KR101373693B1 - 산업용 버너, 및 관련된 열처리 화로용 연소 방법 - Google Patents

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다니엘리 센트로 컴부스티온 쏘시에떼 퍼 아찌오니
다니엘리 앤드 씨. 오피시네 메카니케 쏘시에떼 퍼 아찌오니
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Abstract

자유 대기에 있는 부하의 열처리 화로를 위한 공정에 적합하고, 오염물질 배출이 매우 낮은 고속 버너가 제공된다. 그 버너는 희박성 소형 화염을 발생시킬 수 있는바, 특히 연소용 공기의 임의적 과잉과 임의의 챔버 온도에서도 NOx 배출을 매우 낮은 수준으로 유지할 수 있는 것이다. 그 버너는 가연성 가스를 위한 단일의 유입부 및 조연성 공기를 위한 단일의 유입부를 필요로 한다.

Description

산업용 버너, 및 관련된 열처리 화로용 연소 방법{Industrial burner and related combustion process for heat treatment furnaces}
본 발명은 임의의 챔버 온도(chamber temperature)에서 화염을 안정적으로 유지하면서 NOx가 매우 낮은 수준으로 배출될 수 있게 하는 희박성 소형 화염(lean and compact flame)을 갖는 고속 버너에 관한 것이다. 상기 버너는 주 연소(main combustion)를 세 개의 단계들(공기 및 연료 단계)로 나누고, 송관 가스들(flue gases)을 재순환시키고, 추가적으로 일부 반응물(reagent)들을 희석시키는 등과 같은 연소 기술들을 구현한다.
지난 수년 동안에 걸쳐서, 가스 소비의 감축에 관한 시장 요구는, 산업용 화로 제작사들로 하여금 열교환기들에 의해 연소 공기를 가열하기 위해서 연소 송관 가스들의 열을 활용함으로써, 그 제작사들의 제품을 개발하게 해왔다. 그러므로, 대략 400-550℃의 온도에서 예열된 조연성 공기로 작동하는 버너를 개발할 필요가 발생되었다. 동시에, 일산화질소 및 이산화질소 배출에 관한 법규는, 점증하여 제한적인 규제를 수립해왔고, 제조사들로 하여금 제한된 설정범위 내에 속할 수 있는 버너를 제작하도록 강제해 왔다.
그러나, NOx 의 형성은 연소 공기의 온도에 따라서도 증가하는 것으로 알려져 있다. 공기의 온도가 높을수록, 화염의 온도가 더 많이 증가하고, 따라서 써멀 NOx(thermal NOx)의 형성을 발생시킨다. 상기 배출을 낮게 유지하기 위하여, 낮은 NOx의 버너는, 화염 단계화(flame staging), 송관 가스 희석, 및 무화염 연소(flameless combustion)와 같은 화염의 온도를 감소시키기 위한 기술을 이용한다.
공기 단계화 기술(air staging technique)을 이용하는 버너는, 버너로부터의 다양한 거리들을 두고 두 개의 상이한 구역들로 공기를 주입함에 의하여 작동하며, 두 개의 연소들을 발생시키는바, 하나는 화학양론 비율 미만의 비율(sub-stoichiometric ratio)에 의한 것이고, 다른 하나는 화학양론 비율 초과의 비율(super-stoichiometric ratio)에 의한 것이며, 그것이 주 연소를 완성시킨다.
한편, 연료 단계화는 버너로부터 다양한 거리를 두고 상이한 구역들로 가스를 주입함에 의하여 작동하는바, 이로써 화학양론 비율 초과의 비율 및 화학양론 비율 미만의 비율에 의한 두 가지의 연소들이 발생된다. 이 기술들 둘 다의 목적은, 연소시 산소의 백분율이 높은 때에 화염 온도를 감소시키는 한 가지이다.
그러나, 이 기술들을 이용하는 버너들의 단점은, 두 개의 연소들이 불균형한 반응물들에 의한 공급을 받음(하나는 공기 과잉이고, 다른 하나는 가스 과잉)에 따른 저온, 즉 자연 발화 온도(spontaneous ignition temperature) 미만에서의 불안정성이다. 화염을 저온 안정화시키는 방법은, 주 연소의 과잉 공기를 증가시킴으로써, 1차 연소가 NOx 의 증가 및 가스 소비의 증가를 수반하는 과잉의 가스를 가질 수 없게 하는 것이다(화학양론 미만 연소가 없게 됨). 일단 챔버 내에서 연료의 자연 발화 온도를 초과하면, 버너는 더 이상 과잉의 공기를 필요로 하지 않으며, NOx 저배출의 화학양론 비율에서 작동하게 된다.
무화염 연소를 이용하는 버너는, NOx를 현저히 낮게 배출하지만, 연료의 자연 발화 온도 미만에서는 무화염 모드(flameless mode)에서 작동할 수 없다는 현격한 한계를 갖는다. 그러므로, 동일한 버너로 챔버를 가열하기 위하여 조차도, 이 버너는 전통적인 모드(무화염 모드가 아닌 모드)에서 작동할 수 있어야 하고, 따라서 작동 모드에 따른 가스 또는 공기 유입부를 조절하기 위한 어떤 밸브들이 구비되어야 한다.
언급된 연소 기술들에 의하여 작동하는 버너들은, 챔버 온도가 높은 때에는 현저한 장점들을 가지지만, 온도가 연료의 자연 발화 온도 정도이거나 그 미만인 때에는 현저한 한계를 갖는다.
부하(load)의 열처리를 위한 화로에서와 같은 특정 유형의 공정에서는, 구역 온도들이 상대적으로 낮으며 처리의 유형에 따라서 현저히 다르게 된다. 이와 같은 여건 하에서는, 단계화된 연소를 갖는 버너들과 무화염 연소를 갖는 버너들은, 저-NOx 모드(low NOx mode)에서는 일정하게 작동할 수 없고, 각각 챔버 온도에 따라서 과잉 공기를 달리하거나 또는 작동 모드를 달리하여야 한다(무화염 - 비-무화염(non flameless)). 그 결과로서, (무화염 버너를 위하여) 연료의 주입을 제어하는 밸브들과 구역 조정 밸브(zone adjustment valve)들이 화로의 작동 중에 계속하여 작동하게 된다.
열처리 화로는, 화로를 재가열하기 위하여 발생하는 복사가 아니라, 자유 대기(free atmosphere)를 휘몰아치는 고속의 송관 가스에 의한 대류에 의하여 자유 대기 내에 있는 부하를 가열한다. 따라서, 이와 같은 유형의 적용예들에서는, 대형의 연소를 갖는 화염 또는 확산된 화염이 아니라, 고속의 희박성 소형 화염을 발생시킬 수 있는 버너가 필요하다.
따라서, 앞서 언급된 단점들을 극복할 수 있는 버너 및 관련된 연소 방법을 개발할 필요가 있다.
저온인 점화 단계, 및 속도가 있는 작동 상태 둘 다에서 매우 낮은 NOx 배출이 얻어질 수 있게 하고, 또한 자유 대기 내에 있는 부하의 열처리 화로들의 공정들과 호환가능한 연소를 얻을 수 있는 버너를 제공하는 것이 본 발명의 1차적 목적이다.
본 발명의 다른 목적은, 항상 매우 낮은 NOx 배출이 얻어질 수 있게 하는, 자유 대기 내에서의 열처리 화로를 위한 관련된 연소 방법을 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명은 청구범위 제 1 항에 따른 NOx 저배출 산업용 버너를 제공함으로써 상기의 목적을 달성할 것을 제안하는바, 그 버너는:
길이방향 축(longitudinal axis; X)을 정의하는 중공형 몸체(hollow body);
상기 중공형 몸체의 일 개방 단부(open end)에서 중공형 몸체 내부에 배치된 튜브형 요소(tubular element);
상기 중공형 몸체 내부의 체적을 한정하도록, 상기 중공형 몸체 내측에 있는 상기 튜브형 요소의 제1 단부에서 상기 튜브형 요소의 내부에 배치된 확산기(diffuser);
상기 체적 안으로 조연성 공기(comburent air)를 공급하기 위한 파이프; 및
상기 중공형 몸체 내에 배치되고, 상기 확산기에 연결된, 가연성 가스 주입 랜스(combustible gas injection lance);를 포함하고,
상기 확산기에는:
상기 주입 랜스로부터의 가연성 가스의 제1 부분을 상기 튜브형 요소 내에 제공되고 상기 확산기에 인접한 제1 연소 구역(first combustion zone) 안으로 주입하기 위한 제1 구멍(first hole)들;
조연성 공기의 제1 부분을 상기 제1 연소 구역 안으로 주입하기 위한 제2 구멍들;
조연성 공기의 제2 부분을 상기 튜브형 요소 내측에 제공되고 제1 연소 구역의 하류에 있으며 제1 연소 구역과 소통되는 제2 연소 구역 안으로 주입하기 위한 제3 구멍들로서, 상기 조연성 공기의 제2 부분은 상기 제1 연소 구역을 횡단하는, 제3 구멍들; 및
상기 주입 랜스로부터의 가연성 가스의 제2 부분을 상기 튜브형 요소의 외측에 있고 제2 연소 구역의 하류에 제공되며 제2 연소 구역과 소통되는 제3 연소 구역 안으로 주입하기 위한 튜브(tube)로서, 상기 가연성 가스의 제2 부분은 상기 제2 연소 구역을 횡단하는, 튜브;가 제공되며,
상기 버너에는, 조연성 공기의 제3 부분을 상기 제3 연소 구역 안으로 주입하기 위하여, 중공형 몸체의 상기 개방 단부의 내측 윤곽(inner profile)과 상기 튜브형 요소의 외측 윤곽(outer profile) 사이에 한정된 길이방향 통로(longitudinal passage)가 더 제공된다.
본 발명의 제2 형태에 따르면, 전술된 버너, 및 상기 버너와 함께 협력하여 연소 챔버(combustion chamber)를 한정하는 화로에 의하여 구현될 수 있는, NOx 저배출 연소 방법(low NOx emission combustion process)이 제공되는바, 청구범위 제 11 항에 기재된 바와 같이 상기 NOx 저배출 연소 방법은:
제2 구멍들을 통하여 주입된 조연성 공기의 제1 부분과 제1 구멍들을 통하여 주입된 가연성 가스의 제1 부분을 제1 연소 구역에서 실질적으로 화학양론적인 제1 공연비(first, substantially stoichiometric air/fuel ratio; λ1)로 혼합함으로써 일어나는 1차 연소의 단계로서, 이로써 1차 연소 생성물(primary combustion products) 및 1차 미연소 가스(primary unburnt gas)가 얻어지는, 1차 연소의 단계;
제3 구멍들을 통하여 주입된 조연성 공기의 제2 부분과, 과잉의 공기를 갖는 상기 1차 미연소 가스 및 상기 1차 연소 생성물을 제2 연소 구역에서 화학양론 비율 초과의 제2 공연비(second super-stoichiometric air/fuel ratio; λ2)가 얻어지도록 혼합함으로써 일어나는 2차 연소의 단계로서, 이로써 2차 연소 생성물(secondary combustion products) 및 2차 미연소 공기가 얻어지는, 2차 연소의 단계; 및
튜브를 통하여 주입된 가연성 가스의 제2 부분과, 과잉의 가스를 갖는 상기 2차 미연소 공기, 상기 1차 연소 생성물, 상기 2차 연소 생성물, 및 길이방향 통로를 통해 주입된 조연성 공기의 제3 부분을 제3 연소 구역에서 화학양론 비율 미만의 제3 공연비(λ3)가 얻어지도록 혼합함으로써 일어나는 3차 연소의 단계로서, 화로의 연소 챔버 내에서 완전 연소가 완료되도록 하기 위한, 3차 연소의 단계;를 순차적으로 포함한다.
유리하게도, 본 발명의 목적인 NOx 저배출 버너는 고속의 소형 화염을 발생시키고, 공기 및 가스의 단계화된 연소에 그 원리의 근거를 두고 있다. 그 이용되는 연소 기술은 송관 가스의 재순환 및 화염의 희석과 조합된 "연료 단계화(fuel staging)"라 불리운다.
연소 공기 또는 조연성 공기와 가연성 가스는 연소 헤드 또는 확산기를 통하여 연소 챔버의 상이한 구역들 안으로 주입되는바, 이것은 다양한 연소들을 얻기 위한 것이고, 여기에서 그 조합은 제어되며, 또한 열적 근원(thermal origin)의 NOx 발생에 의하여 유발되는 높은 화염 온도 및 연소에서의 높은 백분율의 산소의 조합이 제한된다.
유리하게는, 버너가 1차 연소, 2차 연소, 및 3차 연소라 각각 불리는 세 개의 주 연소들을 직렬로 제공한다. 이 세 개의 주 연소들은, 연소 헤드로부터 각각 상이한 거리들 두고 수행되며, 또한 각각 상이한 연소 비율들로 수행되는바: 1차 연소는 화학양론에 가까운 연소 비율(공기/연료)을 제공하고; 2차 연소는 화학양론 초과의 공연비를 달성하기 위하여 과잉의 현저한 공기를 갖는 연소 비율에 의해 이루어지며; 3차 연소는 완전 연소를 완료하도록 화학양론 미만의 공연비를 달성하기 위하여 과잉의 가스를 갖는 연소 비율을 갖는다.
나아가, 본 발명의 버너에서는 1차 연소가 2차 하위 연소들로 나뉘어지는데, 1차 하위 연소에서는 연소 비율이 일정하게 유지되되, 1차 가연성 가스 및 1차 조연성 공기가 연소 헤드로부터의 상이한 거리들에서 주입 및 혼합된다. 따라서, 연소 비율이 변경되지 않은 채로 유지되더라도, 화염은 더 희석되는바, 이것은 NOx의 형성을 감소시키는데에 특히 유리하다.
연소 헤드 또는 확산기의 기하형태, 그리고 (부분적으로는 2차 연소에서 조연작용을 하며 부분적으로는 3차 연소에서 조연작용을 하는(comburent)) 2차 공기 및 (3차 연소에서 조연작용을 하는) 3차 공기를 주입하기 위한 구멍들의 구성형태 때문에, 버너에 의하여 발생되는 화염은 특히 희박하고 소형으로 된다. 2차 공기의 구멍들은 "소용돌이"형태 및 소형의 화염을 형성하도록 구성되는 것이 유리하다.
얻어지는 유형의 방법의 특별한 장점은, 버너가 NOx 배출을 저감시키기 위하여 연소 챔버의 온도에 따라서 연소 기술을 다르게 할 필요가 없다는 점이다. 진정으로, 버너는 연료의 자연 발화 온도 근처의 온도에서 작동하게 되고, 따라서 연소가능물의 자연 발화의 온도보다 언제나 높은 챔버 온도를 주된 특징으로 하는 연소 기술을 이용하는 것이 불가능하다. 유리하게는, 동일한 이유로 인하여, 본 발명의 버너가 가연성 가스 또는 조연성 공기를 위한 이중 유입부를 필요로 하지 않는다.
또한, 알려진 바와 같이, 시중의 대부분의 무화염 버너들은 전통적인 버너들 중의 하나에 비하여 상대적으로 높은 압력의 가연성 가스를 필요로 하는 하지만, 본 발명의 버너는 전통적인 버너와 동일한 공기 압력 및 가스 압력으로 뛰어난 성능을 성공적으로 달성한다.
연료 및 연소 공기는, 연소된 가스들의 높은 재순환이 얻어지는 속도가 얻어지도록, 연소 챔버 안으로 주입된다. 특히, 3차 공기 및 2차 가스(3차 연소에서의 연료)의 속도는 연소된 가스들과의 강한 혼합을 얻는데에, 그리고 그에 따른 연소에서의 산소 백분율을 감소시키는데에 중요하다.
본 발명의 버너의 주된 혁신사항은, "연료 단계화", 화염의 강한 희석화, 및 송관 가스들의 재순환을 동시적으로 이용함으로써, 어떠한 챔버 온도에서도 NOx 배출이 항상 매우 낮고, 버너가 무화염 연소가 자동적으로 발생되는 작동 범위에 성공적으로 진입한다는 점에 있다.
유리하게는, 자유 대기 내에 있는 부하의 열처리 화로를 위하여 착안된 본 발명의 버너는, 챔버 온도에 무관하게 화학양론 비율에서 그리고 현저한 과잉 공기에서 모두 작동할 수 있다.
특히, 챔버 온도가 800℃ 초과인 때에는, 과잉 공기를 λ<1.1까지 감소시킴으로써, 버너는 자동적으로 어떤 작동 범위로 진입하는데, 그 작동 범위에서는 송관 가스들의 재순환(Kv=4) 및 연소 내에서의 산호의 낮은 백분율이 비가시적 화염을 갖는 연소를 만들도록 된다(도 6 참조).
송관 가스의 재순환 인자(Kv)를 꾸준히 높게 하여 공기 및 가스 주입 속도들을 높에 유지하기 위하여 버너를 온/오프 모드(on/off mode)로 제어함이, 즉 화로의 가열에 대한 동력 요구(power requirement)에 따라서 버너를 최대 동력으로 또는 끈 상태로 유지함으로써 버너를 작동시킴이 바람직하다. 어느 경우이든, 버너는, 본 방법의 요구에 따라서 동력을 증가 또는 감소시킴에 의하여 비례적으로 제어되는 때에 올바르게 작동할 수도 있다.
본 발명의 버너가 연료의 자연 발화 온도에 걸쳐 있는 온도의 범위 내에서 작동하고 또한 온/오프 모드에서 제어된다는 점을 고려하여, 그 버너에는 점화(ignition) 및 셧다운(shutdown)의 사이클을 완전히 안전하게 수행됨을 가능하게 하기 위하여 점화 및 화염 검출 장치들이 제공된다. 특히, 연소 헤드에는, 점화 전극(ignition electrode) 또는 파일럿 버너(pilot burner)와 같은 점화 장치, 및 UV 셀 또는 화염 검출 전극과 같은 화염 검출 장치 각각을 수용하기 위한 두 개의 구멍들이 마련된다.
점화 장치에 의하여 화염이 촉발되는 때와 점화 시에 버너의 안정성의 중요성을 감안하여, 1차 연소는, 화염이 확실히 앵커링된 근원부(very anchored root)를 가지고 또한 임의의 챔버 온도에서 화염 검출 장치에 의하여 검출되도록 특히 강하되 연소 비율의 변화에 매우 민감하지는 않은 발광 스펙트럼을 갖도록 된 연소 비율을 갖는다.
유리하게는, 본 발명의 버너는, 단계화된 연소를 이용하는 대부분의 버너들에서와 같이 연료의 자연 발화 온도 미만의 챔버 온도에서 현저한 과잉 공기(연소 비율 λ > 1.5)를 필요로 하지 않고, 저온 점화로부터 바로 화학양론 비율에 가까운 연소 비율로 작동할 수 있어서, NOx 배출이 낮게 유지되며 또한 CO 배출이 극히 낮게 된다.
요약하자면, 본 발명의 소형이고 희박하며 높은 속도의 화염을 가지고 NOx 배출이 매우 낮은 버너는, 현저한 과잉 공리를 필요로 하지 않는 저온 작동을 성공적으로 수행하고, (비-무화염으로부터 무화염으로의) 연소 기술의 유형 변화를 필요로 하지 않고서 저온 배출 및 고온 배출을 모두 매우 낮게 유지시키며, 임의의 챔버 온도 및 임의의 연소 배율에 대한 우수한 화염 안정성을 갖는다. 발생되는 화염은 확산되지 않되, 빠르고, 희박하며, 소형이고, 투명하며, 특히 송관 가스들의 높은 속도들에 의하여 화로에서 증진되는 대류로 인하여 재료를 가열시키기 위해 큰 기여를 필요로 하는 적용예들에 적합하다.
나아가, 상기 버너의 유연성은, 필요한 가열의 유형에 따라서 0.9 내지 2 사이에서 가변적인 연소 비율(λ=Ar/At)로 작동할 기회를 제공하는바, 여기에서 Ar 은 참된 공기 출력(true air output)과 연료 유량(fuel flow rate) 간의 비율이고, At 는 이론적 공기 출력(theoretical air output)과 연료 유량 간의 비율이다.
마지막으로, 본 발명의 버너는 매우 소형이며, 본 발명의 버너에는 연료를 위한 단일 유입부 및 조연성 공기를 위한 단일 유입부가 제공된다.
종속항들에는 본 발명의 바람직한 실시예들이 기재되어 있다.
본 발명의 추가적인 특징들 및 장점들은 하기의 첨부도면들을 참조로 하여 비제한적인 예로서 제공되는 버너의 바람직한 실시예에 관한 아래의 상세한 설명으로부터 보다 명확하게 이해될 것이다.
도 1 에는 본 발명에 따른 버너의 제1 사시도가 도시되어 있고;
도 2 에는 도 1 의 버너의 제2 사시도가 도시되어 있고;
도 3 에는 도 1 의 버너의 단부의 정면도가 도시되어 있고;
도 4 에는 도 1 의 버너를 위에서 본 개략적인 단면도가 도시되어 있고;
도 5 에는 도 3 의 버너의 경로평면 A-A 을 따라서 취한 단면이 도시되어 있고;
도 6 에는 송관 가스들의 온도-재순환 인자(temperature-recirculating factor; Kv)의 그래프가 도시되어 있는데, 여기에서는 여러 구역들이 상이한 화염 형태(flame configuration)로 식별되어 있으며;
도 7 에는 도 1 의 버너의 단부의 정면도의 변형예가 도시되어 있고;
도 7a 에는 도 7 의 버너의 경로평면 A-A 을 따라 취한 단면이 도시되어 있고;
도 8 에는 NOx 배출-온도 그래프(NOx emissions-temperature diagram)가 도시되어 있는데, 여기에서는 도 1 의 버너의 상이한 형태들에 대한 평균적인 배출값들(average emissions values)이 표시되어 있다.
도면들을 참조하면, 도시된 버너의 바람직한 실시예는 전체적으로 참조번호 1 에 의하여 표시되어 있는데, 이것은 "연료 단계화(fuel staging)", 송관 가스의 재순환, 및 화염의 희석을 동시적으로 조합함을 이용하여, 고속 화염을 구비하고 NOx 배출이 매우 낮은 연소를 달성하기에 적합한 것이다.
길이방향 축(X)을 정의하는 본 발명의 대상인 버너(1)는:
본질적으로 원통형의 형상을 가지며 금속으로 된 주된 중공형 몸체로서, 제2 길이방향 튜브형 요소(5) 또는 화염 안내 튜브(flame guide tube)와 소통되고 또한 제2 길이방향 튜브형 요소(5) 또는 화염 안내 튜브에 연결된 제1 길이방향 중공형 요소(2)를 포함하는, 중공형 몸체;
조연성 공기를 공급하기 위한 파이프(3);
가연성 가스를 공급하기 위한 파이프(4);
화로 장갑판(furnace armour plate)에 대한 버너의 연결 플랜지(connection flange; 6);
연결 플랜지(6)에 대한 제1 길이방향 중공형 요소(first longitudinal hollow element; 2)의 연결 플랜지(10);
원통형의 튜브형 요소(7)로서, 바람직하게는 실리콘 카바이드(silicon carbide) 또는 다른 적합한 재료로 만들어지고, 화염 안내 튜브(5)의 전방 단부에서 화염 안내 튜브(5) 내에 수용된(도 4 및 도 5 참조), 튜브형 요소(7);
실질적으로 편평하고 둥근 형상을 갖는 연소 헤드 또는 확산기(13)로서, 화로의 연소 챔버 안으로 조연성 공기 및 가연성 가스를 통과시키고, 상기 원통형의 튜브형 요소(7) 내에 수용되어 실질적으로 컵(cup)을 형성하며, 그 컵의 저부는 확산기(13)에 해당되는(도 5 참조), 확산기(13);
가연성 가스용 공급 랜스(feeding lance; 14);
제1 길이방향 중공형 요소(2) 내에 구비된, 전극(16) 또는 파일럿 버너(pilot burner)를 갖는 점화 장치(ignition device; 11)용 하우징(housing); 및
화염 검출 장치(flame detection device)를 수용하기 위한 안내 튜브(12);를 포함한다.
조연성 공기를 공급하기 위한 파이프(3)는 플랜지(8)를 수단으로 하여 공급 시스템의 튜브들과 연결되는바, 그 플랜지(8)는 예를 들어 원형 또는 사각형의 형상을 가질 수 있다. 파이프(3)를 통과하는 공기는, 연소 챔버 안으로 주입되기 전까지, 원통형 형상의 중공형 요소(hollow element; 2) 내의 체적(26)과 화염 안내 튜브(5) 내의 체적(27)을 통과한다.
예를 들어 편평한 원통형 형상을 갖는 연소 헤드 또는 확산기(13)에는 1차 공기라고 불리는 조연성 공기의 제1 부분의 통과를 위한 구멍(18)들과, 2차 공기라고 불리는 조연성 공기의 제2 부분의 화로의 챔버 안으로의 통과를 위한 구멍(19)들이 구비된다.
바람직하게는 금속 재료로 만들어지지만 반드시 그러한 것은 아닌 확산기(13)에는 1차 가스라고 불리는 가연성 가스의 제1 부분의 통과를 위한 구멍(17)들과, 2차 가스라고 불리는 가연성 가스의 제2 부분을 화로의 챔버 안으로 주입하기 위한 튜브(15)의 통과를 위한 중앙 구멍이 구비된다. 구멍(17)들 및 튜브(15) 모두는 공급 랜스(14)와 소통된다. 바람직한 변형예에서는, 도 4 및 도 5 에서, 튜브(15)에는 확산기(13)가 일체적으로 제공된다.
마지막으로, 확산기(13)에는, 전극(16) 또는 파일럿을 구비한 점화 장치를 수용하기 위한 추가적인 구멍(16')과, 튜브(12)를 가로지르는 UV 셀 또는 전극이 구비된 화염 검출 장치를 수용하기 위한 추가적인 구멍(12')이 제공된다.
상기 전방 단부에서, 화염 안내 튜브(5)는 자신의 좁은 섹션(narrowing section)을 구비하는바(도 4 참조), 이로써 3차 공기라고 불리는 조연성 공기의 제3 부분을 화로의 챔버 안으로 주입하기 위한 튜브(5)와 튜브형 요소(7) 사이에 원형 왕관 형상 통로(circular-crown-shaped passage; 25)가 형성된다. 또한, 상기 3차 공기는 컵의 가장자리(7')에 구비된 추가적인 구멍(21)들 밖으로 새어나오기도 하는바, 그 가장자리(7')는 튜브형 요소(7)의 전방 단부에 있는 튜브형 요소(7)의 고리형 돌출부 상에 있다. 원형 왕관 형상 통로(25)는, 구멍(21)들로부터 나가는 3차 공기에 의해 결정되는 송관 가스들의 재순환을 증진시키기 위하여, 가장자리(7')에 적절한 최소 단면(minimum section)을 가져야 한다.
아래에서 상세히 설명되는 바와 같이, 연소 헤드 또는 확산기(13)는 조연성 공기를 연소 챔버의 두 개의 상이한 구역들(22, 23) 안으로 지향시키는바, 상기 구역들(22, 23) 둘 다는 소위 컵 안에 있고(도 5 참조), 튜브형 요소(7)와 화염 안내 튜브(5)는 조연성 공기를 구역들(22, 23)의 하류에 있는 연소 챔버 내의 제3 구역(24) 안으로 지향시킨다.
원통형의 중공형 요소(2)의 후방벽에는, 화염 검출 장치와 점화 장치(11)의 하우징들을 위하여 그리고 가연성 가스의 공급 랜스(14)의 통과를 위하여 구멍이 형성된다.
가연성 가스 공급용 파이프(4)는 공급 시스템(feeding system)와 연료 랜스(14)를 플랜지(9)를 통하여 소통시킨다. 아래에서 상세히 설명되는 바와 같이, 가연성 가스는 연소 챔버 안으로 지향되는바, 연소 헤드(13)를 통하여 구역(22) 안으로 그리고 튜브(15)를 통하여 구역들(23, 24) 안으로 지향된다.
연소 과정의 올바른 작동을 결정하는 버너의 본질적인 부분들은 화염 안내 튜브(5), 연소 헤드(13), 및 튜브형 요소(7)이다.
화염 안내 튜브(5)는, 체적(27)을 통과하는 연소 공기의 일부분을 연소 헤드(13)를 통하도록 지향시키고, 또한 다른 부분을 튜브형 요소(7)와 화염 안내 튜브(5)에 의하여 한정되는 원형 왕관부(25)를 통해 지향시키는 기능을 수행한다.
연소 헤드(13)는, 공기 및 연료를 다양한 거리, 속도, 및 각도로 연소 챔버 안으로 지향시키는데 있어 기본이 된다.
튜브형 요소(7)의 크기는 1차 연소 및 2차 연소에서 발생된 화염의 속도를 결정하고, 또한 3차 공기의 유출 속도를 결정한다.
유리하게는, 조연성 공기와 가연성 가스의 나눔(division)은, 고리형 돌출부(7')의 구멍들(21), 화염 안내 튜브(5)와 튜브형 요소(7) 간의 원형 왕관 형상 통로(25), 튜브(15)의 통과 단면(passage section; 20), 연소 헤드(13)의 구멍들(17, 18, 19)의 크기 및 부하 손실(losses of load)을 산출함으로써 수행될 수 있다. 따라서, 분리를 수행하는 다양한 공기 및 가스 유입부들, 및 관련된 조정 밸브들 또는 공급 라인(feeding line)들에서의 추가적인 차단 밸브(blocking valve)들에 대한 필요가 있다.
이미 설명된 바와 같이, 조연성 공기는 연소 헤드 또는 확산기(13)에 제공되어 있는 일련의 상이한 구멍들을 통과하는바; 1차 공기는 구멍(18)들을 통해 챔버 안으로 주입되고, 2차 공기는 구멍(19)들을 통해 주입된다. 조연성 공기의 마지막 부분, 즉 3차 공기는 튜브형 요소(7)에 의하여 버너의 외측을 향해 이탈하는바, 원형 왕관 형상 통로(25)를 통해서 그리고 튜브형 요소(7)의 고리형 돌출부(7') 또는 가장자리에 있는 구멍(21)들을 통하여 챔버 안으로 주입된다.
가연성 가스는 가스 랜스(gas lance; 14) 내의 체적(28) 내부를 통과하고 연소 헤드(13) 및 튜브(15)를 통해 연소 챔버 안으로 주입된다. 특히, 1차 가스라고 불리는 가스의 제1 부분은 연소 헤드(13)의 구멍(17)들에 의하여 주입되는 한편, 2차 가스라고 불리는 가스의 제2 부분은 상기 연소 헤드(13)를 통과하는 튜브(15)에 의해 주입된다.
유리하게는, 조연성 공기와 가연성 가스가 세 개의 다양한 주된 구역들에서 혼합되고 세 개의 상이한 연소 비율이라는 특징을 갖는 세 개의 직렬적인 연소를 발생시키는바, 이로써 화염이 안정화되어서 높은 화염 온도 및 산소의 높은 백분율에 의한 조합이 방지된다. 이와 같은 해결안은 NOx 오염 배출을 감소시키는데, 이것은 연소 송관 가스(combustion flue gases)의 현저한 재순환에도 기인하는 것이다.
버너의 길이방향 축(X)에 대해 경사를 이루고 또한 적절한 크기를 갖는 구멍(18)들로부터 나가는 1차 공기는, 2차 구역(22)에서 연소 헤드(13)로부터의 미리 결정된 거리를 둔 곳에서 지향(direct)된다. 구멍(18)들의 개수는 4 내지 8 개 사이인 것이 바람직하다. 도 3 및 도 7 에 도시된 두 개의 변형예들에서는 8개의 구멍(18)들이 제공된다.
버너의 길이방향 축(X)에 대해 경사를 이루고 적절한 크기를 갖는 구멍(17)들로부터 나가는 1차 가연성 가스는, 1차 구역(22)에서 연소 헤드(13)로부터의 미리 결정된 거리를 둔 곳에서 지향된다. 구멍(17)들의 개수는 2 내지 4 개이다. 도 3 및 도 7 의 두 가지 변형예들에서는 4개의 구멍(17)들이 제공되어 있다.
1차 연소는 1차 구역(22) 내에서 1차 조연성 공기와 1차 가연성 가스를 실질적으로 화학양론 비율로 혼합함으로써 이루어지고, 이로부터 1차 연소 생성물 및 미연소 가스가 얻어진다.
바람직하게는, NOx의 현저한 감소와 화염의 추가적인 희석을 얻기 위해서, 구멍(18)들의 일부의 경사는 상기 1차 구역(22) 내의 1차 연소의 적어도 두 개의 다양한 하위 구역들 안으로 1차 공기를 주입하기 위하여 남아 있는 구멍(18)들에 대해 차별화된다. 유사하게, 구멍(17)들의 일부의 경사는 동일한 1차 구역(22) 내의 1차 연소의 적어도 두 개의 다양한 하위 구역들 안으로 1차 가연성 가스를 주입하기 위하여 남아 있는 구멍(17)들에 대해 차별화된다.
따라서, 1차 연소 내에서는, 구멍들(17, 18)의 경사, 개수, 및 위치에 따라서 2 내지 4 개의 복수의 1차 하위 연소들을 갖는 것이 가능하고, 각 하위 연소의 근원(root)은 다른 하위 연소와는 다른 연소 헤드(13)로부터의 거리에 있다.
구멍들(17, 18)의 다양한 경사로부터 도출되는 1차 하위 연소들은, 동일한 연소 비율(combustion ratio)을 가지며, 또한 그들의 근원이 되는 헤드(13)로부터의 다양한 거리에 의해 차별화될 뿐이다. 연소 비율은, 버너의 우수한 화염 안정성, 정확한 점화, 및 화염 검출을 결정하도록 정해진다. 유리하게는, 1차 연소가 실질적으로 화학양론 비율을 가지도록 함으로써, 버너는 안정하게 되고, 화염은 앵커링(anchoring)되며, 화염 검출 신호가 높게 된다.
2차 공기는 미리 결정된 속도로 구멍(19)들을 통하여 연소 챔버 안으로 주입되고, 1차 구역(22)을 통과하며, 2차 연소와 관련된 2차 구역(23)에 도달한다. 구멍(19)들은, 화염 안내 튜브(5)로부터 나가는 화염의 형상이 소형이 되고 연료를 적게 소비하게 되며, 바람직하게는 휘몰아치게끔, 즉 소용돌이를 이루어 그 화염의 길이가 감소되고 더 소형화되도록 하는 각도를 갖는다. 2차 연소는 2차 구역(23)에서 상기 2차 공기의 제1 부분만을 1차 연소로부터 도출되는 연소 생성물 및 1차 연소로부터의 미연소 가스와 혼합함에 의하여 이루어진다. 2차 연소는, 현저한 과잉 공기라는 특징을 갖는 연소 비율을 갖는 것이 바람직하다.
1차 연소 및 2차 연소 둘 다는 튜브형 요소(7)의 내부에서, 즉 각각 구역(22)(23)에서 발생하며, 따라서 튜브형 요소(7)의 크기는 바람직하게는 30 내지 40 m/s 인 화염 전파 속도를 결정하는 중요한 인자(factor)이다. 유리하게는, 튜브형 요소(7)의 길이와 튜브형 요소(7)의 내측 직경 간의 비율이 0.95 내지 1.05 의 범위 내에 있는 값을 갖는다.
마지막으로, 3차 공기는 튜브형 요소(7)와 화염 안내 튜브(5) 사이에 제공된 원형 왕관 형상 통로(25)를 통하여, 그리고 제2 구역(23)의 하류에 있으며 3차 연소와 관련된 소위 3차 구역(24)에 있는 튜브형 요소(7)의 고리형 돌출부(7)의 구멍(21)을 통하여 미리 결정된 속도로 연소 챔버 안으로 주입된다.
2차 가연성 가스는, 미리 결정된 속도로 튜브(15)를 통해서 연소 챔버 안으로 주입되고, 2차 구역(23)을 횡단하며, 3차 연소와 관련된 3차 구역(24)에 도달한다.
3차 연소는, 3차 구역(24)에서, 1차 연소 및 2차 연소로부터 도출되는 연소 생성물을 구비한 튜브(15)로부터 나오는 모든 2차 가스를, 2차 연소로부터 나오는 미연소 공기를 갖는 구멍(19)들로부터 나오는 2차 공기의 제2 부분 및 모든 3차 공기와 혼합함으로써 이루어지는바, 이로써 현저한 과잉 가스를 가지게 된다. 3차 공기는 연소 챔버 내에서의 완전 연소(total combustion)를 완료함을 가능하게 한다.
유리하게는, 3차 공기 및 2차 가스의 주입 속도들과 구멍(21)들의 기하형태가, 챔버의 연소된 가스를 삼켜버릴 수 있고(즉, 소위 송관 가스의 재순환을 생성시킬 수 있고) 또한 연소에서의 산소 백분율을 감소시킴으로써 NOx를 저감시킬 수 있는 소용돌이를 생성시키도록 정해진다.
유리하게는, 상기 버너는, 무화염 버너에 있어서 발생하는, 전통적인 버너에서 사용되는 공기 및 가스 압력(500-700 daPa)을 필요로 하지 않는다.
세 개의 구역들(22, 23, 24) 안으로의 공기의 주입, 및 두 개의 구역들(22, 24) 안으로의 차별화된 가스의 주입, 적어도 두 개의 하위 연소들에서 1차 연소의 추가적인 희석, 및 송관 가스들의 현저한 재순환을 생성시키는 2차 가스 및 3차 공기의 주입 속도는, 특히 희석된 화염 및 특히 낮은 NOx 생성을 갖는 연소가 발생됨을 가능하게 한다. 또한, 800℃ 초과의 챔버 온도 및 λ<1.1 인 연소 비율과 같은 특정의 경우들에 있어서, 송관 가스들의 재순환은 화염이 비가시적으로 되고, 재순환 인자 Kv(Kv=[mexhausted/(mcombustible+mcomburent)])가 대략 4 (여기에서 m 은 유량)가 되는 무화염 버너의 특징적인 작동 범위에 진입함을 가능케 한다.
본 발명에 따른 버너의 주된 장점은, 버너가 저온 점화의 순간부터 최대 사용 온도까지 NOx 배출이 낮은 채로 작동함에 성공한다는 사실에 있는데, 이 때 챔버 온도가 낮은 때에도 단계화된 연소의 기술을 이용하는 대부분의 버너들에 있어서와 같이 화염 안정성을 증가시키기 위하여 현저한 과잉 공기를 필요로 하지 않고도 그러한 성공이 가능하다는 점에 유의한다. 저온 화염 안정성은, 1차 연소가 거의 화학양론 비율에서 작동한다는 사실에 의하여 확보된다.
화염 길이는 구멍들(19, 21)의 기하형태, 경사 및 각도에 따라서 달라지는바, 구멍(19)들이 더 많은 각도를 이루고 "소용돌이"를 형성할수록, 화염은 더 짧아진다.
버너의 점화는 전극(16), 즉 연소(13)헤드에 만들어지는 전용 구멍(16)을 갖는 파일럿에 의하여 얻어진다. 화염 검출부에는 UV 셀이 제공되거나, 동일한 점화 전극(16)이 제공되거나, 또는 추가적인 전극이 제공된다. UV 셀은, 튜브(12)에 연결되고, 연소 헤드(13)에 있는 전용 구멍(12)을 통해서 화염과 소통한다.
아래에는 효과적인 연소를 보장하는 연소 방법의 특정 파라미터(parameter)들과 본 발명에 따른 버너의 특정 설계 데이터가 기재되어 있다:
- 400℃의 예열된 공기에 의하면 구멍(18)들을 통한 1차 조연성 공기의 평균 주입 속도는 70 m/s 로부터 120 m/s 까지 달라질 수 있고, 바람직하게는 100 m/s로부터 120 m/s 까지 달라질 수 있다;
- 400℃의 예열된 공기에 의하면 구멍(19)들을 통한 2차 조연성 공기의 평균 주입 속도는 70 m/s 로부터 120 m/s 까지 달라질 수 있고, 바람직하게는 80 m/s로부터 100 m/s 까지 달라질 수 있다;
- 400℃의 예열된 공기에 의하면 구멍(21)들 및 원형 왕관 형상 통로(25)를 통한 3차 조연성 공기의 평균 주입 속도는 70 m/s 로부터 120 m/s 까지 달라질 수 있고, 바람직하게는 110 m/s로부터 120 m/s 까지 달라질 수 있다;
- 다양한 연소 단계들에서의 공기의 브레이크다운(breakdown)은: 1차 공기에 관하여는 5-40%, 2차 공기에 관하여는 5-60%, 3차 공기에 관하여는 5-60%이고; 바람직하게는 최적 브레이크 다운이; 1차 공기에 관하여는 15-20%, 2차 공기에 관하여는 30-35%, 3차 공기에 관하여는 50-55%이다;
- 파이프(3) 안으로의 조연성 공기 유입부의 압력은 공기의 주입 속도 및 구멍들의 기하형태에 따라서 45 mbar로부터 70 mbar까지 달라질 수 있다;
- 가스가 주위 온도(ambient temperature)의 온도를 갖는 경우, 구멍(17)들을 통한 1차 가연성 가스의 평균 주입 속도는 60 m/s로부터 110 m/s 까지 달라질 수 있고, 바람직하게는 80 m/s로부터 100 m/s까지 달라질 수 있다;
- 가스가 주위 온도의 온도를 갖는 경우, 통로(20)의 섹션에서 튜브(15)를 통과하는 2차 가연성 가스의 평균 주입 속도는 60 m/s로부터 110 m/s 까지 달라질 수 있고, 바람직하게는 90 m/s로부터 110 m/s까지 달라질 수 있다;
- (1차 가스의 비율 및 1차 공기의 출력에 의하여 발생되는) 1차 하위 연소들 또는 1차 연소의 연소 비율(λ1)은 0.85 로부터 1.05까지 달라질 수 있다;
- (1차 미연소 가스의 비율 및 2차 공기의 출력에 의하여 발생되는) 2차 연소의 연소 비율(λ2)은 2.5 로부터 2.7 까지 달라질 수 있고, 따라서 공기 과잉이 된다;
- (2차 가스의 비율 및 3차 공기의 출력에 의하여 발생되는) 3차 연소의 연소 비율(λ3)은 0.55부터 0.7까지 달라질 수 있고, 따라서 가스 과잉이 된다;
- 파이프(4)에 들어가는 가연성 가스의 압력은, 구멍들의 기하형태 및 가스의 주입 속도에 따라서 45 mbar로부터 70 mbar까지 달라질 수 있다;
- 원형의 단면을 갖는 1차 공기의 구멍(18)들은 4 내지 8 개일 수 있다;
- 바람직하게는 사각형의 단면을 가지며 연소 헤드(13)의 가장자리에 구비된 2차 공기의 구멍(19)들은 10 개 내지 14 개일 수 있고, 바람직하게는 도 3 에 도시된 바와 같이 12개이다;
- 3차 공기의 구멍(21)들은 2 내지 4 개일 수 있고, 그 단면은 원형 또는 사각형의 형상을 가지거나, 또는 튜브형 요소(7)의 상기 고리형 돌출부(7')의 가장자리에 구비된 경우에는 반타원(semi-elliptical) 또는 부분원형의 형상을 가질 수 있다;
- 원형 단면을 갖는 1차 가스의 구멍(17)들은 2 내지 4 개일 수 있다;
- 2차 가스의 튜브(15)는 50mm 내지 80mm 의 가변적인 길이를 가지며, 바람직하게는 그 길이가 60mm 내지 70mm 이다. 튜브(15)의 길이와 튜브형 요소(7)의 길이 간의 비율은 대략 2/3이다;
- 구멍(18)들은 실질적으로, 연소 헤드 또는 확산기(13)의 외측 직경의 대략 2/3인 직경을 갖는 원주를 따라서 배치된다;
- 구멍(17)들은 실질적으로, 연소 헤드(13)의 외측 직경의 대략 1/3인 직경을 갖는 원주를 따라서 배치된다;
- 구멍(19)들은 실질적으로, 연소 헤드(13)의 외측 직경과 같은 직경을 갖는 원주를 따라서 배치된다;
- 2차 공기의 구멍(19)들은 소용돌이 형태의 유동 또는 소용돌이를 얻기 위하여 오른손 방향 각도(right-hand angle)을 갖는바, 바람직하게는 그 선회각이 10° 내지 15° 사이일 수 있고, 버너의 X축에 대한 경사는 0° 내지 5°사이이다;
- 구멍(21)들은 실질적으로, 튜브형 요소(7)의 외측 직경과 같은 직경을 갖는 원주를 따라서 배치된다;
- 3차 공기의 구멍(21)들은, 희박성 소형 화염을 얻기 위하여, 버너의 X축에 대해 -5° 내지 5° 사이, 바람직하게는 0°인 경사를 갖는다;
- 튜브형 요소(7)의 내측 직경과 튜브형 요소의 길이 간의 비율은, 그 내부에서의 연소된 송관 가스의 재순환을 증가시키기 위하여 대략 1 이다;
- 튜브형 요소(7)의 외측 직경과 내측 직경 간의 비율은 1.2 와 1.4 사이일 수 있다;
-튜브형 요소(7)의 재료는 실리콘 카바이드(silicon carbide)이거나 또는 높은 온도의 적용예들에 적합한 다른 재료이다;
- 화염 안내 튜브(5)는, 튜브형 요소(7)의 외측 윤곽과 함께 원형 왕관 형상 통로(25)를 한정하도록, 최종 단부를 향하여 감소하는 단면을 갖는다;
- 화염 안내 튜브(5)의 재료는 실리콘 카바이드 또는 높은 온도의 적용예에 적합한 다른 재료인 것이 바람직하다;
- 유리하게는, 하위 연소들로 나뉘는 1차 연소는, 튜브형 요소(7) 내의 1차 구역(22)에서 희석되어 일어난다;
- 유리하게는, 2차 연소가 튜브형 요소(7) 내의 2차 구역(23)에서 일어난다;
- 유리하게는, 이전의 연소들의 생성물을 용이하게 재순환시키기 위하여, 3차 연소가 화염 안내 튜브(5)와 튜브형 요소(7)의 밖의 3차 구역(24)에서 시작되어 완료된다.
도 3 및 도 7 에 도시된 버너의 정면도들에 있어서, 1차 공기의 통과를 위한 구멍(18)들의 X축에 대한 경사는 10° 내지 30° 사이로 달라질 수 있고, 상기 구멍(18)들은 버너의 X축에 대해 수렴하는 그들 자신의 축을 갖는다. 바람직하게는, 구멍(18)들의 절반이 다른 절반과는 상이한 경사를 가진다. 각각 전극 및 UV 셀의 하우징을 형성하는, 구멍들(16', 12')에 인접한 네 개의 구멍(18)들은 25°의 경사를 갖는 것이 바람직하고, 남아 있는 네 개의 구멍(18)들은 15°의 경사를 갖는 것이 바람직하다.
1차 가스의 구멍(17)들의 X축에 대한 경사는 0°과 -15° 사이에서 달라질 수 있는바, 바람직하게는 구멍(17)들의 절반이 다른 절반과는 상이한 경사를 갖는다. 바람직하게는, 구멍(17)들의 절반이 0°의 경사를 갖는바, 즉 그들은 버너의 길이방향 축(X)에 대해 평행하고; 구멍(17)들의 다른 절반은 -10°의 경사를 갖는바, 즉 그들은 상기 X축으로부터 확산되는 자신의 축을 갖는다. 더 바람직하게는, 구멍(17)들의 개수가 네 개이다.
도 3 에 도시된 확산기(13)의 제1 변형예에서는, 튜브(15)의 배출 섹션(outlet section)의 중간에 대해 서로 대칭적으로 대향된 두 개의 구멍(17)들이 X축에 대해 0°의 경사를 가지는 한편, 튜브(15)에 대해 서로 대향된 다른 두 개의 구멍(17)들은 X축에 대해 -10°의 경사를 갖는다. 구멍(17)들의 배출 섹션들은, 쌍(pair)으로 고려된다면, 구멍들(16', 12')의 배출 섹션들을 연결하는 가상선(Y)과 45°의 각도를 가지고 교차하는 직선들(M, N)을 정의하도록 배치되는 것이 바람직하다.
도 7 에 도시된 확산기(13)의 제2 변형예에서는, 네 개의 구멍(17)들이 도 3 에서의 점유된 위치에 비하여 X축을 중심으로 45°만큼 회전된 위치에 배치된다. 전체적으로 X축과 일치하는 튜브(15)의 배출 섹션의 중간에 대해 서로 대칭적으로 대향된 구멍(17)들의 제1 쌍은, X축에 대해 평행한 자신의 축들을 갖는다. 구멍(17)들의 배출 섹션들은 두 개의 쌍으로 배치되는바, 바람직하게는 그 중의 상기 제1 쌍이, 구멍들(16', 12')의 배출 섹션들을 연결하는 가상선(Y)에 대해 실질적으로 평행한 직선(M')을 정의한다. 구멍(17)들의 제2 쌍의 배출 섹션들은, 제2의 직선(N')을 정의하도록 버너의 X축에 대해 배치되는바, 그 직선(N')은, 튜브(15)의 축과 교차하고, 또한 구멍들(16', 12')의 배출 섹션들을 연결하는 가상선(Y)에 대해 실질적으로 90°의 각도를 형성하거나, 또는 반대의 경우도 마찬가지이다. 구멍(17)들의 제2 쌍의 길이방향 축들은, 튜브(15)의 축에 대해 분기(divergence)하는 방향으로, X축에 대해 -10°만큼 경사진 자신의 축을 갖는다.
유리하게는, 구멍들(17, 18)의 경사들이 X축에 대해 선택되는 방식과, 선(Y)에 대한 1차 가스의 구멍(17)들의 배치는, 2 내지 4 개의 일련의 1차 하위 연소들을 발생시킨다.
도 3 에 도시된 바람직한 제1 변형예에서는, X축에 대해 25°로 경사진 구멍(18)들로부터 나가는 1차 공기가 1차 구역(22) 내의 영역에서 튜브(15)의 길이의 대략 1/3인 연소 헤드(13)로부터의 거리를 두고 -10°로 경사진 구멍(17)들로부터 나가는 1차 가스와 혼합되며; 25°로 경사진 구멍(18)들로부터 나가는 1차 공기는 1차 구역(22) 내의 영역에서 튜브(15)의 길이의 대략 2/5인 연소 헤드(13)로부터의 거리를 두고 0°로 경사진 구멍(17)들로부터 나가는 1차 가스와 혼합되고; 15°로 경사진 구멍(18)들로부터 나가는 1차 공기는 1차 구역(22) 내의 영역에서 튜브(15)의 길이의 대략 3/5인 연소 헤드(13)로부터의 거리를 두고 -10°으로 경사진 구멍(17)들로부터 나가는 1차 가스와 혼합되며; 15°로 경사진 구멍(18)들로부터 나가는 1차 공기는 1차 구역(22)의 가장자리에 있는 영역에서 대략 튜브(15)의 길이와 같은 연소 헤드(13)로부터의 거리를 두고 0°로 경사진 구멍(17)들로부터 나가는 1차 가스와 혼합된다. 따라서, 이와 같은 제1 변형예에서는, 4개의 1차 하위 연소들이 있게 되는 결과로 된다.
도 7 에 도시된 바람직한 제2 변형예에서는, 25°로 경사진 구멍(18)들로부터 나가는 1차 공기가 1차 구역(22) 내의 영역에서 튜브(15)의 길이의 대략 2/5 인 연소 헤드(13)로부터의 거리를 두고 0°로 경사진 구멍(17)들로부터 나가는 1차 가스와 혼합되고; 15°로 경사진 구멍(18)들로부터 나가는 1차 공기는 1차 구역(22) 내의 영역에서 튜브(15) 길이의 대략 3/5인 연소 헤드(13)로부터의 거리를 두고 -10°로 경사진 구멍(17)들로부터 나가는 1차 가스와 혼합된다. 따라서, 제2 변형예에서는, 도 3 의 변형예에 비하여 연소 헤드를 향하여 더 뒤에 있는 두 개의 1차 하위 연소들이 얻어지는 결과가 얻어진다.
도 9 에는 도 3 및 도 7 의 두 개의 변형예들에 의하여 얻어지는 버너의 NOx 배출의 평균값들이 도시되어 있는바, 그 두 개의 변형예들 모두는 화로 온도가 대략 연료의 자연 발화 온도일 것으로 요구되는 열처리에서의 작동에 적합하다.
- 도 3 의 제1 변형예에 있어서는, 4개의 1차 하위 연소들이 우수한 저온 안정성, 평균적인 고온 안정성, 및 우수한 NOx 배출을 결정한다;
- 도 7 의 제2 변형예에 있어서는, 2개의 1차 하위 연소들이 우수한 저온 안정성, 우수한 고온 안정성, 및 평균적인 NOx 배출을 결정한다.
본 발명에 따른 방법은 버너 파워(burner power), 화로의 작동 온도, 조연성 공기의 온도, 및 챔버 내의 과잉 산소 등의 모든 측면에서, 임의의 작동 범위에서 오염 배출이 최소화되는 것을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 방법을 수행하기 위하여, 위에서 설명된 버너와 일체화된 공정 제어부 및 공정 수단이 제공될 수 있다. 임의의 사용 조건 하에서 높은 유연성을 갖는 상기 버너는, 유리하게도 제작 비용이 적게 소요되고, 작동의 첫 순간으로부터 특히 낮은 배출 레벨이 얻어져서, 따라서 전형적인 열처리 화로의 모든 작동 범위에서 특히 흥미로운 산업적 결과가 얻어질 수 있다는 특징을 갖는다. 따라서, 본 발명의 버너는, 가연성 가스의 자연 발화 온도 근처에서 소정의 기간에 있어서 화로 내의 작동 온도가 변동하는 때에 낮은 배출(emissions)을 보장하기도 한다.
여기에서 설명된 특정의 실시 방법은 하기의 청구범위에 정의된 본 발명의 모든 변형예들을 포괄하는 본 출원의 내용을 제한하지 않는다.

Claims (15)

  1. 길이방향 축(longitudinal axis; X)을 정의하는 중공형 몸체(hollow body; 2, 5);
    상기 중공형 몸체의 일 개방 단부(open end)에서 중공형 몸체 내부에 배치된 튜브형 요소(tubular element; 7);
    상기 중공형 몸체(2, 5) 내부의 체적(26, 27)을 한정하도록, 상기 중공형 몸체 내측에 있는 상기 튜브형 요소의 제1 단부에서 상기 튜브형 요소(7)의 내부에 배치된 확산기(diffuser; 13);
    상기 체적(26, 27) 안으로 조연성 공기(comburent air)를 공급하기 위한 파이프(3); 및
    상기 중공형 몸체(2, 5) 내에 배치되고, 상기 확산기(13)에 연결된, 가연성 가스 주입 랜스(combustible gas injection lance; 14);를 포함하는, NOx 저배출 산업용 버너(low NOx emission industrial burner; 1)로서,
    상기 확산기(13)에는:
    상기 주입 랜스(14)로부터의 가연성 가스의 제1 부분을 상기 튜브형 요소(7) 내에 제공되고 상기 확산기(13)에 인접한 제1 연소 구역(first combustion zone; 22) 안으로 주입하기 위한 제1 구멍(first hole; 17)들;
    조연성 공기의 제1 부분을 상기 제1 연소 구역(22) 안으로 주입하기 위한 제2 구멍(18)들;
    조연성 공기의 제2 부분을 상기 튜브형 요소 내측에 제공되고 제1 연소 구역(22)의 하류에 있으며 제1 연소 구역과 소통되는 제2 연소 구역(23) 안으로 주입하기 위한 제3 구멍(19)들로서, 상기 조연성 공기의 제2 부분은 상기 제1 연소 구역(22)을 횡단하는, 제3 구멍(19)들; 및
    상기 주입 랜스(14)로부터의 가연성 가스의 제2 부분을 상기 튜브형 요소(7)의 외측에 있고 제2 연소 구역(23)의 하류에 제공되며 제2 연소 구역과 소통되는 제3 연소 구역(24) 안으로 주입하기 위한 튜브(tube; 15)로서, 상기 가연성 가스의 제2 부분은 상기 제2 연소 구역(23)을 횡단하는, 튜브(15);가 제공되며,
    상기 버너에는, 조연성 공기의 제3 부분을 상기 제3 연소 구역(24) 안으로 주입하기 위하여, 중공형 몸체(2, 5)의 상기 개방 단부의 내측 윤곽(inner profile)과 상기 튜브형 요소(7)의 외측 윤곽(outer profile) 사이에 한정된 길이방향 통로(longitudinal passage; 25)가 더 제공되고,
    상기 버너의 제2 단부에서, 상기 튜브형 요소(7)에는 고리형 돌출부(annular protrusion; 7')가 제공되고, 그 고리형 돌출부는 상기 길이방향 통로(25)의 일부를 점유하며, 상기 고리형 돌출부(7')에는 조연성 공기의 상기 제3 부분의 일부를 주입하기 위한 제4 구멍(21)들이 제공되고,
    상기 제4 구멍(21)들은, 튜브형 요소(7)와 동일한 직경을 가진 원주를 따라서 실질적으로 배치되고, 길이방향 축(X)에 대해 -5° 내지 5°의 각도만큼 경사진, NOx 저배출 산업용 버너.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 길이방향 통로(25)는 원형 왕관 형상 단면을 갖는, NOx 저배출 산업용 버너.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    제2 구멍(18)들의 일부는, 동일한 제1 연소 구역(22) 내에 있는 적어도 두 개의 1차 연소 하위구역(primary combustion sub-zone)들 안으로 조연성 공기의 제1 부분을 주입하기 위하여, 상기 제2 구멍(18)들 중의 남아 있는 일부에 대해 상이한 경사를 갖는, NOx 저배출 산업용 버너.
  6. 제 5 항에 있어서,
    제1 구멍(17)들의 일부는, 동일한 제1 연소 구역(22) 내에 있는 적어도 두 개의 1차 연소 하위구역들 안으로 가연성 가스의 제1 부분을 주입하기 위하여, 상기 제1 구멍(17)들 중의 남아 있는 일부에 대해 상이한 경사를 갖는, NOx 저배출 산업용 버너.
  7. 제 6 항에 있어서,
    제2 구멍(18)들은, 실질적으로 확산기(13)의 외측 직경의 2/3인 직경을 갖는 원주를 따라서 배치되고, 길이방향 축(X)에 대해 10° 내지 30°만큼 경사지며, 상기 축에 대해 수렴하고;
    상기 제1 구멍(17)들은 실질적으로 확산기(13)의 외측 직경의 1/3인 직경을 갖는 원주를 따라서 배치되고, 길이방향 축(X)에 대해 0° 내지 -15°만큼 경사진, NOx 저배출 산업용 버너.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    튜브형 요소(7)의 내측 직경에 대한 길이의 비율은 0.95 내지 1.05 사이 범위 내에 있는 값을 갖는, NOx 저배출 산업용 버너.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    제3 구멍(19)들은, 실질적으로 확산기(13)와 동일한 직경을 갖는 원주를 따라서 배치되고, 소용돌이 유동을 얻도록 오른손 방향 각도(right-hand angle)를 갖는, NOx 저배출 산업용 버너.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제3 구멍(19)들은, 10° 내지 15°의 선회각(swirl angle), 및 0° 내지 5°의 길이방향 축(X)에 대한 경사를 갖는, NOx 저배출 산업용 버너.
  11. 제 1 항에 따른 버너, 및 상기 버너와 함께 협력하여 연소 챔버(combustion chamber)를 한정하는 화로에 의하여 구현될 수 있는, NOx 저배출 연소 방법(low NOx emission combustion process)으로서, 상기 NOx 저배출 연소 방법은:
    제2 구멍(18)들을 통하여 주입된 조연성 공기의 제1 부분과 제1 구멍(17)들을 통하여 주입된 가연성 가스의 제1 부분을 제1 연소 구역(22)에서 실질적으로 화학양론적인 제1 공연비(first, substantially stoichiometric air/fuel ratio; λ1)로 혼합함으로써 일어나는 1차 연소의 단계로서, 이로써 1차 연소 생성물(primary combustion products) 및 1차 미연소 가스(primary unburnt gas)가 얻어지는, 1차 연소의 단계;
    제3 구멍(19)들을 통하여 주입된 조연성 공기의 제2 부분과, 과잉의 공기를 갖는 상기 1차 미연소 가스 및 상기 1차 연소 생성물을 제2 연소 구역(23)에서 화학양론 비율 초과의 제2 공연비(second super-stoichiometric air/fuel ratio; λ2)가 얻어지도록 혼합함으로써 일어나는 2차 연소의 단계로서, 이로써 2차 연소 생성물(secondary combustion products) 및 2차 미연소 공기가 얻어지는, 2차 연소의 단계; 및
    튜브(15)를 통하여 주입된 가연성 가스의 제2 부분과, 과잉의 가스를 갖는 상기 2차 미연소 공기, 상기 1차 연소 생성물, 상기 2차 연소 생성물, 및 길이방향 통로(25)를 통해 주입된 조연성 공기의 제3 부분을 제3 연소 구역(24)에서 화학양론 비율 미만의 제3 공연비(λ3)가 얻어지도록 혼합함으로써 일어나는 3차 연소의 단계로서, 화로의 연소 챔버 내에서 완전 연소가 완료되도록 하기 위한, 3차 연소의 단계;를 순차적으로 포함하는, NOx 저배출 연소 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    1차 연소는 2 내지 4 개의 1차 하위 연소(primary sub-combustion)들을 포함하고, 각 1차 하위 연소의 근원(root)은 다른 1차 하위 연소들과는 상이한 확산기(13)로부터 거리를 두고 있는, NOx 저배출 연소 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 1차 하위 연소들은 동일한, 실질적으로 화학양론적인 연소 비율을 갖는, NOx 저배출 연소 방법.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    1차 연소 또는 1차 하위 연소들의 제1 공연비(λ1)는 0.85로부터 1.05까지 달라질 수 있고, 2차 연소의 제2 공연비(λ2)는 2.5로부터 2.7까지 달라질 수 있으며, 3차 연소의 제3 공연비(λ3)는 0.55로부터 0.7까지 달라질 수 있는, NOx 저배출 연소 방법.
  15. 제 11 항 내지 제 13 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    400℃의 예열된 공기에 있어서 조연성 공기의 제1 부분의 평균 주입 속도는 70 m/s로부터 120 m/s까지 달라질 수 있고, 주위 온도(ambient temperature)의 가스에 있어서 제2 가연성 가스 부분의 평균 주입 속도는 60 m/s로부터 110 m/s까지 달라질 수 있는, NOx 저배출 연소 방법.
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