KR101450874B1

KR101450874B1 - 연료-공기 혼합기, 가스 터빈, 가스 액화 시스템 및 연소 시스템에서의 연료와 산화제의 예혼합 방법

Info

Publication number: KR101450874B1
Application number: KR1020070116564A
Authority: KR
Inventors: 아메드 모스타파 엘카디; 앤드레이 트리스탄 에벌렛
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2006-11-17
Filing date: 2007-11-15
Publication date: 2014-10-14
Also published as: US20080115501A1; EP1923637A2; CN103032900A; JP2008128632A; CN101182928A; US8099960B2; EP1923637A3; JP5331327B2; KR20080045060A; EP1923637B1; CN103032900B

Abstract

본 발명의 연료-공기 혼합기는, 환형 슈라우드와, 내측 및 외측 스월러와, 내측 스월러와 외측 스월러를 분리시키는 허브와, 환형 슈라우드를 따라 축방향으로 연장하는 중앙 본체와, 환형 슈라우드의 원주방향 둘레에 외측 스월러로부터 방사방향 외측에 배치되는 연료 슈라우드와, 내측 및 외측 스월러의 하류에 배치되는 방사방향 스월러를 포함하며, 방사방향 스월러는 내측 및 외측 스월러를 통해 유동하는 스트림과 독립적으로 환형 슈라우드의 벽 외부의 구역으로부터 환형 슈라우드에 진입하는 제 2 가스 스트림에 독립적인 방사방향 회전을 부여하도록 구성되고, 방사방향 회전하는 제 2 가스 스트림은 환형 슈라우드의 외벽에 인접한 구역에서 환형 슈라우드에 진입한다.

Description

연료-공기 혼합기, 가스 터빈, 가스 액화 시스템 및 연소 시스템에서의 연료와 산화제의 예혼합 방법{TRIPLE ANNULAR COUNTER ROTATING SWIRLER}

본 발명은 일반적으로는 연소기에 관한 것이며, 보다 상세하게는 저공해 연소 공정에서 사용하기 위한 희박 예혼합 연소기의 연료-공기 혼합기(fuel-air mixer)에 관한 것이다.

역대로, 연료에서의 에너지 추출은, 먼저 반응물이 분리되고 혼합과 반응 모두가 일어나는 연료와 산화제 사이의 인터페이스에서만 반응이 일어나는 확산 지배식[diffusion-controlled; 비예혼합식(non-premixed)으로도 칭함] 연소에 의한 연소기에서 수행되어 왔다. 그러한 장치들의 예로는, 이들로 제한되는 것은 아니지만, 항공기용 가스 터빈 엔진과, 발전용, 선박 추진용, 가스 압축용, 열병합 발전용, 해양 플랫폼 동력용 등에서의 항공엔진 개조식(aero-derivative) 가스 터빈이 있다. 그러한 연소기의 설계에 있어서, 기술자들은 연소기의 전체 크기를 유지 또는 감소시키고, 최대 작동 온도를 증가시키고, 비에너지 방출률(specific energy release rate)을 증가시키도록 끊임없이 요구를 받을 뿐만 아니라, 단속 오염물질의 생성의 감소와 이의 대기로의 배출의 감소라는 지속적으로 증가하고 있는 요구 사항에도 직면하고 있다. 중요한 주요 오염물질의 예로는, 질소산화물(NOx), 일산 화탄소(CO), 미연소 및 부분 연소 탄화수소, 및 이산화탄소(CO₂)와 같은 온실 가스 등이 있다. 연소 중의 유체 기계적 혼합에 대한 의존으로 인한 유동의 국부 성분 변동을 제어하기의 곤란함, 국부적 이론 연소와 연관된 피크 온도, 고온 구역에서의 체류 시간, 및 산소 이용도 때문에, 확산 연소기의 성능은 원하는 수준의 증가된 성능을 유지하면서 현재와 미래의 배출 요건을 충족시키기 위하여 제한된다.

근래에는, 희박 예혼합 연소기가 바람직하지 않은 오염물질의 배출 수준을 더 감소시키기 위해 사용되고 있다. 이러한 연소기에서는, 적절한 양의 연료와 산화제가 어떤 중요한 화학적 반응이 연소기에서 일어나기 전에 연료-공기 혼합기의 사용에 의해 혼합 챔버 또는 혼합 구역 내에서 잘 혼합되므로, 확산 연소기의 전술한 난제들 및 공지의 난제들의 제어를 용이하게 한다. 종래의 예혼합 버너의 연료-공기 혼합기는 공기 스트림에 와류(swirl)를 부여하기 위하여 혼합 덕트의 상류 단부에 대체로 인접 배치된 내측 및 외측 대향 회전식 스월러(counter-rotating swirler)의 세트와 결합된다. 그러한 장치에서 연료를 분사하기 위한 다양한 방법이 공지되어 있는데, 슈라우드(shroud)의 연료 매니폴드와 유체 연통하는 내부 공동을 구비하는 중공 베인을 포함할 수 있는 내측 및/또는 외측 환형 스월러에 제 1 연료를 공급하는 단계와, 및/또는 제 2 연료 플레늄(plenum)과 유체 연통하는 중앙 본체 벽의 복수의 오리피스에 의한 크로스 제트 유동(cross jet flow)을 통해 혼합 덕트 내로 제 2 연료를 분사하는 단계를 포함한다. 그러한 장치에 있어서, 압축기로부터의 고압 공기는 스월러를 통해 혼합 덕트 내로 분사되어 강한 전단 구역(shear region)을 형성하며, 연료는 외측 스월러 베인 통로 및/또는 중앙 본체 오리피스로부터 혼합 덕트 내로 분사되어, 고압 공기와 연료는 연료/공기 혼합물이 혼합 덕트의 하류 단부로부터 나와 연소기로 공급되어 점화되기 이전에 혼합된다.

특히, 이들로 제한되는 것은 아니지만, 천연 가스, 수소, 및 석탄이나 기타 물질의 기화 처리에 의해 얻어지는 일산화탄소 및 수소에 풍부한 가스인 합성 연료 가스(합성 가스로도 알려져 있음)와 같은 광범위한 연료에 의해 적절하게 작동할 수 있는 연소기의 필요를 고려할 때, 크로스 제트 유동과 국부 연료 분사 지점 및 와류가 부여되는 방식 때문에, 종래의 연료-공기 혼합기에서의 연료 농도는 출구 평면에서 혼합기 벽 부근이 가장 높으며, 이에 따라 혼합 덕트의 출구에서 연료 농도의 국부 변동의 제어가 방해를 받는다. 따라서, 화염 구간에 가해지는 연료 농도 프로파일이 바람직하지 않은 공간적인 변동을 포함할 수도 있어, 오염물질 형성 공정에 대한 예혼합의 전체 효과를 최소화시킬 뿐만 아니라 연소 구간에서의 전체 화염 안정성에도 악영향을 미칠 수 있다.

그러므로, 혼합 덕트에서의 유동 분리와 화염 보유의 제어를 유지하면서 출구에서의 연료 농도의 국부 변동을 제어하기 위한 향상된 성능을 갖는 희박 예혼합 연소기에서 사용하기 위한 연료-공기 혼합기가 필요하다. 이러한 향상된 제어는, 장치의 전체 압력 강하에 실질적인 영향을 주지 않으면서 감소된 길이를 갖는 예혼합 장치의 개선을 허용한다.

전술한 요구 및 공지된 요구들 중 하나 이상이 본 발명의 연료-공기 혼합기에 의해 해결되는데, 이 연료-공기 혼합기는, 벽에 의해 한정된 환형 슈라우드와, 환형 슈라우드의 상류에 배치되는 제 1 및 제 2 스월러와, 제 1 스월러와 제 2 스월러를 분리시키는 허브와, 환형 슈라우드를 따라 축방향으로 연장하는 중앙 본체와, 환형 슈라우드의 상류에서 환형 슈라우드의 원주방향 둘레에 배치되는 연료 슈라우드와, 내측 및 외측 스월러의 하류에 배치되는 제 3 스월러를 포함하며, 상기 제 2 스월러는 제 1 스월러로부터 방사방향 외측에 배치되고, 상기 제 3 스월러는 환형 슈라우드의 벽에 인접하여 환형 슈라우드 외부의 구역으로부터 제 3 스월러에 진입하는 제 2 가스 스트림에 독립적인 회전을 부여하도록 구성된다. 또한, 본 발명의 실시예는 전술한 연료-공기 혼합기를 구비하는 가스 터빈 연소기 및 저공해 연소기를 포함한다.

본 발명의 다른 태양에 있어서, 압축기와, 압축기와 유체 연통하여 연료와 공기의 예혼합된 혼합물을 연소시키는 연소기와, 연소기의 하류에 배치되어 연소기를 빠져나오는 고온의 가스 스트림을 팽창시키는 터빈을 포함하는 가스 터빈이 개시된다. 이러한 가스 터빈의 연소기는, 벽에 의해 한정된 환형 슈라우드와, 환형 슈라우드의 상류에 배치되는 제 1 및 제 2 스월러와, 제 1 스월러와 제 2 스월러를 분리시키는 허브와, 환형 슈라우드를 따라 축방향으로 연장하는 중앙 본체와, 환형 슈라우드의 상류에서 환형 슈라우드의 원주방향 둘레에 배치되는 연료 슈라우드와, 내측 및 외측 스월러의 하류에 배치되는 제 3 스월러를 포함하는 연료-공기 혼합기를 구비하며, 상기 제 2 스월러는 제 1 스월러로부터 방사방향 외측에 배치되고, 상기 제 3 스월러는 환형 슈라우드의 벽에 인접한 환형 슈라우드 외부의 구역으로부터 제 3 스월러에 진입하는 제 2 가스 스트림에 독립적인 회전을 부여하도록 구성된다.

본 발명의 다른 태양에 있어서, 공기로부터 산소를 분리하도록 구성된 공기 분리 유닛과, 천연 가스를 준비하기 위한 가스 처리 유닛과, 수소 가스와 일산화탄소 부화 합성 가스를 생성하도록 고온 및 고압에서 천연 가스와 산소를 반응시키기 위한 연소기와, 합성 가스로부터의 추출 작업과 합성 가스의 냉각을 위해 연소기와 유체 연통하는 터보 팽창기를 포함하는 가스 액화 시스템(gas-to-liquid system)이 개시된다. 이러한 가스 액화 시스템의 연소기는, 벽에 의해 한정된 환형 슈라우드와, 환형 슈라우드의 상류에 배치되는 제 1 및 제 2 스월러와, 제 1 스월러와 제 2 스월러를 분리시키는 허브와, 환형 슈라우드를 따라 축방향으로 연장하는 중앙 본체와, 환형 슈라우드의 상류에서 환형 슈라우드의 원주방향 둘레에 배치되는 연료 슈라우드와, 내측 및 외측 스월러의 하류에 배치되는 제 3 스월러를 포함하는 연료-공기 혼합기를 구비하며, 상기 제 2 스월러는 제 1 스월러로부터 방사방향 외측에 배치되고, 상기 제 3 스월러는 환형 슈라우드의 벽에 인접하여 환형 슈라우드 외부의 구역으로부터 제 3 스월러에 진입하는 제 2 가스 스트림에 독립적인 회전을 부여하도록 구성된다.

또한, 본 발명의 실시예로서 연소 시스템에서 연료와 산화제를 예혼합하기 위한 방법이 있으며, 이 방법은 연료-공기 혼합기의 환형 슈라우드 내부로 산화제의 제 1 스트림을 흡인하는 단계와, 제 1 스월러에서 산화제의 제 1 스트림의 제 1 부분을 제 1 방향으로 선회시키는 단계와, 제 2 스월러에서 산화제의 제 1 스트림의 제 2 부분을 제 1 방향과 반대인 제 2 방향으로 선회시키는 단계와, 연료 슈라우드로부터 연료-공기 혼합기 내로 연료를 분사하는 단계와, 환형 슈라우드 내부로 제 2 가스 스트림을 흡인하는 단계와, 제 3 스월러에서 제 2 가스 스트림을 선회시키는 단계를 포함하며, 제 3 스월러는 연료 슈라우드와 제 1 및 제 2 스월러의 축방향 위치의 하류에 배치되고, 제 2 가스 스트림은 환형 슈라우드 외부의 구역으로부터 흡인되며, 제 2 가스 스트림의 선회는 환형 슈라우드의 출구에서 환형 슈라우드의 벽 부근의 연료 농도를 제어할 정도이다.

전술한 대략적인 설명은 이하의 상세한 설명의 이해를 돕고 본원을 더 잘 인식할 수 있도록 본 발명의 특징을 개시한다. 물론, 후술되며 특허청구범위의 요지를 구성하는 본 발명의 다른 특징들도 존재한다.

이 점에서, 본 발명의 몇 가지 바람직한 실시예를 상세히 설명하기 전에, 본 발명은 그 적용에 있어서 이하의 설명에서 개시되거나 도면에 도시된 구성요소의 구성이나 상세한 구조로 제한되지 않음을 이해하여야 한다. 본 발명은 다른 실시예를 가질 수 있으며 다양한 방법으로 실시되고 수행될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 표현과 용어는 설명을 위한 것이지 제한하려는 것이 아님을 이해하여야 한다.

따라서, 당업자라면 본 발명의 기초가 되는 개념을 본 발명의 여러 목적을 수행하기 위한 기타 구조, 방법 및 시스템을 설계하기 위한 기초로서 용이하게 이용할 수 있을 것이다. 그러므로, 특허청구범위가 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 한에 있어서는 등가의 구성을 포함하는 것으로 고려하는 것이 중요하다.

또한, 요약서의 목적은, 일반적으로는 미국 특허청과 일반 공중이, 특별하게는 특허 또는 법률적인 용어나 표현에 익숙하지 않은 과학자, 기술자 및 업계의 사업자들이 본 명세서의 기술적인 기재의 본질과 요지를 대충 훑어봄으로써 신속하게 파악할 수 있도록 하기 위함이다. 따라서, 요약서는 본 발명이나 특허청구범위에 의해 판단되는 그 응용을 제한하지 않으며, 또한 어떠한 방식으로든 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.

첨부의 도면과 연계하여 이하의 상세한 설명을 참조하면, 본 발명과 이에 따른 다수의 이점에 대하여 보다 완전하게 이해할 것이다.

여러 도면에 걸쳐 동일하거나 대응되는 부분을 유사한 도면부호로 지시하고 있는 도면을 참조하여, 이하에서 연료-공기 혼합기의 여러 실시예가 개시된다. 이 하의 설명에서는, 가스 터빈에서 사용되는 연료-공기 혼합기의 예시적인 실시예들이 이용된다. 그렇지만, 당업자라면 연료와 산화제의 예혼합에 의해 연소가 주로 제어되는 다른 분야에서도 동일한 연료-공기 혼합기가 사용될 수 있음을 용이하게 인식할 것이다.

도 1은 작동 시에 고압 공기를 저공해 연소기(12)에 공급하는 압축기(14)를 구비한 가스 터빈(10)을 도시한다. 공기(또는 다른 산화제)와 함께 연소기(12) 내로 분사된 연료의 연소에 이어서, 고압의 고온 연소 가스가 연소기(12)를 빠져나와 샤프트(18)에 의해 압축기(14)를 구동하는 터빈(16)을 통해 팽창한다. 당업자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 본원에서 언급하는 공기 또는 기류는, 제한하려는 것은 아니지만, 순수 산소를 포함하는 기타 임의의 산화제도 언급하는 것이다. 일 실시예에서, 연소기(12)는 통형 연소기(can combustor)를 포함한다. 다른 실시예에서, 연소기(12)는 통-환형(can-annular) 연소기 또는 단순 환형 연소기를 포함한다. 응용례에 따라, 연소 가스는 추력을 생성하기 위하여 노즐(도시 안함)에서 더 팽창되거나, 가스 터빈(10)은 외력을 구동하기 위한 추가의 에너지를 연소 가스로부터 추출하기 위해 추가의 터빈(도시 안함)을 구비할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 연소기(12)는 연소 영역을 형성하는 연소기 하우징(20)을 포함한다. 또한, 도 2 내지 도 5에 도시되고 이하에서 더 설명되는 바와 같이, 연소기(12)는 연소 영역에서의 연소 이전에 압축 공기와 연료를 혼합하기 위한 연료-공기 혼합기를 포함한다.

도 2는 도 1의 가스 터빈(10)에서 사용되는 저공해 연소기(low-emission combustor; 22)의 예시적인 구성을 도시한다. 도시된 실시예에서, 연소기(22)는 단일 연료-공기 혼합기(그러나, 당업자라면 응용에 따라서 그리고 소망하는 출력에 따라서 복수의 혼합기가 소정의 통형 연소기에 사용될 수도 있음을 이해할 것임)를 구비한 통형 연소기를 포함한다. 연소기(22)는 연소기 케이싱(24)과, 이 연소기 케이싱(24) 내에 배치된 연소기 라이너(26)를 포함한다. 또한, 연소기(22)는 돔형상 플레이트(28)와, 연소기 벽의 온도를 감소시키도록 구성된 열차폐부(30)를 포함한다. 또한, 연소기(22)는 연소 이전에 산화제와 연료를 예혼합하기 위한 연료-공기 혼합기(32)를 포함한다. 비록 도 2가 단일의 연료-공기 혼합기(32)를 도시하고 있지만, 당업자라면 복수의 연료-공기 혼합기(32)를 구비한 통형 연소기도 본 발명의 범위 내에 있음을 이해할 것이다. 일 실시예에서, 연료-공기 혼합기(32)는 수소와 같은 연료를 이용하는 분야를 위해 연소기(22) 내에서의 다단 연료 도입을 달성하도록 배열될 수 있다. 작동 시, 연료-공기 혼합기(32)는 연료 플레늄으로부터 연료-공기 혼합기(32) 내로 도입된 연료와 혼합되는 기류(34)를 받아들인다. 이어서, 공기-연료 혼합물은 연소기(22) 내부의 화염(36)에서 연소된다. 또한, 희석 또는 냉각 구멍(38)이 도시된 바와 같이 연소기 케이싱(24)에 제공될 수도 있다.

도 3은 도 1의 가스 터빈(10)에서 사용되는 저공해 연소기(40)의 다른 예시적인 구성을 도시한다. 도시된 실시예에서, 연소기(40)는 단일 연료-공기 혼합기(그러나, 당업자라면 응용에 따라서 그리고 소망하는 출력에 따라서 복수의 원주 방향으로 배치된 혼합기가 소정의 환형 연소기 내에 사용될 수도 있음을 이해할 것임)를 구비한 환형 연소기를 포함한다. 도시된 바와 같이, 내측 케이싱(42) 및 외측 케이싱(44)은 연소기(40) 내부에 연소 영역을 형성한다. 또한, 연소기(40)는 내측 및 외측 연소기 라이너(46 및 48)와 돔(50)을 통상적으로 포함한다. 또한, 연소기(40)는 내측 및 외측 연소기 라이너(46 및 48)에 인접 배치되는 내측 및 외측 열차폐부(52 및 54)와, 연소 영역 내로 기류(58)를 유도하기 위한 확산기 섹션(56)을 포함한다. 또한, 연소기(40)는 연소 영역의 상류에 배치된 연료-공기 혼합기(60)를 포함한다. 작동 시, 연료-공기 혼합기(60)는 연료 라인(62 및 64)을 통해 연료 플레늄으로부터 연료를 받아들인다. 또한, 연료 라인(62 및 64)으로부터의 연료는 유입 기류(58)와 혼합되어 연소용 연료-공기 혼합물이 화염(66)으로 이송된다.

도 4는 본 발명의 태양에 따른 연료-공기 혼합기(72)를 구비한 다른 예시적인 저공해 환형 연소기(70)의 부분 단면도를 도시한다. 당업자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 환형 연소기(70)는 가스 터빈(10)에 사용하기에 적절한 유형의 연속 연소 장치이며, 내부에 연소 챔버(76)가 형성된 중공 본체(74)를 포함한다. 중공 본체(74)는 대략 환형상을 가지며 외측 라이너(48), 내측 라이너(46) 및 돔형상 단부 또는 돔(dome; 50)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 중공 본체(74)의 돔형상 단부(50)는 연료-공기 혼합기(72)에 연결되어, 최종 혼합물의 점화에 의해 야기되는 오염물질이 최소한으로 생성되면서 연료-공기 혼합물이 연료-공기 혼합기(72)로부터 연소 챔버(76) 내로 후속 도입되는 것을 허용한다. 본원에 설명된 변형예 이외에, 연료-공기 혼합기(72)는, 본 발명의 양수인에게 양도되고 그 내용이 전체적으로 본원에 참조되는 미국 특허 제 5,351,477 호, 제 5,251,447 호 및 제 5,165,241호에 개시된 혼합기의 형태를 취할 수 있다.

도시된 바와 같이, 연료-공기 혼합기(72)는 내측 스월러(80) 및 외측 스월러(82)를 포함한다. 내측 및 외측 스월러(80 및 82)는 바람직하게는 대향하여 회전한다. 당업자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 한 스월러의 회전 방향이 다른 스월러의 회전 방향과 반대인 한은, 공기가 통과하는 내측 스월러(80) 또는 외측 스월러(82)가 회전하는 방향은 중요한 문제가 아니다. 허브(84)는 내측 및 외측 스월러(80 및 82)를 서로 분리시켜서, 내측 및 외측 스월러(80 및 82)가 공통 환형이 되고 유입되는 공기를 독립적으로 회전시키는 것을 허용한다. 내측 및 외측 스월러(80 및 82)는 바람직하게는 축방향이지만, 방사방향 또는 축방향과 방사방향의 조합일 수도 있다. 당업자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 내측 및 외측 스월러(80 및 82)는 연소기의 축방향 축선(A)에 대해 약 40도 내지 약 60도로 변하는 각도로 배치되는 베인을 구비한다. 또한, 외측 스월러(82)를 통해 유동하는 공기에 대한 내측 스월러(80)를 통해 유동하는 공기의 질량비는 설계에 따라 조절될 수 있으며, 바람직하게는 대략 1/3이다.

연료-공기 혼합기(72)는 연료 입구(88)를 구비한 연료 슈라우드(86)를 더 포함하며, 연료 슈라우드(86)는 혼합기의 상류에서 혼합기를 원주방향으로 둘러싸며, 환형 슈라우드(90)는 연료 슈라우드(86)의 하류에 배치된다. 연료 슈라우드(86)는 외측 스월러(82)의 베인과 유체 연통 상태에 있을 수 있으며, 연료 슈라우드(86)로부터 분사된 연료는 공지된 바와 같은 적절한 연료 공급 및 제어 메커니즘에 의해 계량될 수 있다. 따라서, 외측 스월러(82)의 베인은, 연료를 연료 슈라우드(86)로부터 환형 슈라우드(90)로 분사하기 위하여 연료 슈라우드(86) 및 연료 통로에 연결된 내부 공동을 구비한 중공 설계로 되는 것이 바람직하다. 또한 공지되어 있는 바와 같이, 비록 도면에 도시되지는 않았지만, 연료 통로가 내측 스월러(80)의 베인과 유체 연통 상태로 제공될 수 있다.

도시되지는 않았지만, 당업자라면 환형 슈라우드(90)를 형성하는 벽이, 환형 슈라우드(90)의 내측면을 따라 위치된 공기와 연료의 경계층에 에너지를 부여하기 위하여 공기가 환형 슈라우드(90) 내부에서 유동하도록 환형 슈라우드(90) 외부로부터의 압축 공기와 유체 연통 상태로 하나 이상의 공기 통로를 포함할 수 있음을 이해할 것이다. 이러한 기류 통로는 연료가 연료-공기 혼합기(72)에 분사되는 방법이나 연료와 공기가 연료-공기 혼합기(72)에서 어떻게 혼합되는지에 관계없이 이루어질 수 있다. 이는 그러한 공기 통로에 의해 공급된 공기가 환형 슈라우드(90)의 환형 내측면을 따르는 경계층에 에너지를 부여하는데 효과적이고 환형 슈라우드(90) 내에서 공기의 전진 속도를 증가시키기 때문이다. 더욱이, 공기는 경계층 내의 연료의 농도를 희석시킴으로써 내부의 화염 속도를 감소시킬 수도 있어서, 환형 슈라우드(90) 내부의 역화 가능성을 감소시킬 수 있다.

도 4에 더 도시된 바와 같이, 중앙 본체(94)가 연료-공기 혼합기(72) 내에 제공되는데, 이 중앙 본체(94)는 직선 원통형 섹션의 형태이거나, 바람직하게는 상류 단부로부터 하류 단부까지 대체로 균일하게 수렴하는 형태일 수 있다. 중앙 본체(94)는 연료-공기 혼합기(72)의 하류 단부(96) 이전에 종결되는 크기를 갖는 것이 바람직하다. 일 실시예에서, 중앙 본체(94)는 중앙 본체(94)에 인접한 연소 챔버(76) 내로 공기가 비교적 높은 축방향 속도로 유입될 수 있도록 선단부를 관통하는 통로를 바람직하게 포함할 수도 있으며, 이러한 특정 실시예는 국부 연료/공기 비율을 감소시켜 중앙 본체의 선단부의 하류의 화염을 촉진시키는 것을 도울 수 있다.

중앙 본체(94)는 바람직하게는 내측 스월러(80)의 바로 하류에 위치하는 복수의 오리피스를 더 포함할 수 있으며, 이를 통해 연료가 또한 연료-공기 혼합기(72) 내로 분사될 수 있다. 가스상 및 액체 연료를 연료-공기 혼합기(72) 내부에 분사하려는 경우, 가스상 연료는 스월러 베인 통로를 통해 분사되는 것이 바람직하고 액체 연료는 중앙 본체(94)에 배치된 오리피스를 통해 분사됨을 이해할 것이다. 따라서, 연료 유형의 변경은 중앙 본체(94)에 배치된 오리피스를 통해 분사되는 연료의 양을 증가시키는 한편, 베인을 통해 분사되는 연료의 양을 대응하여 감소시킴으로써 보다 신속하고도 간단하게 달성될 수 있다.

도 4에 더 도시된 바와 같이, 연료-공기 혼합기(72)는 연료 슈라우드(86)와 환형 슈라우드(90) 사이에 방사방향 스월러(92)를 포함한다. 전술한 바와 같이, 내측 또는 외측 스월러(80 또는 82)로 도입된 연료는 환형 슈라우드(90)의 표면 측으로 축적되는 경향을 갖기 때문에, 환형 슈라우드(90)의 하류 단부(96)에 연료가 고농도인 구역이 생성된다. 환형 슈라우드(90)의 출구 부근의 연료 농도의 증가는 환형 슈라우드(90) 내로의 역화의 가능성을 증가시킬 뿐만 아니라, 연소 챔버(76)에 형성되는 NOx의 양을 증가시킬 수 있다. 방사방향 스월러(92)의 유익한 특징 중 하나는, 방사방향 스월러(92)를 통해 유입되는 공기가 환형 슈라우드(90)의 표면 부근의 연료와 공기의 혼합을 향상시킴으로써, 환형 슈라우드(90)의 출구에서의 고농도 연료의 구역을 감소 및/또는 제거하여 연소 챔버(76) 내에 형성되는 NOx의 전체적인 양을 감소시킨다는 것이다. 도 5는 방사방향 스월러(92)의 사시도를 도시한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 방사방향 스월러(92)는 외측 표면(102)에 배치된 복수의 베인(100)을 구비하고 상류 단부에 배치되는 제 1 링(98)을 포함한다. 각각의 베인(100)은 연료-공기 혼합기(72)의 축방향 축선(A) 둘레에 원주방향으로 연장하도록 외측 표면(102)에 배치되며, 각 베인(100)의 각각의 제 1 단부(104)는 제 1 링(98)의 외측 에지(107)에 이웃하여 위치된 각각의 베인(100)의 제 2 단부(106)로부터 방사방향 내측으로 배치된다. 도시된 바와 같이, 제 1 링(98)은 제 1 링(98)의 내측 에지로부터 축방향으로 연장하는 환형 립(108)을 더 포함한다. 방사방향 스월러(92)의 다른 부품인 제 2 링(110)은 제 1 링(98)으로부터 축방향으로 이격 배치되어, 방사방향과 축방향 모두를 따라 연장하는 제 1 링(98)과 제 2 링(110) 사이의 간극을 형성한다. 도시된 바와 같이, 제 2 링(110)의 제 1 표면(112)은 방사방향 내측으로 연장하여, 복수의 베인(100)이 배치되는 방사방향 연장 간극(116)을 형성한다. 제 2 링(110)의 제 2 표면(114)은 제 1 링(98)의 환형 립(108)과 축방향 연장 간극(118)을 형성하도록 축방향으로 연장된다. 제 2 링(110)은 슬리브(120)를 더 포함하며, 연료-공기 혼합기(72)의 조립 시에 슬리브(120) 내부에 연료-공기 혼합기(72)의 환형 슈라우드(90)가 배치된다.

내측 및 외측 스월러(80 및 82)의 위치에 대한 연료-공기 혼합기(72)를 따르는 방사방향 스월러(92)의 축방향 위치 및/또는 방사방향 스월러(92)를 떠나는 기류의 방사방향 회전 정도는, 연료-공기 혼합기(72)의 하류 단부(96)에서의, 특히 방사방향 스월러(92)의 벽에 이웃한 구역에서의 연료-공기 혼합물의 소정의 혼합 수준에 기초하여 결정될 수 있다. 또한, 방사방향 스월러(92)의 형상과 치수는 연료 압력, 연료 온도, 유입 공기 온도, 연료 분사 속도 등의 인자를 포함하는 작동 조건과, 소망하는 예혼합 효율에 기초하여 선택되거나 최적화될 수 있다. 연료의 예로는, 천연 가스, 고수소 가스, 수소, 생물 가스, 일산화탄소 및 합성 가스 등이 있다. 그러나, 다양한 기타의 연료가 이용될 수 있다.

전술한 연료-공기 혼합기(72)는 석탄가스화 복합 발전(integrated gasification combined cycle; IGCC)에서 사용하기에 특히 적합하며, 상기 발전은 석탄과 같은 고체 연료의 기화에 따른 연료를 연소시켜 구동되는 가스 터빈을 구비하는 한편, 가스 터빈으로부터의 배기가스는 증기 터빈을 구동하는 과열 증기를 발생시키도록 물/증기와 열교환된다. IGCC 설비의 기화부는 기화기에서 산소와 석탄을 결합시켜 청정 석탄 가스를 생성하여, 가스상 연료, 즉 수소와 일산화탄소, 또는 합성 가스를 생성한다. 그 후 가스 정화 공정에서 정화된 합성 가스는 가스 터빈의 연소기에서 전기를 생성하는데 사용된다. IGCC 설비는 통상적으로 높은 출력으로 고효율을 가지며 배출물질은 적다. 공기 분리 유닛(Air Separation Unit, ASU)으로부터 취한 질소가 가스 터빈의 연소기에 유입될 때 IGCC 설비에서 높은 출력이 달성되며, 이에 따라 가스 터빈을 통한 질량 유량이 증가되고, 연소에 사용되는 공기를 저하시켜 전체 연소 온도와 산소 농도를 감소시킨다. 본 발명의 실시예에 따른 연료-공기 혼합기(72)는 IGCC 설비에 사용하기에 적합하다. 특히, 연료-공기 혼합기(72)는 가스 터빈 연소기에 사용될 수 있으며, 질소는 합성 가스를 연소시킬 때 방사방향 스월러(92)에 유입될 수 있어서, 벽 부근의 고농도 연료를 감소시키고 연료와 공기 혼합 특성을 향상시키는 것을 돕는다. 또한 이러한 방사방향 스월러는 고수소의 연소 동안 슈라우드를 통해 유동하여 슈라우드에서 수소 및 공기와 혼합될 수 있어서, 연료-공기 혼합기의 출구에서 국부적인 고당량비 구역을 회피할 수 있다.

통상적인 IGCC 가스 터빈 연소기에 있어서, 수소 및 질소는 내측 및 외측 스월러(80 및 82)의 연료 분사 포트를 통해 함께 유입된다. 일부 실시예에서는, 수소와 질소를 혼합하고 연료 포트를 통해 혼합물을 유입하는 대신에, 탄소 함유 수소 청정 합성 가스가 연료 포트로 공급되고 질소는 방사방향 스월러에 의해 분사되거나 유입 공기와 함께 공급됨으로써, 산소의 전체 이용도를 감소시키기 위하여 공기를 저하시킴으로써 종래 수준에 비해 70% 만큼 NOx 수준을 저감시킨다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 연소기 출구에서의 NOx 수준은 3 내지 5 ppm 이하이다. 그러한 향상된 성능은 저하된 공기가 연료-공기 혼합기(72)의 환형 슈라우드(90)에서의 화염 보유 및 역화에 대한 향상된 저항성을 제공하면서 달성된다. 전술한 이점이 IGCC 설비에 있어서 명백하지만, 당업자라면 개시된 연료-공기 혼합기가 발전용 가스 터빈의 기존의 연소기를 개조하는데 이용될 수도 있음을 이해할 것이다.

또한, 전술한 연료-공기 혼합기는 시스템의 연소기에서의 반응 이전에 산소와 천연 가스의 예혼합을 향상시키기 위하여 가스 액화 시스템에서 이용될 수 있다. 통상적으로, 가스 액화 시스템은 공기 분리 유닛, 가스 처리 유닛 및 연소기를 포함한다. 작동 시, 공기 분리 유닛은 공기로부터 산소를 분리하고 가스 처리 유닛은 연소기에서의 변환을 위한 천연 가스를 준비한다. 공기 분리 유닛으로부터의 산소와 가스 처리 유닛으로부터의 천연 가스는 연소기로 보내지고, 여기서 천연 가스와 산소는 높은 온도와 압력에서 반응하여 합성 가스를 생성한다. 이러한 실시예에서, 연료-공기 혼합기가 연소기에 결합되어 연소기에서의 반응 이전에 산소와 천연 가스의 예혼합을 용이하게 한다. 또한, 연료-공기 혼합기의 방사방향 스월러(92)가 유입 천연 가스의 동반을 촉진하여 높은 연료 대 산소 당량비(예컨대, 약 3.5 내지 약 4 이상)에서의 천연 가스와 산소의 혼합이 가능해짐으로써, 체류 시간을 최소화하면서 합성 가스의 수율을 최대화시킨다. 특정 실시예에서는, 증기가 산소 또는 연료에 첨가되어 공정 효율을 향상시킬 수도 있다.

그 다음, 합성 가스는 냉각되고 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsh) 처리 유닛으로 도입되어, 촉매를 통해 수소 가스와 일산화탄소가 장쇄(long-chain) 액체 탄화수소로 재결합된다. 마지막으로, 액체 탄화수소는 분류 유닛(cracking unit)에서 생성물로 전환 및 분류된다. 바람직하게, 방사방향 스월러를 구비하는 연료-공기 혼합기는 천연 가스와 산소의 신속한 예혼합과 가스 액화 시스템에서의 상당히 짧은 체류 시간을 유도한다.

전술한 방법의 다양한 태양이 노(furnace)와 같은 가열 장치와 가스 터빈에서 이용되는 연소기와 같은 다양한 분야에서 유용하다. 또한, 전술한 기술은 연소 전에 연료와 공기의 예혼합을 향상시켜, 배출물을 상당히 저감시키고 가스 터빈 시스템의 효율을 향상시킨다. 예혼합 기술은 천연 가스, 탄화수소, 일산화탄소, 수 소, 생물 가스 및 합성 가스를 포함하는 고용적 및 저용적 발열량의 가스상 화석 연료 등과 같은 다양한 연료에 이용될 수 있다. 따라서, 전술한 바와 같이, 연료-공기 혼합기는 오염물질 배출을 감소시키기 위한 석탄가스화 복합 발전(IGCC)에서의 연료 가변(fuel flexible) 연소기에 이용될 수도 있다. 특정 실시예에서, 연료-공기 혼합기는 항공기 엔진용 수소 연소기와 중하중 기계 및 항공 개조식 엔진용 기타 가스 터빈 연소기에 이용된다. 특히, 연료-공기 혼합기는 이산화탄소 프리 사이클 및 배기가스 순환에 특히 유용한 산소-연료와 같은 스트림의 부분 혼합을 촉진시키는데 이용될 수도 있다.

따라서, 전술한 추가의 방사방향 스월러에 기초한 예혼합 기술은 연소기에서의 화염 안정도와 예혼합을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 기술은 그러한 연소기로부터의 배출물, 특히 NOx 배출물을 감소시킬 수 있기 때문에, 가스 터빈이 환경 친화적인 방법으로 작동하도록 한다. 특정 실시예에서, 본 발명의 기술은 연소기, 특히 수소 연소기에 걸친 압력 강하를 최소화하도록 한다. 또한, 추가의 방사방향 스월러를 통해 달성되는 향상된 예혼합은, 연소기에 대하여 턴다운(turndown)의 향상, 내역화성, 및 증가된 돌연정지 마진(flameout margin)의 증가를 촉진시킨다.

예시된 실시예들에서는, 보다 나은 연료와 공기의 혼합에 의해 보다 나은 턴다운이 허용되며 약 0.2만큼 낮은 당량비를 갖는 천연 가스와 공기의 혼합물에 대한 작동이 허용된다. 또한, 돌연정지 마진은 기존의 시스템에 비해 상당히 개선된다. 더욱이, 전술한 바와 같이, 본 발명의 시스템은 다양한 연료와 사용될 수 있기 때문에, 향상된 연료 가변성(fuel flexibility)을 제공한다. 예를 들어, 본 시스템은 연료로서 천연 가스나 H₂를 이용할 수 있다. 이러한 시스템의 연료 가변성은 상이한 연료를 위해 요구되는 상이한 연료 포트를 구비하는 복잡한 구성이나 하드웨어의 변경을 필요로 하지 않는다. 전술한 바와 같이, 개시된 연료-공기 혼합기는 다양한 연료와 사용될 수 있기 때문에 시스템의 연료 가변성을 제공한다. 또한, 전술한 기술은 기존의 통형 연소기 또는 통-환형 연소기에서 사용될 수 있기 때문에 연소기 내의 임의의 동역학적 진동 및 변조와 배출물을 감소시킬 수 있다. 또한, 개시된 장치는 기존의 연소기에서 파일럿(pilot)으로서 이용될 수도 있다.

또한, 연소 시스템에서 연료와 산화제를 예혼합하기 위한 방법이 개시된 본 발명의 실시예의 범위 내에 있는데, 이 방법은 연료-공기 혼합기의 환형 슈라우드 내부로 산화제의 제 1 스트림을 흡인하는 단계와, 제 1 스월러에서 산화제의 제 1 스트림의 제 1 부분을 제 1 방향으로 선회시키는 단계와, 제 2 스월러에서 산화제의 제 1 스트림의 제 2 부분을 제 1 방향과 반대인 제 2 방향으로 선회시키는 단계와, 연료 슈라우드로부터 연료-공기 혼합기 내로 연료를 분사하는 단계와, 환형 슈라우드 내부로 제 2 가스 스트림을 흡인하는 단계와, 제 3 스월러에서 제 2 가스 스트림을 선회시키는 단계를 포함하며, 제 3 스월러는 연료 슈라우드와 제 1 및 제 2 스월러의 축방향 위치의 하류에 배치되고, 제 2 가스 스트림은 환형 슈라우드 외부의 구역으로부터 흡인되며, 제 2 가스 스트림의 선회는 환형 슈라우드의 출구에서 환형 슈라우드의 벽 부근의 연료 농도를 제어할 정도이다. 산화제의 제 1 스트림을 흡인하는 단계에서, 그러한 산화제는 공기 또는 약 10%의 산소 부피 함량을 갖는 산화제를 포함할 수 있다. 또한, 연료는 합성 가스를 포함할 수 있고 산화제는 산소-연료 연소기에 사용하기 위한 고순도 산소이거나, 또는 연료는 합성 가스를 포함할 수 있고 제 2 가스 스트림은 질소 스트림이다.

이상의 설명과 관련하여, 크기의 변동과, 형상 함수와, 작동, 조립 및 사용 방법을 포함하는 본 발명의 부품들에 대한 최적의 치수 관계는 당업자가 용이하게 이해할 수 있으며 또한 명료하기 때문에, 도면에 도시되고 본 명세서에 기재된 내용과 균등한 모든 관계는 첨부의 청구범위에 의해서만 한정되는 것으로 이해하여야 한다. 또한, 본 발명이 본 발명의 예시적인 실시예들 중 현재 실용적인 것으로 여겨지는 몇몇의 실시예와 관련하여 특히 상세하게 설명되고 도면에 도시되었지만, 당업자에게는 본 발명의 원리와 개념으로부터 벗어나지 않으면서 많은 변형이 이루어질 수 있음이 명백하다. 그러므로, 본 발명의 진정한 범위는 모든 변형과 등가물을 포함하도록 첨부의 특허청구범위를 가장 넓게 해석함으로써만 결정되어야 한다.

도 1은 본 발명의 태양에 따른 연료-공기 혼합기를 구비한 연소기를 갖는 가스 터빈의 개략도,

도 2는 본 발명의 태양에 따른 도 1의 가스 터빈에 이용되는 저공해 통형 연소기의 예시적인 구성의 개략도,

도 3은 본 발명의 태양에 따른 도 1의 가스 터빈에 이용되는 저공해 환형 연소기의 다른 예시적인 구성의 개략도,

도 4는 본 발명의 태양에 따른 연료-공기 혼합기를 갖는 다른 예시적인 저공해 환형 연소기의 부분 단면도,

도 5는 도 4의 연료-공기 혼합기의 방사방향 스월러의 사시도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 가스 터빈 12, 40 : 연소기

14 : 압축기 16 : 터빈

20 : 연소기 하우징 22 : 연소기

24 : 연소기 케이싱 26, 46, 48 : 연소기 라이너

28 : 돔형상 플레이트 30, 52, 54 : 열차폐부

32, 60, 72 : 연료-공기 혼합기 34, 58 : 기류

36, 66 : 화염 38 : 냉각 구멍

42, 44 : 케이싱 56 : 확산기 섹션

62, 64 : 연료 라인 70 : 환형 연소기

74 : 중공 본체 76 : 연소 챔버

80 : 내측 스월러 82 : 외측 스월러

84 : 허브 86 : 연료 슈라우드

88 : 연료 입구 90 : 환형 슈라우드

92 : 방사방향 스월러 94 : 중앙 본체

96 : 하류 단부 98 : 제 1 링

100 : 베인 102 : 외측 표면

108 : 환형 립 110 : 제 2 링

116 : 방사방향 연장 간극 118 : 축방향 연장 간극

120 : 슬리브

Claims

연료-공기 혼합기에 있어서,

벽에 의해 한정된 원형 단면을 가지며, 축방향을 따라 연장하는 축방향 축선, 방사방향을 따라 연장하는 방사방향 축선, 및 상류 단부와 하류 단부를 구비하는 환형 슈라우드와,

상기 환형 슈라우드의 상류에 배치되는 제 1 스월러와,

방사방향으로 제 1 스월러로부터 외측으로 환형 슈라우드의 상류에 배치되는 제 2 스월러와,

상기 제 1 스월러와 상기 제 2 스월러를 분리시키는 허브로서, 상기 허브는 환형 슈라우드의 상류에서 환형 슈라우드에 진입하는 제 1 가스 스트림의 제 1 부분과 제 2 부분의 독립적인 회전을 허용하도록 구성되며, 상기 가스 스트림의 제 1 부분과 제 2 부분은 각각 제 1 스월러와 제 2 스월러에 의해 회전되는, 상기 허브와,

상기 환형 슈라우드의 축방향 축선을 따라 연장하는 중앙 본체와,

상기 환형 슈라우드의 상류에 있어서, 제 2 스월러로부터 방사방향 외측에 배치되어, 가스 스트림의 제 1 및 제 2 부분과의 혼합을 위해 환형 슈라우드 내로 연료를 분사하도록 구성된 연료 슈라우드와,

상기 제 1 스월러 및 상기 제 2 스월러의 하류에 배치되는 제 3 스월러를 포함하며,

상기 제 3 스월러는 환형 슈라우드의 벽 외부의 구역으로부터 제 3 스월러에 진입하는 제 2 가스 스트림의 독립적인 회전을 허용하도록 구성되고, 제 2 가스 스트림은 환형 슈라우드의 벽에 인접한 구역에서 환형 슈라우드에 진입하는

연료-공기 혼합기.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 스월러는 베인을 포함하며, 상기 연료 슈라우드는 제 1 스월러의 베인과 유체 연통하는

연료-공기 혼합기.
제 1 항에 있어서,

상기 제 2 스월러는 베인을 포함하며, 상기 연료 슈라우드는 제 2 스월러의 베인과 유체 연통하는

연료-공기 혼합기.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 스월러 및 제 2 스월러는 제 1 및 제 2 세트의 베인을 각각 포함하며, 상기 연료 슈라우드는 제 1 및 제 2 세트의 베인과 유체 연통하는

연료-공기 혼합기.
제 1 항에 있어서,

상기 연료 슈라우드로부터 상기 환형 슈라우드 내로 분사된 연료는 합성 가스이며, 상기 제 2 가스 스트림은 환형 슈라우드의 하류에 위치한 연소 구역에 형성되는 NOx의 양을 제어하도록 상기 제 1 가스 스트림의 산소의 양을 저하시키는 질소 가스 스트림인

연료-공기 혼합기.
제 1 항에 있어서,

상기 제 2 가스 스트림은 공기 스트림이며, 상기 제 2 가스 스트림의 독립적인 회전은 환형 슈라우드의 벽에 인접한 구역에 있어서의 환형 슈라우드의 출구에서 국부 연료 농도를 감소시키도록 구성되는

연료-공기 혼합기.
제 1 항에 있어서,

상기 제 3 스월러는,

외측 표면에 배치된 복수의 베인과, 내측 에지로부터 축방향으로 연장하는 환형 립을 구비하는 제 1 링과,

제 1 링의 외측 표면에 배치된 복수의 베인을 수납하는 제 1 링과의 사이의 간극을 형성하도록 제 1 링으로부터 축방향으로 이격되어 배치되는 제 2 링을 더 포함하며,

상기 제 2 링은 상기 간극의 제 1 부분을 형성하도록 방사방향 내측으로 연장하는 제 1 표면과 상기 간극의 제 2 부분을 형성하도록 축방향으로 연장하는 제 2 표면을 포함하고, 상기 제 2 링은 연료-공기 혼합기의 환형 슈라우드를 수납하도록 구성된 슬리브를 더 포함하는

연료-공기 혼합기.
가스 터빈에 있어서,

압축기와,

연료와 공기의 예혼합된 혼합물을 연소시키도록 구성된, 상기 압축기와 유체 연통하는 연소기와,

상기 연소기의 하류에 배치되어 연소기를 빠져나오는 가스 스트림을 팽창시키도록 구성된 터빈을 포함하고,

상기 연소기는 압축기의 상류에 배치된 연료-공기 혼합기를 포함하며,

상기 연료-공기 혼합기는,

벽에 의해 한정된 원형 단면을 가지며, 축방향을 따라 연장하는 축방향 축선, 방사방향을 따라 연장하는 방사방향 축선, 및 상류 단부와 하류 단부를 구비하는 환형 슈라우드와,

상기 환형 슈라우드의 상류에 배치되는 제 1 스월러와,

방사방향으로 상기 제 1 스월러로부터 외측으로 환형 슈라우드의 상류에 배치되는 제 2 스월러와,

상기 제 1 스월러와 상기 제 2 스월러를 분리시키는 허브로서, 상기 허브는 환형 슈라우드의 상류에서 환형 슈라우드에 진입하는 제 1 가스 스트림의 제 1 부분과 제 2 부분의 독립적인 회전을 허용하도록 구성되며, 상기 가스 스트림의 제 1 부분과 제 2 부분은 각각 제 1 스월러와 제 2 스월러에 의해 회전되는, 상기 허브와,

상기 환형 슈라우드의 축방향 축선을 따라 연장하는 중앙 본체와,

환형 슈라우드의 상류에 있어서, 제 2 스월러로부터 방사방향 외측에 배치되어, 가스 스트림의 제 1 및 제 2 부분과의 혼합을 위해 환형 슈라우드 내로 연료를 분사하도록 구성된 연료 슈라우드와,

상기 제 1 스월러 및 상기 제 2 스월러의 하류의 환형 슈라우드에 배치되는 제 3 스월러를 포함하며,

상기 제 3 스월러는 환형 슈라우드의 벽 외부의 구역으로부터 제 3 스월러에 진입하는 제 2 가스 스트림의 독립적인 회전을 허용하도록 구성되고, 제 2 가스 스트림은 환형 슈라우드의 벽에 인접한 구역에서 환형 슈라우드에 진입하는

가스 터빈.
가스 액화 시스템에 있어서,

공기로부터 산소를 분리하도록 구성된 공기 분리 유닛과,

천연 가스를 준비하기 위한 가스 처리 유닛과,

수소 가스와 일산화탄소 부화 합성 가스를 생성하도록 고온 및 고압에서 천연 가스와 산소를 반응시키기 위한 연소기와,

연소기에서의 반응 이전에 산소와 천연 가스의 예혼합을 촉진시키도록 연소기의 상류에 배치된 연료-공기 혼합기와,

합성 가스로부터 일의 추출과 합성 가스의 냉각을 위해 연소기와 유체 연통하는 터보 팽창기를 포함하며,

상기 연료-공기 혼합기는,

벽에 의해 한정된 원형 단면을 가지며, 축방향을 따라 연장하는 축방향 축선, 방사방향을 따라 연장하는 방사방향 축선, 및 상류 단부와 하류 단부를 구비하는 환형 슈라우드와,

상기 환형 슈라우드의 상류에 배치되는 제 1 스월러와,

방사방향으로 제 1 스월러로부터 외측으로 환형 슈라우드의 상류에 배치되는 제 2 스월러와,

상기 제 1 스월러와 상기 제 2 스월러를 분리시키는 허브로서, 상기 허브는 환형 슈라우드의 상류에서 환형 슈라우드에 진입하는 제 1 가스 스트림의 제 1 부분과 제 2 부분의 독립적인 회전을 허용하도록 구성되며, 상기 가스 스트림의 제 1 부분과 제 2 부분은 각각 제 1 스월러와 제 2 스월러에 의해 회전되는, 상기 허브와,

상기 환형 슈라우드의 축방향 축선을 따라 연장하는 중앙 본체와,

상기 환형 슈라우드의 상류에 있어서, 제 2 스월러로부터 방사방향 외측에 배치되어, 가스 스트림의 제 1 및 제 2 부분과의 혼합을 위해 환형 슈라우드 내로 연료를 분사하도록 구성된 연료 슈라우드와,

상기 제 1 스월러 및 상기 제 2 스월러의 하류의 환형 슈라우드에 배치되는 제 3 스월러를 포함하며,

상기 제 3 스월러는 환형 슈라우드의 벽 외부의 구역으로부터 제 3 스월러에 진입하는 제 2 가스 스트림의 독립적인 회전을 허용하도록 구성되고, 제 2 가스 스트림은 환형 슈라우드의 벽에 인접한 구역에서 환형 슈라우드에 진입하는

가스 액화 시스템.
연소 시스템에서 연료와 산화제를 예혼합하기 위한 방법에 있어서,

산화제 입구를 통해 연료-공기 혼합기의 환형 슈라우드 내부로 산화제의 제 1 스트림을 흡인하는 단계와,

제 1 스월러에서 산화제의 제 1 스트림의 제 1 부분을 제 1 방향으로 선회시키는 단계와,

제 2 스월러에서 산화제의 제 1 스트림의 제 2 부분을 상기 제 1 방향과 반대인 제 2 방향으로 선회시키는 단계와,

상기 제 1 스월러 및 상기 제 2 스월러가 위치되는 축방향 위치와 동일한 축방향 위치에 배치되는 연료 슈라우드로부터 연료-공기 혼합기 내로 연료를 분사하는 단계와,

상기 환형 슈라우드 내부로 제 2 가스 스트림을 흡인하는 단계와,

제 3 스월러에서 상기 제 2 가스 스트림을 선회시키는 단계를 포함하며,

상기 제 3 스월러는 연료 슈라우드와 제 1 및 제 2 스월러의 축방향 위치의 하류에 배치되고, 상기 제 2 가스 스트림은 환형 슈라우드 외부의 구역으로부터 흡인되며, 상기 제 2 가스 스트림의 선회는 환형 슈라우드의 출구에서 환형 슈라우드의 벽 부근의 연료 농도를 제어하도록 하는

연소 시스템에서의 연료와 산화제의 예혼합 방법.