KR100445853B1 - 무염연소기 - Google Patents

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KR100445853B1 KR10-1998-0704983A KR19980704983A KR100445853B1 KR 100445853 B1 KR100445853 B1 KR 100445853B1 KR 19980704983 A KR19980704983 A KR 19980704983A KR 100445853 B1 KR100445853 B1 KR 100445853B1
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토머스 미커스
해럴드 제이. 비니거
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쉘 인터내셔날 리써취 마트샤피지 비.브이.
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Abstract

본 발명은 연소기 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 방법은 무염 연소기의 점화를 향상시키기 위해 3 개의 개선점을 갖는 무염 연소를 이용하는 것이다. 촉매 표면은 촉매 표면없이 공기 중 연료의 자연발화 온도보다 더 낮은 온도에서 촉매 표면 근처에서 무염 연소를 얻기 위해 연소실 내에 제공될 수 있다. 질소 산화물 또는 추가 산소는 점화 온도를 감소시키기 위해 공기 대신에 또는 공기와 함께 산화제로서 사용될 수 있다. 또한, 전기 에너지는 연료 도관을 통과할 수 있고, 산화제와 결합될 때 연료가 점화되는 온도로 도관의 온도를 상승시킨다.

Description

무염 연소기 {FLAMELESS COMBUSTOR}
본 발명은 연소 장치 및 방법에 관한 것이다.
미국 특허 제 4,640,352 호 및 제 4,886,118 호는 오일을 회수하기 위해 오일을 함유하는 저침투성의 지하 지질층의 전도 가열을 개시하고 있다. 저침투성 지질층은 규조토, 지질성 석탄, 타르 샌드, 및 함유 혈암 (含油頁岩) 을 포함한다. 저침투성의 지질층은 개선된 오일 회수법, 예컨대 증기, 이산화탄소, 또는 파이어 플러딩 (fire flooding) 에 적합하지 않다. 플러딩 물질은 우선적으로 갈라진 틈을 통해 저침투성을 갖는 지질층을 관통하는 경향이 있다. 주입 물질은 대부분의 지질층 탄화수소를 통과한다. 이에 대비해서, 전도 가열은 지질층내로 유체를 수송할 필요가 없다. 따라서, 지질층 내의 오일은 플러딩 과정에서와 같이 통과되지 않는다. 지질층의 온도가 전도 가열에 의해 증가되는 경우, 수직 온도 구배가 비교적 균일하게 되는 경향이 있는데 이는 지질층이 통상 비교적 균일한 열전도도와 비열을 갖기 때문이다. 열전도 과정 중 탄화수소의 수송은 형성암의 공극 내에 존재하는 오일과 물의 열팽창, 증발 및 압력 드라이브에 의한다. 탄화수소는 열응력에 의해, 그리고 오일과 물의 팽창 및 증발에 의해 만들어진 작은 틈을 통해 이동한다.
미국 특허 제 3,113,623 호 및 제 3,181,613 호는 지하 지질층을 가열하기위한 점화열 주입식 가스 버너를 개시하고 있다. 이들 버너는 불꽃을 유지하기 위해 흡수공극성 물질을 이용해서 늘어난 길이 이상으로 불꽃을 퍼지게 한다. 불꽃에서 케이싱 (casing) 으로의 복사 열전달은 불꽃을 유지하기 위해 공극성 매질을 제공해서 피한다. 그러나, 공극성 매질에서 일어나는 연소를 위해, 연료 가스와 연소 공기가 미리 혼합되어야 한다. 미리 혼합된 연료 가스와 연소 공기는 혼합물의 자연발화 온도 초과의 온도인 경우, 공극성 매질 속 대신 미리 혼합될 때 반응한다. 이들 발명의 예로서 이용된 지질층은 두께 약 15 m 이하 및 약 4.5 m 미만의 표토 (overburden) 이다. 따라서, 연료 가스 및 연소 공기는 버너에 도달할 때 비교적 식어 있다. 버너는 가열되고 있는 지질층이 상당히 깊다면 의도한 대로 작용하지 않는다.
미국 특허 제 5,255,742 호는 예열된 연료 가스, 연소 공기, 또는 연료 가스와 연소 공기를 이용하는 지하 지질층을 가열하는데 유용한 무염 연소기를 개시하고 있는데, 여기서, 연료 가스는 불꽃을 피할만큼 충분히 작은 증가량으로 연소 공기와 혼합된다. NOx의 발생은 거의 제거되고, 가열기의 비용이 상당히 감소될 수 있는 것은 구성 재료가 덜 비싸기 때문이다. 선행 기술의 가르침에 따른 연료 가스 예열의 결과, CO2, H2, 스팀, 또는 다른 코크스 억제제가 연료 가스에 첨가되지 않는다면 코크스가 생성된다. 또한, 이러한 공지된 가열기의 작업 개시가 시간 허비 과정인 것은 가열기가 연료 가스 혼합물의 자연발화 온도 초과의 온도에서 작동해야 하기 때문이다. 온도가 통상의 작동을 위해 충분히 높게 되기 전에, 작업 개시는 긴 시간의 아주 작은 유량 조작을 필요로 한다.
또한 촉매 연소기도 공지되어 있다. 예를 들어, 미국 특허 제 3,928,961 호는 촉매로 지지된 열연소 장치를 개시하고 있는데, 여기서, NOx의 형성은 연료의 자연발화 온도 초과의 온도에서, 그러나 질소 산화물이 상당량으로 생성되는 온도 미만에서 연소에 의해 제거된다.
산화 촉매로 코팅된 금속 코팅 표면은 예를 들어 미국 특허 제 5,355,668 호 및 제 4,065,917 호에 개시되어 있다. 이들 특허는 가스 터빈 엔진의 부품에 대한 촉매 코팅 표면을 제안하고 있다. 상기 미국 특허 제 4,065,917 호는 터빈의 작업 개시를 위한 촉매 코팅 표면의 사용을 제안하고 있고, 작업 개시 조작에서 물질 전달 조절 한계 상 (mass transfer control limited phase) 을 제안하고 있다.
제 1 항, 제 10 항 및 제 13 항의 전문에 따른 무염 연소기 및 점화 방법은 미국 특허 5,404,952 에 공지되어 있다. 공지되어 있는 연소기 및 점화 방법에서, 코일 전기 레지스터 와이어는 오리피스로부터 떨어져서 일정한 거리에서 연소실 내에 현수되어 있는데, 이것은 점화를 지연시키고 복잡하게 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 불꽃 없고, 쉽게 점화될 수 있고, 작동 온도 이하로 될 수 있는 연소법 및 연소 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 측면에서, NOx의 발생이 최소인 연소법과 장치를 제공하는 것이 목적이다. 본 발명의 또다른 목적은 높은 열효율을 갖는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 측면에 따라, 무염 연소기는
한쪽 끝에 산화제를 위한 입구가, 그리고 다른쪽 끝에 연소 생성물 출구가 연통해 있는 축류 연소실;
축류 연소실 내의 연료 체적을 한정하는 연료 도관으로서, 산화제가 연소실을 통과하여, 산화제가 입구 말단에서 연소 생성물 출구로 통과할 때 연료 체적부로부터 오리피스를 통과하는 연료와 혼합할 수 있도록, 연료 공급원과 연통해 있고 연료 도관을 따라 위치한 복수의 오리피스를 통해 연료실과 연통해 있으면서, 각 오리피스가 일정한 간격으로 분리되어 있는 연료 도관;
비촉매성 자연발화 온도에서 촉매성 자연발화 온도까지 연료와 산화제의 혼합물의 자연발화 온도를 감소시키는데 효과적이 되도록, 축류 연소실 내에 위치된 촉매 표면; 및
연료가 오리피스를 통과할 때 점화되는 온도 이상의 온도로 하나 이상의 오리피스 근처에서 연료 도관을 가열하는데 효과적인 양으로 연료 도관을 통해 전류를 통과시키는데 효과적인 전력 공급 장치로 이루어진다.
바람직하게는 촉매 표면은 연료 도관의 외부 표면, 연소실의 내부 표면, 또는 연료 도관의 외부 표면과 연소실의 내부 표면으로 이루어진다. 촉매 표면은 또한 팔라듐으로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면에 따라, 무염 연소기는
한쪽 끝에 산화제를 위한 입구가, 그리고 다른쪽 끝에 연소 생성물 출구가 연통해 있는 축류 연소실;
축류 연소실 내의 연료 체적을 한정하는 연료 도관으로서, 연료 공급원과 연통해 있고 연료 도관을 따라 복수의 오리피스를 통해 연료실과 연통해 있으며, 전기 전도성 물질로 이루어진 연료 도관; 및
연료가 오리피스를 통과할 때 점화되는 온도 이상의 온도로 하나 이상의 오리피스 근처에서 연료 도관을 가열하는데 효과적인 양으로 연료 도관을 통해 전류를 통과시키는데 효과적인 전력 공급 장치로 이루어진다.
적당하게, 연소기는 지하 웰 (underground well) 의 보어부 (bore) 내에 위치하고, 연료 도관은 웰의 헤드부로부터 현수된 관모양이고; 전력은 웰의 헤드부에서 사용되고; 연료 도관은 오리피스 위 보다 오리피스 근처에서 두께가 더 얇고; 연료 도관은 하나 이상의 오리피스 아래 지점에서 접지되어 있다.
본 발명은 또한 무염 연소기를 점화하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 방법은
한쪽 끝에 산화제를 위한 입구가, 그리고 다른쪽 끝에 연소 생성물 출구가 연통해 있는 축류 연소실을 제공하는 단계;
축류 연소실 내의 연료 체적을 한정하는 연료 도관으로서, 연료 공급원과 연통해 있고 연료 도관을 따라 위치한 복수의 오리피스를 통해 연료실과 연통해 있으면서, 각 오리피스가 일정한 간격으로 분리되어 있는 연료 도관을 제공하는 단계;
질소 산화물 및 추가 산소를 포함하는 군에서 선택된 산화제를 연소실로 통과시키는 단계;
연료 스트림을 연료 체적부로 통과시키는 단계;
연료가 산화제와 혼합될 때 산화제와 연료의 반응이 일어나는 온도로 연료 스트림, 산화제 또는 연료 스트림과 산화제 모두를 가열하는 단계;
연소실 내의 온도가 공기 중 연료의 자연발화 온도를 초과할 때까지 산화제를 연소실로, 그리고 연료를 연료 도관으로 계속해서 통과시키는 단계; 및
연소실 내의 온도가 공기 중 연료의 자연발화 온도를 초과한 후, 산화제를 공기로 대체하는 단계로 이루어진다.
적당하게, 본 발명에 따른 방법은 하나 이상의 오리피스 근처에서 연료 도관의 적어도 한 부분에 대하여 연료 도관이 260 ℃ 이상의 온도로 가열되기에 충분한 전기의 양을 연료 도관을 통하여 통과시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명에 따른 방법은 연료와 산화제가 촉매 표면 근처에서 반응하는 온도를 감소시키는데 효과적인 촉매 표면을 연소실 내에 제공하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 방법의 작업 개시 상 동안에 사용하기에 적합한 연료는 수소, 및 수소와 일산화 탄소 혼합물인데, 이러한 연료는 낮은 점화 온도를 갖는다.
본 발명의 무염 연소법 및 연소기는 질소 산화물을 최소한으로 생성한다. 따라서, 질소 산화물의 형성을 제거하거나 방지하기 위한 다른 수단은 필요하지 않다.
본 발명은 첨부된 도면을 참고로 해서 더욱 상세하게 설명될 것이다.
도 1 은 본 발명에 사용하기에 적합한 연소기를 도시한 도면이다.
도 2 는 본 발명의 가동성 대 온도를 나타내는 버너에서 소비된 연료의 양을도시한 그래프이다.
본 발명에 따른 개선점으로 이용될 수 있는 무염 연소기는 미국 특허 제 5,255,742 호에 나타나 있고, 여기에 참고로 포함되어 있다. 본 발명의 개선점은 이러한 연소기의 작업 개시에 관련된 3 개의 개선점을 포함한다. 3 개의 개선점은 각각 사용될 수 있지만, 바람직하게는 2 개 이상과 조합해서 사용된다. 본 발명의 3 개의 개선점으로는: 작업 개시용 열을 제공하기 위해 저항 가열기로서 연료 가스 도관의 사용; 연료의 산화가 일어나는 온도를 낮게 하기 위해 연소실 내의 촉매 표면의 사용; 그리고 작업 개시 동안 자연발화 온도를 낮게 하기 위해 공기 이외의 산화제, 또는 공기를 더한 산화제의 사용이 포함된다.
본 발명의 무염 연소기의 중요한 특징은 연소실의 축을 따라 열이 제거되어, 단열 온도 보다 상당히 미만인 온도로 유지된다. 이것은 거의 NOx의 형성을 제거하고, 또한 야금의 필요성을 상당히 감소시켜, 비교적 값싼 연소기가 되게 한다.
통상, 무염 연소는, 2 개의 스트림이 혼합될 때, 혼합물의 온도가 혼합물의 자연발화 온도를 초과할 정도로, 그러나 혼합 속도에 의해 제한되는 혼합시의 산화로 나타나는 온도 미만의 온도로 연소 공기와 연료 가스를 충분히 예열해서 이루어진다. 약 815 ℃ 내지 약 1260 ℃ 의 온도로 스트림을 예열한 다음, 비교적 작은 증가량으로 연소 공기에 연료 가스를 혼합함으로써 무염 연소가 일어날 것이다. 연료 가스가 연소 가스 스트림과 혼합되는 증가량은 결과적으로 바람직하게는 연료의 연소로 인해 연소 가스 스트림의 온도를 약 10 내지 110 ℃ 상승시킨다.
도 1 을 참고로, 본 발명을 수행할 수 있는 열주입 웰 및 연소기가 나타나 있다. 가열된 지질층 (1) 은 표토 (2) 아래에 있다. 웰의 보어홀 (borehole of well; 3) 은 표토를 통해, 그리고 가열된 지질층의 하부에 또는 근처의 지점에 연장된다. 수직 웰이 나타나 있지만, 웰의 보어홀은 경사지거나 수평이 될 수 있다. 수평 열주입 웰은 평행 드라이브 공정으로 탄화수소를 회수하기 위해 수평으로 부숴지는 지질층에 제공될 수 있다. 얇은 함유 혈암 지질층은 그와 같은 지질층의 예이다. 수평 가열기는 또한 표토와 기저암의 열손실을 제한하기 위해 얇은 베드로 사용되는 것이 효과적이다. 도 1 에 나타나 있는 구현예로, 웰의 보어홀은 케이싱 (4) 으로 덮여있다. 웰의 보어홀의 하부는 시멘트 (7) 로 접합되어 있는데, 고온에 견디고 열을 이동시키는데 적합한 특징을 가지고 있다. 우수한 열 절연체 (8) 인 시멘트는 시스템으로부터 열손실을 방지하기 위해 웰의 보어홀의 상부가 적합한다. 산화제 도관 (10) 은 웰의 헤드부 (나타나 있지 않음) 에서 웰의 보어홀의 하부로 연장되어 있다. 연료 도관 (12) 은 또한 웰의 헤드부에서 웰의 보어홀의 하부로 연장되어 있다. 연료 도관은 연료 도관 내에 연료 체적을 한정한다. 연료 체적부는 연료 공급기와 연통해 있고, 복수의 오리피스를 연통해 연료 도관을 에워싸고 있는 연소실과 연통해 있다.
웰의 보어홀의 고온부 내에 케이싱 및 도관을 접합하는 데 적합한 고온 시멘트를 이용할 수 있다. 예는 미국 특허 제 3,507,332 호 및 제 3,180,748 호에 나타나 있다. 시멘트 슬러리 고형체 기재 약 50 중량% 초과의 알루미나 함량이 바람직하다.
얇은 지질층에서, 지질층 속에 직접 가열기를 해머-드릴하는 것이 유리할 수 있다. 가열기를 지질층 속에 직접 해머-드릴할 때, 지질층에서 가열기의 접합은 필요하지 않지만, 가열기의 상부를 접합하여 표면에 유체 손실을 방지할 수 있다.
도 1 의 구현예에서 케이싱 (4) 의 직경 선택은 케이싱의 비용 및 지질층에 전달될 수 있는 열의 속도 사이에서 타협된다. 야금술의 필요로 인해 케이싱은 일반적으로 주입 웰의 가장 비싼 구성요소이다. 지질층에 전달될 수 있는 열은 케이싱 직경이 증가함에 따라 매우 증가한다. 내부 직경 약 10 내지 약 20 cm 사이의 케이싱은 전형적으로 초기 비용 및 열전달 사이의 최적의 균형을 제공할 것이다.
연료 가스 도관은 가열된 지질층 내에 도관의 길이를 따라 복수의 오리피스 (13) (8개) 를 포함한다. 오리피스는 오리피스 사이의 산화제와, 연료의 중요한 반응, 그리고 오리피스 사이의 연소실의 길이를 따라 가열기로부터의 열의 제거 모두를 허용하기에 충분한 간격으로 분리되어 있다. 오리피스 (13) 는 연료 도관 (12) 에 의해 한정된 체적부와 축류 연소실 사이를 연통하게 된다. 복수의 오리피스는 가열된 지질층 내에 열방출을 분배한다. 산화제/연소 생성물 스트림 내로 연료의 단계적 방출 결과, 열은 단계적으로 발생하고, 도 1 의 구현예에서 처럼 웰의 보어홀로부터 열의 균일한 전달로, 웰의 보어홀 내의 온도는 단열 연소 온도 미만의 온도이다. 고온을 피하면 야금의 필요성과 따라서 설비 비용을 상당히 줄일 수 있다. 또한, 단열 연소 온도 미만의 온도는 NOx를 발생시키지 않는다.
오리피스는 케이싱 내의 온도 분포를 거의 균일하게 하기 위해 그 크기가 정해진다. 케이싱 내의 거의 균일한 온도 구배의 결과, 가열된 지질층 내의 열 분포가 더욱 균일하다. 지질층 내의 거의 균일한 열 분포로 인해, 전도성 가열 탄화수소 회수 공정에서 열의 이용이 더욱 효율적으로 될 것이다. 또한 온도 구배가 균일할수록 동일한 열 방출을 위한 최대 온도는 더 낮아질 것이다. 버너와 웰 시스템의 구성 재료가 최대 온도를 결정하기 때문에, 균일한 온도 구배는 동일한 구성의 재료가 가능한 열방출을 증가시킬 것이다. 오리피스의 수는 단지 사용되는 오리피스의 크기에 의해 제한된다. 더많은 오리피스를 사용한다면, 통상 크기는 더 작아야 한다. 작은 오리피스는 큰 오리피스보다 더 쉽게 플러그할 것이다.
오리피스의 수는 온도 구배의 평평함과 플러깅의 가능성 사이에서 타협된다. 연소실로부터 열제거에 더하여 오리피스의 수, 크기 및 공간은 연소기 내의 최대 온도가 약 1100 ℃ 미만일 정도가 바람직하다. 이것으로 상업적으로 이용할 수 있는 물질에 대한 긴 내용연수로 나타난다.
열이 연료 오리피스 사이의 연소실로부터 제거되는 것은 본 발명의 연소기의 작동에 있어서 중요하다. 웰의 보어홀 열 주입기에 본 발명을 적용할 때, 열은 웰의 보어홀 주위의 지질층에 전달된다. 본 발명의 가열기는 또한 다른 적용,예컨대 스팀 발생 및 화학 공업 또는 정제 공정 가열기에 사용될 수 있다.
대안적으로, 공기, 다른 산화제 또는 공기와 다른 산화제는 연료 도관 대신에 연소 공기 도관에 오리피스를 제공해서 연료 내에 단계적으로 공급될 수 있다.
웰의 보어홀의 하부에 전달된 연료 및 산화제는 혼합되어 연소 생성물을 형성하는 연소실 (14) 주위의 웰의 보어홀 체적 내에서 반응한다. 이러한 체적은 본 발명의 축류 연소실이다. 연소 생성물은 웰의 보어홀 위로 이동하고, 웰의 헤드부에 있는 배기구 밖으로 이동한다. 연소 생성물은 오염 물질을 제거하기 위해 처리되고, 확대 터빈 또는 열교환기에 의한 연소 생성물로부터의 에너지 회수가 또한 바람직할 수 있다.
연소 지질층이, 가열되는 지질층 위의 웰의 보어홀에서 나타날 때, 열은 흐름관과 연소 생성물 아래로 이동하는 연료와 산화제 사이에서 교환된다. 이러한 열교환은 에너지를 보존하고, 본 발명의 바람직한 무염 연소를 허용한다. 연료 및 산화제는 각 흐름관 아래로 이동할 때 충분히 예열되고 마지막 혼합 지점에서 2 개의 스트림의 혼합물은 혼합물의 자연발화 온도 위의 온도이다. 무염 연소의 결과, 복사열 공급원으로서 불꽃이 회피된다. 따라서, 열은 필수적인 균일한 형태로 웰의 보어홀로부터 전달된다.
전기 리드선 (15) 은 클램프 (16), 또는 전기 절연 커플링 아래의 웰의 헤드부 근처의 연료 라인 (12) 의 다른 연결부와 접속되어 연소기의 작업 개시와 초기 가열을 위한 전기 에너지를 공급한다. 연료 도관 (17) 과 산화제 도관 (18) 주위에 하나 이상의 전기 전도 집중기로 시추공의 바닥 근처에 전기 접지가 제공될수 있다. 전기 접지 집중기 위의 연료 도관 상의 집중기는 전기적 절연 집중기이다. 연료 도관의 벽 두께는 바람직하게는 오리피스 근처에서 감소하고, 연료 가스 도관에 전기 에너지를 인가한 결과, 오리피스 위의 저항 가열은 무시할 만하고 오리피스 아래의 열은 상당한 양이다. 충분한 열이 가해져, 존재하는 흐르는 산화제 (또는 공기) 스트림 내로 오리피스를 빠져나가는 연료는, 연료가 산화제와 혼합될 때 연료 산화제 혼합물의 자연발화 온도에서 또는 온도 위에 있다. 가장 바람직하게는, 연료와 산화제의 혼합물은 이들 작업 개시 조건에서 혼합물의 자연발화 온도 위에 있다. 따라서, 연료는 오리피스를 통해 통과하고 오리피스 사이에서 산화제와 혼합할 때 점화한다.
연료-산화제 혼합물의 자연발화 온도는 바람직하게는 오리피스 근처에 있는 촉매 표면 (19) 의 제공에 의해 낮아진다. 이러한 촉매 표면은 바람직하게는 산화제 도관 (10) 의 내부 표면 상에 제공된다. 대안적으로, 연료 도관에 그와 같은 표면을 제공하거나, 관 또는 촉매 포함 표면은 따로따로 산화제 도관 내에 위치할 수 있다. 다른 촉매 표면은 예를 들어 산화제 도관의 연소 생성물 환형 외부에 제공될 수 있다. 이러한 추가적인 촉매 표면은 완전한 연소가 웰의 보어홀 내에서 일어나게 할 수 있다. 촉매 표면은 또한 연소기가 연료의 산화가 일어나는 온도를 감소시켜서 작동할 수 있는 온도 범위를 상당히 증가시킬 수 있다.
본 발명의 무염 연소기의 작업 개시는 작업 개시 상 동안에 추가적인 산화제의 제공에 의해, 낮은 자연발화 온도를 갖는 연료, 예컨대 수소의 사용에 의해, 또는 추가적인 산화제의 제공과 낮은 자연발화 온도를 갖는 연료, 예컨대 수소의 사용에 의해 더 개선될 수 있다. 바람직한 산화제는 추가 산소 및 질소 산화물을 포함한다. 수소는 천연 가스 스트림에 추가하여 제공될 수 있고, 존재하는 일산화탄소, 존재하는 이산화탄소 또는 존재하는 일산화탄소 및 이산화탄소와 함께 이동가스 (shift gas) 로서 제공될 수 있다. 이산화탄소의 존재는 바람직하지 않지만, 참을만하고, 이산화탄소의 제거는 경제적으로 타당하지 않을 수 있다.
허용할 수 있는 촉매 물질은 귀금속, 반귀금속, 그리고 전이 금속 산화물을 포함한다. 통상, 공지된 산화 촉매는 본 발명에서 유용하다. 그와 같은 금속 또는 금속 산화물의 혼합물도 유용할 수 있다.
작업 개시 산화제, 연료 또는 작업 개시 산화제와 연료는 바람직하게는 단지 연소기가 연료로서 메탄 (천연 가스), 그리고 산화제로서 공기와 작동하기에 충분한 온도로 가열될 때 (즉, 연소기는 공기 중 메탄의 자연발화 온도 위의 온도로 가열된다) 까지 사용된다.
무염 연소를 얻기 위해 메탄과 같은 연료 가스의 예열로 인해, 탄소 형성 억제제가 연료 스트림에 포함되지 않는다면, 연료 도관 내에 상당한 양의 탄소가 발생할 수 있다. 탄소 형성 억제제는 이산화탄소, 증기, 수소 또는 이들의 혼합물이 될 수 있다. 이산화탄소 및 증기가 바람직한 것은 통상 수소의 비용이 높기 때문이다.
무염 연소는 통상 산화제 스트림과 연료 사이의 반응이 혼합에 의해 제한되지 않고 혼합된 스트림이 혼합된 스트림의 자연발화 온도보다 더 높은 온도에 있을 때 일어난다. 이것은 혼합 지점의 고온을 피하거나 스트림을 포함하는 산화제내에 연료를 비교적 소량의 증가량으로 혼합해서 이룰 수 있다. 불꽃의 존재는 미연소 연료 및 연소 생성물 사이의 빛나는 접촉면에 의해 증명된다. 불꽃의 발생을 피하기 위해, 연료와 산화제는 바람직하게는 혼합하기 전에 약 815 ℃ 내지 1260 ℃ 의 온도로 가열된다. 연료는 바람직하게는 더욱 빠르게 혼합하기 위해 비교적 소량의 증가량으로 산화제 스트림과 혼합된다. 예를 들어, 충분한 연료는 연소가 약 28 ℃ 내지 약 56 ℃ 정도 스트림의 온도를 상승시키게 하는 증가량으로 포함될 수 있다.
본 발명의 무염 연소기의 작업 개시용 초기 열을 제공하기 위해 저항 가열기로서 연료 도관의 사용이 상당한 개선이 있는 것은 연료 도관이 어떻게 해서든 존재할 것이고, 통상 전기 전도성 물질로 만들어지고, 비교적 두꺼운 금속이고, 믿을만한 가열기인 것으로 기대되기 때문이다. 연료 도관의 두께는 변할 수 있는데, 그 결과, 연료 도관의 길이의 미리 선택된 세그먼트에서 열이 방출된다. 예를 들어, 웰 열 주입기 적용에서, 연료의 가장 높은 농도에서 혼합된 가스 스트림을 점화하기 위해 웰의 보어홀의 최저부를 전기로 가열하고, 배기 가스가 웰의 보어홀을 통해 역류하기 전에 연료를 연소시키는 것이 바람직하다. 전기 에너지는 웰의 헤드부에서 연료 도관에 접속될 수 있고, 연료 도관은 절연 행어 (hanger) 에 의해 지지될 수 있고, 절연 집중기를 갖는 공기 공급 도관 내에 집중화된다. 그 다음, 연료 도관은 가열기로서 사용되는 세그먼트 아래에 접지된다.
팔라듐 또는 백금과 같은 촉매 금속은 바람직하게는 브러시 전기도금에 의해 연소실 내에 표면상에 코팅되어 저온에서 연료의 산화를 개선시킬 수 있다. 그와 같은 촉매 표면은 260 ℃ 정도의 낮은 온도에서, 공기 중 메탄의 산화를 촉진시키는데 아주 효과적이라는 점이 밝혀졌다. 이러한 반응은 촉매 표면에서 급속하게 일어나고, 통상, 촉매 표면에 인접한 경계층의 가스는 신속히 완전하게 반응한다. 연소실 내의 상당한 촉매 표면을 갖는 장점은 무염 연소기가 작동할 수 있는 온도 범위가 상당히 증가될 수 있다는 것이다.
열 반응기를 사용하여 연료, 산화제 및 촉매 표면의 다양한 배합물과 함께 산화 반응이 일어나는 온도를 달성하였다. 반응기는 전기 저항 가열 코일로 싸여지고 절연체로 덮인 2.54 cm 스테인레스 스틸 파이프였다. 온도 조절용 열전기쌍을 파이프의 바깥 표면에 인접한 절연체 밑에 두었다. 열전기쌍을 또한 입구, 중간 및 출구에서 파이프의 내부에 설치하였다. 귀금속 코팅물을 가진 귀금속 또는 스테인레스 스틸 스트립의 시험 리본을 파이프에 매달아서 촉매 활성을 시험하였다. 본 시험의 목적 온도 미만인 온도까지 예열된 공기를 파이프의 전기 가열된 시험 구획에 주입하였다. 전기 저항 가열기에서 전력은 시험 구획에서 목적 온도가 수득될 때까지 변화시켜, 파이프의 내부에 돌출된 열전기쌍으로써 측정된 정상 상태를 달성하였다. 다음에 연료를 혼합 T 자관을 통해 예열 공기의 스트림으로 주입하고 전기 가열된 시험 구획으로 흐르게 하였다. 백금 또는 팔라듐으로써 양면에 코팅된 0.32 cm 폭 및 약 40 cm 길이의 4개의 백금 리본 또는 0.95 cm 폭 및 약 0.16 cm 두께 및 약 40 cm 길이의 스테인레스 스틸 스트립을 파이프 내에 매달아서 촉매 활성을 시험한다. 시험 구획이 촉매코팅된 스트립 또는 귀금속의 리본을 포함하고 촉매화된 자연발화 온도 또는 초과일 때, 연료의 첨가는 내부 중간 및 외부 열전기쌍에서 온도 증가를 일으켰다. 촉매화된 자연발화 온도미만에서 상기 온도는 관찰되지 않았다. 촉매 코팅된 스트립 또는 귀금속 리본이 존재하지 않을 때, 시험 구획은 온도 증가가 관찰되기 전에 연료의 자연발화 온도까지 가열해야 했다. 측정된 비촉매화 및 촉매화된 자연발화 온도를 측정된 자연발화 온도로서 참고된 측정된 비촉매화 또는 촉매화 자연발화 온도와 함께 표 1 에 요약한다.
연료 측정된 자동발화온도℃ 공기 유량CC/분 공기 체적% 의연료 농도 % 공기 체적% 의 ACCEL. % 촉매
천연 가스 788 380 10.5
천연 가스 732 380 2.6 N2O/21
천연 가스 677 380 2.6 O2/40
디메틸 에테르 510 380 2.6
디메틸 에테르 316 380 2.6 N2O/21
H2 659 380 13
H2 49 380 13 Pt
66.6 % H233.3 % CO 676 380 13
66.6 % H233.3 % CO 213 380 13 Pt
66.6 % H233.3 % CO 211 380 13 N2O/44.7 Pt
66.6 % H233.3 % CO 149 0 13 380CC/분100 % N2O Pt
메탄 310 380 13 - Pd
H2 149 380 13 - Pd
66.6 % H233.3 % CO 154 380 13 - Pd
표로부터 N2O 를 연료 스트림에 첨가하면 혼합물의 측정된 자연발화 온도를 매우 감소시킨다는 것을 알 수 있다. 또한, 연료로서 수소의 포함 및 촉매 표면의 존재는 동적 자연발화 온도를 상당히 감소시킨다.
3.048 m 길이 시험 연소기를 사용하여 분포된 연소기 적용시에 1 인치 반응기의 결과를 시험했다. 2.54 cm 외경 연료 가스선을 5.08 cm 내경 연소선 내에 제공했다. 연료 주입선은 연소선의 입구 끝 근처에 위치한 연료 주입구에 연료 도관을 제공했다. 연소선은 절연 파이프 내에 위치하고, 열전기쌍을 연료 공급선을 따라 두었다. 두개의 다른 연소선을 사용했다. 하나의 연소선은 "HAYNES 120" 합금 스트립으로부터 제작되었다. 스트립의 한쪽 면 상에 평균 두께 0.000254 cm 까지 팔라듐으로 전기 브러시 도금했다. 이어서 스트립을 내부 표면 상에 팔라듐 코팅으로써 3.048 m 길이의 파이프로 브레이크 형성, 스웨지 (swedge) 및 용접했다. 다른 연소선은 "HAYNES 120" 합금의 표준 7.62 cm 파이프이었다. "MAXON" 버너를 사용하여 연소가스가 3.048 m 길이 연소 파이프로 가도록 공급하고, 공기, 다른 첨가물 또는 공기와 다른 첨가물의 양을 변화시켜 버너 및 연소선 사이의 혼합 구획에서 "MAXON" 버너로부터 배출물과 함께 혼합한다. 연소선에서 균일한 온도를 유지하기 위해, 각각 자기의 조절기를 가진 3 개의 전기 가열기를 외부 및 연소선의 길이를 따라 두었다.
팔라듐 코팅된 연소선을 가진 가열기 및 팔라듐 코팅되지 않은 연소선을 가진 가열기로써 일련의 시험을 행했다. 약 15 ℃ 의 온도 및 1 기압의 압력에서 측정될 때, 약 0.635 m3/시간의 속도로 연료 가스 주입구를 통해 연료가스를 주입하고, 버너 공기 및 제2 공기를 포함하는 공기를 약 374 m3/시간의 속도로 주입했다. 풍부한 연료 가스를 버너에 공급하여 연소선의 입구에 목적 온도를 제공했다. 연소된 주입 메탄의 백분율은 촉매화된 배열 (선 A) 및 비촉매화된 배열 (선 B) 에 대해 도 2 에서 연소선 입구 온도의 함수로서 나타난다. 도 2 로부터 운전할 수 있는 기구의 최저 온도가 약 260 ℃ 이고, 55 % 의 메탄을 팔라듐 코팅된 연소선으로써 산화한다는 것을 알 수 있다. 운전의 최저 온도는 260 ℃ 미만 정도일 수 있지만, 그 미만의 온도에서는 사용 가능한 장치를 운전할 수 없었다. 팔라듐 코팅 없는 연소선을 사용할 때, 약 704 ℃ 에서 메탄의 일부 산화가 일어나고, 메탄의 산화는 약 816 ℃ 의 온도에서 급속하게 일어난다. 871 ℃ 이상의 온도에서, 팔라듐 표면의 존재는 팔라듐 표면이 있거나 또는 없어도 메탄의 산화가 급속하고 완전히 일어나므로 영향이 없다.
704 ℃ 미만에서 산화된 메탄의 온도 비의존성은 팔라듐 표면의 표면에서 경계층 내에 메탄이 급속히 산화되고, 동역학이 아닌 상기 경계층으로 메탄의 이동이 메탄의 산화 정도를 나타내는 것이 입증되는 경향이 있다. 약 704 ℃ 이상의 온도에서, 열 산화가 우세하고, 상기 열 산화로 인해 온도 의존성이 있다.

Claims (17)

  1. 한쪽 끝에 산화제를 위한 입구가, 그리고 다른쪽 끝에 연소 생성물 출구가 연통해 있는 축류 연소실 (14);
    축류 연소실 (14) 내의 연료 체적을 한정하는 연료 도관 (12) 으로서, 산화제가 연소실 (14) 을 통과하여, 산화제가 입구 말단에서 연소 생성물 출구로 통과할 때 연료 체적부로부터 오리피스 (13) 를 통과하는 연료와 혼합할 수 있도록, 연료 공급원과 연통해 있고 연료 도관 (12) 을 따라 위치한 복수의 오리피스 (13) 를 통해 연료실과 연통해 있으면서, 각 오리피스 (13) 가 일정한 간격으로 분리되어 있는 연료 도관 (12);
    비촉매성 자연발화 온도에서 촉매성 자연발화 온도까지 연료와 산화제의 혼합물의 자연발화 온도를 감소시키는데 효과적이 되도록, 축류 연소실 (14) 내에 위치된 촉매 표면 (19); 및
    축류 연소실 내의 연료와 산화제의 혼합물을 점화하기 위한 전기 가열 수단으로 이루어진 무염 연소기에 있어서,
    상기 전기 가열 수단은 연료가 오리피스 (13) 를 통과할 때 점화되는 온도 이상의 온도로 하나 이상의 오리피스 (13) 근처에서 연료 도관 (12) 을 가열하는데 효과적인 양으로 연료 도관 (12) 을 통해 전류를 통과시키는데 효과적인 전력 공급 장치 (15) 로 이루어진 것을 특징으로 하는 무염 연소기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 촉매 표면 (19) 이 연료 도관 (12) 의 외부 표면으로 이루어진 것을 특징으로 하는 무염 연소기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 촉매 표면 (19) 이 연소실 (14) 의 내부 표면으로 이루어진 것을 특징으로 하는 무염 연소기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 연소실 (14) 이 웰의 보어홀 내의 관 (10) 의 내부 표면에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 무염 연소기.
  5. 제 1 항에 있어서, 정상 상태일 때, 공기 중 연료의 자연발화 온도보다 더 높지만, 약 1100 ℃ 미만인 연소실 (14) 내의 온도로 나타나는 열의 양을 제거할 수 있도록, 2 개 이상의 오리피스 (13) 사이의 연소실 (14) 의 간격으로부터 열을 제거하기 위한 열 제거 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 무염 연소기.
  6. 제 5 항에 있어서, 2 개 이상의 오리피스 (13) 사이의 연소실 (14) 의 간격으로부터 열을 제거하기 위한 열 제거 수단이 연소실 (14) 주위의 환상 공간을 통해 대류 및 전도에 의해 연소실로부터 열이 전달될 수 있는 지질층 (1) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 무염 연소기.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 촉매 표면 (19) 이 팔라듐으로 이루어진 것을 특징으로 하는 무염 연소기.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 연소기가 웰의 보어홀 (3) 내에 있는 것을 특징으로 하는 무염 연소기.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 연료 도관 (12) 이 웰의 헤드부로부터 현수되어 있는 관이고, 상기 연소기가 웰의 헤드부에서 연료 도관에 전력을 인가하는 장치 (15) 을 추가로 포함하고, 상기 연료 도관이 오리피스 상부보다 오리피스 근처에서의 두께가 더 얇으며, 연료 도관이 하나 이상의 오리피스의 아래 지점으로부터 접지되는 것을 특징으로 하는 무염 연소기.
  10. 한쪽 끝에 산화제를 위한 입구가, 그리고 다른쪽 끝에 연소 생성물 출구가 연통해 있는 축류 연소실 (14);
    축류 연소실 (14) 내의 연료 체적을 한정하는 연료 도관 (12) 으로서, 연료 공급원과 연통해 있고 연료 도관 (12) 을 따라 복수의 오리피스 (13) 를 통해 연료실 (14) 과 연통해 있으며, 전기 전도성 물질로 이루어진 연료 도관 (12); 및
    축류 연소실 내의 연료 및 산화제의 혼합물을 점화하기 위한 전기 가열 수단으로 이루어진 무염 연소기에 있어서,
    상기 전기 가열 수단은 연료가 오리피스 (13) 를 통과할 때 점화되는 온도 이상의 온도로 하나 이상의 오리피스 (13) 근처에서 연료 도관 (12) 을 가열하는데효과적인 양으로 연료 도관 (12) 을 통해 전류를 통과시키는데 효과적인 전력 공급 장치 (15) 로 이루어진 것을 특징으로 하는 무염 연소기.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 연소기가 웰의 보어홀 (3) 내에 있는 것을 특징으로 하는 무염 연소기.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 연료 도관 (12) 이 웰의 헤드부로부터 현수되어 있는 관이고; 전력이 웰의 헤드부에서 공급되고; 상기 연료 도관이 오리피스 상부보다 오리피스 (13) 근처에서의 두께가 더 얇으며; 상기 연료 도관이 하나 이상의 오리피스 (13) 아래의 지점으로부터 접지되는 것을 특징으로 하는 무염 연소기.
  13. 한쪽 끝에 산화제를 위한 입구가, 그리고 다른쪽 끝에 연소 생성물 출구가 연통해 있는 축류 연소실 (14) 을 제공하는 단계;
    축류 연소실 (14) 내의 연료 체적을 한정하는 연료 도관 (12) 으로서, 연료 공급원과 연통해 있고 연료 도관 (12) 을 따라 위치한 복수의 오리피스 (13) 를 통해 연료실 (14) 과 연통해 있으면서, 각 오리피스가 일정한 간격으로 분리되어 있는 연료 도관 (12) 을 제공하는 단계;
    산화제를 연소실 (14) 로 통과시키는 단계;
    연료 스트림을 연료 체적부로 통과시키는 단계; 및
    연료가 산화제와 혼합될 때 산화제와 연료의 반응이 일어나는 온도로 연료스트림, 산화제 또는 연료 스트림과 산화제 모두를 가열하는 단계로 이루어진 무염 연소기의 점화 방법에 있어서,
    상기 산화제는 질소 산화물 및 추가 산소를 포함하는 군에서 선택되고, 또한 상기 방법은
    상기 연소실 (14) 내의 온도가 공기 중 연료의 자연발화 온도를 초과할 때까지 산화제를 연소실 (14) 로, 그리고 연료를 연료 도관으로 계속해서 통과시키는 단계; 와
    상기 연소실 (14) 내의 온도가 공기 중 연료의 자연발화 온도를 초과한 후, 산화제를 공기로 대체하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 무염 연소기의 점화 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 하나 이상의 오리피스 (13) 근처에서 연료 도관 (12) 의 적어도 한 부분에 대하여 연료 도관 (12) 이 260 ℃ 이상의 온도로 가열되기에 충분한 전기의 양을 연료 도관 (12) 을 통하여 통과시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무염 연소기의 점화 방법.
  15. 제 13 항에 있어서, 연료와 산화제가 촉매 표면 (19) 근처에서 반응하는 온도를 감소시키는데 효과적인 촉매 표면 (19) 을 연소실 (14) 내에 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무염 연소기의 점화 방법.
  16. 제 13 항에 있어서, 연료가 수소인 것을 특징으로 하는 무염 연소기의 점화 방법.
  17. 제 13 항에 있어서, 연료가 수소와 일산화탄소를 포함하는 것을 특징으로 하는 무염 연소기의 점화 방법.
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