 삽입하여 불꽃내의 국소적인 CO 농도를 측정하였다. 이 샘플링 탐침에 의해 낮은 수치로 측정된 CO 농도는 짧은 불꽃을 나타낸다. 동일한 화학량론적인 조건을 사용하여, 이 특정 노에서 짧은 불꽃이 제시하는 바는 비교적 낮은 온도의 연관 기체가 존재한다는 것이다.
또한, 일반적인 "관내관" 디자인[즉, 고리형 산소 스트림에 의해 둘러싸인 천연기체의 주입]을 사용하여 후혼합 유형의 산소-천연기체 버너를 파일럿 노에서 시험하였다. 이 버너는 노의 벽에 부착되어 연관 기체중 NOx 500 ppm을 생성하였다.
본 발명의 시스템에서는, 간격 h가 2.5 cm이고, 두 면사이의 각도가 0°인 경우, 상기 버너 블록으로부터 떨어진 안정한 불꽃이 생성되었다. 이는 연료와 산소 제트류간에 극히 양호한 혼합이 이루어지는 것을 입증한다. 불꽃 길이는, 특히 연료의 속도가 산소 속도의 2 내지 4 배인 경우에 짧았다(1.5 m). NOx 농도는 400 ppm이었다. 그 불꽃은 참고용 불꽃보다 약간 넓어 보였다.
거리 h를 증가시키면(여전히 α=0°를 유지), 천연기체와 산소의 혼합이 지연되고, 불꽃 내부에 약간의 그을음이 형성되었다. h = 8 cm에서는, 불꽃은 매우 부피가 크며 매우 길어졌다. 버너가 장착되어 있는 버너 블록으로부터 2 m 떨어진 곳의 수냉식 샘플링 탐침상에 다량의 그을음이 관찰되었다. 불꽃은 눈에 보이나, 불꽃의 경계는, 불꽃 상태가 불안정하여 한정하기가 곤란하였다. 노의 압력은 이러한 불안정성으로 인해 중요한 압력 변동을 보인다. NOx의 방출은 60 ppm으로 급격히 감소하였다. 비록, 연소의 질이 비교적 불량한 것으로 보이기는 하나, 연관 기체내에 잔존한 CO는 없었다.
h = 8 cm에서, 제1 평면과 제2 평면사이의 각도를 5°, 10°및 20°로 증가시키는 경우, 불꽃 안정성이 개선되었다.α= 20° 에서 가장 안정하였다. 상기 각도가 20° 를 넘으면, 생성되는 그을음의 양 및 불꽃의 광도가 현저히 감소하지않으며, 불꽃 폭도 현저히 감소하지 않으나, 연관 기체내의 NOx 농도를 증가시키고 불꽃 길이를 감소시킨다. 또한, 산소 속도가 감소하는 경우에도, 20° 의 각도에서 연료 시이트상에 산소 제트류를 충돌시키면, "시이트"의 모양이 변형되어 제1 평면에 평행한 벽쪽으로 그 제트류를 편향시키는데, 이는 바람직하지 못한 것으로 밝혀졌다. 불꽃은 5° 내지 15° 의 각도에서는, 그 상태가 안정 또는 극히 안정한(h = 8 cm인 경우) 것으로 생각될 수 있다.
주어진 배열에서, 천연기체의 속도 대 산소 속도의 비를 증가시키면, 불꽃 안정성이 개선된다. 예를 들면,α= 10° 이고 h = 8 cm인 배열에서는, 연료 속도가 70 m/s 이고 산소 속도가 16 m/s인 것이 안정하다. 그러나, 이러한 안정 효과는 불꽃 길이 및 광도에 대해서는 유해하다. 모든 천연기체가 2개의 외부 천연기체 캐비티를 관통하여 흐르도록 제1 평면 중앙에 존재하는 천연기체 주입기를 폐쇄함으로써 천연기체 속도를 높였다.
그러나, 하나의 천연기체 주입기가 예컨대 도 5에 도시된 바와 같이 제2 평면의 2개의 산소 캐비티 사이에 배치되는 경우, 바람직하게는 제1 평면(2)의 1개의 천연기체 주입기(21)가 각각의 산소 주입기(23, 24)로부터 실질적으로 동일한 거리에 있도록, 제2 평면(4)으로 이동되거나 또는 그 주입기가 폐쇄되는 경우, 불꽃 광도 및 불꽃 길이에 영향을 미치지 않고 불꽃 안정성을 현저히 개선시킬 수 있다는 것이 예기치 않게 발견되었다. 다른 두개의 연료 캐비티(20, 22)는 동일한 위치를 유지한다. 가장 바람직하게는, 3개의 기체 캐비티(20, 21, 22) 및 두개의 산소 캐비티(23, 24)가 제공되는 경우, 제1 평면(2)에는 두개의 천연기체 캐비티(20, 22)가, 제2 평면(4)에는 두개의 산소 캐비티(23, 24)가 배치되고, 제3의 천연기체 주입기(21)가 제2 평면(4)내에 또는 그 가까이에, 바람직하게는 연료 캐비티로부터 실질적으로 동일한 거리로 배치되며, 그 거리는 두개의 산소 캐비티로부터의 거리 보다 바람직하게는 작거나 또는 더욱 바람직하게는 최대 동일한 거리이다. 불꽃 안정성을 개선시키기 위해, 상기 제1 평면(2)으로부터의 천연기체 흐름의 약 ⅓을 우회시킬 수 있다. 연소 안정화 구간은 제1 연료 평면(2)과 제2 (산화제) 평면(4)사이에 설치되어, 주된 연료 시이트 위에서 연소를 개시한다. 안정화용 천연 보조 제트류의 바람직한 위치는 산소 캐비티 사이에 있는 중간 평면이다. 천연기체 속도가 44 m/s이고, 산소 속도가 16 m/s이며, 간격 h가 8 cm이고, 각도α가 10° 인 조건에서, 상기 보조 천연기체 주입기가 정확히 산소 캐비티 사이에 배치되는 경우에는, 상기 보조 천연기체 주입기가 하나 또는 다른 산소 캐비티들에 더 가깝게 배치되는 경우(74 ppm) 보다 낮은 NOx 방출(63 ppm)이 일어난다. 그러나, 두 경우 모두, NOx 방출이 낮다.
제1 평면 방향의 벽으로 열전달을 증가시키기 위해, 각도α를 변형시키는 것이 유리할 수 있다. 각도α를 0° 에서 10° 로 증가시키면, 제1 평면(2) 근방의 벽과 마주한 벽사이의 온도차는 0 ℃에서 27 ℃로 증가한다는 것이 밝혀졌다.α= 20°에서, 상기 온도차는 32℃였다.
그러므로, 본 발명의 연소 시스템은 화로(火路) 방향으로 열전달을 증가시키고 노의 크라운 온도를 감소시키는 데 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 도 6에 예로서 도시된 바와 같이, 연료캐비티(20, 22)의 제1 평면(2)에 보조 산소 주입기(25)를 장착하는 경우, 불꽃 안정성을 동일하게 향상시킬 수 있다(산소 주입기 및 기체 캐비티를 도 5에서 개시된 바와 동일한 상대적 위치로 적용한다). 이 배열에서, 제2 평면(4)에 두개의 산소 캐비티(23, 24)가 존재하며, 제1 평면(2)에는 두개의 연료 캐비티(20, 22) 및 하나의 산소 주입기(25)가 존재한다.
상기 연소 시스템의 조작에 대한 기술로부터 알 수 있는 바와 같이, 불꽃 길이는 산소 캐비티의 제2 평면(4)과 연료 캐비티의 제1 연료 평면(2)사이의 각도α를 변화시킴에 따라 조절할 수 있다. 불꽃 안정성은, 산소 캐비티 근처에 보조적인 연료를 주입함으로써 또는 연료 캐비티 근처에 보조적인 산소를 주입함으로써 불꽃 길이 조정 범위에 따라 강화 및 유지된다. 또한, 두 불꽃사이의 각도를 변경시킴으로써 노의 화로 방향으로 열 전달을 증가시킬 수 있으며, 이로써 연소되는 연료의 효율을 개선시킬 수 있다. 유리 노의 경우, 노의 일부 부위에 대한 추가 열전달은, 용융된 유리의 대류 순환을 촉진하고/또는 노내 용융 유리의 체류 시간을 증가시켜 유리 품질을 향상시키는 데 유효하다.
본 발명의 연소 시스템은, 예를 들면 기존노의 공기-연료 연소 시스템을 대체하고/또는 신규한 노내의 주에너지원으로 사용하고자 한다.
본 발명의 다른 특징으로는, 선단부(즉, 출구면(10))가 측면에 대해 약간 각이 진, 일반적으로는 굽은, 바람직하게는 둥근 산화제 출구를 갖는 버너를 제공한다. 놀랍게도, 각이진 출구는 산소를 흐르게 하므로 불꽃을 더 넓게 하고 연료가 미 연소된 채로 방출되는 것을 막는다는 것이 밝혀졌다. 추가로, 상기 둥근 선단부는 난류를 잘 야기시키지 않으므로 불꽃 형상에 관한 조절이 양호하다.
사실, 적정한 불꽃 형상을 얻는 것이 가장 중요하며, 고객의 요구에 따라 불꽃 형상을 조절할 수 있는 것이 매우 유리하다.
본 발명의 이러한 내용 및 다른 내용은 도 7 내지 도 12를 참고로 추가 설명되어 있다.
도 7에 도시된 본 발명의 바람직한 버너 조립체는 다음의 주 부품, 즉 (1) 내화성 블록(5), (2) 장착용 브래킷 조립체(72), (3) 상기 장착용 브래킷 조립체 하부에 배치되 연료 분배기(74) 및 (4) 상기 장착용 브래킷 조립체 상부에 배치되 산화제 분배기(76)로 이루어진다. 연료는 입구(78)를 통해 공급되며, 산화제는 입구(80)를 통해 상기 버너 조립체에 공급된다.
도 8a(평면도), 도 8b(이면도), 및 도 8c(측면도)에서, 연료 캐비티 및 산화제 캐비티들은 내화성 블록(5)을 관통하는 곧은 구멍이다. 각 산화제 캐비티 및 각 연료 캐비티의 기체 분출구는 곧은 에지의 반대쪽 상기 기체 출구면(10)에서 둥근 에지를 갖는다. 상기 둥근 에지는 상기 블록으로부터 그 주위의 대기 중에 배출되는 기체 흐름의 구배를 감소시키며, 이는 대기 중에 함유된 입자 또는 휘발종이 상기 캐비티의 출구 주의에 형성되는 것을 막는데, 이와 같은 캐비티의 형상은 역으로, 캐비티의 기하구조를 변경시킬 것이다. 이것은 특히 천연기체 캐비티의 경우에 중요하다. 왜냐하면, 상기 물질의 형성 과정은 천연기체의 열적 균열 및 내화성 블록으로부터 나오는 천연기체 출구에서의 코우크스 침전물 형성으로 인해 악화될 수 있기 때문이다. 이는 노의 흐름방향을 변경시킬 수도 있다.
연료용으로 사용되는 하부 캐비티는, 시이트 패턴으로 연료 기체 흐름을 분배시키기 위해 분기 각도β를 형성한다. 도 8a에 도시되어 있는 각도β는 5° 이다. 각도 수치의 시뮬레이션 결과, 천연기체 캐비티의 각도가 증가할수록 불꽃의 폭이 증가될 수 있음이 밝혀졌다. 예를 들면,β= 7.5° 인 경우,β= 5° 인 경우에 비해 보다 넓은 폭의 불꽃을 생성하지만 불꽃의 길이를 격감시키지는 않는다.
도 9a(측면도) 및 도 9b(평면도)에 도시된 본 발명의 내화성 블록(5)은 5개의 캐비티를 갖는다. 그 중 세개는 노의 연료 주입용으로서 블록의 하부에 존재하며 나머지 2개는 산화제 주입용으로서 상부에 존재한다. 도 9a 및 도 9b에 도시된 내화성 블록(5)은 산화제용 캐비티(91, 92) 및 연료용 캐비티(94, 96, 98)과 같은 다수개의 캐비티 또는 블록의 중앙을 관통하는 구멍을 갖는 단일의 내화성 재료로 일체적으로 형성되는 것이 바람직하다. 도 9a 및 도 9b에 예시된 실시 형태에서, 산화제용 캐비티(91, 92)는 처음에는 연료용 캐비티와 서로 평행하나(부분(91a, 92a) 참조), 그 후에는 2의 각도로 좌우 분리되고μ의 각도로 연료 캐비티를 향해 편향되어 있다. 또한, 연료용 캐비티(94, 98)(블록(5)의 양측에 두개)는 중앙 연료 캐비티(96)로부터 일정한 각도, 바람직하게는로 이격되어 있다는 것을 주의하여야 한다. 이러한 디자인은 도 8에 예시된 상기 실시 형태의 디자인에서보다 연료 캐비티의 출구를 서로 더 가깝게 배치할 수 있게 한다. 이러한 연료 배출구는 사용 연료가 연료 오일인 경우, 유용할 수 있다.
내화성 블록으로 적당한 재료로는 융해 지르코니아(ZrO2), 융해 주조 AZS(알루미나-지르코니아-실리카), 재결합 AZS, 또는 융해 주조 알루미나(Al1O3)가 있다. 최적의 재료는, 유리 탱크 중에 용융된 유리의 종류에 따라 기타 인자들을 고려하여 선택된다.
도 8에 도시된 직선형 캐비티는 상기 기체용 배출구가 일부 재료로 폐쇄된 경우, 그것을 청소하기가 용이한 구조이다. 그러나, 연료 기체 스트림에 분기각을 부여하는 것은, 이들 캐비티의 마지막 몇 cm 부분의 각도 조절로도 충분하다. 이러한 캐비티 디자인은, 산화제 캐비티의 경우, 도 10a(산화제 캐비티만을 도시하는 평단면도), 도 10b(연료 캐비티 및 산화제 캐비티를 도시하는 평면도), 도 10c(이면도) 및 도 10d(측면도)에 도시되어 있다. 산화제 캐비티(91, 92) 각각은 두개의 직선형 흐름 통로(flow path, 91a, 92a)로 이루어지는데, 이들은 처음에는 서로 평행하고, 그 출구 근처에서 조금 외측으로 편향되어 있다. 상기 작은 각도로 편향되어 있는 목적은 산화제 흐름을 외향시키기 위한 것으로 전술한 연료 기체의 제트류와 유사한 유형이다. 실험 및 시험 분야에서, 산화제(산소를 사용하는 테스트에서) 캐비티의 각도 조절은 불꽃에 더 큰 안정성을 부여함과 동시에 불꽃 길이를 현저히 감소시키지 않으면서 불꽃의 너비를 넓힘으로써 상기 버너 조작에 잇점을 준다. 바람직한 배열은 배출구에서 두개의 산화제 캐비티 사이의 각도가 양측의 두개의 연료 기체 캐비티 사이의 각도와 같게 하는 경우이다.
도 11a 내지 11e에 도시된 실시 형태는 도 10에 도시된 실시 형태와 유사하다. 단, 도 11e에서 출구 근방에서 외측으로 작은 각도로 조절된 두개의 양 연료주입기가 예시되어 있다. 즉, 양 산화제 캐비티(91b, 92b)가 출구면(10) 뿐만 아니라 두개의 양 연료 주입기(94b, 98b) 근방에서 외측으로 구부러져 있다. 도 8, 도 10 및 도 11로부터, 산소 캐비티는 천연기체 캐비티 쪽 하류로 각도 조절되는 것이 바람직하다고 볼 수 있다. 도면들에 도시된 각도는 10° 이다. 소정의 조건하에서는, 이 같은 작은 각도(7.5° )를 사용할 수 있다. 또한, 이들 캐비티의 마지막 몇 인치 부분의 각도 조절은 산소 제트류와 천연기체의 제트류 사이에 수렴 각도를 부여하기에는 충분하다.
도 12에 도시된 본 발명의 버너 조립체는 플레이트 P에 나사로 죈 볼트(32)에 상호 체결되어 있는 내화성 블록(5)의 상부 및 하부의 양쪽에 위치하는 두 부분으로 이루어진 장착용 브래킷을 포함한다. 장착용 브래킷 조립체는 내화성 블록의 수직홈 G1및 G2로 미끄러져 들어가서, 볼트(60, 61)에 의해 제위치에 배치되면, 블록에 잘 고정된다.
도 12의 산화제 분배기(30)는 볼트(32) 및 플레이트(34)와 함께 장착용 브래킷 조립체상에 직접 장착된다. 이 분배기 및 블록 사이는 개스킷(36)에 의해 확실히 밀봉된다. 분배기는 산화제 주입기(40, 41)가 용접된 1매의 플레이트(38)를 구비한다. 이들 산화제 주입기가 버너 상에 장착되는 경우, 산화제 캐비티의 기하구조에 의해 가능한 흐름 방향으로의 여하한 변화를 나타내기 전에, 블록(5)의 버너 내에 이 주입기가 캐비티를 관통하여, 블록의 출구면(10)으로부터 10 cm(4 inch) 떨어진 곳에서 멈춘다.
연료 기체 분배기(50)는 빠른 연결 클램프(quick connect clamp)(53a, 53b)에 의해 플레이트(52)상에 장착된다. 플레이트(52)는 볼트(54a, 54b)에 의해 장착용 브래킷에 부착된다. 플레이트(52)와 내화성 블록(5) 사이는 개스킷(56)에 의해 확실히 밀폐된다. 연료 기체 캐비티의 기하구조에 의해 가능한 흐름 방향으로의 여하한 변화를 나타내기 전에 3개의 기체 주입기(58a, 58b, 58c)는 내화성 블록(5)을 관통하여, 그 블록(5)의 출구면(10)으로부터 10 cm(4 inch) 떨어진 곳에서 멈춘다. 연료 기체 주입기의 유입구 헤드는, 주입기(60)와 플레이트(52)사이에 가두어져 있다. 연료 기체 주입기의 기밀도는 연료 기체 주입기의 유입구 헤드상에 위치된 O-고리(62, 64)에 의해 보장된다. 도 12d에서는, 특히 관 시일링을 상세히 기술하고 있다.
도 13a는 두개의 산화제 캐비티 출구(91a, 91b), 세개의 연료 기체 캐비티 출구(94a, 94b, 94c), 및 하나의 액체 연료 캐비티 출구(95)를 예시하는 본 발명에 유용한 블록(5)의 사시도이다. 도 13b는 간격 d1및 d2를 예시하는 도 13a의 내화성 블록의 기체 출구의 단면도로서, d2는 두개의 산화제 캐비티(91)를 포함한 평면(제2 평면)과 액체 연료 캐비티(95) 사이의 간격이며, d1은 제2 평면과 세개의 연료 기체 캐비티(94)를 포함한 평면사이의 간격이다(단, d1은 도 2에서의 h와 같은 거리이다). 도 13c는 사실상 기체 연료 출구는 존재하지 않으나 단지 하나의 액체 연료 출구(97)가 존재하는 실시 형태를 예시하는 도 13a의 내화성 블록을 위해 설계된 대안적인 기체 출구의 측면도이다(두개의 산화제 기체 출구는 도 13a에 예시된 것과 동일함).
본 발명 버너의 출력과, 도 2, 도 13b, 및 도 22에 도시된 간격 d1= h, d2, d, D, L 및 2 ℓ 사이에는 일정한 상관 관계가 존재한다는 것이 밝혀졌다. 만약 버너의 산소 출구 및 천연기체 출구 간의 거리를 d1이라고 하면, 하기 수학식 1과 같이 표시된다.
[수학식 1]
상기 수학식 1 중에서, P는 kW 단위의 버너 용량이고, A는, 110 mm ≤ A < 500 mm이다. A에 대한 바람직한 값은 110 mm이다. 연료 기체 출구를 포함하는 평면으로부터 액체 연료 출구를 포함하는 평행한 평면까지의 거리를 d2로 정의하면, 하기 수학식 2를 만족한다.
[수학식 2]
상기 수학식 중,
IFO= 캐비티 또는 주입기내 액체 연료 운동량,
IAIR= 주입기 또는 캐비티내 분무화 공기 운동량,
ING= 기체 연료 운동량,
ρ FO= 액체 연료 비중 및,
ρ NG= 기체 연료 비중이다.
A의 바람직한 값과 하기의 운동량 값에 대해서 하기 표 1에 수록된 수치를 얻을 수 있다.
IFO= 0.06 N,
IAIR= 1.79 N,
ING= 1.56 N,
ρ FO= 0.9 kg/dm3, 및
ρ NG= 0.74 kg/m3이다.
[표 1]
도 14는 내화성 블록을 갖지 않는 버너 조립체의 측단면도로서, 본 발명의 버너 조립체의 또 다른 실시형에 따라, 산화제 주입기(102) 및 연료 주입기(104)만이 노 또는 유리 융해 탱크의 벽(100)을 관통하여 삽입 및 고정되어 있다. 산화제 주입기는, 어떠한 각도 변화도 없는 곧은 상태로 예시되어 있으나, 물론 산화제 주입기는 처음에는 연료 주입기와 평행하게, 그 후 방향을 변화시켜서 연료 및 산화제를 연소 챔버내에서 혼합한다. 이 실시 형태는 또한 연료가 액체 연료인 경우에도 사용될 수 있다. 이러한 배열 뿐 아니라 도 17에 도시된 실시 형태는, 연료와 산화제를 연소 챔버내에서 연소된 연료에 의해 예열할 수 있다는 점에서 유용하며, 동시에 연료의 연소 효율을 증대시킨다.
도 15는 캐비티(산화제용 또는 연료용)(91a, 91b)를 예시하는 내화성 블록의평면도이다. 도 16은 도 15의 내화성 블록을 도시하는 평면도로서, 캐비티 내부에 짧은 주입기(102a, 102b)를 갖는 실시 형태를 예시한다. 도 17은 도 15의 내화성 블록의 평면도로서, 캐비티 밖으로 돌출하는 긴 주입기(102a, 102b)를 갖는 실시 형태를 예시한다.
II. 액체 연료 분무화의 설명
도 18은 본 발명에 유용한 액체 연료 분무기(200)의 단면도이다.
발명의 배경 기술 부분에서 전술한 바와 같이, 본 발명의 양태는 액체 연료 분무화의 세번째 유형의 범주에 든다. 이는 본 명세서에 기술된 본 발명의 버너 조립체와 같이, 기체상 유체를 사용하여 액체 연료의 분무화를 조절할 수 있는 완성된 디바이스 및 이러한 디바이스를 버너에 적용하는 것을 개시하고 있다.
본 발명에서는, 유체 도입 부재의 형상이 기하학적으로 유사하게 보일지라도, 연소 구간내로 유입되는 유체의 도입 형태는 분무화 기체와 액체 연료 소적의 2상 혼합물이다. 추가로, 본 발명의 구체적인 특징은 분무화가 노즐의 밖에서 일어나는 것(외부 분무화)과, 상대적으로 큰 각도(5° 내지 30° )를 갖는 명확히 상이한 스프레이 제트류를 형성시킨다는 것이다.
고온 연소 구간(1400℃ 내지 1700℃로 다양함)에서 조작되는 액체 연료용 분무기의 근본적인 제약은 내구성이다. 또한, 이 주입기의 출구에서 생성되는 불꽃은 더 높은 온도(2200℃ 이상)에서 머무는 산소 불꽃이다. 이러한 고온은 어떤 환경에서도 본 디바이스를 구성하는 요소에 하등의 손상을 일으키지 않아야 한다. 본 디바이스는 이러한 조건하에서 연속적으로 그리고 몇달 간격으로 관찰하여도 정상적으로 기능하여야 한다.
본 발명의 액체 연료 분무기는 단일한 넓은 불꽃, 단일한 긴 불꽃 또는 몇개의 짧은 불꽃을 동시에 생성할 수 있어야 한다.
본 발명의 분무기에 적용되는 분무화 원리는 외부 분무화이다. 이러한 선택은, 제3 세대의 버너(분리형 주입기를 수반하는 자체 냉각 버너)에서 사용되는 경우, 주입기의 열 저항 및 보존의 제약에 의해 필수적으로 부과된다. 실제로, 이러한 타입의 버너의 연료 주입기에 의해 잠재적으로 도달하는 온도 수준은, 제1 세대 및 제2 세대의 버너에서 도달하는 온도에 비해 훨씬 높다.
그러므로, 이 온도 범위는, 연료 분무와 고온 금속 부재 사이의 직접적인 접촉을 허용하지 않는다. 이 접촉은 주입기의 선단부에서 불가피하게 코우크스의 생성을 초래하여 단기간내에 선단부를 막히게 한다.
외부 분무화는, 이러한 어려움을 제거하여, 주입기에 1개월 정도의 서비스 주기를 보장할 수 있는 분무화의 한 유형이다. 실제로, 이 분무화는 주입기 밖에 분사물(spray)을 형성시키는 데 특징이 있으므로, 분사물과 금속 부재간의 접촉을 배제한다.
또한, 상기 디바이스의 설명으로부터 밝혀진 바와 같이, 액체 연료는 분무화 유체에 의해 일정하게 "피복(sheathed)"되며, 이것은 필요에 따라 가열되어, 주입기에 전달되는 열 플럭스가 제거된다. 냉각용 열전달 유체의 역할을 함으로써 상기 분무화 유체는 코우크스의 생성이 시작될 수 있는 과열 상태로부터 액체 연료를 보호한다.
A. 본 발명의 액체 분무화 디바이스의 기술(도 18)
본 발명의 분무화 디바이스는 액체 연료 주입기 및 이 주입기를 완전히 둘러싸는 외부 노즐에 특징이 있다.
분무화 디바이스의 소제를 용이하게 하기 위해, 이 외부 노즐은 두개의 대칭 카울(cowl)로 구성되는데, 이것들이 서로 대면하는 경우, 액체 연료 주입기를 완전히 둘러싸서 외부 노즐을 형성한다.
도 18 및 도 19를 참고로 하면, 도 18에서는 액체 연료 주입기(200)는 내경이 DOI이고, 외경이 DOE인, 일정한 갯수의 중공의 기본적인 도관(C1, C2. C3)이 단부에 있는 중공 실린더로 이루어진다. 액체 연료는 직경 DOI의 실린더 내에 공급되며, 그 후 모든 중공 도관의 내부로 공급된 후, 액체 연료 주입기(연소 챔버측) 외부로 배출된다. 기본적인 도관 숫자는 2 내지 5개(전형적으로는 2 또는 3개)이다. 모든 기본적인 도관의 축은 같은 평면("분무 평면"으로 일컬음)에 존재하며, 이 평면은 중공 실린더(DOI;DOE)의 축을 포함한다.
도 18 및 추가의 기술에서, 기호 "i"로 표시되는 것은 양호한 위치에서 "기본적 분무기 i"를 나타내는데, 여기서 i는 이 분무기 디바이스와 함께 배치된 기본적인 주입기 갯수에 따라 1, 2, 3, 4 또는 5가 될 수 있다.
각 중공 도관은 내경 Di 1(이 내부에 액체 연료가 흐름) 및 "외경" Di 2를 갖는다. 도관의 외부 모양은 반드시 원통형일 필요는 없다. 즉, 정사각형 부분을 갖는평행 6 면체일 수 있다. 이 경우, Di 2는 상기 정사각형의 측면이며, 이 측면은 "분무 평면"과 평행을 이룬다.
이 도관의 각각은 상기 실린더(DOI:DOE)의 축에 대하여 경사 각도α i 1를 갖는다. 이 각도는 "분사 평면"에 있다.
이 도관 각각의 길이(실린더(DOI:DOE)와 도관 종단부와의 거리)는 Li 1이다.
B. 외부 노즐의 설명(도 19a 및 도 19b)
외부 노즐은 1개의 확장 부분(profiled part)에 의해 연장되어 있는 중공 실린더(내경 DFI및 외경 DFE)로 형성된다. 직경 DFI의 실린더와 통합된 통로는 노즐의 확장 부분의 내부를 관통한다. 통로의 수는 액체 연료 주입기내에 존재하는 기본적인 도관의 수와 일치한다. 이러한 통로의 모든 축은 "분사 평면"에 있으며, 이 평면은 또한 실린더(DFI;DFE)의 축을 포함한다.
이들 통로는 길이 Li 2및 직경 Di 3를 갖는다. 통로의 형상은 연료 주입기의 기본적인 도관의 형상과 같다. 즉, 원통형이거나 또는 정사각형 구간을 갖는 평행 6면체가 될 수 있다(전자에서는, Di 3가 실린더의 직경이고, 후자에서는, Di 3가 "분사평면"에 평행한, 정사각형의 측면의 길이이다).
이들 통로의 각각은, 중공 실린더(DFI;DFE)의 축에 대하여 소정의 경사각α i 2를 이룬다. 이 각도는 "분사 평면"에 있다.
중공 실린더(DOI;DOE)의 축은 중공 실린더(DFI;DFE)의 축과 일치한다.
분무화 유체는 외부 노즐의 내부와, 액체 연료 주입기 둘레로 공급된다.
C. "기본적인 분무기"의 설명(도 18).
기본적인 분무기는 주로 다음 요소로 이루어진다.
- 내부로 액체 연료가 흐르는 중공 도관(이 도관의 외부는 원통형이거나 또는 정사각형 부분을 갖는 평행 6 면체이고, 이 도관의 내부 기하구조는 원통형이다).
- 중공 도관이 배열된 규격화된 통로(machined channel)(이 통로의 기하 구조는 중공 도관의 외부 기하구조와 같다. 분무화 유체는 중공 도관의 주변에서 존재하여 이 통로를 순환한다.
액체 연료의 외부 분무화를 제공하기 위해서는, 분무화 유체에 의해 본 발명의 분무화 디바이스를 구성하는 모든 기본적인 분무기는 정확한 기술 기준에 부합해야 한다.
각각의 기본적인 분무기 i(여기서, i는 본 발명의 분무화 디바이스가 갖는 기본적인 주입기의 숫자에 따라 1, 2, 3, 4 또는 5가 될 수 있음)에 대해, 다음을 적용한다.
1. 액체 연료가 순환하는 경우, 중공 도관의 막힘을 피하기 위해, Di 1≥ 0.5 mm이고, 전형적으로 Di 1= 2 mm이다.
2. 중공 도관의 두께는, 그것의 외주를 따라 흐르는 분무화 유체에 의해 도관으로부터 배출될 때, 액체 연료 제트류의 즉각적인 분배를 위해 가능한한 얇아야 한다. 즉, 분무화 유체와 연료를 분리시키는 부재의 두께가 작을수록, 이들 두 유체는 더욱 빨리 접촉하므로 두 제트류의 더 효과적인 전단이 이루어질 것이다. 또한, 도관 두께가 감소하면 입체 각도가 작은 분사물 형성이 잘 된다.
3. 마지막으로, 이러한 두께의 감소는 연소 챔버로부터 열 복사되는 부재의 양을 감소시킨다. 즉, 도관의 두께가 얇을수록, 도관에 의해 포집되는 열량도 더욱 제한될 것이다. 그 결과, 도관의 온도는 낮아진다.
이에 반해, 이 두께는 분무화 디바이스의 조작 중에 발생하는 쇼크에 대한 기계적 내구성을 제공하기에 충분해야한다.
Di 2- Di 1≤ 6 mm 이고, 전형적으로 그리고 바람직하게, Di 2- Di 1= 1mm이다.
중공 도관의 외부와 상기 통로의 내부("불꽃") 간의 간격은 분무화 유체의 속도(V분무화 유체)가 관계식(마하 0.3 ≤ V분무화 유체≤ 마하 1.2)을 따르는 방식으로 적당한 비율로 조절해야 한다. 따라서, 분무화되는 연료의 공급 속도에 따라 하기식이 적용된다.
0.2mm ≤ (Di 3-Di 2) ≤ 6mm,
전형적으로, Di 3- Di 2= 1 mm
기본적인 분무기의 각각의 목적은, 정확한 방향으로 소적 분사물을 분출시키는 것이다. 그 방향은 통로 및 액체 연료용 중공 도관의 축 방향이다.
분사물을 구성하는 소적의 궤도의 정확한 방위를 보장하기 위해, 통로의 축과 중공 도관의 축사이에 완전한 동축상태를 갖게 할 필요가 있다. 그러므로, 판정 기준은 식α i 1=α i 2으로 나타낸다. 또한, 중공 도관의 길이 및 통로의 길이는 각각의 도관내에서 두개의 유체 흐름을 확실히 유지하기에 충분해야 한다. 만약 두개의 유체가 각 속도 벡터의 좌표 성분이 동일한 방위를 지니고 연소 챔버로 유입되기를 원한다면, 하기 식의 조건이 바람직하다.
Li 1≥ 5 Di 1이고, 전형적으로 Li 1= 10 Di 1이며,
Li 2≥ 5 (D1 3- Di 2)이고, 전형적으로 Li 2= 15(Di 3- Di 2).
D. 상이한 기본적인 분무기들 사이의 유체 분배
이 디바이스를 형성하는 상이한 기본적인 도관 사이의 액체 연료의 적절한 분배를 확실히 하기 위해, 하기 식으로 나타낸 표준이 만족되어야 한다.
DOI 2≥ 1.3ΣiDi 1 2이고, 전형적으로는 DOI= 4 mm
또한, 상이한 도관의 길이는 가능한 한 근사해야한다. 즉, i 및 j를 두개의 기본적인 분무기로 하면, 하기 식이 만족된다.
Li 1= Lj 1
각각의 기본적인 도관에 대해 상이한 액체 연료 공급 속도로 배급하기를 원하는가 원하지 않는 가에 따라, 기본적인 도관의 각각에 구체적인 Di 1값을 선택할 수도 그렇지 않을 수도 있다. Di 1이 클수록 기본적인 분무기 i에 의해 다량의 연료가 이송된다.
상기 디바이스를 형성하는 다양한 기본적인 통로에 분무화 유체를 적절히 공급하는 것을 확실히 하기 위해, 하기 식으로 나타내는 판정 조건이 만족되어야 한다.
또한, 상이한 도관의 길이는 가능한한 서로 근사해야 한다. 즉,
i 및 j를 두개의 기본적인 분무기로 하면, 하기 식이 만족된다.
Li 2= Lj 2
F. 상이한 기본적인 분무기 사이의 상대 각도 : 예로, 세개의 기본적인 분무기를 구비한 디바이스의 실시예(도 18)
상이한 기본적인 분무기 사이의 상대적인 각도는 그 분무기 디바이스를 구성하는 기본적인 분무기 수 및 얻고자 기대하는 불꽃 형태의 함수이다.
일반적으로, 기본적인 분무기의 수가 크고 이 기본적인 분무기 사이의 상대 각도가 클수록 불꽃은 넓고 짧아질 것이다. 역으로, 작은 상대각도(10 ° 정도, 즉α 11 =α 1 2= 5° 이고α 2 1=α 2 2= 5° )를 갖는 두개의 기본적인 분무기를 구비한 분무기 디바이스에서는 길고 직선형인 불꽃을 생성할 것이다.
예컨대, 각각 세개의 기본적인 분무기를 구비한 두개의 분무화 디바이스를 갖는 유리 노 및 파일럿 노내 공업적 테스트에서 연료 오일 공급 속도 = 100 kg/h, 분무화 공기 공급 속도 = 20 kg/h의 조건하에 다음 불꽃을 얻었다.
기본적인 분무기의 각도 및 액체 연료를 이송하는 중공 도관의 상대적인 직경에 따라, 기본적인 분무기의 각각에 대해 별개의 불꽃을 얻을 수도 있다.
그러므로, 상기와 동일한 연료 오일 및 분무화 공기 공급 속도에서 다음과 같은 디바이스의 경우, 다음의 결과가 얻어진다.
F. 유리노내 분무화 디바이스의 사용에 관련한 외부 노즐의 추가 특징(도 19a 및 도 19b)
유리노(1500℃ 내지 1670℃ 범위의 고온 연소 챔버)에서 이 디바이스를 연속적으로 이용하는 경우, 본 발명의 분무화 디바이스는 몇 개월 단위로 안정한 불꽃 생성을 보장할 수 있어야 한다. 선택된 분무화의 구조는 디바이스를 구성하는 금속 부재의 온도를 1100℃ 이하로 유지할 수 있다. 그러므로, 1600℃에서 유리노에서 1개월간 시행한 공업적인 테스트 과정에서 상기 디바이스의 선단부에서 측정된 온도는, 800 ℃를 넘지 않았다.
이 온도는, 유리의 융해 온도(∼1350 ℃)에 비해 그리 높지 않으며, 유리노에 있는 유리질 재료에 의한 집적현상을 유발한다.
외부 노즐의 외측에 유리 집적층이 형성되는 것을 피하기 위해서 두개의 대칭 오리피스를 노즐내에 구비시킨다(도 19a 및 도 19b). 직경 DOR및 높이 HOR은 상기 오리피스로부터 나오는 분무 유체 제트류가 이 외부 노즐의 말단 전부를 덮을 정도로 설정한다. 전형적으로, DOR은 약 1 mm이고, HOR은 약 10 mm이다.
G. 기하 구조를 고정한 상태로 불꽃 길이의 제어
본 발명의 분무화 디바이스의 소정 기하 구조에 대해서, 이 디바이스를 사용하는 버너에 의해 생성된 1개 또는 다수의 불꽃의 길이를 상당히 다르게 할 수 있다. 이 디바이스가 유리노내에 배치되었을 때 관찰되는 (일정한 연료 공급 속도에서의 불꽃 길이에 관한) 자유도는 1 내지 3의 비이다(불꽃 길이는 3.7 내지 1.2 m로 다양함).
이러한 불꽃 길이의 제어는 외부 노즐과 액체 연료 주입기 사이를 흐르는 분무화용 유체 흐름의 공급 속도를 증가 또는 감소시킴으로써 달성된다. 이 공급 속도의 변화량은 분무화 디바이스로부터의 분무화 유체 업스트림의 압력 변형과 직접 연관된다.
통상의 용도에서, 이 디바이스는 1 내지 6 bar 사이의 분무화 유체 압력에서 기능한다. 상기 분무화 유체의 압력이 높을수록, 분무화 유체의 공급 속도 또한 커지며 얻은 불꽃(불꽃들)은 더 짧아지고 더 "강할" 것이다. 이 현상은 형성되는 분사물을 구성하는 액체 연료 소적의 입자 크기 분포 변화에 직접적으로 기인한다.분무화 유체의 공급 속도 증가는 평균 분무화 소적 직경을 감소시키고, 직경 분포를 이 평균 값 부근으로 좁게 만든다. 역으로, 분무화 유체의 공급 속도가 감소하면, 평균 직경을 증가시키고 상기 분포를 넓힐 것이다.
액체 연료의 총 연소 메카니즘은 각각의 중량에 따라 소정의 분무화로부터 얻어지는 불꽃의 유형을 완전히 결정하는 3개의 특징적 시간을 보여준다. 이 세개의 특징적인 시간은 증발 시간, 화학적 시간 및 유체 역학적 시간이다. 소적 직경 근처에 좁은 범위로 구획된 입자 크기 분포를 얻음으로써 소적의 증발을 위한 시간을 감소시키고, 이로써 급격한 폭연을 증가시키는데, 이는 화학적 시간이 거의 일정하기 때문이다. 그러므로, 이러한 분포(높은 분무화 유체 공급 속도)에 의해 특징지워지는 분무는 전형적인 급속 연소 타입의 짧은 불꽃을 극히 국소적인 공간에 생성한다.
적절히 가압된 분무화 유체로서, 가압 공기, 증기, 수증기 등을 사용하였다.
III. 기타 버너 조립체 실시 형태
도 20a는 내화성 블록(5)과 연료 기체 캐비티(94)를 동일한 그림에서 표시하며, 도 20b는 캐비티 목직경 D' 및 기체 배출구 직경 D의 주입기 또는 캐비티를 예시하는 개략도이다. 연료 기체에 대해, ℓ의 비(도 2에서 인접한 연료 기체 배출구사이의 거리)와 D'(연료 캐비티 또는 주입기의 목직경)의 범위가 1.5 내지 10이며, 바람직하게는 1.5 내지 3이고, 가장 바람직하게는 2이다. 도 20a는 또한 내화성 블록내의 캐비티가 기체 흐름의 방향으로 다양한 직경을 가지며, 기체 출구는 일반적으로 출구에서 굽은 형상이므로 출구가 덜 막히게 되어 있다.
도 21 및 도 22는 산화제 캐비티(91a, 91b)를 예시하는 본 발명의 범주내에 있는 두개의 다른 내화성 블록 실시 형태의 기체 출구 단부의 도면이다. 도 21의 실시 형태는 연료 기체 캐비티(94)가 각각의 캐비티에서 동심 기체 주입기를 가질 수 있다는 것을 예시하는데, 예를 들면 연료는, 저 출력 조작에 있어서, 직경이 작은 연료 기체 주입기(94')에 주입되고, 고 출력 버너 조작에 있어서, 직경이 큰 쪽의 연료 기체 주입기(94)만 또는 양 주입기(94, 94')를 통하여 주입될 수 있다. 이들 주입기(94, 94')사이의 연료 흐름은 적절한 밸브 배열에 의해 제어되거나 또는 주입기(94)와 (94') 중 하나 또는 나머지로 공급되는 라인내에 오리피스를 사용함으로써 제어할 수 있다. 액체 연료 주입기(95)도 도시되어 있다.
도 22는 본 발명의 내화성 블록의 매우 중요한 대체 실시 형태를 예시한다. 주위 산화제 주입기(91a, 91b)가 도시된 바와 같이 배치되고, 이격 간격 L이 인접한 연료 주입기 사이의 간격 ℓ의 두배 이상(즉 L > 2ℓ)인 경우, 불꽃의 안정성이 현저히 증가한다는 것이 밝혀졌다. 또한, 이 경향은 연료 및 산화제가 주입기만을 경유하여 주입되는 경우, 내화성 블록을 사용하는 경우에 비해 확실하다.
도 23 내지 31은 본 발명의 버너 조립체의 기타 실시 형태의 단면도를 예시한다. 도 23은 두개의 산화제 캐비티(91a, 91b)가 장방형인 출구를 가짐과 동시에, 세개의 연료 기체 출구(94) 및 1개의 액체 연료의 출구(95)를 갖는 실시 형태를 예시한다.
도 24는, 산화제가 두개의 산화제 출구(91a, 91b)로부터 분기하며, 또한 세개의 연료 출구(94')를 각각 에워싼 세개의 동심부(91')로부터 분기하는 실시 형태를 예시한다.
도 25는 그것의 폭이 높이 보다 훨씬 큰 장방형으로 존재하는 1개의 산화제 출구(91)를 갖는 예가 도시되어 있다. 이러한 실시 형태에서, 상기 산화제 캐비티 출구의 폭 대 높이의 비는 1:1 내지 4:1이 될 수 있다.
도 26은 타원체를 이루는 출구를 갖는 두개의 산화제 캐비티(91a, 91b)를 구비하며, 세개의 연료 기체 출구(94)를 갖는 한 실시 형태를 예시한다.
도 27은 원형 출구를 갖는 액체 연료 캐비티(95)를 추가로 포함하는, 도 26의 실시 형태와 유사한 실시 형태를 예시한다.
도 28은 원형 출구를 갖는 세개의 연료 기체 캐비티(94)와 함께, 타원형을 이루는 단일 산화제 출구(91)를 갖는 실시 형태를 예시한다.
도 29는 원형 출구를 갖는 액체 연료 캐비티(95)를 추가로 포함하는, 도 28의 실시 형태와 유사한 한 실시 형태를 예시한다.
도 30은 원형 출구를 갖는 두개의 연료 기체 캐비티(94)와 함께 1개의 타원형 산화제 출구(91)를 갖는 실시 형태를 예시한다.
도 31은 도 30의 실시 형태와 유사한 한 실시 형태로서, 원형 출구를 갖는 2개의 연료 기체 캐비티(94) 및 원형 출구를 갖는 추가의 액체 연료 캐비티(95)와 함께 1개의 타원형 산화제 출구(91)를 갖는 실시 형태를 예시한다.
도 32 및 도 33은 연료 출구(들)의 상부 및 하부의 하나 또는 그 이상의 위치로부터 산화제가 분기하는 실시 형태를 예시한다. 이 실시 형태에서, 연료 캐비티는 하부의 산화제 캐비티에 실질적으로 평행한 반면, 상부의 산화제 캐비티는 상부의 산화제 유체 흐름이 연료 유체 흐름과 수렴하고, 하부의 산화제 유체가 연소 챔버내에서 유동하도록 각도를 이룬다. 그러므로, 도 32에서는, 단일 연료 출구(94)의 상하에 각각 이중의 산화제 출구(91a, 91b)가 배치된다. 도 33에는 이와 유사한 실시 형태가 예시되어 있으나, 특히 2개의 연료 출구(94)의 위에 두개의 산화제 출구(91a, 91b)가 있으며, 2개의 연료 출구(94) 아래에 두개의 산화제 출구(91a', 91b')가 배치되어 있다. 또한, 그 상하에 대응하는 산화제 출구를 구비한 두개 이상의 연료 출구를 계획할 수 있다.
이상의 내용을 이해한 당업자라면 기타 많은 실시 형태를 만들 수 있을 것이다.
도 8 내지 도 11에 예시된 바와 같이, 모든 실시 형태에서의 산화제 및 연료 출구는 굽은 형인 것이 바람직하다는 점에 유의할 필요가 있다.
이상 설명한 본 발명의 내용으로부터, 당업자는 이 발명의 요지를 현저히 벗어나지 않는 범위에서 실시 형태의 변화, 수정 및 변경 실시가 가능함을 알 것이다.
이와 같이, 본 발명의 연소 방법 및 버너 조립체로 대표되는 연소 장치에 의하면, 생성하는 불꽃 크기 및 형상이 용도에 따라 적합하게 제어될 수 있음과 동시에 노를 사용함으로써 사용자가 바라는 대로 안전하고 확실하게 사용할 수 있다.

Claims (40)

  1. 연료를 산화제와 함께 연소시키는 방법으로서,
    (a) 산화제 유체 스트림을 공급하는 단계,
    (b) 상기 산화제 유체 스트림을 연소 챔버내로 주입하여 1 이상의 주입된 산화제 유체 스트림을 생성하는 단계,
    (c) 연료 유체 스트림을 공급하는 단계,
    (d) 상기 연료 유체 스트림을 연소 챔버내로 주입하여 2 이상의 주입된 연료 유체 스트림을 생성하는 단계,
    (e) 주입된 2 이상의 연료 유체 스트림을 연소 챔버내로 주입함으로써 연소 챔버내에 실질적으로 평탄한 연료 유체 시이트를 생성하는 단계(이 때, 주입된 연료 유체 스트림 중 2 이상의 스트림은 실질적으로 제1 연료 평면에 배치됨),
    (f) 연소 챔버내에서 산화제 유체 스트림과 연료 유체 시이트를 교차시키는 단계, 및
    (g) 연소 챔버내에서 산화제 유체와 연료 유체를 연소시키는 단계를 포함하고, 산화제의 대부분이 제2 평면을 구획하는 2 이상의 산화제 유체 스트림으로 주입되며, 상기 제2 평면에 있는 상기 2 이상의 산화제 스트림은 일정 수렴 각도로 상기 제1 평면의 상기 연료 스트림과 수렴하고 연소 챔버내 제1 연료 평면에서 연료 스트림과 교차하며, 2 이상의 인접하는 연료 유체 통로의 방향은 분기하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 2개의 인접한 연료 유체 스트림은 최종 분기 각도가 15°를 넘지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 연료 유체 스트림의 대부분이 실질적으로 제1 평면에 배치되고, 상기 제1 연료 평면은 상기 산화제 스트림 아래에 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 연료 유체 스트림의 전부가 실질적으로 제1 평면에 배치되고, 상기 제1 연료 평면은 상기 산화제 스트림의 아래에 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 연료 유체는 기체 연료인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 연료 유체는 메탄, 천연기체, 액화 천연기체, 증기 개질된 천연기체, 프로판, 일산화탄소, 수소, 분무 오일 또는 이들의 혼합물로 이루어지는 군 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 산화제 유체는 50 부피% 이상의 산소를 포함하는 산소 함유 기체인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제2항에 있어서, 최종 분기 각도가 3° 내지 10° 인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 산화제 전부가 제2 평면을 구획하는 2 이상의 산화제 유체 스트림으로 주입되고, 상기 제2 평면에 있는 2 이상의 산화제 스트림은 일정 수렴 각도로 상기 제1 평면의 상기 연료 스트림과 수렴하고 연소 챔버내 제1 연료 평면에서 연료 스트림과 교차하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 2 이상의 연료 유체 캐비티, 1 이상의 산화제 유체 캐비티와, 상기 연료 유체 캐비티 중 1 이상 또는 상기 산화제 유체 캐비티 중 1 이상 또는 이 둘 모두의 끝에 존재하는 1 이상의 출구면을 포함하는 버너 조립체로서,
    (a) 산화제 유체 스트림을 공급하는 수단,
    (b) 상기 산화제 유체 스트림을 1 이상의 산화제 유체 캐비티에 주입하여 1 이상의 주입된 산화제 유체 스트림을 생성하는 수단,
    (c) 연료 유체 스트림을 공급하는 수단,
    (d) 상기 연료 유체 스트림을 2 이상의 연료 유체 통로내에 주입하여 2 이상의 주입된 연료 유체 스트림을 생성하는 수단을 포함하고,
    (e) 상기 산화제 유체 스트림 및 상기 연료 유체 스트림의 주입 방향은 실질적으로 연소 구간에서 수렴하고 교차하며, 2 이상의 인접하는 연료 유체 통로의 방향은 분기하는 것을 특징으로 하는 버너 조립체.
  11. 산화제 공급원 및 연료 공급원과 유체 연통식으로 접합된 내화성 블록을 포함하고, 이 내화성 블록은 연료 및 산화제의 입구 단부와 출구 단부를 구비하며, 상기 출구 단부는 연료 출구 및 산화제 출구를 가지며, 상기 내화성 블록은 복수개의 연료 캐비티, 제1 연료 평면을 구획하는 2 이상의 연료 캐비티 및 제2 산화제 평면을 구획하는 복수개의 산화제 캐비티를 더 구비하며, 상기 연료 캐비티 수는 상기 산화제 캐비티 수보다 많은 것을 특징으로 하는 불꽃 길이 및 불꽃 형상 제어가 개선된 버너 조립체.
  12. 제11항에 있어서, 산화제 출구가 상기 연료 출구보다 큰 것을 특징으로 하는 버너 조립체.
  13. 제11항 있어서, 장착용 브래킷 조립체가 상기 내화성 블록의 연료 및 산화제 입구 단부에 탈착식으로 부착되어 있으며, 상기 장착용 브래킷 조립체는 기체 분배면을 갖는 것을 특징으로 하는 버너 조립체.
  14. 제13항에 있어서, 연료 분배기가 기체 분배면의 하부에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 버너 조립체.
  15. 제13항에 있어서, 산화제 분배기가 기체 분배면의 상부에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 버너 조립체.
  16. 제11항에 있어서, 상기 내화성 블록은 융해 지르코니아, 융해 주조 알루미나-지르코니아-실리카, 재결합 알루미나-지르코니아-실리카 및 융해 주조 알루미나로 이루어지는 군 중에서 선택된 재료인 것을 특징으로 하는 버너 조립체.
  17. 제11항에 있어서, 1개 이상의 캐비티가 그 내부에 주입기를 갖는 것을 특징으로 하는 버너 조립체.
  18. 제11항에 있어서, 상기 내화성 블록은 5개 이상의 캐비티를 갖는 것을 특징으로 하는 버너 조립체.
  19. 제11항에 있어서, 상기 내화성 블록은 그 하부에 상기 연료를 노의 연소 챔버에 주입하기 위한 3개의 캐비티를 가지며, 그 상부에 상기 산화제를 노의 연소 챔버에 주입하기 위한 2개의 캐비티를 갖는 것을 특징으로 하는 버너 조립체.
  20. 제11항에 있어서, 상기 연료 출구 및 산화제 출구는 원형인 것을 특징으로 하는 버너 조립체.
  21. 제11항에 있어서, 상기 연료 캐비티 각각은 목직경 D'를 갖는 목과, 출구 직경 d를 갖는 출구를 구비하고, 상기 연료 캐비티 출구는 거리 ℓ의 간격으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 버너 조립체.
  22. 제21항에 있어서, 상기 거리 ℓ : 상기 연료 캐비티 목의 최소 직경 D'의 비가 1.5 내지 10의 범위인 것을 특징으로 하는 버너 조립체.
  23. 제22항에 있어서, 상기 비는 1.5 내지 3의 범위인 것을 특징으로 하는 버너 조립체.
  24. 제22항에 있어서, 상기 비는 2인 것을 특징으로 하는 버너 조립체.
  25. 제11항에 있어서, 상기 연료 캐비티 각각은 출구 직경 d를 갖는 출구를 구비하고, 상기 연료 캐비티 출구는 거리 ℓ의 간격으로 이격되어 있으며, 거리 ℓ은 출구 직경 d의 4 내지 10배인 것을 특징으로 하는 버너 조립체.
  26. 제11항에 있어서, 상기 산화제 캐비티 각각은 출구 직경 D를 갖는 출구를 구비하고, 상기 산화제 캐비티 출구는 거리 L의 간격으로 이격되어 있으며, 거리 L은 출구 직경 D의 2 내지 10배인 것을 특징으로 하는 버너 조립체.
  27. 제11항에 있어서, 하기 수학식 2로 정의된 거리 d2만큼 상기 제1 연료 평면 아래에 배치된 1 이상의 액체 연료 주입기를 구비하며, 상기 제1 연료 평면 및 상기 제2 산화제 평면은 하기 수학식 1로 정의된 거리 d1만큼 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 버너 조립체:
    수학식 2
    수학식 1
    상기 수학식 2 중,
    IFO= 캐비티 또는 주입기내 액체 연료의 운동량,
    IAIR= 주입기 또는 캐비티내 분무화 공기의 운동량,
    ING= 기체 연료의 운동량,
    ρ FO= 액체 연료의 비중,
    ρ NG= 기체 연료의 비중이며,
    상기 수학 식 1 중,
    P는 kW 단위의 버너 용량이고,
    A는 110 mm ≤ A < 500 mm이다.
  28. 제27항에 있어서,
    A는 110 mm이고,
    IFO= 0.06 N,
    IAIR= 1.79N,
    ING= 1.56 N,
    ρ FO= 0.9 kg/dm3,
    ρ NG= 0.74 kg/m3이며,
    하기 표 1에 수록된 치수 값을 갖는 것을 특징으로 하는 버너 조립체:
    [표 1]
    상기 표 1 중, d는 기체 연료 출구의 직경이고, D는 산화제 출구의 직경이며, L은 최외곽 산화제 출구들 사이의 거리이고, ℓ은 임의의 두 연료 출구 사이의 거리이다.
  29. 제11항에 있어서, 2 이상의 말단의 산화제 캐비티는 거리 L로 이격되어 있고, 상기 연료 캐비티 중 인접하는 것들은 거리 ℓ로 이격되어 있으며, 상기 L은 ℓ 보다 2 배 이상 큰 것을 특징으로 하는 버너 조립체.
  30. 제11항에 있어서, 상기 제1 연료 평면의 상기 연료 유체 캐비티 중 1개 이상은 상기 캐비티내에 하나의 관을 구비하며, 이 관의 외경은 상기 캐비티의 내경보다 실질적으로 작은 것을 특징으로 하는 버너 조립체.
  31. 제11항에 있어서, 상기 산화제 제2 평면 및 상기 제1 연료 평면은 0° 내지 15° 범위의 각도로 수렴하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 버너 조립체.
  32. 제12항에 있어서, 1개 이상의 캐비티 내부에 주입기를 배치시킨 것을 특징으로 하는 버너 조립체.
  33. 제32항에 있어서, 상기 주입기는 연소 챔버내로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 버너 조립체.
  34. 제32항에 있어서, 상기 주입기는 연소 챔버내로는 돌출되지 않으나, 내화성 블록의 내부 위치에 도달하는 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 버너 조립체.
  35. 연료 및 산화제 유입 단부와 연료 및 산화제 배출 단부를 구비하며 단일의 연료 캐비티 및 복수개의 산화제 캐비티를 더 구비하는 내화성 블록을 포함하고, 상기 산화제 캐비티는 내화성 블록의 상부 및 연료 캐비티의 위에 배치된 산화제 평면을 구획하는 것을 특징으로 하는 불꽃 길이 및 불꽃 형상 제어가 개선된 버너 조립체.
  36. 연료 및 산화제 유입 단부와 연료 및 산화제 배출 단부를 구비하며 복수개의 연료 캐비티 및 복수개의 산화제 캐비티를 더 구비하는 내화성 블록을 포함하고, 상기 산화제 캐비티 중 2 이상은 내화성 블록의 상부 및 연료면을 구획하는 연료 캐비티의 일부 위에 배치된 제1 산화제 평면을 구획하고, 일부 이상의 산화제 캐비티는 제1 산화제 평면 보다 내화성 블록내의 낮은 위치에 제2 평면을 형성하며, 제2 산화제 평면내 1 이상의 산화제 캐비티 내부에, 대응하는 산화제 캐비티 직경 보다 작은 직경을 갖는 연료 주입기가 배치된 것을 특징으로 하는 불꽃 길이 및 불꽃 형상 제어가 개선된 버너 조립체.
  37. 연료 및 산화제 유입 단부와 연료 및 산화제 배출 단부를 구비하며 복수개의 연료 캐비티 및 단일의 산화제 캐비티를 더 구비하는 내화성 블록을 포함하고, 상기 산화제 캐비티는 내화성 블록의 상부 및 연료 평면을 구획하는 연료 캐비티의 일부 위에 배치된 것을 특징으로 하는 불꽃 길이 및 불꽃 형상 제어가 개선된 버너 조립체.
  38. 제37항에 있어서, 상기 산화제 캐비티는 비원형 출구를 갖는 것을 특징으로 하는 버너 조립체.
  39. (a) 제1 평면을 구획하는 2 이상의 연료 주입기,
    (b) 1 이상의 산화제 주입기, 및
    (c) 산화제 주입기 및 연료 주입기가 연소 챔버내로 돌출되어 있고, 주입기들이 탈착식으로 고정되어 있는 벽을 특징으로 하는 버너 조립체로서, 산화제 주입기는 연소 챔버내 제1 평면쪽으로 0° ∼ 15° 범위의 수렴 각도로 배치되어 있는 것인 버너 조립체.
  40. 연료 및 산화제 유입 단부와 연료 및 산화제 배출 단부를 구비하며 1 이상의 연료 캐비티 및 2 이상의 산화제 캐비티를 더 구비하는 내화성 블록을 포함하고, 상기 산화제 캐비티 중 1 이상은 내화성 블록의 상부 및 연료 캐비티의 위에 배치되고, 상기 산화제 캐비티 중 1 이상은 내화성 블록의 하부 및 연료 캐비티의 아래에 배치된 것을 특징으로 하는 불꽃 길이 및 불꽃 형상 제어가 개선된 버너 조립체.
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