KR100927873B1 - 점화-보조 연료 랜스를 구비한 다단식 연소 시스템 - Google Patents

점화-보조 연료 랜스를 구비한 다단식 연소 시스템 Download PDF

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에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
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Abstract

열 로드 및 그 안에 배치된 연소 대기를 가지는 퍼니스; 연료를 연소 대기 내로 주입하도록 적용된 1 또는 그 이상의 연료 랜스; 및 1 또는 그 이상의 연료 랜스와 연결되며 1 또는 그 이상의 연료 랜스에 의해 연소 대기 내로 주입된 연료를 점화시키도록 적용된 1 또는 그 이상의 점화기를 포함하는 연소 시스템.
다단식 연료 연소 시스템, 점화-보조 연료 랜스

Description

점화-보조 연료 랜스를 구비한 다단식 연소 시스템{STAGED COMBUSTION SYSTEM WITH IGNITION-ASSISTED FUEL LANCES}
도 1은 2차 연료 주입 노즐을 사용하는 버너 어셈블리의 개략적인 절단면도이다.
도 2는 본 발명의 구체예에 사용될 수 있는 노즐 어셈블리 및 노즐 바디의 동일 척도의 도면이다.
도 3은 도 2의 노즐 바디의 세로방향 단면도이다.
도 4는 도 1의 버너 어셈블리의 개략적인 정면도이다.
도 5는 본 발명의 구체예에 관련된 2차 연료 주입 노즐 및 예시적 점화기를 사용하는 버너 어셈블리의 개략적인 단면도이다.
도 6은 도 5의 버너 어셈블리의 개략적인 정면도이다.
도 7A는 본 발명의 구체예에 사용되는 예시적 점화기의 개략적인 단면도이다.
도 7B는 도 7A의 정면도이다.
도 8A는 본 발명의 구체예에 사용되는 대안의 예시적 점화기 파일럿의 개략적인 단면도이다.
도 8B는 도 8A의 정면도이다.
도 9는 본 발명의 구체예에 따라 통합된 연료 주입기 노즐 및 점화기의 동일 척도의 도면이다.
도 10은 도 9의 연료 주입기 노즐 및 점화기가 통합되고 산화제 기체 주입기가 퍼니스의 벽 또는 인클로저에 설치된 본 발명의 다른 구체예의 개략적인 단면도이다.
도 11은 도 10의 다중 통합된 연료 주입기 노즐 및 점화기 및 도 10의 다중 산화제 기체 주입기를 사용하는 구체예에서 매트릭스 퍼니스 연소 시스템의 개략도이다.
본 발명은 점화-보조 연료 랜스를 구비한 다단식 연소 시스템에 관한 것이다.
다단식 연소 시스템을 사용하여 연료의 연속적인 분획을 연소 프로세스 내로 도입함으로써 산화제와 연료가 다중 존(zone) 또는 단계에서 반응하도록 허용하여 연소를 향상시켰다. 이는 질소 산화물(NOx)의 발생을 감소시키는 다른 바람직한 연소 조건 및 낮은 피크 화염 온도를 생성시켰다. 광범위하게 다양한 다단식 연소 방법이 공지되어 있으며, 프로세스 히터, 퍼니스, 스팀 보일러, 가스 터빈 연소기, 석탄-발화 전력 생성 단위, 및 금속 및 화학 공정 산업에 있어서 많은 기타 연소 시스템을 포함하는 연소 응용에 사용되었다.
연소가능 영역에서 조성물로 된 연료-산소-불활성 기체 혼합물이 그것의 자동점화 온도에 도달하거나 또는 별개의 점화 공급원에 의해 점화될 때, 공기와 같이 산소 함유 기체 중 산소에 의해 기체상 연료의 연소가 발생한다. 퍼니스와 같은 3차원 프로세스 공간에서 연소가 발생할 때, 혼합의 정도는 연소 프로세스에 있어서 또다른 중요한 변수이다. 퍼니스에서 혼합의 정도는, 특히 버너 근처의 영역에서, 편재화된 기체 조성 및 온도에 영향을 미치며, 따라서 작동 안정성에 있어서 중여한 팩터가 된다.
연소 프로세스에서, 특히 NOx 감소를 위한 다단식 연소 프로세스에 있어서, 다단식 연료가 연소 공간 내로 도입되는 지점에 대해 상대적인 화염 프론트의 적절한 위치 및 우수한 화염 안정성을 가지는 것이 중요하다. 종래의 연소 시스템에서 화염 안정성은, 연료 주입 장치 및 내부 재순환 패턴을 사용함으로써 연료 스트림과 연소 대기와의 접촉을 향상시키고 화염 안정성을 유지하는데 필요한 점화 에너지를 제공하여 유지될 수 있었다. 다단식 연소 시스템에서 화염 안정성 및 화염 위치의 부적절한 조절은, 특히 냉각 개시, 프로세스 업셋, 또는 턴다운 조건 동안, 바람직하지 않은 연소 성능, 더 높은 NOx 배출, 및/또는 연료 미연소를 초래할 수 있다. 이런 후자의 조건은 퍼니스에서 연료의 실질적인 포켓 및 조절되지 않은 에너지 방출의 가능성을 초래할 수 있다.
다단식 연소 프로세스에 있어서, 특히 비-스테디 스테이트 작동 기간, 예컨 대, 냉각 개시, 프로세스 업셋, 또는 프로세스 턴다운 조건 동안에 화염 안정성을 향상시키기 위해 및 연료의 완전 연소를 위한 요구사항이 존재한다. 이들 요구사항을 만족하는 향상된 다단식 연소 시스템이 이하에 설명된 본 발명의 구체예에 의해 개시되며 첨부된 청구범위에 의해 정의된다.
발명의 요약
본 발명의 구체예는 열 로드(thermal load) 및 그 안에 배치된 연소 대기를 가지는 퍼니스; 연료를 연소 대기 내로 주입하도록 적용된 1 또는 그 이상의 연료 랜스(lance); 및 1 또는 그 이상의 연료 랜스와 연결되며 1 또는 그 이상의 연료 랜스에 의해 연소 대기 내로 주입된 연료를 점화시키도록 적용된 1 또는 그 이상의 점화기를 포함하는 연소 시스템에 관한 것이다. 1 또는 그 이상의 점화기는 간헐적 스파크 점화기, 연속 스파크 점화기, DC 아크 플라즈마, 마이크로웨이브 플라즈마, RF 플라즈마, 고에너지 레이저 빔, 및 산화제-연료 파일럿 버너로 구성되는 군으로부터 선택될 수 있다. 본 구체예에서, 1 이상의 점화기는 연료 랜스(lance)에 인접하여 배치될 수 있으며 거기로부터 배출되는 연료를 점화시키도록 적용될 수 있다. 대안적으로, 1 이상의 점화기가 연료 랜스 내로 통합될 수 있으며 거기로부터 배출되는 연료를 점화시키도록 적용될 수 있다. 연료 랜스의 수는 점화기의 수와 동일하거나 또는 그보다 적을 수 있다.
다른 구체예는 입구 페이스, 출구 페이스, 및 입구와 출구 페이스를 통해 통과하는 입구 유동 축, 및 2 또는 그 이상의 슬롯을 가지는 노즐 바디; 및 노즐 바 디와 인접하며 노즐 바디의 출구 페이스에서 배출된 연료를 점화시키도록 적용된 점화기를 포함하는 연료 랜스에 관한 것이며, 여기서 상기 슬롯은 노즐 바디를 통해 입구 페이스로부터 출구 페이스까지 연장되고, 각각의 슬롯이 슬롯 축을 가지며, 1 이상의 슬롯의 슬롯 축은 노즐 바디의 입구 유동 축과 평행하지 않으며, 그리고 슬롯은 노즐 바디의 출구 페이스에서 연료를 배출하도록 적용된다. 점화기는 노즐 바디의 출구 페이스에 인접하여 배치될 수 있으며; 대안적으로, 점화기는 노즐 바디 내로 통합될 수 있으며 노즐 바디의 출구 페이스를 따라 통과할 수 있다.
대안의 구체예는, 입구 페이스, 출구 페이스, 및 입구와 출구 페이스를 통해 통과하는 입구 유동 축, 및 2 또는 그 이상의 슬롯을 가지는 노즐 바디; 및 노즐 바디와 연결되며 노즐 바디의 출구 페이스에서 배출되는 연료를 점화시키도록 적용된 점화기를 포함하는 연료 랜스에 관한 것이며, 여기서 상기 슬롯은 노즐 바디를 통해 입구 페이스로부터 출구 페이스까지 연장되며, 각각의 슬롯은 슬롯 축과 슬롯 중심 평면을 가지며, 슬롯 중 어느 것도 다른 슬롯을 가로지르지 않으며 그리고 모든 슬롯이 유체 유동으로 통상의 연료 공급 도관과 커뮤니케이션을 이룬다. 점화기는 노즐 바디의 출구 페이스에 인접하여 배치될 수 있으며; 대안적으로, 점화기는 노즐 바디 내로 통합될 수 있으며 노즐 바디의 출구 페이스를 따라 통과할 수 있다.
다른 대안의 구체예에서, 연료 랜스는 입구 페이스, 출구 페이스, 및 입구와 출구 페이스를 통해 통과하는 입구 유동 축, 및 2 또는 그 이상의 슬롯을 가지는 노즐 바디; 및 노즐 바디와 연결되며 노즐 바디의 출구 페이스에서 배출되는 연료 를 점화시키도록 적용된 점화기를 포함할 수 있으며, 여기서 상기 슬롯은 노즐 바디를 통해 입구 페이스로부터 출구 페이스까지 연장되며, 각각의 슬롯은 슬롯 축과 슬롯 중심 평면을 가지며, 2 또는 그 이상의 슬롯 중 제1슬롯이 각각의 다른 슬롯에 의해 가로질러지며 그리고 1 이상의 슬롯의 슬롯 중심 평면이 노즐 바디의 입구 유동 축을 가로지른다. 점화기는 노즐 바디의 출구 페이스에 인접하여 배치될 수 있으며; 대안적으로, 점화기는 노즐 바디 내로 통합될 수 있으며 노즐 바디의 출구 페이스를 따라 통과할 수 있다.
본 발명의 관련 구체예는 인클로저 및 인클로저 내에 배치된 열 로드를 포함하는 퍼니스; 인클로저에 장착되고 퍼니스 내로 산화제 기체를 도입하도록 적용된 1 또는 그 이상의 산화제 기체 주입기; 인클로저에 장착되고 1 또는 그 이상의 산화제 기체 주입기로부터 분리되어 공간을 차지하는 1 또는 그 이상의 연료 랜스를 포함하는 연소 시스템을 포함하며, 여기서 1 또는 그 이상의 연료 랜스는 퍼니스 내로 연료를 주입하도록 적용되며; 그리고 1 또는 그 이상의 점화기가 1 또는 그 이상의 연료 랜스와 연결되며 연료 랜스에 의해 주입된 연료를 점화시키도록 적용된다.
본 구체예에서, 1 또는 그 이상의 점화기는 간헐적 스파크 점화기, 연속 스파크 점화기, DC 아크 플라즈마, 마이크로웨이브 플라즈마, RF 플라즈마, 고에너지 레이저 빔, 및 산화제-연료 파일럿 버너로 구성되는 군으로부터 선택될 수 있다. 1 이상의 점화기는 연료 랜스에 인접할 수 있으며 거기로부터 배출되는 연료를 점화시키도록 적용될 수 있다. 대안적으로, 1 이상의 점화기는 연료 랜스 내로 통합될 수 있으며 거기로부터 배출되는 연료를 점화시키도록 적용될 수 있다. 연료 랜스의 수는 점화기의 수와 동일하거나 또는 적을 수 있다. 1 또는 그 이상의 산화제 기체 주입기 중 하나의 둘레와 인접한 연료 랜스의 둘레 사이의 거리는 2 내지 50 인치의 범위일 수 있다.
본 발명의 다른 관련 구체예는 열 로드 및 그 안에 배치한 연소 대기를 가지는 퍼니스; 퍼니스 내로 연소 기체를 도입하도록 적용된, 축, 1차 연료 입구, 산화제 기체 입구, 및 연소 기체 출구를 가지는 중심 버너; 중심 버너의 축으로부터 방사형으로 배치되고 퍼니스에서 연소 대기 내로 다단식 연료를 주입하도록 적용된 1 또는 그 이상의 다단식 연료 랜스; 및 1 또는 그 이상의 다단식 연료 랜스와 연결되고 거기로부터 주입된 다단식 연료를 점화시키도록 적용된 1 또는 그 이상의 점화기를 포함하는 연소 시스템에 관한 것이다.
본 구체예에서, 1 또는 그 이상의 점화기는 간헐적 스파크 점화기, 연속 스파크 점화기, DC 아크 플라즈마, 마이크로웨이브 플라즈마, RF 플라즈마, 고에너지 레이저 빔, 및 산화제-연료 파일럿 버너로 구성되는 군으로부터 선택될 수 있다. 1 이상의 점화기는 연료 랜스에 인접할 수 있으며 거기로부터 배출되는 연료를 점화시키도록 적용될 수 있다. 대안적으로, 1 이상의 점화기는 연료 랜스 내로 통합될 수 있으며 거기로부터 배출되는 연료를 점화시키도록 적용될 수 있다. 연료 랜스의 수는 점화기의 수와 동일하거나 또는 적을 수 있다.
본 구체예의 시스템은 중심 버너로 1차 연료를 제공하도록 적용된 주 연료 파이프 및 1 또는 그 이상의 다단식 연료 랜스에 다단식 연료를 제공하도록 적용된 다단식 연료 파이프를 더 포함할 수 있다. 중심 버너에 대한 1차 연료 및 1 또는 그 이상의 다단식 연료 랜스에 대한 다단식 연료는 조성에 있어서 동일하며; 대안적으로, 중심 버너에 대한 1차 연료 및 1 또는 그 이상의 다단식 연료 랜스에 대한 다단식 연료는 조성에 있어서 상이하다. 1 또는 그 이상의 다단식 연료 랜스는 중심 버너의 외부에 배치될 수 있으며 그리고 중심 버너의 축으로부터 방사형으로 배치될 수 있다.
본 발명의 구체예에 관련된 대안은,
(a) (1) 열 로드 및 그 안에 배치된 연소 대기를 가지는 퍼니스;
(2) 퍼니스 내로 연소 기체를 도입하도록 적용된, 축, 1차 연료 입구, 산화제 기체 입구, 및 연소 기체 출구를 가지는 중심 버너;
(3) 중심 버너의 축으로부터 방사형으로 배치되고 퍼니스에서 연소 대기 내로 다단식 연료를 주입하도록 적용된 1 또는 그 이상의 다단식 연료 랜스; 및
(4) 1 또는 그 이상의 다단식 연료 랜스와 연결되고 거기로부터 배출된 다단식 연료를 점화시키도록 적용된 1 또는 그 이상의 점화기
를 포함하는 연소 시스템을 제공하는 단계;
(b) 산화제 기체 입구를 통해 산화제 기체를 도입하고 퍼니스에서 연소 대기 내로 1 또는 그 이상의 연료 랜스를 통해 연료를 주입하는 단계; 및
(c) 1 또는 그 이상의 점화기를 작동시키고 연료 랜스로부터 연료를 점화시켜 연소 대기 중의 산소에 의해 연료의 연소를 일으키는 단계
를 포함하는 연소 프로세스를 포함한다.
본 구체예에서, 연료는 천연 가스, 정유 오프가스(offgas), 원유 제조로부터 관련된 가스, 및 연소가능 프로세스 폐기물 가스로부터 선택될 수 있다. 복수의 연료 랜스가 사용될 수 있으며 상이한 조성의 연료가 복수의 연료 랜스에 사용될 수 있다.
본 발명의 구체예에 관련된 다른 대안은
(a) (1) 산화제 기체를 위한 입구 수단, 1차 연료를 위한 입구 수단, 산화제 기체와 1차 연료를 연소시키기 위한 연소 영역, 및 화염 홀더로부터 1차 배출물을 배출시키기 위한 출구를 가지는 중심 화염 홀더; 및
(2) 중심 화염 홀더의 출구를 둘러싸는 복수의 2차 연료 주입기 노즐 (여기서 각 2차 연료 주입기 노즐은 (2a) 입구 페이스, 출구 페이스, 및 입구와 출구 페이스를 통해 통과하는 입구 유동 축; 및 (2b) 노즐 바디를 통해 입구 페이스로부터 출구 페이스까지 연장되며, 각각의 슬롯은 슬롯 축과 슬롯 중심 평면을 가지는 1 또는 그 이상의 슬롯을 포함함);
(3) 복수의 2차 연료 주입기 노즐과 연결된 1 또는 그 이상의 점화기
를 포함하는 버너 어셈블리를 제공하는 단계;
(b) 중심 화염 홀더 내로 1차 연료 및 산화제 기체를 도입시키고, 화염 홀더의 연소 영역에서 산화제의 일부에 의해 1차 연료를 연소시키고, 그리고 화염 홀더의 출구로부터 연소 생성물 및 과량의 산화제 기체를 포함하는 1차 배출물을 배출하는 단계; 및
(c) 2차 연료 주입기 노즐을 통해 화염 홀더의 출구로부터 1차 배출물 내로 2차 연료를 주입하는 단계; 및
(d) 1 또는 그 이상의 점화기를 작동시키고 2차 연료 주입기 노즐로부터 연료를 점화시켜 연소 생성물에서 과량의 산화제에 의해 연료의 연소를 발생시키는 단계
를 포함하는 연소 프로세스에 관한 것이다.
본 구체예에서, 1차 연료 및 2차 연료는 상이한 조성을 가지는 기체일 수 있다. 1차 연료는 천연 가스 또는 정유 오프가스일 수 있으며 2차 연료는 압력 스윙 흡착 시스템으로부터 얻어진 수소, 메탄, 일산화탄소, 및 이산화탄소를 포함할 수 있다. 대안적으로, 1차 연료 및 2차 연료는 동일한 조성을 가지는 기체일 수 있다.
본 발명의 상이한 구체예는
(a) (1) 열 로드를 가지는 인클로저 및 인클로저 내에 배치된 연소 대기를 가지는 퍼니스;
(2) 인클로저에 장착되고 그리고 산소 함유 기체를 퍼니스 내로 도입하도록 적용된 1 또는 그 이상의 산화제 기체 주입기;
(3) 인클로저에 장착되고 1 또는 그 이상의 산화제 기체 주입기로부터 분리되어 공간을 차지하는 1 또는 그 이상의 연료 랜스 (여기서, 1 또는 그 이상의 연료 랜스는 퍼니스 내로 연료를 주입하도록 장착됨); 및
(4) 1 또는 그 이상의 연료 랜스와 연결되며 연료 랜스에 의해 주입된 연료를 점화시키도록 적용된 1 또는 그 이상의 점화기
를 포함하는 연소 시스템을 제공하는 단계;
(b) 1 또는 그 이상의 산화제 기체 주입기를 통해 퍼니스 중 연소 대기 내로 산소-함유 기체를 주입하는 단계;
(c) 1 또는 그 이상의 연료 랜스를 통해 퍼니스 중 연소 대기 내로 연료를 주입하는 단계; 및
(d) 1 또는 그 이상의 점화기를 작동시키고 연료 랜스로부터 연료를 점화시켜 연소 대기 중의 산소에 의해 연료의 연소를 일으키는 단계
포함하는 연소 프로세스에 관한 것이다.
발명의 상세한 설명
연소를 기초로 하는 프로세스는 산소에 의해 연료 스트림의 연소를 사용하여 프로세스 열을 발생시키고, 어떤 경우에는, 다른 프로세스 시스템으로부터 연소가능한 오프-가스 스트림을 소비하게 한다. 이들 다양한 연료와의 연소 반응의 수행시, 만약 연료-산화제 혼합물의 온도가 그 혼합물의 자동점화 온도 이상이면 자동점화가 발생할 것이다. 공기/천연 가스 혼합물에서, 예컨대, 자동점화 온도는 약 1,000℉이다. 만약 연료-산화제 혼합물의 온도가 자동점화 온도 이하이면 연소 반응을 개시하는데 있어 점화 공급원이 필요하다.
추가 변수로서, 연소 대기 또는 연소 영역에서 혼합의 정도는 기체상 또는 증기상 연료에 의한 연소 프로세스의 안정성에 영향을 미칠 수 있다. NOx의 생성을 제한하는데 있어 연료 다단식이 사용되는 때 연소 프로세스의 안정화는 복잡해진다. 연료 다단식에 있어서, (공기 또는 산소가 없는) 원료 연료가 연소의 선행하는 단계로부터 잔류하는 과량의 산소를 포함하는 연소 대기 내로 도입된다. 비록 연소의 각 단계에 대해 연료가 통상적으로 동일하지만, 상이한 연료 공급원이 사용될 수 있으며, 상이한 다단식 연료의 사용은 연소 프로세스의 작동 안정성에 영향을 미칠 수 있다. NOx의 생성을 최소화하기 위해, 다단식 연료를 연소 대기 내로 또는 산소의 최소 농도를 가지는 영역 근처로 도입시키는 것이 바람직하다.
다단식 연료 연소 시스템에 있어서 화염 안정성 및 화염 위치를 유지하는 것은 퍼니스에서 냉각 개시 동안, 프로세스 업셋, 또는 턴다운 조건에서 발생하는 비-스테디 스테이트 프로세스 동안에는 어려울 수 있다. 그런 조건 동안, 편재화된 온도가 연료-산화제 혼합물의 자동점화 온도 이하로 떨어질 수 있으며 불안정한 화염 및/또는 미연소된 연료를 함유하는 영역을 초래할 수 있다. 이는 바람직하지 않으며 퍼니스에서 조절되지 않은 에너지 방출의 가능성을 초래할 수 있다.
화염 안정성은, 연소 대기에서 연료 스트림의 도입 지점에 상대적으로 앞서는 화염의 적절한 위치로서, 연료 다단식을 성공적으로 적용하는 것에 대한 중요한 측면이다. 종래의 다단식 연소 시스템에서는, 연료 주입 장치와 혼합 패턴의 조합을 사용함으로써, 퍼니스 중 기체상 대기 중에 함유된 입구 연소 공기 스트림 또는 미반응 산소일 수 있는 산소 공급원과 연료가 풍부한 제트 사이의 접촉을 향상시켜 화염 안정성을 유지하였다. 적절한 위치 및 점화 에너지의 양 또한 중요하다. 연료 주입 장치에 대한 디자인은 통상적으로, 연료 주입기 자체, 별도의 블러프(bluff) 바디 장치(예컨대 내화 타일의 외부 표면), 또는 와류 안정기 노즐일 수 있는 화염 홀더 팁에서 화염을 고정시키도록 시도된다. 종래의 블러프 바디 유형 화염 안정기의 단점은 그것의 턴다운 비율이 제한된다는 점이며, 여기서 제한된다는 것은 냉각 개시 및 프로세스 업셋 조건 동안 그들의 안정성 성능을 제한한다는 것이다. 다단식 연료 제트 화염 프론트와 화염 홀더 표면 사이의 실질적인 거리 또는 상승(lift-off) 높이는 화염에 있어서 진동을 유발시키며, NOx 배출의 증가 및/또는 미연소 연료의 존재를 포함하는 목적하지 않는 연소 성능을 초래한다.
*비-스테디 스테이트 조건, 예컨대 개시 또는 프로세스 업셋이 발생하는 때, 종래의 연료 다단식 시스템을 통해 유동이 유지되며, 고농도로 존재하는 연료의 부피가 연소 시스템 내에서 실질적으로 증가할 수 있다. 주입 장치로부터 연료가 풍부한 제트 부근의 영역은 연소성 한계(예컨대, 천연 가스에 대해 5 부피% 내지 15 부피% 사이)를 벗어날 수 있으며, 냉각 퍼니스에서 사용가능한 점화 에너지가 불충분할 수 있다. 이들 연료 다단식 시스템의 다중 성분들이 장치의 한 조각으로 포함될 때 또는 화염이 단일 버너로부터 재발생될 때, 점화의 추가 공급원이 퍼니스에 존재할 수 있다. 이들 점화 공급원은, 예컨대, 버너 및/또는 다단식 연료 주입 장치에서 연소 반응으로 형성된 라디칼일 수 있다. 프로세스 히터, 보일러, 리포머, 또는 다른 유사한 단위 조작 중 미연소 연료의 부피와 이들 라디칼의 반응에 의해 조절되지 않은 에너지 배출이 증폭되어 안전 및 작동성과 관련되게 된다.
종래의 버너 기술은, 낮은 퍼니스 온도에서 냉각 개시 동안, 및 업셋 또는 턴다운 조건 동안 개별 연료 다단식 랜스에 대한 화염 안정성을 제공할 수 없다. 이들 기간 동안 안정성의 결여는 전술한 바와 같은 화염 상승 및 연속하여 조절되지 않은 에너지 방출을 초래할 수 있다. 이들 잠재적인 불안전 조건을 해결하는데 있어 강력한 해결책이 필요하다. 바람직한 해결책은 특정 작동 수행 및 프로세스 작동 인원에 의한 조절 단계를 필요로하기 보다는 연소 장비 자체를 변화시키고 향상시키는 것이어야 한다. 그런 해결책은 본 발명의 구체예에 개시된 것이며 여기서 1 또는 그 이상의 점화 공급원이 다단식 연료를 연소 영역 또는 연소 존으로 주입시키는 연료 주입 랜스와 조합되어 사용된다.
프로세스 히터, 퍼니스, 증기 보일러, 기체 터빈 연소기, 또는 기타 기체-발화 연소 시스템에서 연소 대기 중에 산소-함유 기체 내로 주입된 연료의 점화를 보장하기 위해 점화-보조 연료 랜스가 다양한 본 발명의 구체예에 사용된다. 본원에서 연료 랜스는 연소 대기 내로 상승된 속력으로 연료를 주입하기 위한 장치로 정의된다. 연소 대기는 산화제 기체를 함유하며, 그 산화제 기체 내로 주입된 다단식 연료가 산화제 기체 중 산소에 의해 연소된다. 산화제 기체는 공기, 산소가 풍부한 공기, 또는 연소 생성물 및 미반응 산소를 함유하는 연소 기체일 수 있다. 예컨대, 점화-보조 연료 랜스는 버너에 인접하지만 버너로부터 분리되어 있는 퍼니스 경계면, 벽, 또는 인클로저에 설치될 수 있으며 여기서 연료 랜스는 동심형-다단식 연소를 수행하도록 버너에 의해 발생된 연소 대기 내로 연료를 주입한다. 대안적으로, 점화-보조 연료 랜스는 공기와 같은 산화제 기체의 공급원에 인접하지만 분리되어 설치될 수 있으며, 여기서 연료 랜스는 매트릭스-다단식 연소를 수행하도록 산화제 기체 또는 연소 대기 내로 연료의 일부를 주입한다.
본원에서 사용된 용어 "연소 대기"는 퍼니스의 인클로저 또는 경계면 내의 대기를 의미한다. 퍼니스의 경계면 내의 전체 연소 대기는 산소, 연료, 연소 반응 생성물을 함유하는 연소 기체(예컨대, 탄소 산화물, 질소 산화물, 및 물), 및 불활성 기체(예컨대, 질소 및 아르곤)를 포함한다. 산소 및 불활성 기체의 공급원은 통상적으로 공기이며; 산소의 대안의 공급원 또는 추가 공급원은 산소 주입 시스템일 수 있으며 이들은 산소가 풍부한 공기 및/또는 연소 프로세스를 향상시키기 위한 고순도 산소를 도입한 것이다. 성분들의 농도가 퍼니스를 통해 다양하기 때문에 연소 대기는 불균질하다. 예컨대, 산소의 농도는 산화제 주입 지점 근처에서 더 높을 수 있으며 연료의 농도는 연료 주입 지점 가까이에서 더 높을 수 있다. 연소 대기의 다른 영역에서는, 연료가 존재하지 않을 수도 있다. 산소 및 연소 반응 생성물의 농도는 연소 대기 내의 다양한 위치에서 연소량에 좌우되어 다양할 것이다. 특정 위치에서, 주입된 연료가 연소 대기 내로 주입된 산화제 기체 중의 산소와 직접 반응하며; 다른 위치에서는 주입된 연료가 연소 대기 중 다른 곳에서 발생하는 연소로부터 반응하지 않은 산소와 반응할 수 있다.
퍼니스 내부 중 연소 대기에 열 로드가 배치되며, 여기서 열 로드는 (1) 퍼니스 연소 대기를 통해 운반되는 물질에 의해 흡수된 열 (여기서 퍼니스를 통해 운반되는 것인 열이 연소 대기로부터 물질까지 전달됨) 또는 (2) 연소 대기로부터 가열되는 물질까지 열을 전달하도록 적용된 열 교환 장치로서 정의된다.
동심형-다단식 연소 버너 시스템의 예는 도 1에 단면도로 도시한 것이며, 다 단식 연료를 주입하기 위한 다중 주입 랜스에 의해 둘러싸인 중심 버너 또는 화염 홀더를 보여준다. 버너는 산소와 연료를 연소시키기 위한 통합 연소 어셈블리로서 정의되며, 여기서 버너는 퍼니스의 벽 또는 인클로저에 장착되도록 적용된다. 중심 버너 또는 화염 홀더(1)는 외부 파이프(3), 동심형 중간 파이프(5), 및 내부 동심형 파이프(7)를 포함한다. 내부 파이프(7)의 안쪽 및 외부 파이프(3)와 중간 파이프(5) 사이의 환형 공간(9)이 외부 파이프(3)의 안쪽과 유동 커뮤니케이션을 이룬다. 내부 파이프(7)와 중간 파이프(5) 사이의 환형 공간(11)은 연료 주입 파이프(13)에 연결되어 유동 커뮤니케이션을 이룬다. 중심 버너는 퍼니스 벽(14)에 설치된다.
이 중심 버너의 작동시, 산화제 기체(통상적으로 공기 또는 산소가 풍부한 공기)(10)가 외부 파이프(3)의 안쪽으로 흐르며, 이 공기 중 일부가 내부 파이프(7)의 안쪽을 통해 흐르며, 이 공기 중 잔류하는 일부가 환형 공간(9)을 통해 흐른다. 1차 연료(15)가 파이프(13)를 통해 그리고 환형 공간(11)을 통해 흐르고, 내부 파이프(7)로부터 공기에 의해 연소 존(17)에서 최초로 연소된다. 연소 존(17)으로부터의 연소 기체가 연소 존(19)에서 추가의 공기와 혼합된다. 이 존에서의 연소는 통상적으로 과도하게 연료-의존적이다. 연소 존(19) 및 연소 존(21)에서 가시적인 화염이 연소 기체(23)로서 통상적으로 형성되며 퍼니스 내부(25)로 들어간다. 본원에서 사용된 용어 "연소 존"은 연소가 발생하는 버너 내의 영역을 의미한다.
다단식 연료 시스템은 입구 파이프(27), 매니폴드(29), 및 복수의 다단식 연료 랜스(31)를 포함한다. 복수의 다단식 연료 랜스의 말단은 임의의 목적하는 유형 의 주입 노즐(33)과 들어맞을 수 있다. 다단식 연료(35)는 입구 파이프(27), 매니폴드(29), 및 다단식 연료 주입 랜스(31)를 통해 흐른다. 노즐(33)로부터 다단식 연료 스트림(37)이 신속하게 혼합되며 산화제-함유 연소 기체(23)에 의해 연소된다. 퍼니스 내부(25) 중 더 찬 연소 대기가 노즐(33)에 의해 증폭된 혼합 작용을 강하게 함으로써 다단식 연료 스트림(37)에 의해 신속하게 포착되며, 동심형으로 주입된 다단식 연료가 중심 버너(1)의 출구의 산화제-함유 연소 대기 하류에 의해 연소된다. 1차 연료는 전체 연료 유동 비율(1차 ＋ 다단식) 중 5 내지 30%일 수 있으며 다단식 연료는 전체 유동 연료 비율 중 70 내지 95%일 수 있다.
1차 및 다단식 연료는 동일한 조성을 가질 수 있거나 또는 상이한 조성을 가질 수 있으며 두 연료 모두 임의의 기체상, 증기상, 또는 원자화된 탄화수소-함유 물질일 수 있다. 예컨대, 천연 가스, 정제 오프가스, 원유 생산과 관련된 기체, 및 연소가능 프로세스 폐기물 가스로 구성되는 군으로부터 연료가 선택될 수 있다. 예시적인 프로세스 폐기물 가스는 천연 가스로부터 수소를 발생시키기 위한 프로세스 중 압력 스윙 흡착 시스템으로부터의 폐기물 가스 또는 테일 가스이다.
노즐(33)의 예시적 유형이 도 2에 도시되었다. 노즐 어셈블리(201)는 노즐 입구 파이프(205)에 결합된 노즐 바디(203)를 포함한다. 본 도면에서 세로-방향으로 도시된 슬롯(207)이 슬롯(209, 211, 213 및 215)에 의해 가로질러진다. 슬롯들은 노즐 바디(203)와 노즐 입구 파이프(205) 사이를 연결하며 출구 페이스(217)와 입구 페이스(도시되지 않음) 사이에 배치된다. 유체(219)는 노즐 입구 파이프(205)를 통해 그리고 슬롯(207, 209, 211, 213 및 215)을 따라 흐르며, 이후 슬롯 출구 를 둘러싸는 다른 유체와 혼합된다. 도 2에 보여지는 슬롯 패턴에 더하여, 다른 슬롯 패턴이 가능하며; 노즐 어셈블리는 임의의 방향으로 사용될 수 있으며 일반적으로 보여지는 수평 방향으로 제한하는 것은 아니다. 출구 페이스(217)에 대해 수직인 방향에서 볼 때, 예시적 슬롯(209, 211, 213 및 215)이 오른쪽 각도로 슬롯(207)을 가로지른다. 예시적 슬롯(209, 211, 213 및 215)과 슬롯(207) 사이에서 다른 각도로 가로지르는 것도 가능하다. 출구 페이스(217)에 대해 수직인 방향에서 볼 때, 예시적 슬롯(209, 211, 213 및 215)은 서로 평행하지만; 이들 슬롯 중 1 또는 그 이상이 나머지 슬롯에 대해 평행하지 않은 다른 구체예도 가능하다.
본원에서 사용된 용어 "슬롯"은 노즐 바디 또는 다른 고형 물질을 경유하는 개구부로 정의되며 여기서 임의의 슬롯 절단면(즉, 이하에 정의된 입구 유동 측에 수직으로의 절단)은 원형이 아니며 주축과 부축을 특징으로 한다. 주축이 부축보다 길며 두 축은 일반적으로 수직이다. 예컨대, 도 2에서 임의의 슬롯의 주축 절단면은 슬롯 절단의 두 말단 사이로 연장되며, 부축의 절단면은 주축에 대해 수직이며 슬롯 절단면의 측면 사이로 연장된다. 슬롯은 임의의 원형이 아닌 절단면 형상을 가질 수 있으며 각 절단면은 중심 지점 또는 중심(centroid)을 특징으로 하며, 여기서 중심은 일반적인 기하학적 정의를 가진다.
슬롯은 또한 모든 슬롯 절단면의 중심을 연결하는 일직선으로 정의되는 슬롯 축을 특징으로 할 수 있다. 게다가, 슬롯은 모든 슬롯 절단면의 주축 절단면을 가로지르는 중심 평면을 특징으로 하거나 또는 정의될 수 있다. 각 슬롯 절단면은 이 중심 평면의 각 측면 상에 수직 대칭을 가질 수 있다. 중심 평면은 슬롯의 양 말단 아래로 연장되며 이하에 설명하는 노즐 바디 입구 유동 축에 상대적인 슬롯 방향을 정의하는데 사용될 수 있다.
도 2의 노즐의 축단면 I-I이 도 3에 주어진다. 입구 유동 축(301)이 노즐 입구 파이프(302), 입구 페이스(303), 및 출구 페이스(217)의 중심을 통해 통과한다. 본 구체예에서, 슬롯(209, 211, 213 및 215)의 중심 평면은 입구 유동 축(301)에 대해 입구 유동 축(301)으로부터 갈라지는 방향으로 출구 페이스(217)에서 슬롯으로부터 유체가 흐르게 되는 각도(즉, 입구 유동 축(301)에 대해 평행하지 않음)로 놓여있다. 슬롯(207)의 중심 평면(도 3에는 이 슬롯의 단지 일부만이 보여짐) 또한 입구 유동 축(301)에 대한 각도로 놓여진다. 이런 예시적 특징은 노즐 출구 페이스로부터 유체로 하여금 입구 유동 축(301)으로부터 서로 갈라지는 방향으로 향하게 한다. 본 예시적 구체예에서, 도 3의 축 단면에 수직인 방향에서 볼 때, 슬롯(209 및 211)은 입구 페이스(303)를 가로질러 날카로운 모서리(305)를 형성하며, 슬롯(211 및 213)은 가로질러 날카로운 모서리(307)을 형성하며, 그리고 슬롯(213 및 215)은 가로질러 날카로운 모서리(309)를 형성한다. 대안적으로, 이들 슬롯은 입구 페이스(303)와 출구 페이스(217) 사이의 축 위치에서 가로지를 수 있으며, 그리고 날카로운 모서리는 노즐 바디(203) 내에서 형성되게 된다. 대안적으로, 이들 슬롯은 도 2의 축 단면에 수직인 방향에서 볼 때 가로지르지 않을 수 있으며, 날카로운 모서리가 형성되지 않을 수도 있다.
본원에 사용된 용어 "입구 유동 축"은 입구 페이스에서 노즐로 들어가는 유체의 유동 방향으로 정의되는 축이며, 여기서 이 축은 입구와 출구 페이스를 통과 하여 지나간다. 모든 경우는 아니지만, 통상적으로, 입구 유동 축은 노즐 입구 페이스(303) 및/또는 출구 노즐 페이스(217)의 중심에 수직이며, 페이스들에 수직으로 마주친다. 보여지는 바와 같이 노즐 입구 파이프(302)가 통상적인 원통형 도관인 경우, 입구 유동 축은 도관 축에 대해 평행할 수 있거나 또는 일치할 수 있다.
슬롯의 축 길이는 노즐 입구 페이스와 출구 페이스 사이, 예컨대, 도 3의 입구 페이스(303)와 출구 페이스(217) 사이의 슬롯의 길이로 정의된다. 슬롯 높이는 부축 절단면에서 슬롯 벽 사이의 수직 거리로 정의된다. 슬롯의 축 길이의 슬롯 높이에 대한 비는 약 1과 약 20 사이일 수 있다.
노즐 바디 중 다중 슬롯은 입구 유동 축에 수직인 평면에서 가로지를 수 있다. 도 2에 보여지는 바와 같이, 예컨대, 슬롯(209, 211, 213 및 215)은 오른쪽 각도로 슬롯(207)을 가로지른다. 만약 목적한다면, 이들 슬롯은 오른쪽 각도가 아닌 각도로 입구 유동 축에 수직인 평면에서 가로지를 수 있다. 입구 유동 축에 평행한 평면, 즉, 도 3의 절단 평면에서 볼 때 인접한 슬롯들이 또한 가로지를 수 있다. 도 3에서 보여지는 바와 같이, 예컨대 슬롯(209 및 211)이 입구 페이스(303)애서 가로질러 날카로운 모서리(305)를 형성한다는 것은 전술한 바와 같다. 슬롯의 중심 평면들 사이 및 또한 또한 각 슬롯의 중심 평면과 입구 유동 축 사이의 각도 상호관계는 목적하는 대로 다양할 수 있다. 이는 노즐 축에 상대적인 임의의 선택된 방향에서 노즐로부터 유체가 배출되는 것을 허용한다.
대안적으로, 노즐 바디는 축(301)에 수직인 임의의 평면에서 슬롯 중 어느 것도 서로 가로지르지 않도록 구상될 수 있다. 이 대안의 구체예에서, 예컨대, 노 즐 바디 페이스에 수직으로 보여지는 모든 슬롯이 분리되어 있으며 다른 슬롯을 가로지르지 않는다. 예컨대 그럿 슬롯은 슬롯(207)이 없는 도 2의 노즐과 유사할 수 있으며, 여기서 노즐은 단지 슬롯(209, 211, 213 및 215)을 가져야 한다. 이들 슬롯은 도 2에 보여지는 바와 같이 축방향으로 가로지를 수 있다.
도 4는 도 2와 도 3의 다단식 연료 랜스 노즐을 사용하는 도 1의 예시적 장치의 배출 말단을 보여는 평면도이다. 동심형 파이프(403, 405 및 407)는 방사형 멤버 또는 핀에 들어맞는 환형 공간(409 및 411)을 에워싼다. (이미 전술한 것으로서) 슬롯화된 다단식 연료 주입 노즐(433)은 보여지는 바와 같이 중심 버너 주변에 동심형으로 배치될 수 있다. 본 구체예에서, 슬롯화된 주입 노즐의 슬롯 각도는 주입된 다단식 연료를 중심 버너(1) 축에 대해 발산하는 방향으로 향하도록 배향된다.
다단식 연료 노즐(433) (도 4)의 주입 선단에서 노즐 바디(203) (도 2)에 대해 다른 유형의 노즐 구성이 사용될 수 있다. 예컨대, 노즐 바디(203)의 출구 페이스(217)에서 개구부는, 2개의 교차하는 슬롯에 의해 형성된 1 또는 그 이상의 교차형상 개구부의 형태로 형성될 수 있다. 대안적으로 임의의 다른 형상의 개구부가, 전술한 슬롯과는 다른 형상을 가지는 노즐 바디 페이스에 사용될 수 있다.
도 1의 예시적인 동심형 다단식 연소 버너 시스템은 본 발명의 구체예에 따라 도 5에 도시된 바와 같이 변형될 수 있다. 본 도면에서 개략적으로 보여지는 점화기(501)는 다단식 연료 랜스(31)와 연결되며 그리고 노즐(33)로부터 배출되는 다단식 연료(37)를 점화시키도록 적용된다. 보여지는 바와 같이 점화기는 다단식 연 료 랜스에 인접할 수 있으며, 여기서 점화기의 점화 말단(503)은 노즐(33)의 팁에 인접한다. 대안적으로, 점화기는 후술하는 다단식 연료 랜스 내로 통합될 수 있다. 본원에서 사용된 "점화기"의 일반적인 의미는 연료-산화제 혼합물의 자동점화 온도 이상으로 편재화된 온도를 발생시키는 장치이다. 예컨대, 점화기(501)는 노즐(33)에 인접하며, 그럼으로써 다단식 연료 스트림의 점화를 보장하게 된다. 점화기(501)는 도 5에 개략적으로 보여지며 그리고 다단식 연료와 산화제의 혼합물을 점화시키도록 충분히 높은 온도를 발생시킬 수 있는 임의의 유형의 점화기일 수 있다. 예컨대, 이들 점화기는 점화 말단(503)에서 파일럿 화염을 발생시킬 수 있으며 여기서 파일럿 화염은 중심 버너의 연료-산화제 혼합물로부터 분리된 연료-산화제 혼합물을 연소시킴으로써 형성될 수 있다. 대안적으로, 점화기(501)는 간헐적 스파크 점화기, 연속 스파크 점화기, DC 아크 플라즈마, 마이크로웨이브 플라즈마, RF 플라즈마, 고에너지 레이저 빔, 또는 점화 말단(503)에서 임의의 다른 유형의 점화기일 수 있다.
도 5에서 점화기의 위치는 중심 버너의 배출 말단을 보여주는 도 6의 평면도에서 보여질 수 있으며 그리고 도식적인 점화 말단(503)은 동심형 주입 노즐(33)과 연결된다. 본 구체예에서, 각 점화 말단이 다단식 주입 노즐에 인접한다. 대안적으로, 점화기는 후술하는 바와 같이 다단식 연료 랜스(31) 내로 통합될 수 있다. 도 6의 본 구체예에서, 각 주입 노즐 및 연료 랜스는 인접한 점화기를 가지며, 점화기의 수 및 다단식 연료 랜스의 수는 동일하다. 대안적으로 다단식 연료 랜스의 수는 점화기의 수보다 적을 수 있으며, 여기서 각 점화기는 복수의 연료 랜스의 점화를 일으킬 수 있다. 하나의 예로서, 점화기는 다단식 연료 랜스와 번갈아 연결될 수 있으며 여기서 점화기의 수는 연료 랜스의 수의 반이다. 점화기의 임의의 수 및 구성이 다단식 연료-산화제 혼합물의 적절한 점화를 일으키는데 사용될 수 있다. 본 개시에서, 용어 "연결된"이란 다단식 연료 랜스와 연결된 점화기가 랜스의 배출과 인접한 영역에서 존재하는 다단식 연료 랜스 및 산화제로부터 다단식 연료에 의해 형성된 연료-산화제 혼합물을 점화시키도록 적용되며 그리고 점화시킬 수 있는 것을 의미한다. 전술한 바와 같이, 랜스와 연결된 점화기는 랜스에 인접할 수 있거나 또는 랜스의 통합 부분일 수 있다.
점화기(501) (도 5)는 파일럿 연료 및 파일럿 산화제에 의해 점화 말단(503)에서 형성되는 파일럿 화염을 사용할 수 있다. 파일럿 화염은 다단식 연료 랜스에서 제공되는 것과 동일한 연료일 수 있거나, 또는 예컨대 중심 버너(1)의 1차 연료(15)와 같은 상이한 연료일 수 있다. 파일럿 산화제는 공기, 산소가 풍부한 공기, 또는 기타 산소-함유 기체일 수 있다. 파일럿 화염 배출의 방향은 일반적으로 다단식 연료 배출의 방향에 평행할 수 있거나, 또는 대안적으로 다단식 연료 배출의 방향에 대해 임의의 각도일 수 있다. 하나의 구체예에서, 파일럿 화염은 중심 버너의 축으로부터 밖으로 향하는 방사형으로 향할 수 있으며 다른 구체예에서는 중심 버너의 축에 일반적으로 평행한 방향일 수 있다. 파일럿 화염 및 파일럿 산화제는 점화기의 말단의 미리혼합된 업스트림일 수 있거나 또는 대안적으로 연료 및 산화제는 파일럿-유형 점화기의 점화 말단 부근으로 운반될 수 있으며 연소될 수 있다. 점화기 자체는 후술하는 바와 같이 파일럿 연료 및 파일럿 산화제를 점화하 기 위한 스파크 점화 수단을 구비할 수 있다.
예시적 점화기는 도 7A(측단면도) 및 7B(말단면도)에 보여지는 파일럿 장치이다. 이 파일럿은 외부 파이프(701), 내부 파이프(703), 유동 난류 발생기 또는 블러프 바디(705), 및 환대(707)를 포함한다. 공기 또는 산소가 풍부한 공기와 같은 산화제 기체가 환대(707)를 따라 그리고 유동 난류 발생기 또는 블러프 바디(705)에 걸쳐 흐르며, 연료 기체는 내부 파이프(703)를 통해 흐른다. 연료 및 산화제는 연소되어 파일럿의 출구에서 파일럿 화염을 형성한다. 만약 목적한다면, 전기 점화 장치가 파일럿 연료 및 산화제의 초기 점화를 위해 사용될 수 있다. 예시적 점화 장치가 도 8A 및 8B에 보여지며, 여기서 전극(801)이 내부 파이프(703)의 안쪽에 설치된다. 전극의 말단은 통상적으로 내부 파이프(703)의 말단의 아래로 연장되며 내부 파이프(703)와 외부 파이프(701)의 말단 사이의 영역에 배치된다. 전극이 전기적으로 에너지화될 때 전극의 말단과 외부 파이프(701)의 안쪽 벽 사이에서 스파크가 발생한다. 산화제 및 연료가 각각 내부 파이프(703) 및 환대(707)를 따라 흐르고, 내부 파이프(703)와 외부 파이프(701)의 말단 사이의 영역에서 혼합되며, 그리고 전극의 말단과 외부 파이프(701)의 안쪽 벽 사이에서 발생하는 스파크에 의해 점화된다.
점화기 파일럿의 대안의 유형이 도 8A 및 8B에 대한 대안으로 사용될 수 있다. 본 구체에에서, 내부 파이프(703)가 사용되지 않으며, 미리 혼합된 연료-산화제 혼합물이 파이프(701)을 따라 제공되며 전극(801)의 말단으로부터 스파크에 의해 점화된다.
전술한 파일럿 점화기는 예컨대, 복수의 버너(예컨대 도 5의 버너(1))에 의해 발화된 퍼니스의 작동 동안 연속적으로 작동될 수 있다. 대안적으로 파일럿 점화기는 퍼니스의 냉각 개시 동안에만 작동할 수 있으며 퍼니스의 정상 작동 동안에는 작동하지 않아야 한다.
도 7A 및 7B 또는 도 8A 및 8B의 파일럿 점화기는 도5와 6에 보여지는 다단식 연료 랜스 각각에 인접하여 설치될 수 있다. 대안적으로, 파일럿 점화기는 도 9에 도시된 바와 같이 다단식 연료 랜스의 통합 부분으로 디자인될 수 있다. 본 예시적 구체예에서, 도 8A 및 8B의 전극-보조 파일럿 점화기는 도 2와 3의 연료 랜스 및 노즐 내로 통합된다. 도 9의 통합 연료 랜스 및 점화기 어셈블리(901)에서, 슬롯(909, 911, 913, 및 915)은 보여지는 바와 같이 슬롯(907)을 가로지르며, 모든 슬롯이 연료 랜스 노즐 페이스(917)를 따라 지나가며 입구 유동 축으로부터 갈라지는 방향으로 출구 페이스(917)에서 슬롯으로부터 유체를 유동시키도록 랜스의 입구 유동 축에 대한 각도로 놓여진다. 점화기는 외부 파이프(903), 내부 파이프(904), 및 전극(905)을 포함하며, 이들 성분은 랜스의 축에 평행하도록 랜스를 통해 빈공간에 설치된다. 점화기는 전술한 바와 같이 도 8A 및 8B를 참고로 작동한다.
연료(919)는 랜스 입구 선단으로 들어가며, 안쪽 연료 통로(보이지 않음)를 통해 흐르며, 그리고 노즐 페이스(917)의 슬롯(907, 909, 911, 913, 및 915)으로 빠져나간다. 랜스 연료(919)와 동일하거나 또는 상이할 수 있는 파일럿 연료(921)는 내부 파이프(904) 내에서 및 그것을 통해 흐른다. 파일럿 산화제 기체(923) (예컨대, 산소 또는 산소가 풍부한 공기)는 외부 파이프(903)와 내부 파이프(904) 사 이의 환대 내에서 및 그것을 통해 흐른다. 전술한 바와 같이 파일럿 연료와 산화제 기체의 혼합물을 점화하는데 있어 점화 전극(905)이 사용된다.
도 9의 점화-보조 랜스의 일부로서 전술한 파일럿 화염 점화기 대신에, 임의의 유형의 점화기가 사용될 수 있다. 점화기는 예컨대, 간헐적 스파크 점화기, 연속 스파크 점화기, DC 아크 플라즈마, 마이크로웨이브 플라즈마, RF 플라즈마, 및 고에너지 레이저 빔으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 대안의 구체예는 퍼니스 내로 산화 기체를 주입하기 위한 산화제 주입기를 가지는 연소 시스템 및 퍼니스 내로 연료를 주입하기 위한 별도의 점화-보조 연료 랜스에 관한 것이다. 매트릭스 연소 시스템으로 고려될 수 있는 본 구체예에서는 별개의 버너가 사용되지 않는다. 그 시스템은, 인클로저 및 그 인클로저 내에 배치된 열 로드를 가지는 퍼니스; 인클로저에 장착되고 그리고 퍼니스 내로 산소-함유 기체를 도입하도록 적용된 1 또는 그 이상의 산화제 기체 주입기; 인클로저에 장착되고 그리고 1 또는 그 이상의 산화제 기체 주입기로부터 분리되어 채워진 1 또는 그 이상의 연료 랜스 (여기서 1 또는 그이상의 연료 랜스는 퍼니스 내로 연료를 주입하도록 적용됨); 그리고 1 또는 그 이상의 연료 랜스와 연결되고 그리고 연료 랜스에 의해 주입된 연료를 점화시키도록 적용된 1 또는 그 이상의 점화기를 포함한다. 1 또는 그 이상의 산화제 기체 주입기 및 복수의 연료 랜스가 사용되는 경우, 그 연소 시스템은 매트릭스-다단식 연소 시스템으로 정의될 수 있다.
본 실시예는 도 10에 개략적으로 도시하였으며, 여기서 산화제 기체(1001)는 퍼니스 벽 또는 인클로저(1005)에 장착된 산화제 기체 주입기(1003)를 통해 주입된 다. 퍼니스 벽 또는 인클로저는 보여지는 바와 같이 고온 내화물(1007)과 일치할 수 있다. 산화제 기체(1001)는 공기, 산소가 풍부한 공기, 또는 임의의 다른 산소-함유 기체일 수 있다. 주입된 산화제 기체는 퍼니스의 내부(1011) 중 연소 대기 내에서 분산 제트(1009)를 형성한다.
점화-보조 연료 랜스(1013)는 산화제 기체 주입기(1003)로부터 분리된 퍼니스 벽(1005)에 배치되며 퍼니스 내부(1011) 내로 연료 기체(1015)를 주입하도록 작동하며 그리고 분산 연료 기체 제트(1017)를 형성한다. 점화-보조 연료 랜스(1013)는 도 10을 참조로 전술한 랜스의 단면으로서 본 도면에 보여지지만, 임의의 유형의 점화-보조 랜스가 사용될 수 있다. 산화제 기체 주입기(1003)의 둘레와 인접한 점화-보조 연료 랜스(1013)의 둘레 사이의 거리 D는 2 내지 50 인치의 범위일 수 있다. 파일럿 연료(1021)에 의해 제공되는 산화제-연료 혼합물 및 전술한 랜스 내에 배치된 전극에 의해 점화된 파일럿 산화제(1023)의 연소에 의해 파일럿 화염(1019)이 형성된다.
만약 연료-산화제 혼합물의 온도가 그것의 자동점화 온도 이하인 경우 퍼니스 내부의 연소 대기(1011) 중 연료(1017) 및 산화제(1009)에 의해 형성된 연료-산화제 혼합물을 파일럿 화염(1019)이 점화시킨다. 통상적으로 분산 연료 제트(1017)의 하류로 화염(도시되지 않음)이 즉시 형성된다. 만약 연료-산화제 혼합물의 온도가 그것의 자동점화 온도 이상인 경우, 파일럿 화염 점화기의 작동은 불필요할 수 있지만; 퍼니스 작동 중 작동 업셋의 이벤트시 만약 필요하다면 연료-산화제 혼합물의 점화를 제공하도록 파일럿 화염의 작동이 연속될 수 있다.
부가적인 점화-보조 연료 랜스가 퍼니스 벽(1005)에서 분리된 다른 위치에서 공간을 차지하며 배치될 수 있다; 예컨대 랜스(1013)와 동일한 랜스가 산화제 기체 주입기(1003)의 맞은편 상에 보여지는 개구부(1025)에 장착될 수 있다. 도 10의 구체예에서, 산화제 기체 주입기(1003) 및 점화-보조 연료 랜스(1013) (및 도시되지 않은 임의의 다른 점화-보조 연료 랜스)는 통상적으로 퍼니스 벽(1005)에 설치된 별개의 성분들이다. 1 또는 그 이상의 산화제 기체 주입기 및 복수의 연료 랜스가 사용될 수 있으며 매트릭스-다단식 연소 시스템을 제공하게 된다.
예시적 매트릭스-다단식 설치를 이용하는 다중 산화제 기체 주입기 및 점화-보조 연료 랜스는 도 11의 구체예로 도시되었다. 예시적 퍼니스(1101)는 벽 또는 인클로저(1103)에 의해 한정되어 연소 대기를 포위하는 정확히 평행인 파이프형의 연소 공간 또는 부피를 형성하지만, 연소 대기의 다른 구체예에서도 임의의 퍼니스 형상에 의해 포위될 수 있다. 복수의 산화제 기체 주입기(1105, 1107 및 1109) 및 복수의 점화-보조 연료 랜스(1111, 1113, 및 1115)가 퍼니스의 상부 경계면 또는 천장에 설치된다. 각 주입기 및 랜스로부터 아래 방향의 화살표에 의해 도시된 바와 같이, 각 산화제 기체 주입기가 퍼니스 내로 산화제 기체의 제트 또는 스트림을 도입시키며 그리고 각 점화-보조 연료 랜스가 연료 기체의 제트 또는 스트림을 도입시킨다. 산화제 기체 주입기는 도 10의 산화제 기체 주입기(1003)와 동일할 수 있으며 점화-보조 연료 랜스는 도 10의 점화 보조 연료 랜스(1013)와 동일할 수 있다. 다른 유형의 산화제 기체 주입기 및 점화-보조 연료 랜스가 목적하는 대로 사용될 수 있으며, 임의의 기하학적 배열의 산화제 기체 주입기 및 점화-보조 연료 랜스가 사용될 수 있다.
주입된 연료 기체는 산화제 기체에 의해 연소되며, 도 10을 참조로 전술한 바와 같이 점화-보조 랜스에서 파일럿 화염에 의헤 연소가 개시될 수 있다. 통상적으로 화염은 아래로 향하는 연료 제트 아래에서 형성되며, 이들 화염은 가시적일 수 있거나 또는 그렇지 않을 수 있다. 이산화탄소, 질소 산화물, 물, 미소비 산소, 및 불활성 기체를 포함하는 뜨거운 연소 대기가 굴뚝 기체(1117)로서 퍼니스(1101)를 빠져나간다. 굴뚝 기체(1117)의 출구 방향으로 퍼니스의 유동 축을 따라 연료 랜스에서 주입된 연료의 일부로서 퍼니스에서 매트릭스-다단식 연소가 발생한다.
통상적으로 열 로드는 퍼니스(1101) 내에 존재하며 거기서 발생하는 연소열의 일부를 흡수하게 된다. 이 도면에서, 개략적인 열 교환기(1119)가 퍼니스의 바닥에 보여지며, 프로세스 공급 스트림(1121)을 가열하고 그것을 프로세스 배출물 스트림(1123)으로 전환시켜 퍼니스를 빠져나가게 한다. 프로세스 공급 스트림(1121)은 화학 반응을 수반하거나 또는 수반하지 않으면서 퍼니스 내에서 가열될 수 있다. 특정 응용에 좌우되어 프로세스 스트림의 상 변화가 발생할 수 있거나 또는 발생하지 않을 수 있다. 열 로드를 포함하는 프로세스 스트림 대신에, 예컨대 금속 열처리 프로세스에 있어서 물품이 퍼니스를 따라 운반될 수 있으며 거기의 열을 흡수한다. 퍼니스를 따라 통과하는 물질의 유형에 무관하게, 그 시스템 및 프로세스는 퍼니스 중의 뜨거운 연소 대기로부터 열을 흡수하는 열 로드를 특징으로 한다. 본 발명의 모든 구체예에서, 전술한 "열 로드"의 일반적 의미는 (1) 퍼니스 연소 대기를 통해 운반되는 물질에 의해 흡수되는 열 (여기서 그 열은 퍼니스를 통해 그것이 운반되는 것으로서 연소 대기로부터 물질로 전달됨) 또는 (2) 연소 대기로부터 가열되는 물질까지 열을 전달하도록 적용된 열 교환 장치이다. 연소 대기는 퍼니스 내에 포함되어 있으며, 여기서 퍼니스는 내부에서 주입된 산화제 및 연료의 연소가 발생하는 인클로저로서 정의된다.
도 11의 구체예가 아래로 향하는 주입기를 탑에 장착한 평행 유형의 퍼니스 인클로저를 예시하고 있으나, 임의의 다른 목적하는 기하학을 사용할 수 있다. 예컨대, 도 11의 퍼니스는 수평-산화제 및 연료 주입에 의해 벽-발화될 수 있거나 또는 위로 향하는 산화제 및 연료 주입에 의해 바닥-발화될 수 있다. 대안적으로, 원통형 벽에 평행인 원형 기하학으로 프로세스 튜브가 설치된 것인 원통형 퍼니스가 사용될 수 있다. 연료 및 산화제는 퍼니스의 바닥에서 위쪽 방향으로 주입될 수 있으며 연소 생성물은 퍼니스의 상부에서 스택을 따라 빠져나갈 수 있다. 동심형-다단식 연소 시스템(도 5 및 6) 또는 매트릭스-다단식 연소 시스템(도 10 및 11)이 균일한 열 분포, 우수한 화염 안정성, 및 더 낮은 NOx 방출을 나타내도록 임의의 퍼니스 기하에 대해 사용될 수 있다.
본 발명은 열 로드 및 그 안에 배치된 연소 대기를 가지는 퍼니스; 연료를 연소 대기 내로 주입하도록 적용된 1 또는 그 이상의 연료 랜스; 및 1 또는 그 이상의 연료 랜스와 연결되며 1 또는 그 이상의 연료 랜스에 의해 연소 대기 내로 주입된 연료를 점화시키도록 적용된 1 또는 그 이상의 점화기를 포함하는 연소 시스 템에 관한 것이다.

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. (a) (1) 산화제 기체를 위한 입구 수단, 1차 연료를 위한 입구 수단, 산화제 기체와 1차 연료를 연소시키기 위한 연소 영역, 및 화염 홀더로부터 1차 배출물을 배출시키기 위한 출구를 가지는 중심 화염 홀더; 및
    (2) 중심 화염 홀더의 출구를 둘러싸는 복수의 2차 연료 주입기 노즐로서, 각 2차 연료 주입기 노즐은 (2a) 입구 페이스(303), 출구 페이스(217), 및 입구와 출구 페이스를 통해 통과하는 입구 유동 축(301); 및 (2b) 노즐 바디를 통해 입구 페이스(303)로부터 출구 페이스(217)까지 연장되며, 각각의 슬롯은 슬롯 축과 슬롯 중심 평면을 가지는 1 또는 그 이상의 슬롯을 포함하는 것인 2차 연료 주입기 노즐;
    (3) 복수의 2차 연료 주입기 노즐과 연결된 1 또는 그 이상의 점화기
    를 포함하는 버너 어셈블리를 제공하는 단계;
    (b) 중심 화염 홀더 내로 1차 연료 및 산화제 기체를 도입시키고, 화염 홀더의 연소 영역에서 산화제 기체의 일부에 의해 1차 연료를 연소시키고, 그리고 화염 홀더의 출구로부터 연소 생성물 및 과량의 산화제 기체를 포함하는 1차 배출물을 배출시키는 단계;
    (c) 2차 연료 주입기 노즐을 통해 화염 홀더의 출구로부터 1차 배출물 내로 2차 연료를 주입하는 단계; 및
    (d) 1 또는 그 이상의 점화기를 작동시키고 2차 연료 주입기 노즐로부터 연료를 점화시켜, 연소 생성물에서 과량의 산화제에 의해 연료를 연소시키는 단계
    를 포함하는 연소 방법.
  7. 제6항에 있어서, 1차 연료 및 2차 연료가 상이한 조성을 가지는 기체인 연소 방법.
  8. 제6항에 있어서, 1차 연료가 천연 가스 또는 정유 오프가스이며, 2차 연료가 압력 스윙 흡착 시스템으로부터 얻어진, 수소, 메탄, 일산화탄소, 및 이산화탄소를 포함하는 것인 연소 방법.
  9. 제8항에 있어서, 1차 연료 및 2차 연료가 동일한 조성을 가지는 기체인 연소 방법.
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