KR101547583B1 - 분말연료 전환 시스템 및 방법 - Google Patents

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제임스 케이 맥나이트
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Abstract

버너는 바람직하게는 독점적으로 실질적으로 폭발성인 고체 연료를 태우고, 바람직하게는 즉각적 온-오프 온도 제어를 가지며, 인클로저 또는 외부 공기공급을 예열하는 에너지를 낭비하지 않고, 분말-공기 혼합물이 우리의 버너에서 점화된 순간 안정한 연소를 달성하며, 오일 버너 개조를 제외하고는 상방 수직 모드에서 사용되고, 고체 연료를 마치 기화된 액체 또는 가스인 것처럼 단일상 영역에서 타게 하며, 이를 공급하는 대형의 고온 퍼니스 인클로저에서이기보다는 버너 하우징 자체 내에서 연소를 완료시키도록 설계되고, 초단기 체류 시간 요건을 가지며, 초기에 타지 않은 입자의 자급적 관리를 가진 재활용 소비 버너이고, 훨씬 더 작고, 더 간단하며 더 저비용이고, 더 넓은 동적 범위/턴다운 비를 가지고, 연소 완전성과 열 효율에 있어 더 효율적이며, 대략 화염속도에서 공기-연료 혼합물로 작동한다.

Description

분말연료 전환 시스템 및 방법 {POWDERED FUEL CONVERSION SYSTEMS AND METHODS}
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2008년 4월 7일에 출원한 미국 가출원 제61/042,996호(발명의 명칭: 분말연료 전환 시스템 및 방법), 및 2008년 6월 20일에 출원한 미국 가출원 제61/074,244호(발명의 명칭: 분말연료 전환 시스템 및 방법)에 개시되어 있는 하나 이상의 발명에 대한 우선권을 주장한다. 이로써, 미국 가출원의 제119조(e)하의 혜택을 주장하며, 상기 출원들은 그 전체로서 원용에 의해 본 명세서에 포함된다.
본 출원의 대상은 2007년 11월 16일에 출원되고, 미국 가출원 제60/859,779호(출원일: 2006년 11월 17일), 미국 가출원 제60/868,408호 (출원일: 2006년 12월 4일) 및 미국 가출원 제60/993,221호 (출원일: 2007년 9월 10일)에 대한 우선권을 주장하는 동시 계류 중의 PCT 특허출원 제PCT/US2007/024044호 (발명의 명칭: 분말연료, 그 분산물 및 이와 관련된 연소 장치)의 발명의 대상과도 관련되어 있다. 이들 출원들은 원용에 의해 전체로서 본 명세서에 포함된다.
기술 분야
본 발명은 고체연료 연소 분야에 대한 것이다. 더 특정하게, 본 발명은 온/오프 제어를 가진 폭발성 바이오매스 분말의 지속적 연소에 관한 것이다.
본 발명은 따로 그리고 함께 취하였을 때, 바이오매스 및 그 외 고체연료 물질을 폭발성 분말로 처리하는 것과, 가열 또는 작업 수행 에너지로의 직접 전환을 위해 상기 물질을 연소시키는 것을 수행할 수 있는 공정, 방법, 장치 및 시스템에 대한 것이다. 본 개시 내용은 오래 전부터 우려되어 온 분진 폭발을 이용하는 것과 특유의 에너지 전환 공정을 달성하기 위해 새로운 고체 연료 버너를 작동시키는 것에 대해 기술하고 있다.
본 발명은 진보되었지만 정연하게 간단한 원리의 응용과 새로운 통합에 주로 기초한 것으로, 그 일부는 유체 역학, 물리학, 운동학, 공업용 동력 장치(power plant) 설계 및 연소 이론의 분야의 다양한 지식 체계 내에 연결되지 않은 채 존재하는 것이다. 이러한 기술은 머지않아 통합된 전 세계 과학계의 주목을 받게 될 것이며 연료 공급원 생산, 분배, 연소 버너 설계, 가열 및 그 외 에너지 전환 응용 분야의 공학에 적용될 것이다.
본 발명의 고유함, 그 다양한 구현예와 변형예의 범위 및 본 발명의 실시 방법을 전달하기 위해 본 발명의 배경기술과 실용적이고 이론적인 기초에 대한 심층의 검토를 제공한다. 본 개시 내용은 연료에서의 분말 이용에 있어, 방법과 공정의 실제적이고 완전한 배경을 밝히는데 실패한 종래 기술 시도의 단점을 보여주며, 이는 곧 새로운 지식 및 실시의 체계로서 확립되어, 미국에서의 재생 에너지에 대한 계속 증가하는 요구에 대하여 비용면에서 알맞고 실용적인 대안이 될 것이다.
종래 기술을 탐구하기에 앞서, 이러한 새로운 기술에 관한 요점 및 그 실행으로부터 기대할 수 있는 성능과 혜택에 관한 핵심 내용을 요약하는 것이 중요하다. 본 발명의 버너는 바람직하게는, 즉석 저온 시동 온-오프 제어(instant cold start On-Off control); 분말-공기 혼합물 점화 순간의 안정한 연소; 수직 및 수평 모드에서의 사용; 고체연료를 마치 기화 액체 또는 가스인 것처럼 단일상으로 태우는 것; 대형의 고온 퍼니스 반응기에서이기 보다, 버너 하우징 자체 내에서의 연소 완료; 초단기 입자 체류 시간 요건; 실질적으로 폭발성인 입자의 버닝(burning); 초기에 타지 않은 입자의 자급 자족적 관리를 이용한 재활용 소비: 및 종래 기술보다 더 작고 더 간단한 고체연료 시스템과 같은 다수의 장점을 가진다. 버너와 연료의 조합은 본 발명의 버너의 작동에서 중요하며, 버너 그 자체, 연료의 타입과 품질 및 용적식 분말 분산(Positive Displacement Powder Dispersion: PDPD)과의 통합도 그러하다.
본 개시 내용에서의 주요 요점은 진정한 단일상 영역과는 매우 조금 다르지만, 교반형 반응기의 2상 원리에 계속 의존해 온 다년간에 걸친 전통적인 연소 관행과는 크게 다른 방법으로 고체가 가스 내에서 불균질하게 연소될 수 있다는 놀라운발견이다. 이러한 주제는 이어지는 종래 기술에 대한 개괄에서 도입되고, 이론을 참조하여 유체 역학의 용어들로 이하에서 심도 있게 설명될 것이다.
대형 동력장치(power station) 버너, 퍼니스(furnace) 및 열 회수 설계와 연료 선택 모두에 있어 지난 30 내지 50년 동안 버너, 퍼니스 및 연료의 설계를 위하여 사고, 목표 및 초점이 되어 온 것은 무엇인가? 지난 반 세기 동안 작성된 대표적 문헌을 살펴보면, 20세기 중반에 수행된 퍼니스 설계 가정의 기초가 주류적 사고를 여전히 지배하고 있음이 명백하다.
주거용 및 소형 상업 퍼니스 설계 가정은 2가지 중요 분야에서의 변화를 제외하면 대형 동력 장치 개념에 의해 유사하게 구속되고 영향 받아 왔다. 첫째, 공정 제어 및 에너지 절약 설계 향상이 소형 내지 대형 퍼니스의 열 회수 효율 증가를 가져왔다. 오늘날, 잠열은 고온의 연도 가스로부터 통상 낮은 90번째 백분율에서의 효율로 추출된다. 둘째, 시간당 BTU의 관점에서는 비용 효과적이지 않거나 혹은 동력 장치 외에서 강제되지 않았기 때문에 이전에는 동력 장치 퍼니스 시스템에서만 이용 가능했던 기술을 사용하여, 이들 소형 퍼니스 및 보일러에서도 공기 중의 후연소 오염물을 감소시키기 위한 기술의 부가가 시작되었다.
공기 오염 감소의 새로운 기술의 실시는 동력 장치 및 퍼니스 연도 배기구로부터 각종 오염물을 감소, 제거 및 정화함으로써 중요한 진보를 가져왔다. 화석 연료와 함께 공연소(cofiring)하는 바이오매스계 연료의 사용이 증가되면서, 스택 방출(stack emission) 수준이 더 감소되었다. 초청정(ultra-clean) 석탄이 주거용 및 상업용 사용자에게 이용 가능한 선택 사항이 될 수 있지만, 가공 비용 때문에 석탄을 연료로 하는 대형 발전소를 위해서는 아직 경제적으로 매력적이지 않다.
가열 또는 수송을 위한 바이오매스의 사용에 대한 우리의 경험은 개인적 및 정부적 차원 모두에서 제한적이다. 우리는 연료유에 대한 대체물은 액체여야 하고 연료는 액체처럼 이송 및 펌핑되어야 한다고 생각하는 경향이 있다. 마찬가지로 우드 가스(wood gas) 및 수소를 위한 희망 사항을 제외하고는 가솔린에 대한 첨가물은 액체여야 한다.
관련된 연소의 역사, 연료 및 관행
당업계에서는 "3T" 로 알려져 있는, 완전 연소의 달성을 위해 동시에 존재해야 하는 몇몇의 조건이 있다. 연료 혼합물은 허용된 공간(Space) 내에서 연료 연소를 완료하기에 적절한 산화를 제공하도록 1) 적절하게 높은 온도(Temperature)의 환경에; 2) 충분하게 긴 시간(Time) 동안; 3) 알맞게 난기류 혼합(Turbulent mixing) 조건으로 있어야 한다. (참조: C.E. Baukal, Jr., ed, The John Zink Combustion Handbook ), 그리고, 상기 "공간"은 당업계에서 퍼니스, 연소 체임버, 보일러, 화실(firebox) 및 프로세스 히터 (수직형 실린더, 캐빈 스타일 및 반응기) 등의 이름으로 알려져 있으며, 이들 모두는 "이상적 혼합 반응기"를 모방하는 대형 체임버 또는 용기이다. 이와 같은 대형 퍼니스에서는 연료 입자로의 열전달의 주된 방법이 우리가 채용한 바와 같이 입자로부터 가스로의 전도( conduction )라기보다, 복사( radiation )에 의한 것인 점을 기억하는 것이 중요하다.
심지어 1950년에는, 원용에 의해 본 명세서에 통합되는 Plant Engineering Handbook (W. Staniar, ed.)에 명시된 바와 같이 퍼니스 및 버너 설계는 "이상적으로 혼합된 반응"을 달성하고자 하는 목적에 의해 주도되었다. 본 발명의 버너의 설계는 이러한 동일한 기준을 다루어야 하지만, 고온의 방사하는 내화물 및 그의 본질적인 대형 크기를 요구하는 퍼니스 설계를 위한 축소된 동력 장치의 모델의 사용에 제한되지는 않는다. 시동과 중지에 수 시간이 소요되는, 미분탄을 태우는 석탄을 연료로 하는 퍼니스와는 달리, 혜택으로서 우리의 버너는 저온 상태에서 시동될 수 있으며, 온/오프 제어로 작동할 수 있다.
"스트림 생성을 목적으로 하는 미분탄 연소(pulverized-coal firing)의 개발은 대체로 퍼니스 설계 요건을 잘 이해하는 것에 달려있다. 퍼니스에 대한 연료와 공기의 균일한 분포 또한 근본적으로 중요하다. 난기류는 유입되는 연료의 효율적 분포와 속도 점화를 위한 수단을 제공하며, 점화된 연소성 물질에 의해 요구되는 유리 산소를 연속적으로 이용 가능토록 함으로써 신속한 연소를 촉진한다. 이들 요건은 버너 선택과 응용에서의 지배 요인이다."
"주어진 임의의 설비에 대한 [연소 방법의] 선택은 다수의 변수에 의해 지배되는 바, 이들 중 주요한 것은 소망하는 용량을 개발하기 위해 이용 가능한 퍼니스의 크기, 형상 및 부피이다. 퍼니스 치수는 가능한 화염 이송(flame travel)의 최대 길이를 정한다...태우고자 하는 석탄 뿐만 아니라 그의 휘발성 물질의 양 및 황 함량, 회분(ash)의 융합 온도 및 미분화의 미분도(fineness)는 연소(firing)의 방법 및 사용하고자 하는 벽 구조의 타입에 뿐만 아니라 회분 처리 방법에도 영향을 준다"
"각각의 연소 방법 [수직 (하향) 연소; 수평 난류성 연소; 및 접촉 연소(tangential firing)]은 공기와 석탄이 혼합되어 효율적이고 완전한 연소를 생산하도록 하는 방식에서의 변화 때문에 상이한 버너 설계를 필요로 한다. 그러나, 기본적으로는 모든 버너는 안정하고 즉각적인 점화; 점화점과 화염 형상의 적극적인 조정과 제어, 연소의 완전성; 퍼니스 출구에서의 과량 공기, 온도 및 가스 흐름의 균일한 분포; 국지화된 슬래그 퇴적으로부터의 자유; 버너에서의 과열, 내부 화염 및 과도한 마모에 대한 보호; 및 부품의 조정과 교체를 위한 접근 가능성을 제공하도록 공기와 석탄이 퍼니스에 공급되도록 설계되어야 한다."
석탄은 반세기가 넘도록 압착(crushed) 형태 및 미분화 형태로 태워져 왔다. 주어진 형태의 석탄과 퍼니스의 타입에 대하여 수분, 백분율 휘발물(percent volatiles), 회분 및 BTU 값을 포함하는 상호 작용 변수들이 다수 존재한다. 예를 들어 만일 특정 퍼니스가, 휘발성 가스가 공기와 혼합되어 이들이 완전히 연소되기에 부적절한 공간과 시간을 가지는 경우, 높은 백분율 휘발물은 발열량 손실 혹은, 스토커-연소식(stoker-fired) 플랜트의 경우 과도한 연기 발생의 문제를 야기할 수 있다. 휘발물에 대한 상한(upper limit) 요건이 특정 타입의 퍼니스에 대한 전형적인 해결책이다.
역으로, Plant Engineering Handbook, 제373면에 따르면, 미분화된 석탄을 연소시키는 경우, "특히 완전 수냉된 퍼니스에서는, 화염 전파를 유지하기 위해 (백분율 휘발물에 대한) 하한값을 정하는 것"이 중요하다.
"고체연료는, 부유 상태로 타게 되는 경우, 즉각적인 점화를 보장하기 위해 감지 가능한 양의 극도로 미세한 먼지를 함유하여야 한다. 최상의 연소 결과를 얻고자 한다면 보다 굵은 물질의 양은 최소화되어야 한다."
"석탄이 미분화되어야 하는 미분화도는 다수의 요인에 의존한다. 점결탄(caking coal) (황 함유 역청탄, 코코스화 석탄은 표면에서 융합된 무거운 크러스트(heavy crust)를 형성함)은, 퍼니스 온도에 노출된 경우, 팽윤하여 경량의 다공성 코크 입자를 형성할 것이다. 이들은 완전히 연소되기 전에 퍼니스로부터 부유되어 나온다. 결과적으로 만일 미분화가 매우 미세하지 않다면 탄소 손실이 높을 것이다. 반면, 프리-버닝(free-burning) 석탄(은 황을 함유하지 않고, 케이크화되지 않으며) 이러한 팽윤 특성이 없기 때문에 동일한 정도의 미분도를 필요로 하지 않는다."
"고휘발성 석탄은 저휘발물 함량을 가진 것에 비해 더 쉽게 점화한다. 따라서, 이들은 동일한 정도의 미세 미분화를 필요로 하지 않는다. 그러나, 무연탄(anthracite, stone coal)을 제외하고, 저휘발성 석탄은 더 부드럽고, 더 높은 연마능을 가졌다고 할 수 있다."
"일부 대형 퍼니스는 거칠게는 65% 마이너스 200 메쉬(mesh)의 고휘발성 석탄에서 만족스럽게 작동할 수 있다. 소형의 수냉식 퍼니스의 경우, 저휘발성 석탄을 사용하면 200 메쉬 통과 최소 85%의 미분도를 필요로 할 수 있다. 그 외 영향을 주는 요인은 버너와 퍼니스의 설계, 퍼니스 부피의 배치, 화염 이송의 길이, 퍼니스 온도 및 부하물 특성이다. 그러나, 일반적으로 소형 퍼니스는 대형 퍼니스 보다 더 미세한 미분화를 필요로 한다."
"생성물의 미분도는 통상 특정 크기의 구멍을 가진 체를 통과하는 분진(dust)의 백분율로 표현된다. 미분화된 석탄을 시험하기 위해 가장 흔히 사용되는 체(sieve)는 과대크기 (oversize) 측정을 위해 50-메쉬체(210 미크론)이고, 미세 분진 측정을 위해 200 메쉬체(74 미크론)이다."
요약하면, 감지 가능한 양의 극도로 미세한 분진이 이용되는 경우, 퍼니스에서 미분화 석탄의 사용은 점화를 위해 가장 유익하다. 미분화된 석탄은 많은 타입의 스토커(stoker)로 취급되기 위한 혜택을 제공하지만 케이크 타입의 석탄에 대해서는 치명적이라고 공지되어 있고 피해야 하는 것이다. 석탄 원료 물질 조성 및 결과적인 연소 문제는 입자 크기를 더 미세하게 혹은 더 거칠게 조정함에 의해 보상될 수 있다. 휘발물의 백분율은 상충점(trade-off)으로서 유사하게 사용되어, 보다 높은 휘발물 백분율은 더 큰 입자 크기의 분포를 사용될 수 있도록 한다.
당해 기술 분야의 관행에 의해 입증되는 바와 같이, 미분화된 석탄 입자 크기는 연료 취급과 석탄 타입 조성 문제를 다루기 위해 사용될 수 있다. 모든 퍼니스에 공통적인 더 큰 반응기 크기 및 체류 시간과 조합된, 다중상 연소에서 소비된 % 휘발물에 의존함에 의해, 저온의, 소형 및 저속 버너 설계를 가지고 실질적으로 폭발성인 석탄 분말만을 공급원료로 사용하는 것에 대하여 당해 기술분야에는 어떠한 교시 내용도 없음이 명백하다.
200 미크론보다 훨씬 아래의, 전체적으로 미분화된 크기 분포의 일부를 가지는 주된 가치는 신뢰할 수 있는 점화와 신속한 연소만을 위한 것이다. 우리의 연소 영역과 석탄 동력 장치 퍼니스 기술간의 차이점에 대한 추가의 심층적 유체 역학의 비교는 본 개시 내용의 후반부에서 확인될 수 있다.
동력 장치에서 스팀 발생을 위해 사용되는 전통적인 퍼니스에서는, 이들이 굵은 압착된 석탄에 의해 공급되든지 혹은 미세하게 미분화된 석탄에 의해 공급되든지 간에, 실제 연소의 많은 부분은 퍼니스의 큰 부피 내에서 시간이 흐르면서 일어난다. 일반적으로는, 다수개의 버너가 방사선 충진식 퍼니스 공동 반응 체임버(radiation filled furnace cavity reaction chamber) 내로 "발화(fire)"하기 위해 사용되며, 여기서 연소의 대부분이 완성되고, 열에너지는 후속하는 교환을 위해 방출된다.
바이오매스 , 나무 및 호그 ( hog ) 연료 연소
바이오매스의 공급원은 축적되는 "바이오-스크랩(bio-scrap)"을 그의 에너지 함량의 일부의 회수를 위해 전환하고 그렇지 않으면 이러한 폐기물을 처분하기 위해 지역적 개발에서 드문드문 사용된다. 펄프 및 제지 산업과 관련 제제소 산업이 주된 예들이다. 이하의 내용은 공급에 대한 관점을 제공한다.
2005년 미국 에너지성 및 농무성이 지원한, 바이오 에너지 및 바이오 생성물 산업을 위한 공급 원료로서의 바이오매스 : 수십억톤의 년간 공급량의 기술적 실현 가능성 (R.D. Perlack 등)은 공급원으로서의 바이오매스의 이용 가능성에 관해 그의 개요부에서 2가지의 중요한 인용구를 제공한다:
"본 연구에 의해, 삼림과 농업지 자원의 조합이 국가의 현재 석유 소비의 3분의 1 이상을 지속 가능하게 공급하는 잠재력을 가지고 있음이 확인되었다." 그리고, 공급의 수직형 산업의 개발에 대하여: "대규모의 생물 정제소 산업까지 규모를 확장하기 위해 요구되는 시간의 맥락에서, 13억 건조 톤 이상의 년간 바이오매스 공급이 토지 사용과 농업적 및 임업적 관행의 비교적 완만한 변화에 의해 달성될 수 있다."
Susanne Paulrud의 2004 박사학위 논문 "업그레이드된 바이오연료-가공, 취급, 특성, 연소 및 회분 용용에 대한 품질의 영향"에 따르면 스웨덴과 유럽에서는 Petrokraft 또는 VTS 분말 버너로부터의 대형 "분말 버너"가 사용되고 있다. 이 기술은 일반적으로 메가와트 이상의 대규모 가열 플랜트에 적용된다. 이들 버너를 위한 연료는 "미세하게 제분된 나무 분말 또는 미세하게 제분된 펠렛이다." 체(sieve)와 레이저법에 의해 분석된 나무 분말은 3% 내지 약 46% 범위의 폭발성 입자의 백분율을 나타내는데, 이는 폭발성 모드로 작동시키기에는 너무 낮은 값이다. 이러한 버너는 구속(containment) 및 재순환 혼합을 위해 전통적인 소용돌이 방식을 이용하지만, "공기 역학과 화학양론은 안정한 점화와 우수한 연료소진(burnout)의 달성을 어렵게 만들 수 있다." 가장 미세한 입자를 사용한 경우에도, 예상되는 입자의 극소량은, 탄화물(char) 연료 소진 전에 증발, 비등 및 탈휘발화(devolatilization)를 위해 별개의 구역을 나타내어, 2상 연소를 간접적으로 시사한다. 이러한 사실뿐만 아니라 사용된 대형 버너 공기류 설계 및 입자 분포는 단일상 연소 영역을 모방하는 작동을 할 수 없음을 확인해 준다.
Alternative Green Energy Systems Inc. (AGES)에 의해 캐나다 시스템에서 사용되는 독일 버너와 같은 대형 버너는 마찬가지로, 이들의 연소 장비의 복잡성, 배향 및 회분 우려에 의해 입증되는 바와 같이, 목재 입자, 톱밥 및 이들이 분말로 기술한 것들을 소비한다. 그러나, 이러한 진보된 시스템은 "실질적으로 폭발성"인 바이오매스 목재 분말의 배타적 사용을 위해 명확히 설계되지 않았다.
1985년에 Rivers 등에게 허여된 미국특허 제4,532,873호 "호그 연료, 그 외 바이오매스 또는 토탄의 부유 연소"는, 수냉벽 보일러(water-wall boiler)에서의 열 회수를 위한 다양한 바이오매스의 직접 연소에 대한 종래 및 현재 기술의 훌륭한 예이다.
이러한 호그 연료 바이오매스 연소 시스템은 처음에는 우리의 개시 내용과 매우 유사해 보이지만, 상세히 검토해 보면 이러한 전체 시스템은 전혀 다른 연소 영역과, 그의 2상 작동에서의 실질적으로 다른 작동 원리, 버너 하드웨어 및 유체 역학 공정을 사용하는 것이 지극히 명확해진다.
상기 특허는 미립자 부분이 화염에 안정성을 부여하는 점화 공급원이라고 말하며, 이는 "보조적 오일과 함께 운전되는 것에 대한 요건을 단순히 제거한다...호그 연료는 점화 에너지 공급원을 제공하기 위해 크기가 상당히 감소되어야 한다"고 하여, "미립자 부분이 발명의 핵심"인 것을 명시하고 있다. 도 1a의 큰 입자 크기 분포 곡선은, 왼쪽의 폭발성 분말 입자 크기 곡선과 비교하여, 전형적인 호그 연료 비-폭발성 입자 크기 분포를 묘사하고 있다.
2상 연소 영역의 명시된 안정성은, 우리의 10:1의 비율과 비교하여 단지 2.5:1의 턴다운 비(turndown ratio)를 가지며, 이들 버너는 본 발명의 버너와는 달리 저온의 2차 공기를 용인할 수 없다. Rivers 등에 의한 공정은 "모든 퍼니스 배열, 키른(kiln) 등"을 위해 작동한다고 기재되어 있으나, 수냉벽 퍼니스 및 보일러와 함께 사용을 위해 가장 특히 적합하다." 특히 대형 및 특대형 비-연소성 입자가 관련된 경우, 이는 미립자에 의존하여 연소를 개시 및 안정화하고, 고온 퍼니스로부터의 복사 열전달에 의존하여 연소를 완전하게 한다.
이러한 호그 연료 시스템은 우리 것보다 훨씬 큰 입자 크기를 가진 분포를 필요로 하며 폭발성 영역의 바깥쪽에 추정하기로는 입자의 대략 75% ("150미크론 미만 15 내지 85% ") 까지 및 "1000미크론 미만은 65% 내지 100%"까지 허용하는 바, 이는 35%가 폭발성 목재 분말과 비폭발성 목재 분말 사이의 경계의 4배 내지 5배의 크기인 1밀리미터(1000미크론) 보다 큰 것을 의미한다.
심지어 Rivers 등에 의해 청구된 약간 좁은 영역 ("입자의 적어도 60 중량%가 약 1000미크론 보다 미세함")은 비폭발성 입자의 대부분을 허용한다. "150미크론 미만이 적어도 15 중량% 포함하는 미립자 부분이 적절한 것으로 확인되었다"라는 기재는 "미립자"의 현저하거나 실질적인 사용에 대한 요구 조건이 없음을 명확히 한 것이다. 이러한 호그 연료 버너는 우리가 폭발성 범위라고 부르는 곳에서 작동하지 않으며, 이들은 이러한 용어를 사용한 적이 없다. 이러한 최종의 명확한 기재에 의해 매우 분명히 한 바와 같이, 폭발성(explosibility)이란 이들이 단지 표준적인 산업 관점으로부터 이해한 현상으로서, 이들은 산업의 나머지 이들과 마찬가지로 분진 폭발을 두려워하였다. "150미크론 미만이 85%인 것보다 훨씬 미세한 연료는 과도하게 분진이 많아서( dusty ), 분진 폭발의 위험을 증가시키고, 그렇지 않은 경우에도 생산을 위해 과도한 미분화력(pulverizing power)를 요한다."
본 발명의 개시 내용은 실질적으로 폭발성인 혼합물의 연소에 초점을 맞춘 것이다. 위에 기재한 호그 연료 특허 및 공연소(co-firing) 설계를 포함한 다른 기술은, 종종 "분말"이라 불리우는, 혼합된 입자 크기 연료의 분포의 사용을 구체적으로 명시한다. 넓고 더 큰 연료 입자 분포 중 단지 일부의 성분 세그먼트만이, 단지 이들이 단독으로 사용되었을 때에만, 실제 폭발성일 수 있다.
그러나, "미세한 분말" 부분은 도 1a에 나타낸 바와 같은 더 넓고 필수적으로 비-폭발성인 연료 입자 크기 분포의 부분집합이며, 기껏해야 빠르고 쉽게 태울 수 있는 점화 및 연소 유지 에너지 공급원으로서 사용될 뿐이다. 이처럼 적은 분획은 보다 큰 입자들과 큰 덩어리의 "연소를 지속"시키는 명시된 주요 목적을 가지며, 이들 연료 크기 분포의 대부분은 우리가 개시하고, 청구하고 선호하는 영역인 폭발성 범위 바깥쪽에 위치한다.
본 명세서의 개시에서는, 전체 연료 복합체 입자 크기 혼합물의 단지 일부 혹은 심지어 대부분이 아니라, 모든 연료가 점화 및 연소 온도 유지의 기능을 한다. 실질적으로 모든 연료가, 심지어 "덜 태울 수 있는" 응집된 덩어리 혹은, 제조시 불완전한 체질(seiving)/분리로 인해 연료에서 발견되는 폭발성 직경을 가진, 종종 보다 긴, 높은 종횡비의 비-폭발성 입자 조차, 전체 혼합물에서 그의 인접물의 점화 및 가열의 역할을 한다.
"네델란드에 있어 미분화된 석탄을 연료로 하는 보일러에서의 바이오매스의 공연소" (M.L. Beekes 등)라는 표제의 1995년에 시작된 사례 연구에서, 미분탄을 가진 미분화된 목재의 공연소가 Gelderland 동력 장치에서 연구되었다. 석탄을 연료로 하는 보일러에서 폐목재를 미분화된 양식으로 사용하였는 바, 이는 "균일하고 취급이 용이하며 오일 또는 가스와 매우 비슷하게 연소될 수 있는 높은 에너지 함량을 가진, 매우 건조하고 미세한 분획의 물질이라는 장점"이 있다. 635-MWe의 석탄을 연료로 하는 생산은 1981년에 작업을 개시하여, 1980년대 중후반에는 연도 가스 탈황, NOx 감소 및 정전기 플라이(fly) 회분 필터로 개선되었다. 각각 20Mwe인 버너 4개를 사용할 경우, 이러한 바이오 스크랩은 약 12.5%의 작업 에너지 동력을 제공할 수 있다.
크기가 3cm 이하의 목재 칩은 플랜트에서 해머밀(hammermill)에 의해 최대 입자 크기 4mm 까지 감소된다. 입자를 체질하여 나누고 분진 수집기를 사용하여 추가로 분리하였다. 목재 분말의 입자 크기 분포는 800㎛ 미만이 90%로 (거친 20 메쉬), 1000 ㎛ 미만이 99%, 1500㎛ 미만이 100%로 주어지며, 수분 함량은 8중량% 미만이다. 목재에 대하여 폭발성과 비폭발성 분말 입자 크기 사이의 물질에 의존하는 경계선이 200+/- 미크론에 근접하여 존재하므로, 아마도 50%를 훨씬 넘는, 입자의 현저한 부분이 비폭발성인 것이 명백하며, 이는 이들의 연소 공정이 우리의 것과 다르다는 것을 의미한다.
연소는 하기 버너 배열로 구성된 보일러 퍼니스 내부에서 일어난다: "각각 20Mw의 용량을 가진 4개의 특수 목재 버너가 기존의 36개의 석탄 버너의 최하부 열 아래에서 보일러의 측벽에 (각 면에 2개씩) 탑재된다. 전방 및 후방 벽에 6개의 석탄 버너가 3열로 존재한다. 석탄 버너는 오일을 태우기 위해서도 사용될 수 있으므로 목재 분말/오일의 연소가 이론상으로 가능하다."
고온 반응기로서 대형 퍼니스를 사용함에 의해 전체 연료 스트림의 상당 부분으로서 보다 큰 입자들이 이용될 수 있고, 점화는 우리의 단일상으로 나타나는 연소 영역의 특징인 입자-대-가스 전도가 아니라, 복사를 통해 퍼니스 내부에서 일어난다.
대형 퍼니스와 함께 이들의 작동 입자크기 사양 및 용도와 결합된 보고서의 "안전 주의사항" 섹션으로부터, 이러한 시스템은 폭발성 영역에서 운전되는 것이 아니며, 따라서 우리가 실시, 개시 및 청구하는 바와 같은 단일상 영역을 모방하는 것이 아님이 충분히 명확해진다. 이들의..."미크론화 공정의 부산물은 분진 폭발에 대한 가능한 위험을 제기하는 목재 분진 입자를 생성한다. 따라서, [하기의] 안전 주위 사항이 확인되어야 한다..." 공업적 에너지 전환을 위한 바이오매스 스크랩의 다른 최근의 종래 기술의 사용과 마찬가지로, 이들은 본 발명의 연소 영역에서 작동하는 잠재성을 전혀 인식하지 못하고 있다.
오늘날의 북미 목재 제품과 팰렛 산업에서, 통상적으로는 Onix에서 제조된 유닛과 같은 대형 사이클론 버너(cyclonic burner)가 칩 및 거친 톱밥 건조에 사용된다. 이러한 Webb BurnersTM 는 고비용이고 입자 탄화물 연료 소진을 위해 적절한 체류 시간을 보장하도록 크기가 크다. 부유형 버너(suspension burner)가 대부분의 설비를 인수하고 있으며, 이들은 스태트 가스 재순환(stat gas recycle)을 통한 25%의 효율 이득 뿐만 아니라 상당히 적은 유지 관리를 제공한다. 이러한 대형 버너는 큰 입자의 연료를 위해 설계되었으며 따라서 본 개시 내용의 원리를 사용하여 작동하지 않는다.
종래 기술의 이러한 제한점은, 청정하고, 믿을 수 있으며 효율적인 연소의 온-오프 제어를 제공하는 수단과 방법에 의해 바이오매스 및 그 외 고체 연료 분말을 직접 에너지로 전환시키기 위한 시스템과 접근 방식에 대한 요구를 확립한다.
발명의 개요
본 발명의 버너 시스템은, 산화가스 내의 분말화 연료의 이동 흐름의 유체 역학적으로 유도되는 공정에 기초하여 작동하여, 온-오프 제어로 안정한 정상상태의 폭연성 화염파(stationary deflagrating flame wave)를 공급한다. 폭발성 연료 분산의 질량 유동 속도를 폭연성 화염 선단 파동 속도와 균형을 맞춤에 의해 정상상태이고 안정된 연소 선단(front)과 구역이 제공된다. 이러한 균형을 보조하고 안정성을 향상시키기 위해, 버너 시스템은 능동 2차 공기 및 수동 2차 공기를 모두 포함할 수 있고, 이는 난기류 혼합(turbulent mixing), 입자 재순환, 넓은 턴다운 범위 상에서의 연소 구역 지지 및 연소의 완성을 제공한다. 분말연료의 응집 덩어리를 해산시켜 이들을 폭발성 상태로 되돌리기 위해 탈응집화(de-agglomerization) 시스템이 사용될 수 있다.
도 1A는 폭발성 및 비-폭발성 입자 크기 분포를 개략적으로 묘사한 것이다.
도 1B는 이상적인 입자 크기 분포 및, 실질적으로 폭발성인 연료의 더 전형적인 분포를 나타낸 것이다.
도 1C는 실질적으로 폭발성인 분말 분포의 3개의 다른 형상을 보여주는 것이다.
도 2A는 입자 크기에 대한 입자 연소 시간을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2B는 입자 크기에 대한 열전달율을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 산화가스 내에서 폭발성 분말연료 분산에 대하여 연료 농도의 함수로서 최소의 필요 점화 에너지 및 화염속도를 나타낸 것이다.
도 4는 산화제 내에서 예비 혼합된 고체 입자의 이동 흐름의 계면에서 정상상태의 폭연성 화염 파면의 2단계 연소를 도시한 것이다.
도 5A는 2개의 고체 연료 입자 크기 분포에 대하여 관찰된 기본적인 연소 현상을 나타낸 것이다.
도 5B는 2개의 고체 연료 입자 크기 분포에 대하여 관찰된 유체 역학적 공정과 현상을 나타낸 것이다.
도 6은 연도 가스 분석으로부터 휘발성 유기 화합물(VOC)를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 제1 구현예에서의 버너를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 구현예에서의 버너를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 10A는 화염이 없이 본 발명의 한 구현예에서 수평 폭발성 분말연료 분산을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 10B는 도 10A의 확대도이다.
도 11은 화염이 없이 수평 폭발성 분말연료 분산에 대한 속도 및 중력 효과를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 12 A 내지 D는 수평 폭발성 분말연료 분산에서 4개의 점화점에서의 비구속적인 자유 공간 점화를 나타낸 것이다.
도 13은 본 발명의 제1 캔 구현예를 나타낸 것이다.
도 14는 2차 공기구멍(air hole)을 구비한 본 발명의 캔 구현예를 나타낸 것이다.
도 15는 2차 공기구멍을 구비한 본 발명의 소형 캔을 나타낸 것이다.
도 16은 2차 공기구멍을 구비한 본 발명의 적층식 캔을 나타낸 것이다.
도 17은 2차 공기구멍 또는 슬롯을 구비하고 캔 사이에 1인치 갭(gap)을 가지는 본 발명의 적층식 캔을 나타낸 것이다.
도 18A는 본 발명의 구현예에 있어 경사진 저부 및 조정 가능한 저부 공기구멍을 구비한 버너 캔의 제1 내부도(cut-away)를 나타낸 것이다.
도 18B는 도 18A의 버너 캔의 제2 내부도를 나타낸 것이다.
도 19A는 2차 공기를 공급하는 다수개의 구멍을 가진 공기 링을 구비한 적층식 캔을 나타낸 것이다.
도 19B는 도 19A의 적층식 캔의 내부도를 나타낸 것이다.
도 20A는 블로어(blower)로부터 저부 유입 구멍(inlet hole)으로의 2차 공기를 가진 적층식 캔을 나타낸 것이다.
도 20B는 도 20A의 적층식 캔의 내부도를 나타낸다.
도 21A는 3개의 2차 공기 노즐 및 1인치 갭을 가진 적층식 캔을 나타낸 것이다.
도 21B는 폭연성 화염을 가진 도 20A의 적층식 캔의 내부도를 나타낸 것이다.
도 22A는 2차 공기구멍이 없는 6인치 스토브 파이프를 나타낸 것이다.
도 22B는 도 22A의 스토브 파이프에 대한 간략화된 버너 연소 기초를 나타낸 것이다.
도 23A는 2차 공기구멍을 가진 6인치 스토브 파이프를 나타낸 것이다.
도 23B는 도 23A의 스토브 파이프에 대한 간략화된 버너 연소 기초를 나타낸 것이다.
도 24A는 2차 공기 없이 낮은 1차 공기(primary air) 유량(flow rate)에 대한 화염 높이를 나타낸 것이다.
도 24B는 2차 공기 없이 중간의 1차 공기 유량에 대한 화염 높이를 나타낸 것이다.
도 24C는 2차 공기 없이 높은 1차 공기 유량에 대한 화염 높이를 나타낸 것이다.
도 25A는 낮은 능동 2차 공기 유량에 대한 화염 높이를 나타낸 것이다.
도 25B는 중간의 능동 2차 공기 유량에 대한 화염 높이를 나타낸 것이다.
도 25C는 높은 능동 2차 공기 유속에 대한 화염 높이를 나타낸 것이다.
도 26A는 구리 2차 공기 노즐을 구비한 6인치 스토브 파이프의 내부도를 나타낸 것이다.
도 26B는 스토브 파이프에 대한 폭연 화염을 가진 유체 흐름의 모식도를 나타낸 것이다.
도 27은 4개의 구리 능동 2차 공기 튜브를 가진 6인치 강 스토브 파이프를 나타낸 것이다.
도 28은 본 발명의 6인치 스토브 파이프 내에 30o 콘 삽입물(cone insert)을 이용한 응집물의 재순환과 혼합을 나타낸 것이다.
도 29A는 본 발명의 6인치 스토브 파이프 내에서 4개의 2차 공기 유입 구멍 및 진동을 사용한 응집물의 재순환 및 혼합을 나타낸 것이다.
도 29B는 도 29A의 버너의 하부 우측 섹션의 확대도이다.
도 30A는 본 발명의 구현예에서 재순환 및 2차 공기를 조합한 와이드 홀(wide hole) 30o 콘을 나타낸 것이다.
도 30B는 도 30A의 버너의 저부 섹션의 확대도이다.
도 31A는 초음파 응집물 덩어리 분산 스크린 시스템을 구비한 버너를 나타낸 것이다.
도 31B는 도 31A의 초음파 응집물 덩어리 분산 스크린의 상면도이다.
도 32는 와이드 30o 콘, 칸막이화(baffled) 수동 2차 공기 및 초음파 덩어리 파괴를 가진 본 발명의 버너를 도시한 것이다.
도 33은 스토브 파이프의 최상부에 탑재된 톱 햇(top hat) 흐름 감소기를 구비한 버너를 나타낸 것이다.
도 34A는 본 발명의 수평형 4인치 캔 버너를 나타낸 것이다.
도 34B는 도 34A의 버너의 내부도이다.
도 35는 수동 2차 공기 관리를 위한 이중 공축식 인클로저(dual coaxial enclosure)를 구비한 본 발명의 4인치 수평형 버너의 내부 구조를 나타낸 것이다.
도 36은 4개의 능동 2차 공기 튜브를 구비한 본 발명의 4인치 수평 버너를 나타낸 것이다.
도 37A는 응집물과 과대 입자의 수집을 위해 수평선 위로 약간 기울어진, 본 발명의 재활용 수집 수평형 버너를 도시한 것이다.
도 37B는 응집물과 과대 입자의 수집을 위해 수평선 아래로 약간 기울어진, 본 발명의 재활용 수집 수평형 버너를 도시한 것이다.
도 38은 보다 자동화된 본 발명의 재활용 소비 중력 수집 폐회로 고체연료 수평 버너 시스템을 나타낸 것이다.
도 39A는 탈응집화를 위해 초음파 구동 스크린을 구비한 본 발명의 재활용 응집물 파괴 수평 버너를 나타낸 것이다.
도 39B는 도 39A의 버너의 단부도(end view)를 나타낸 것이다.
도 40A는 본 발명의 수평 버너를 위한 혼합 영역 및 물질 공급부(infeed)의 배관도(piping drawing) 상세 내용을 나타낸 것이다.
도 40B는 본 발명의 수평 버너를 위한 배관 상호 연결에 대한 혼합 영역에서 초음파 응집물 스크린을 나타낸 것이다.
도 41은 본 발명의 고체 연료 폭발성 분말 버너에 대하여 상향의 수직, 수평 및 하향의 수직형 배향을 도시한 것이다.
도 42A는 능동 2차 공기 관리를 위한 이중 동축 인클로저를 구비한 본 발명의 대형 수평 2단계 버너의 내부 구조를 묘사한 것이다.
도 42B는 도 42A의 2단계 버너에 대하여 제1 단계 능동 2차 공기를 부가한 것이다.
도 43은 가열을 위해 폭발성 분말 버너 시스템 및 공급을 이용한 완전한 퍼니스 시스템의 블록 다이어그램을 나타낸다.
여기에 기재된 본 발명은 열을 생산하거나 일을 수행하도록 분산된 이동 부유 내에 산화가스와 혼합된 폭발성 분말의 지속적 연소를 가능케 한다. 여기에 개시된 연소 기술 및 시스템은 화석 연료에 대한 의존성의 대폭 저감을 위한 기회를 제공하여, 대기 중으로 현저한 양의 "새로운" CO2의 도입 없이, 이러한 간격을 채우기 위해 재생 가능한 바이오매스 에너지의 현지 생산 및 분배에 영향을 주고 이를 이용한다.
우리가 아는 바로는, 어떠한 버너도 프로판 또는 메탄 가스의 단일상 연소를 모방하는 방식으로, 직접 에너지 전환의 결과로 산화가스, 바람직하게는 공기와 폭발성 분말의 실질적으로 폭발성인 혼합물 내에 부유된 폭발성 바이오매스와 그 외 고체 연료를 독점적으로 취급하도록 설계된 적이 없다.
우리는 최초로 버너에서 폭발성 분말을 연료로서 개발, 사용 및 개시하였는 바, 상기 버너는 단일상 영역을 모방하도록 계산된 공정으로 이동하는 스트림 내에서 순회하는 실질적으로 폭발성인 고체 분말을 연소하는 것을 중심으로 설계된다. 우리는 "고체 분말연료를 위한 분젠(Bunsen)식 버너"를 개발하여 개시하고, 분진 폭발을 관리하면서 연소효율 제어에 있어 초월적 진보를 이루었다.
우리 버너의 개시의 현저한 특징 및 장점은 놀라울 정도로 단순한 설계이다. 다수개의 복잡한 부품을 통합하는 한편, 이러한 단순한 설계는 지속가능한 건조된 바이오매스 및 그 외 분말을 실질적으로 폭발성인 분말의 형태로 직접 전환하는 것을 제공한다. PCT/US2007/024044에 개시된 이러한 간단한 공정에서, 우리가 새로이 개시하는 버너를 사용하면, 시간, 에너지 및 재원을 소비하는 추가의 중간 공정이 필요 없다.
본 발명자들의 설계 전략 때문에, 우리의 청구범위의 상당 부분은 요구에 따라 실질적으로 즉각적인 온/오프 제어를 가지고 고체 연료 버너를 조작하는 우리의 능력이다. 추가적인 고유의 특징은 우리의 거의 즉각적인 온/오프 제어 능력을 유지하면서 10:1을 초과하는 작동 동적 범위(operating dynamic range)에 걸쳐 버너 산출량을 선형적으로 조절하는 능력이다. 고체 연료 버너 산출량의 이러한 조절은, 요구에서의 변화에 대한 1 내지 2초의 신속한 반응 시간과 함께, 비-가스성 또는 비-액체 연료 공급원 공급 시스템과 이들 각각의 버너에 대하여는 특유한 것이며 전대 미문의 것이다. 온/오프 및 선형 산출량 반응 제어의 조합은 고체 연료, 특히 바람직한 버너 배열에서 달성 가능한 넓은 동적 범위에 관해 특유한 것이다.
또한, 버닝을 위한 폭발성 조건을 확립하고 유지하기 위한 수단과 방법에 대한 우리의 개시 내용은 추가의 발견을 제공한다. 고체 분말연료, 특히 바이오매스를 버너 내에서 실질적으로 100% 완전 연소로 전달하고 태우는 우리의 능력은 놀랍고 예측할 수 없는 발견이다. 거의 0에 가까운 연소 잔류물 (잔류 회분, 슬래그, 탄화물, 타지 않은 입자)과 함께, 관찰 가능하거나 지각 가능한 그을음 및 휘발성 부산물의 부재는 이러한 사실을 뒷받침하는 것이다. 이처럼 예측하기 어려운 혜택은 우리의 버너 내에서 폭발성 혼합 분산 내의 실질적으로 폭발성인 분말을 태움으로써 제공되는 연소 영역에 대한 우리의 선택에 관련되어 있다. 이러한 특유한 혜택은 우리가 폭발성이라 칭하는 가스-입자 혼합물의 이러한 특별한 영역에서 에너지 전환을 위한 연소 공정을 지배하는, 폭발성이고 높은 표면적-대-부피비를 가진 분말을 태우는 것의 유체 역학 및 동력학에 기초한 것이다.
우리는, 전통적이고 오랜 관행의 종래 기술에서의 고체연료, 특히 바이오매스의 에너지로의 전환을 번거롭고 비효율적인 다중상 공정으로부터 실질적으로 단일상의 연소 공정으로 축소할 수 있었고, 현저히 감소된 크기의 연소 장치 및 저온 시동 능력과 같은 수많은 혜택을 얻었다. 겉보기에 실질적으로 단일상이기 때문에, 우리의 공정은, 일부 미분화된 석탄 및 목재계 호그 연료를 포함한 다수의 이른바 "분말" 연료 분포에서 발견되는 보다 큰, 비-폭발성 입자의 연소를 지배하는, 휘발물의 기화 및 후속하는 느린 탄화물 소비의 시간/공간을 많이 요하는 필요성을 제거한다.
많은 이들이 왜 우리가 개시한 연료, 연소 기술 및 결과적인 응용이 이전에는 발견되지 않고 개발되지 않았는가에 대한 즉각적인 의문을 제기할 것이다. 당해 기술 분야의 기술적 배경을 가진 몇몇 사람들은 새로운 것과, 완전히 새로운 수직 산업, "농장에서 화염으로" 에 대한 영향으로 놀랄 것이다. 당해 기술 분야의 통상의 기술자들은 우리 발명을 즉시 만들어 실시할 수 있을 것이다. 일부의 구식 및 기존의 응용이 유사해 보이지만, 사후 고려에서 연료 생산 및 에너지 전환에 대한 본 발명의 신규하고 근본적으로 다른 접근 방식의 특유함과 간단함은 그 진가를 인정받을 것이다. 본 발명이 개시하는 분말연료와 전환 수단에 의해 제공되는, 현저한 그을음, 냄새 또는 연기의 부재와 함께 연도 가스 VOC의 낮은 수준은 실로 놀랍고 예측하기 어려운 것이다.
본 발명의 각각의 신규한 버너의 설계의 목표는 정상 상태의 폭연성 화염 파면과 함께 이동하는 폭발성 분산물 내에서 모든 폭발성 입자의 거의 즉각적인 연소를 극대화시키는 한편, 최초 통과에서 없어지지 않아 재순환을 통해 태워져야 하는, 응집물, 입자 및 연소성 가스 (CO2/H2O가 아닌 것)의 양을 최소화함으로써 이후 남아있는 모든 타지 않은 입자를 실질적으로 0으로 되게 하는 것이다.
우리의 버너 발명의 다양한 구현예를 위한 바람직한 목표는 불균질 연소 영역을 달성하도록 설계 및 운전 공정 파라미터를 확립하는 것으로서, 우리는 즉각적 온/오프 및 10x 선형 BTU/시간 제어의 범위를 가지며, 연소 공정은 실질적으로 종래 기술에 비하여 놀라울 정도로 작은 우리의 원통형 스토브 파이프 (stovepipe) 버너, 인클로저 내부에서 일어난다.
우리의 개시 내용 중에 상세히 기재된 바와 같이, 대다수의 연소 완료는 단일상 공정을 모방하는, 상향 연소(upward firing) 수직 버너 인클로저의 한정부(confines) 내에서 발생한다. 예를 들어, 일반적인 산업용 혹은 가정용의 강제공기 타입 (혹은 열탕식)의 퍼니스와 결합된 경우, 호스트 가정용 기기는 열교환 및 연도 가스 취급 및 열 회수, 뿐만 아니라 퍼니스 공정 및 환경적 제어를 위해 시스템만을 제공한다. 우리의 버너가 이러한 퍼니스와 통합된 경우, 연소 기능의 공유는 없다. 오일을 연료로 하는(oil fired) 퍼니스용으로 널리 사용되는, 동일한 기본적 기술의 거의 수평인 그리고 수평 아래의 버너의 실행에 대해서도 같은 내용이 적용된다.
소형이고 초기 저온의 버너 내에서 모든 폭발성 입자의 거의 즉각적 연소에 대한 우리의 발견은, 호그 연료 버닝(미국 특허 제4,532,873호), 다른 바이오매스 연료 뿐만 아니라 미분화된 석탄을 가진 현재의 목재 칩 퍼니스 (M.L. Beekes 등) 내에서 실시되는 비교적 느린 연소 종래 기술에 비해 놀랍고 진보적인 향상이다. 전형적인 바이오매스계 연료는 상당 부분의 보다 큰 미립자 및 때때로 비-폭발성 분말을 포함한다. 완전 연소를 위한 탄화물 연료소진(burnout)을 달성하기 위해서는, 통상 연소 영역에서 긴 체류 시간이 요구되는데, 이는 보다 큰, 과대 입자들의 전체적 질량이, 심지어 폭발성 영역에 있어 분말 톱밥 혹은 분진으로 "시드"된(seeded) 경우에도, 보다 느리게 타기 때문이다.
본 발명의 버너 연소 장치를 운전하기 위해, 우리는 실질적으로 폭발성인 분말을 전환을 위한 총 에너지 공급원으로서 사용하는 것에 의존한다. 주어진 연료 공급원 물질에 대하여 폭발성 직경 부근에 그 상한선을 가지는 이러한 연료 입자 크기 분포는 PCT 출원 제PCT/US2007/02404호에서의 우리의 개시 내용의 핵심이다. 이러한 특유의 연료는, 마치 단일상 영역으로 작동되는 가스인 것처럼 행동하게 만드는 방법을 사용하여 고체 연료를 실질적으로 100% 완전 연소되게 하는 놀라운 능력을 달성하기 위해 이러한 특정의 폭발성 분포와 함께 일하도록 맞춤 제작되는 버너 연소 시스템의 개발에 대한 동기를 제공한다.
이러한 진보적 기술은, 촛불 크기로부터 메가와트 동력 장치 버너까지의 화염을 제공하는 버너 및 용적식 분말 분산(Positive Displacement Powder Dispersion: PDPD) 시스템 구성 부품 및 조합을 설계하기 위해 확장 가능하며, 한편으로는 현존하는 연료 및 버너 기술과는 장치 설계 및 배열에 있어 실질적인 차이를 가진다. 주된, 그러나 제한되지 않은, 초점은, 해외의 탄화수소계 연료에 대한 수입과 이용에 대한 우리의 의존도를 낮추기 위해 이러한 에너지 전환 기술을 소형 및 중형 규모의 주거용 및 상업용 뿐만 아니라 공업용으로 응용하는 것이다.
본 발명의 완전 버너-PDPD 조합은, 각각 자신의 열량 에너지 및 폭발성 입자 크기 한계를 가지는 다양한 폭발성 분말에도 전환 가능하고 조정 가능하다. 밀가루, 팬케이크 믹스, 제과점 설탕, 및 콘 스타치 뿐만 아니라 여러 종류의 경목(hardwood) (200 메쉬라 부르는 74 미크론) 및 연목(softwood) (80 메쉬라 부르는 177 미크론) 폭발성 분말의 입자 크기 분포에 대하여 시험을 수행하였다. 또한, 상업적으로 입수 가능한 입자 감소 장치를 사용하여 시험 연마 조작으로 옥수수대, 및 필드 그라스(field grass), 건초 및 각종 목재 바이오매스와 같은 바이오 스크랩을 감소시켜 우리의 버너에서 연소시켰다.
본 발명의 연소 시스템은 바이오매스 생성물을 이용하는 종래 기술의 상업용 및 공업용 버너에서 일반적으로 확인되는 값을 훨씬 초과하는 작동의 동적 범위 (턴-다운비)를 가지는데, 이는 일반적 스토브에서 확인되는 프로판(LP) 및 천연 가스 버너의 조정성과 매우 유사한 값이다.
수행된 기술과 연소 영역 및 본 명세서의 개시 내용은, 목재 칩 및/또는 분말을 단독 원료로서 혹은 공연소 응용으로 사용하는, 현재 상업적으로 이용 가능한 버너/퍼니스 조합과는 매우 다른 것이다. 배기량은 극도로 낮으며, 가시적인 그을음이나 식별 가능한 악취는 없다.
본 명세서에서의 다양한 버너 구현예와 조합된, 실질적으로 폭발성인 분말의 집중적 사용은 거의 100%의 완전 연소의 달성을 가능케 한다. 입자의 완전 연소를 위해 버너 또는 퍼니스에서의 현저한 체류 시간이 요구되지 않는다. 유의한 양의 회분은 생성되지 않으며, 따라서 고체 연료 퍼니스에 통상적인 쇠살대(grate)가 요구되지 않고, 타지 않은 탄화물의 정기적 청소도 필요하지 않다. 단계적 연소가 요구되지는 않으나, 바람직할 수 있다. 우리는, 복사가 입자 점화 및 가열의 주요 공급원인 대형의 고온 환경 반응기에서, 2상 연소에 의해 실질적으로 모든 연료가 타게되는 다수의 컨베이어- 및 오거(auger)- 공급 퍼니스와는 전혀 다른 연소 공정 모델을 이용한다.
초점은 옥수수대, 목초, 톱밥, 대나무, 목재 칩 및 화학적으로 정화된, 초-청정 석탄을 포함하나 이에 제한되지는 않는 바이오매스의 분말 형태를 액체 및 가스 연료의 직접 대체로서 이용하는 것이다. 우리의 PCT출원 제PCT/US2007/024044호에서, 우리는 이들 분말연료가 폭발성이 되기 위한 요건 및 폭연성 화염에 의한 연소의 공정 방법을 개시하였다. 본 개시 내용은 상기 출원에 포함된 물질을 재확인하고 이에 의존하며, 추가로 연소를 수행하기 위한 다수의 방법, 시스템 및 버너 장치를 개시하여, 열을 위해 에너지를 제공하거나 일을 수행하기 위해 더 많은 분말연료를 사용하는 것을 가능케 한다.
분진 폭발을 이용하기 위해 요구되는 연소 원료의 제어 가능한 본성에 대한 인식이 없었고, 적절한 폭발성 분말연료 공급이 필수적으로 없었기 때문에 우리가 개시하는 연소기/버너 시스템의 타입은 이전에 어느 누구에 의해서도 발명된 적이 없다. 우리는 연속적으로 공급되고 흩어지며, 이어서 실질적으로 폭발성인 혼합물 내에서 연소되는 "실질적으로 폭발성인 분말의 독점적 사용"을 위해 설계되고 개발된, 근본적으로 새로운 타입의 버너-PDPD 시스템을 개시한다.
위험하기 때문에 두려움의 대상이 되고 회피되어 온 분진 폭발을 이용한다는 목표 지향의 발상은, 사용된 개발 접근 방식과 조합되어, 본 발명을 가능케 하는 일련의 발견의 시점으로 우리를 인도하였다. 우리의 탐구적 발상과 우리의 원형(prototype) 개발 접근 방식은 특유의 "독창적" 사고에 기초한 것으로, 이는 많은 다른 연소 조사가, 연구자, 과학자, 공학도 및 발명자들을 지난 수십 년간 구속해 온 바로 그 생각으로부터 우리를 자유롭게 하여, 우리의 작업이 시작되기 전까지는 미발견되고 미평가된 우리의 근본적인 기술을 남겼다.
본 발명의 버너는, 넓은 범위의 구현예를 포함하며, 바람직하게는 필수적으로 단일상 모드에서 연소된 폭발성 분말과 함께 사용하도록 설계되었으며, 대단히 작고 간단하다. 전체적으로, 본 발명은 바이오매스 에너지 수확과 전환의 퍼즐에 대한 잃어버린 조각을 제공한다.
본 발명은 당해 기술 분야의 통상의 기술자를 위해 고체 연료의 직접적이고 효율적이며 저 비용의 에너지 전환의 수단으로서, "분진 폭발을 이용"하는, 이 새로운 기술을 조립하고 이용하는 방법, 시스템 및 장치를 제공한다.
흐름 제어 및 분산을 위한 탄화(carburetion) 기술 및 중요한 연소 원리를 고체 연료 버너 설계와 조합한 설계도 통합체도 없었기 때문에 본 발명의 버너 시스템은 이전에 공지된 바 없다. 적절한 폭발성 분말의 유의한 공급 역시 존재한 바 없다.
석탄 퍼니스와는 대조적으로, 여기서 상세히 기재한 바와 같이, 대부분의 연소 완료는, 단일상 공정을 모방한 본 발명의 한 구현예에서 상향 연소 수직 버너 인클로저의 범위 내에서 발생한다. 예를 들어, 일반적인 공업용 또는 가정용 강제 열기(forced hot air), 강제 열수 또는 강제 고온 스트림 타입의 퍼니스와 조합된 경우, 호스트 유닛은 열 교환 및 연도 가스 취급, 필수적으로 열 회수, 뿐만 아니라 공정 및 환경 제어를 위해 시스템만을 제공한다. 본 발명의 버너를 이러한 퍼니스와 조합한 경우, 연소 기능의 공유는 필요하지 않다.
용어의 정의
본 발명을 더 기술하기에 앞서, 그리고 본 발명이 더 잘 이해될 수 있도록 여기서 편의를 위해 특정 용어를 먼저 정의하고 정리한다.
여기서 사용된 "응집물" 이라는 용어는 기계적인 전단 및 그 외 요인으로 인해 자기 부착(self-adhering)한 수많은 작은 입자의 다양한 크기 및 형상의, 커다란 비-폭발성 입자들을 말한다.
여기서 사용된 "공기"라는 용어는 유리 산소를 포함하며 연소를 촉진 또는 지지할 수 있는 가스의 혼합물을 말한다.
여기서 사용된 "바이오매스"는 재생 가능하거나 되풀이하여 발생하는 방식으로 이용 가능한 유기물질, 즉 살아있는 유기체의 대사 활동에 의해 발생된, 주로 탄소, 수소 및 산소로 이루어진 복합 물질을 말한다. 바이오매스는 목초, 견과류 껍질, 귀리 껍질, 옥수수대, 사탕수수 및 밀집과 같은 농업 폐기물; 팜파스풀(pampas grass), 버드나무 가지, 하이브리드 포플러, 단풍나무, 무화과 나무, 스위치그라스 및 그 외 대초원 목초(prairie grass)를 포함하나 이에 제한되지는 않는 목초와 같은 에너지 작물류; 가금류, 소 및 말과 같은 동물로부터의 동물 폐기물; 하수 슬러지; 벌목, 밀링(milling), 목공, 건설 및 제조와 같은 산업으로부터의 경목재 또는 연목재 폐기물; 및 설탕 및 콘스타치와 같은 식품류를 포함하나 이에 제한되지 않는 다양한 물질을 포함할 수 있다.
여기서 사용된 "블랜드 분말연료"는 각각 입자크기, 물질 또는 조성이 변할 수 있는, 2개 이상의 별개의 분말연료를 포함하는 분말연료를 의미한다.
여기서 사용된 "버너"라는 용어는, "버너 조립체" 및 "화염 지지대(flame holder)"에 대한 총칭으로서, 유동성 또는 미분화 연료가 자기-지지형 화염을 생산하도록 타게 되는 연소 공간으로 통과하는 장치를 말한다. 버너는, 예를 들어 그와 동심(concentric)인, 연료 공급 도관과 직접 연결되어 배열된 공기 공급 수단을 포함한다. 특허 문헌에 있어 "버너"는 종종 "연소 장치" 대신 사용되나 상기 제한된 의미는 아니다.
여기서 사용된 "버너 조립체"라는 용어는 화염 지지대 및 관련된 공급 또는지지 요소를 포함하는 통합된 장치 또는 고정물(fixture)을 말한다.
여기서 사용된 "탄화물"이라는 용어는 열분해 동안 바이오매스 휘발물이 방출된 후 남아있는 대부분 탄소인 고체 잔류물을 말한다.
여기서 사용된 "연소(combustion)" 또는 "연소하다"라는 용어의 의미는, 장치, 즉 연소 장치의 타입에 관계없이, 폭연(deflagration)의 작용을 말한다. 이들 용어는 산소 가스와 탈 수 있는 물질의 직접 조합인 단순 버닝(burning) 활동과는 구별된다.
여기서 사용된 "연소 지역" 이라는 용어는, 연소가 발생한 곳, 예를 들어 노즐에 인접하거나 혹은 엔진 실린더 내부의 장소를 말한다.
여기서 사용된 "연소 체임버"라는 용어는, 여기서 연료가 타서 자기 지지형 불 또는 화염 선단을 구축하고, 불 또는 화염을 둘러싼 체임버를 말한다. 또한, 연소기 및 버너를 참조한다.
여기서 사용된 "연소 장치"는 모든 타입의 연료를 태우거나 폭연시키는 모든 시스템을 말한다. 이러한 연소 장치는 내연 기관 엔진, 퍼니스, 곡물 건조기 및 발전기를 포함한다.
여기서 사용된 "연소 가스"는 연료가 타서 생성된 배기 가스를 말하며, 화학 반응 생성물 (CO2, H2O, NOx, SOx), 수증기 및 비반응성 공기 성분(예를 들어, N2)을 포함한다. VOC 및 TOC는 EPA에 의해 사용되는 등급이다.
여기서 사용된 "연소기"라는 용어는 점화기를 구비한 연소 체임버를 말한다. 전통적인 사전의 대부분은 제트 엔진 또는 가스 터빈의 맥락에서 연소기를 정의하는 반면, 당해 기술분야의 실시자들에 의해 전개된 논문, 보고서 및 제품은 연소기로서 연소 체임버 내부에 연료, 점화기 및 산화가스를 합한 버너를 지칭한다.
여기서 사용된 "연소 구역" 이라는 용어는 공기와 연료 사이에 반응이 일어나는 장치의 일부를 말한다.
여기서 사용된 "완전 연소"라는 용어는 산화제가 연료를 소비하여 제한된 수의 생성물을 생성하는 연소 반응을 말한다. 그래서, 산소 내에서 탄화수소의 완전 연소는 이산화탄소 및 물을 제공한다. 공기 중 탄화수소 또는 모든 연료의 완전 연소는 질소도 제공한다.
여기서 사용된 "제어 스트림" 이라는 용어는 파라미터 유량, 질량 이동 속도, 힘 또는 열 산출량, 온도 제어 등에 기초하여, 예를 들어 피드백 변경에 의해, 직접 제어 및 변경될 수 있는 입자의 움직임 또는 스트림을 말한다. 스트림은 특정한 응용 분야에서 요구되는 바에 따라 미세하게 또는 거칠게 제어될 수 있다. 나아가, 이하 여기서 기술하는 센서와 같은 장치는 스트림을 제어하고 변경하기 위해 필요한 데이터를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 특정 구현예에서, 스트림은 균일한 폭발성 분말 분산을 생산할 목적으로 제어될 수 있다.
여기서 사용된 "탈응집 (deagglomeration)"이라는 용어는 덩어리로 자기 부착된 더 작은 입자의 군으로 이루어진 커다란 입자를 해산 또는 제거하는 작용을 말한다.
여기서 사용된 "폭연성" 또는 "폭연"이라는 용어는 강렬한 열 산출 및, 통상 열전도, 예를 들어 연소 물질이 다음 층의 저온 물질을 가열하여 점화하는 것을 통해 전파하는, 음속 이하의 연소에서 가능한 스파크(spark)와 함께 빠르게 타는 것을 말한다. 폭연은 초음속이고 충격 압축을 통해 전파되는 폭발(detonation)과는 구별되는 것임이 이해되어야 한다.
여기서 사용된 "탈휘발(devolatization)"이라는 용어는 가열 중에 고체 목재 또는 그 외 바이오매스 또는 연소성 연료로부터 연소성 휘발물 및 타르가 방출되는 것을 말하며, "열분해"라는 용어와 교환 가능하게 사용될 수 있다.
여기서 사용된 "당량비(equivalence ratio)"라는 용어는, 산화가스에 대한 폭발성 분말연료의 화학양론적 비에 대한 산화가스에 대한 폭발성 분말연료의 실제 비율의 비율을 말한다.
여기서 사용된 "폭발성" 이라는 용어는, 분말-산화제 가스 혼합물로서 적절한 조건 하에 분산되었을 때 점화 후 화염 전파를 폭연할 수 있는 분말의 성질을 말한다. 폭발성 분말 분산을 형성하는 폭발성 분말은 적절한 비율의 산화가스와 혼합된 경우 화염 전파를 할 수 있다. 다수의 폭발성 분말은, "폭발물(explosive)" 또는 점화성 분말과는 구분되는 것으로, Dust Explosions in the Process Industry (R.K. Eckhoff)의 표 1에 기재되어 있다.
여기서 사용된 "가스"라는 용어는, 비록 완전한 연소를 제공하기에는 부족할지라도, 폭발성 분말 분산을 제공하기 위해 최소량의 산화가스, 예를 들어 O2를 포함하는, 물질의 가스 상태에 있는 임의의 물질을 말하며, 여기서 "산화가스"라는 용어와 교환 가능하게 사용된다. 이 용어는 단일 조성물의 가스, 즉 O2 및, 공기와 같은 가스의 혼합물도 포함하는 것이다. 이는 가솔린, 액화 석유 가스 또는 천연 가스의 축약형으로서의 이러한 용어의 사용과는 대조되는 것이다.
여기서 사용된 "열 교환기"라는 용어는 고온의 배기가스로부터 연소 시스템 내의 물, 공기, 열매체 오일(thermal oil), 또는 부동액일 수 있는 열전달 유체로 열에너지를 전달하기 위한 장치를 말한다.
여기서 사용된 "불균질 연소"라는 용어는, 가스-액체, 액체-고체 또는 고체-가스이던지, 2개의 반응물이 초기에는 상이한 상으로 존재하는 경우의 연소를 의미한다. 불균질 연소는 그 표면에서 산화하는 고체 입자를 말한다.
여기서 사용된 "균질 연소" 라는 용어는 2개의 반응물이 동일한 유체상, 가스 또는 액체로 존재하는 연소를 말한다.
여기서 사용된 "불완전 연소"라는 용어는 연료가 연소에 의해 불완전하게 소비되는 연소 반응을 말한다. 불완전 연소는 다량의 부산물을 생산한다. 예를 들어, 탄화수소의 불완전 연소는 일산화 탄소, 그을음 또는 회분 형태의 순수 탄소 및 그 외 산화질소와 같은 다양한 화합물을 생산할 수 있다.
여기서 사용된 "입자 크기"라는 용어는, 예를 들어, 입자가 관통하는 메쉬 스크린의 크기의 관점에서의 혹은 크기의 미터 기재 (예를 들어, 미크론)에 의한 입자의 크기를 말한다. 나아가, 분말연료의 특정 구현예는 부분적으로 입자 크기에 의해 정의된다. 입자크기는 메쉬 등급에 의해 정의될 수 있으며, 이 때 더 큰 숫자는 더 작은 입자를 의미한다.
여기서 사용된 "입자 크기 분포"라는 용어는 다양한 크기 범위의 입자의 유행(prevalence), 즉 분말 샘플 내에서, 다양한 크기의 입자의 분포를 말한다.
여기서 사용된 "미립자(particulate)"라는 용어는 매우 미세한 고체 입자, 전형적으로는 연소 가스에 의해 비말 동반되고 대기 중으로 탈출하는, 회분 뿐만 아니라 타지 않은 탄소를 의미한다. 통상 바이오매스 연소로부터의 주된 공기 오염원이다.
여기서 사용된 "용적식" 이라는 용어는, 타격 당, 인덱스 당, 또는 단위 시간 당에서와 같이 단위 조작 당 물질의 알려진 부피를 이동시키는 장치를 사용하는 기술을 말한다.
여기서 사용된 "분말" 이라는 용어는 흔들거나 기울였을 때 자유롭게 흐를 수 있는 다수의 미세 입자로 구성된 고체 화합물을 말한다. 분말 조성물, 미립자 크기 또는 미립자 크기 분포는 분말이 사용되는 응용 분야에 기초하여 선택될 수 있다. "분말화"는 분말로 감소된 물질이다.
여기서 사용된 "분말연료"라는 용어는 입자의 상당수가 그의 특정한 폭발성 문턱값 이하인 점까지 평균 입경이 감소된 연소성 고체 연료를 의미하며, 여기서 "폭발성 분말", "분말" 및 "연료"라는 용어와 교환적으로 사용된다.
본 명세서에서 사용된 "분말연료 분산"이라는 용어는 분말의 성질(예를 들어, 크기 또는 구성분 입자의 조성) 및 산화가스에 대한 분말의 비율에 기초하여 폭발성이 되도록 선택되는, 분말연료 및 산화가스의 실질적으로 균일한 혼합물을 말하며, 여기서 "분말 분산"이라는 용어와 교환 가능하게 사용된다. 분말연료 분산의 폭발성은, 예를 들어 분말 입자의 표면적, 분말의 에너지 함량, 분말 분산 내의 산소와 같은 산화제의 농도, 분말과 산화제의 온도, 열전달율, 및 분말 입자 크기를 포함하는 다수의 인자에 의해 영향을 받을 수 있다. 또한, "분말연료 분산" 및 "분말 분산" 이라는 용어는 이러한 분산이 폭발성이기만 하다면, 폭발성 분말의 불완전한 분산을 가진 불완전하게 분포된 혼합물을 함유하는 분산을 포함하고자 하는 것이다.
여기서 사용된 "열분해(pyrolysis)"라는 용어는 산소 및 통상 물의 부재 하에 휘발성 화합물 (예를 들어, 가스 및 바이오-오일) 및 고체 (탄화물)로의 유기 연료 (예를 들어, 바이오매스 자원, 석탄 및 플라스틱)의 열적 분해를 말한다. 열분해의 타입은 연료의 온도, 압력 및 체류 (공정) 시간에 의해 차별화되며, 이는 공정 및 생산된 생성물의 혼합물을 지배하는 반응의 타입을 결정한다. 느린 (재래식) 열분해는 느린 가열율 (초당 0.1 내지 2℃), 낮은 지배 온도 (대략 500℃) 및 긴 가스 (> 5초) 및 고체(수분 내지 수일) 체류 시간을 특징으로 가진다. 플래시 열분해는 중간의 온도 (400 내지 600℃), 급속한 가열율(초당 > 2℃) 및 짧은 가스 체류 시간 (< 2초)를 특징으로 한다. 급속 열분해 (가열분해, Nunn 등의 급속 열분해 실험을 사용, 1985)는 급속한 가열율 (초당 200 내지 105℃), 통상 550℃를 초과하는 지배 온도, 및 짧은 체류 시간을 수반한다. 현재, 형성된 생성물이 현재 사용되는 화석 연료에 보다 유사하기 때문에 열분해에서의 관심의 대부분은 급속 열분해에 집중된다.
여기서 사용된 "2차 공기" 라는 용어는 이들의 연소를 완료하기 위해 1차 공기에 의해 해방된 연소성 가스로 공급되는 공기를 말한다. 2차 공기라는 용어에는 3차 이상의 공기가 포함된다.
여기서 사용된 "단일상 연소"라는 용어는, 유체 역학 단일 온도 및 단일 속도의 가정이 이루어질 수 있는 연소를 말한다. 프로판 및 메탄과 같은 가스는 단일상 영역에서 타는 반면, 가솔린 및 목재 칩은 본질적으로 2상, 각각 액체-가스 및 고체-가스이다. 적절한 환경 하의 그리고 분자 수준에서 혼합된 충분히 작은 입자를 포함한 폭발성 분말은 단일상 영역과 구별되지 않게 그리고 이들이 마치 가스인 것처럼 타게 된다.
예를 들어, "화학양론적 연소" 또는 "화학양론적 혼합물"에서와 같이, 여기서 사용된 "화학양론적"이라는 용어는, 분말연료/산화가스 혼합물, 즉 본 발명의 분말연료 분산에서, 폭연을 지지하고 혼합물 또는 분산에서 폭발성 분말을 실질적으로 소비하기에 적절한, 산화가스에 대한 폭발성 분말연료의 비율을 말한다. 연소 지역에서 폭발성 분말을 소비하는 데에 필요한 산화가스의 양은 분말 분산의 산화가스의 양과는 다를 수 있는데, 후자는 폭발성 혼합물을 생성하기에는 충분하지만 통상 분말을 궁극적으로 소비할 수 있는 산화가스의 총량보다는 낮다. 이처럼, 본 발명의 분말은 심지어 화학양론적 양의 산화제가 없이도 폭발성이 될 수 있다.
여기서 사용된 "난기류 흐름" 이라는 용어는 다음과 같은 특징을 가지는 유체 흐름을 말한다: 3차원 불규칙성, 혼합에서와 같은 확산성, 큰 레이놀드 수, 운동에너지를 열에너지로 변환시킬 때 소산적(dissipative), 및 최소 규모가 분자 규모 보다 훨씬 큰 경우 연속체(continuum), 이는 유체가 아니라 흐름의 특성이다.
여기서 사용된 "턴-다운 비(turn-down ratio)"이라는 용어는, 가장 높은 효율의 시스템 능력과 가장 낮은 효율의 시스템 능력을 나타내는 수치비이다. 턴-다운 비는 최고 시스템 산출량을, 고정적이고 제어되며 효율적이고 오염이 없는 연소가 지속 가능한 최소 산출로 나누어서 계산한다. 예를 들어, 4:1의 턴-다운은 최소 조작능력이 최고의 4분의 1인 것을 나타낸다.
여기서 사용된 "난기류 연소"라는 용어는 난기류 흐름을 특징으로 하는 연소를 말한다. 본 발명의 특정 구현예에서, 폭연 연소는 난기류 연소로서, 연료와 산화제 사이의 혼합 공정을 보조한다.
여기서 사용된 "휘발물" 이라는 용어는, 저온 가열 동안 바이오매스로부터 방출되는 유기 증기 및 가스를 말하며, 바이오연료에서 열분해 동안 증기 및 가스로 전환되는 부분, 즉 잔류 탄화물 이외의 모든 성분을 포함한다. 여기서 사용된 "휘발성 질량"은 분말연료의 연소 온도 이하에서 기화 또는 휘발되는 물과 같은 물질 또는 화합물을 포함하는 분말연료 입자의 질량을 말한다.
폭발성 입자에 관한 기본 개념
기본 연소는 유체 역학 이론 및 다른 과학에 뿌리를 둔 것이다. 본 발명의 분말 바이오매스 연료는 하기의 간략화된 유체 역학에 근거한 이유 때문에 가스와 같이 타게 된다: 1) 입자 (고체 또는 액체)가 주위의 가스상과 상호 작용하는 시간 척도는 R과 비례한다 (여기서, R은 입자의 길이 척도(반경)임). 2) R이 감소하면, 입자가 주위 가스상과 평형에 도달하기 위해 필요한 시간이 R 값과 함께 내려간다.
3) 입자 R이 더 감소하면, 열평형 시간은, 확산 및 탈휘발(devolatization)과 같은 다른 공정이 일어나기 위해 요구되는 시간과 비교하여 작아진다. 4) 이러한 임계 입자 반경 R 이하에서는, 이러한 입자와 공기의 혼합물이 일부 한정 가능한 조건하에 "폭발성"이 된다. 5) 폭발성 혼합물은 단일상 근사가 작용하므로, 마치 2가지 가스의 혼합물인 것처럼 수학적으로 다루어질 수 있다.
하기의 사항들은 실질적으로 폭발성인 분말연료의 사용에 대한 기술적 서문 및 도입을 형성한다. 1) 분말-공기 혼합물은 파동 공정으로서 연소를 지원할 경우, 이들이 이상적으로 혼합된 반응기 (즉, 퍼니스)에서 보다 일반적인 "버닝"이라기보다 "폭발성"이다.
2) 고체 연료 과립-공기 혼합물의 폭발성 연소는, 입자의 가열 및 연소 시간이 연소파의 통과를 위해 필요한 시간에 가까워질 경우에 일어나며, 반응 에너지는 파동에서 방출된 연소 에너지가 계속하여 그의 점화 온도 이상에서 타지 않은 연료-공기 혼합물의 인접 영역의 온도를 상승시키기에 충분해진다.
3) 산화 부유(oxidizing suspension)에서 과립상 고체 연료 분산은, 단일상/단일 속도/단일 온도 유체역학의 근사치가 입자의 거동을 정확하게 기술하도록 입자가 충분히 작을 경우 "폭발성"이고, 이러한 분산은 점화 가능한, 따라서 폭발성인 농도에서 연소를 위해 제공된다.
4) 가스 규모에서 단일 입자를 위한 동적 완화 시간은 R2에 비례한다. 입자 직경이 그의 물질 특정 폭발성 크기 상한선 이하로 감소함에 따라, 고체 입자-가스 혼합물의 2상 거동과 단일상 가스-가스 혼합물 간의 차이가 없어진다.
5) "폭발성" 고체 연료 분말은 적절한 조건 하에 가스 연료 또는 액체 연료와 구분되지 않게 행동한다. 과립상 고체 연료는, 공기 부유 내에 분산된 경우, 가스처럼 이동하게 될 수 있고, 모두 실제 하나가 되지 않고, 연소에 있어 "유사 가스(pseudogas)"와 같이 거동할 수 있다.
6) 임의의 바이오매스 또는 화학 고체 연료 공급원은, 그의 특정 임계값 이하의 입자 크기까지의 감소에 의해, "폭발성" 분말로 고려될 수 있다. 고체 연료를 비-폭발성 형태로부터 이를 "폭발성"으로 만드는 입자 크기까지 감소시키는 비용은, 이를 실제 액체 또는 가스 연료로 전환하기 위한 비용에 비하여 작다.
우리의 발견의 주요 기초적 기술은 3개의 큰 지식 체계 사이에 해당하며, 유체역학, 운동학 및 동력학이 이러한 연구되지 않고 따라서 보고되지도 않은 심연의 한 코너에, 산업적 분진 폭발이 다른 한 코너에, 그리고 버너, 보일러, 퍼니스 및 그 외 열 사용/제조 장비를 포함하는 연소 시스템의 공학 설계가 세 번째 코너에 있다.
여기에 개시된 통합된 기술은 이들 3가지 중 어느 것에 의해서도 직접적으로 다루어지거나 포함되지 않는 것이다. 우리가 우리의 발견 및 각각의 지식 체계로부터 입수 가능한 이론적 및 실제적 경험으로부터의 우리의 심화된 이해를 배경으로 하여 과학적인 확신을 얻는 동안, 어느 누구도 우리의 발명을 예측하지 못하였다.
산업적 분진 폭발에 대하여 기술하고 있는 많은 전문가들이 반드시 유체 역학 및 연소 역학의 분야에 정통한 것은 아니지만, 분진 폭발 및 완화에 대한 이들의 연구는 본 개시에서의 일부 주제에 유용하다.
위험한 분진 폭발을 지지하는 산화가스 내에서의 입자 밀도 분포는, 50 내지 100g/㎥로부터 2 내지 3kg/㎥에 이르는, 두 자릿수 이상을 연결하는 농도 범위이다. Eckhoff는 (본 명세서에 원용 통합되는 Dust Explosions in the Process Industries, 제3판, Rolf K. Eckhoff, 2003, Elsevier에서) 이러한 범위를 "꽤 좁은 것"으로 기술하고 있는 반면, 이는 우리의 발명을 위해 넓은 제어 가능한 공정 범위를 실제로 한정하고, 이로써 우리는 버너 내에서 이동하는 예비 혼합된 폭발성 분말연료 분산과 균형을 이루고 이를 둘러싼 정상 상태의 폭연성 화염 파면을 가진 분진 유사 폭발성 분말의 에너지 전환을 수행하였다.
"그레인 분진 폭발의 [인기있는] 과학" (R.K. Eckhoff) 에서 임계적 파라미터는 0.1 mm 이하의 그레인 분진 입자이다. 입자 크기가 감소함에 따라, 폭발의 위험은 증가한다. 이 자료에 따르면, 농도는 분진의 가연성(flammability)에 기여하고 세제곱 미터당 40 그램 내지 세제곱 미터당 4000그램의 범위여야 한다. 실제 한계는 입자 크기, 조성, 뿐만 아니라 온도와 습도에 기초하여 변하며, Eckhoff의 보고된 범위와는 약간 다를 수 있다. 또한, 폭발이 일어나기 위해서 분진은 부유 상태에 있어야 하며, 단지 층으로 쌓여 있어서는 안된다.
심각한 손상은, 1차 및 2차 타입의 분진 폭발이 모두 존재하는 경우에만 발생한다. 점화원은 1차 폭발을 개시하여, 분진층이 적재되어 있는 영역을 통해 전파해 나가는 충격파 또는 폭풍파를 생성하여, 쉬고 있는 분진 (idle dust)의 다량의 공급을 공기 부유 내로 들어올린다. 이처럼 고도로 폭발성인 연료가 풍부한 부유는 1차 분진 화염에 의해 마이크로 초 내에 점화될 수 있으며, 그 결과는 비극적인 것이다.
폭발성 분말의 연소에 대한 유체 역학 배경
본 섹션에서는 폭연 및 화염속도를 중점에 둔 폭발성 분말의 연소의 기본적 기재가 제공된다. 분진 폭발과 대조적으로, 분진이 점화 전에 제한된 공간 내에 정지 상태로 있고 화염파가 폭발 동안 움직이는 경우, 본 발명의 버너 시스템 내에서, 연료 분산은 열린 공간으로 이동하고 화염은 정지상태가 된다. 가연성 연료 공급원, 산화제 및, 본 발명의 점화 공급원과 같은, 고온 환경이 모두 존재하는 경우, 화염이 생산된다. 상기 3가지 구성원이 존재하기만 하면, 화염은 무한정 계속될 것이다.
유체 역학적 관점에서, 본 발명에 있어 실질적으로 폭발성 분말의 폭연은 유체 역학의 학자 및 전문직 종사자들이 아직 전체적으로 설명하지 못하고 있는 일부의 이론을 기반을 하고 있다. 우리는 유체역학에 있어 이전에 알려지지 않은 분야를 탐구하는 것은 아니지만, 유체 역학, 운동학, 연소 또는 열전달 전문용어 및 이론에 있어 온-오프 제어 가능한 에너지 전환의 목적을 위해 이러한 현상을 적용하는 것에 관한 우리의 개시되지 않은 발견을 기술하는 지식체계는 아직까지 존재하지 않는다.
작업의 이러한 영역이 그의 가장 중요한 현상, 분진 폭발성으로 인해 회피되고 있었다는 사실은 실로 아이러니한 것이다. 본 발명자들은 유체 역학에서 고체의 단일상 연소라 불리우는 것에서 연소의 관대하고 너그러운 특성으로부터의 놀라운 혜택을 발견하였다. 구체적으로 말하자면, 완전히 단일상 모드로 작동하면서도, 예비 혼합된 폭발성 분말은 화학양론적 관점에서, 예를 들자면 프로판, 메탄 및 가솔린과 같은 통상 공지된 연료 가스가 가지는 것보다 훨씬 더 넓은 작동 범위를 가진다.
본 발명의 용적식 분말 분산 공급 시스템(PDPD)이 산화성 가스 내에 부유된 폭발성 고체 연료를 수평적으로 임의의 개방 공간 분산시키는 경우(참조: 도 10A, 도 10B 및 도 11), 이러한 이동 흐름은 초기에는 화항양론 보다 훨씬 위에 있고, 느려지고 분기(diverging)되기 시작하여, 점화될 준비를 하게 된다. 아크 점화기 또는 프로판 토치 화염이 "쿵" 하는 뚜렷한 소리와 함께 도 12A에 나타낸 바와 같이 PDPD 공급 노즐의 몇 인치 하류에서 이러한 폭발성 혼합물을 즉각적으로 점화한다.
이러한 제한되지 않은 정상 상태의 화염 선단은 타지 않은 고체 연료 입자를 이동 흐름 내에서 즉시 소비하여, 초당 1/2 미터 내지 수미터인, 거의 동일하고 반대 방향의 속도로 "상류로" 이동한다. 만일 화염 선단의 속도가 음속보다 매우 느린 채로 남아있다면, 이러한 연소 현상은 폭연이라 불리우며, 이는 "급속하게 타는 것"을 의미한다. 특정한 공정 흐름 및 제한 상황에서, 화염 전파 속도는 음속에 가깝거나 이보다 낮게 증가할 수 있어, 공기-연료 혼합물 및 주변 지역 내에서 충격파의 발생을 가져오는 매우 강렬한 폭발, 폭파(detonation)를 제공한다. 국지적이고 정상 상태의 폭연 화염이, 화염속도로 이동하지만 점화 영역으로부터는 결코 멀리 떨어지지 않은 이러한 이동 흐름에서의 우리의 연소 방법이므로 이러한 폭발은 이처럼 제한받지 않은 환경에서는 흔한 사건이 아니다.
우선 폭연을 논의함에 의해 공정에 대한 많은 내용이 이해될 수 있다. 급속하게 타는, 폭연 화염은 "매우 미세하게 분할된 연료와 산화제 입자" 간의 화학 반응에 의해 생산된다. 폭연 화염이 화학양론에 가까운 혼합물을 통해 이동하는 속도는 연료 점화 온도, 그의 발열량에 관계있고, 특히 고체, 가스 또는 액체상태일 수 있는 산화제 및 연료 모두의 입자 또는 그레인 크기에 관련되어 있다. 폭발성 분말이 되도록 연마된 바이오매스 연료는 대단히 높은 발열 산출량을 가진다. 일반적으로, 혼합물의 균일도가 클수록, 그리고 연료 폭발성 분말을 더 미세하게 (~80㎛ 이하의 지점까지) 연마할수록, 탈 때의 화염속도는 더 빠르다.
유체 역학적 관점에서, 예비 혼합된 폭발성 연료의 질량 흐름 속도와 폭연 화염선단/파동 속도사이에서 균형을 이루는 것은 정상 상태이고 안정한 연소 선단 및 반응 영역을 제공한다. 여기서 주요 문제는 분말 및 가스와 낮은 화염속도 사이의 500 대 1 내지 1000 대 1 밀도 차이이다. 스트림 속도가 빠를수록, 부유된 분말을 더 쉽게 유지할 수 있으나, 스트림 속도를 화염속도 이상으로 충분히 높게 증가시키는 것은 이를 터지게 한다.
도 1A를 참조하면, 폭발성이 되도록 충분히 작은 입자는 표면-대-부피 비가 커서, 훨씬 낮은 표면-대-부피 비율을 가진 동일한 물질의 비-폭발성의 커다란 입자와는 다른 양상으로 타게 된다. 이러한 양상은 단일상 연소라 불리운다. Yarin과 Hetsroni (2상 반응성 매질의 연소)는, 폭발성 혼합물 내에서 폭발성 입자의 연소는 가스상 혼합을 가지지 않고 가스상 연소를 가지지 않는다고 기술하였다. 폭발성 혼합물 내의 입자의 경우, 입자 온도는 반경에 따라 변하지 않고 단지 시간에 따라 변한다. "단일온도" 거동은 우리의 연소 공정을 필수적으로 단일상으로 보이게 만드는 것의 일부이다. 폭발성이 되도록 충분히 작은 입자의 경우, 버닝은 입자의 표면에서 발생한다. 수분 제거 및 탈휘발화를 위한 시간을 포함한 연소 시간은 폭연 화염선단 수송 시간에 비해 짧다. 이러한 타입의 "플래시 연소(flash burn)"는 거의 즉각적이나, 만일 공급이 없어서 연소를 추가로 지지할 주변 공기에서의 산소 능력에 의해 연소가 확산-제한적으로 되면 지연될 수 있다.
불균질 반응이라 불리우는 것에 있어, 실질적으로 폭발성인 분말 입자의 연소의 경우, 고체 연료는, 비록 초기에는 2가지 반응물이 상이한 고체 및 가스상으로 존재할지라도, 마치 그가 가스 또는 증기 연료인 것처럼 공기 중에서 단일상 공정으로 타게 된다. 그 표면에서 폭발성 고체 입자와 산소 사이의 반응은 단일상 표면 반응에서 플래시 연소로 입자를 소비한다. 폭발성 한계보다 큰 입자의 경우, 실질적인 탈휘발화가 연료 증기의 가스방출을 가져오고 이것이 2상 반응 중 가스 상에서 공기 중의 산소와 반응하기 때문에 반응 공정은 균질이라 칭한다. 본 개시 내용에서, 균질이라는 용어는 달리 명시되지 않는 한, 혼합물의 균일도 및, 미립자 분산과 온도에서의 구배 없음과는 무관한 것이다.
폭발성 분말연료 영역에서 타는 입자는 휘발물을 가스방출하지 않는다. Yarin과 Hestroni가 논의한 바와 같이, 입자 크기가 줄어들면 입자 가열율이 올라가고 연소 시간은 내려간다. 충분히 작은 입자 크기에서, (휘발물을 가스방출하는데 필요한) 분해 시간은, 그것이 극도로 짧더라도, 입자 연소 시간에 비해서는 여전히 크다. 그것이 공정 분할선이 있는 곳이다. 이 크기 이하에서는, 산소 확산에 의해 한정되는 비율로 입자 표면에서 산화공정이 발생하며, 따라서, 지각 가능한 휘발물은 생산되지 않는다.
R.I. Nigmatulin (Dynamics of Multiphase Media : Volume 1)은 2상 공정에서 연소파의 전파를 논의하면서, 이를 "가스-고체 연소성 입자"라 기재하였다. 이 공정은 수력학적, 열물리학적 및 화학적 공정 간의 상호 작용으로 정의된다. 이들 현상간의 상호작용에 대한 그의 이론적 분석은 이를 단일상으로 감소시킬 수 있는 가정의 기재와 함께 수력학, 열과 질량 교환 및 2상 매질에서의 화학적 운동학을 다루는 방정식 시스템을 포함한다.
가스 내 연소성 입자의 혼합물에서 연소 전파의 실제 메카니즘은 입자-버닝 영역, 분말연료 농도, 버너 연소 체임버 기하학 및 개시의 실제 방법 (지속적 점화)에 의존한다. 우리의 공정에서와 같이, Nigmatulin은 연소파면의 전파 속도 또는 화염속도를 초당 센티미터 내지 수미터의 범위라 하였다. 우리는 시험된 폭발성 분말의 화염속도 반응 범위는 초당 0.5 내지 약 1미터의 근방에 있으며, 당량비와 함께 변하는 것으로 추정한다.
3개의 가능한 입자 연소 영역은: 불균질-우리의 양상, 외견상-균질(quasi-homogeneous)-연료 증기 및 가스화 부산물의 연소, 및 증기상-휘발성 성분의 연소이다.
입자 크기는 연소 영역을 결정하는 주요 기준이다. 일반적 형태에서 불균질 연소의 경우, 실제 버닝은 표면에서 그리고 연소성 입자 내부 모두에서 일어난다. 연소 화학 반응으로부터의 열은 입자로 직접 이전되어 점화 온도를 유지한다. 예를 들어 그래파이트, 전극 석탄, 및 그 외 분말과 같은 휘발성 유기물이 없거나 그 최소량만이 있는 충분히 작은 직경의 입자는, 이러한 방식으로 타게 된다.
폭발성 범위 밖의 커다란 입자는, 상당히 낮은 표면 대 부피 비율을 가지며, 지시된 영역들의 조합으로 연소한다. 반응의 일부는 하나의 영역, 이 경우 증기상 영역에서 일어나며, 불균질 영역에서의 반응의 다른 부분이 이어진다.
입자 크기가 폭발성 이상으로 증가하면, 증기상에서의 탈휘발화에 요구되는 시간이 현저해진다. 백분율 휘발물 수준의 효과가 제한적이 된다. 연소는, Nigmatulin이 미소화염(microflame) 또는 F-상이라 부른, 증기 상내의 작은 방울 또는 입자 주위의 가상의 얇은 층에서 일어난다. 구형 화염 층 온도가 방울 또는 입자 온도보다 높고, 이는 다시 주위 가스 온도보다 크기 때문에 국소 온도는 균일하지 않다. 부유 버너 내에서 석탄, 분말, 폭발물, 목재입자 및 칩의 입자, 금속 및 디젤 연료 작은 방울의 입자들이 그 휘발성 성분이 완전히 타버릴 때까지 이 영역에서 연소한다.
점화는 입자 표면온도가 특정 수준까지 올라갔을 때 일어난다. "느린" 버닝의 불균질 영역 단계가 일어나고, 만일 상기 영역이 증기상이면, 증기화 또는 가스화 단계가 발생한다. 임의의 상 전이가 발생하기 전, 입자 표면으로의 가스 열유속(heat flux)은 사실상 입자를 관통한다. 우리의 경우, 온도 차이의 주요 부분은 가스에서 발생하여, 점화 바로 전의 주위 가스와 입자의 평균온도는 대략적으로 같은 혹은 단일의 온도이다. 무차원 비율인 넛셀 수(Nusselt number)는 열 교환을 말한다.
불균질 입자 연소의 보다 특정한 영역의 경우, Nigmatulin에 따르면, 상기 영역에는 F 상이 없으며, 연료 증기도 없고, 화학반응의 열은 직접 입자로 전달된다. 이러한 불균질 입자 연소 영역에 대한 반응 속도 상수는, 아레니우스 법칙에 의해 주어지며 무차원의 넛셀 수에 대한 실험식으로 기술된다. 우리의 개시에서는, 입자 표면에 대한 산화제의 확산 유입(influx)을 기술하는 셔우드 수(sherwood number)는 운동학적인 것이 아니라, 버닝의 확산 영역을 지시하는데, 이는 Yarin 및 Hetsroni에 따르면 반응 영역의 파면에서 공정은 동적(kinetic)으로부터 확산으로 가기 때문이다.
촛불 화염은 단일상 연소 공정으로 타게 되지만, 그로부터 연기와 그을음이 생기는 것이 일반적이다. 비슷하게, 케로센 화염은 단일상 연소 공정이지만 역시 연기, 일부의 그을음 및 감지 가능한 방향성 증기를 생산한다. Kerosun R 또는 살라만더(salamander) 타입 히터와 같은 이동식 케로센 히터는 이러한 점을 입증한다. 대부분 사람들은 2상 연소 공정이 "연료-풍부의 상태"이고, 주어진 양의 연료에 대하여 너무 적은 공기에서 운전될 경우 발생하는 연기에 익숙하다. 잔디깍기, 동력 사슬톱, 눈치우는 기계(snowblower), 등과 같은 정원 장비는, 부분적으로 막혀서 연료-풍부의 상태로 운전될 경우 다량으로 연기를 내뿜는다. 이러한 연기는 엔진이 적절한 화학양론적 연료 대 공기 비(Fuel-to-Air ratio: FAR) 초과의 상태로 운전되는 것을 의미한다. 비슷하게, 석탄의 온상(hot bed) 위로 던져진, 사용 전(fresh) 통나무는 화염에 휩싸이기 전에 그을리고 연기를 발생시킨다. 이러한 상의 연소는 실제로 휘발성이고, 풍부하며, 연소 가능한 우드가스(woodgas)를 너무 적은, 구체적으로는 화학양론적 FAR의 대략 3배의 공기를 가진 작업 환경으로 제공한다. 이러한 기초적인 산소-결핍의 공정에 의해 우드 가스가 대체 연료로서의 사용을 위해 생산된다.
잔디 장비 및 난로용 목재의 예와는 달리, 본 발명자들은 입자들이 떨어져 나오기 시작하도록 매우 적은 1차 공기 및 매우 많은 연료를 가지고 80-메시의 소나무 폭발성 분말 (~177 미크론 모드의 입자 크기 직경)을 적용하였으나, 연기 또는 그을음이 발생하지 않았다! 이는 물리적으로 그의 크기에서만 상이한 물질에 대하여 놀라운 현상이다. Yarin 및 Hestroni는 화학양론적 상태의 연료:공기 비율은 λ(람다) = 1의 값을 가지는 것으로 기재하고 있다. 이러한 무차원 수는 본 개시에서 당량비(equivalence ratio)로 불리운다. 2배 화학양론적 비율은 λ = 2를 가진다. 우리의 버너 시험은 의도적으로 연료-풍부의 상태를 적용하였을 때, λ = 3 내지 5+ 의 값을 가졌으나, 극도로 과하게 풍부한 연료 혼합물로부터 연기 또는 그을음 없이 태워졌다.
이것은 약간 지나치게 단순화한 것이지만, 화학양론에 가깝던지 아니던지, 폭발성 혼합물 내에서 폭발성 분말을 태울 때에는 연기, 그을음 및 탄화물 생산의 문제는 실제적으로 존재하지 않는 것으로 보는 것이 유용하다. 적절한 산소가 존재하는 경우 입자들은 완전히 그리고 거의 즉각적으로 타버리거나, 혹은 산소가 부족할 경우에는 전혀 타지 않고 단순히 연소 온도까지 가열된다. 여태까지 수집된 단지 탄화된 입자들은 현저하게 너무 큰 것이었으며 정의에 의해 비-폭발성인 것이었다.
본 개시 내용의 버너는 이러한 사실, 특히 λ = 1 (lean)보다 약간 작은 값으로부터 거의 λ = 10 (화학양론의 10배)까지, 연소를 지지하는 넓은 범위의 당량비를 이용한다. 간단히 말하자면, 우리는 바람직하게는 도 4에 나타낸 바와 같은 2단계 연소 공정을 이용한다. 제1 단계는 가열 측면을 포함하며, 여기서는 공기와 입자 반응물의 저온 혼합물이 가스에 의해 예열되고, 초기 연소가 정상상태의 폭연 파동에서 개시된다. 입자가 반응 구역으로 이동함에 따라, 가열이 지금의 입자로부터 가스로 계속되고, 연소는 이용 가능한 산소가 고갈될 때까지 계속된다. 이 단계에서의 입자 연소 시간 상수는 그의 반경의 함수, T 1 단계 = f(r)이다.
예를 들어 화염속도의 10배로 이동하는 능동 고속 2차 공기가 버너 인클로저로 들어와서 난기류를 증가시키고 매우 요구되는 산소를 대기 중인 고온 입자 혼합물에 공급할 때, 제2 단계가 반응 구역에서 시작된다. 연소가 재개되어 탄화물 연료소진(burnout)의 완료를 향해 간다. 이러한 2단계에서 입자의 연소는 훨씬 더 급진적이고, 시간 상수는 이제 그의 반경 제곱의 함수 T 2 단계 = f(r2)이다.
화학양론적 영역의 훨씬 바깥쪽에서도, 본 발명의 분말-공기 혼합물은 여전히 폭발성일 수 있으며, 공기 중의 단일상 메탄 수소 가스와 동일한 법칙을 따른다. 놀라운 차이점은 다음과 같다. 연소에 있어 단일상 혼합물처럼 행동하는 분말-공기 혼합물은 화학양론의 몇배에서도 여전히 폭발성인 반면, 진정한 단일상 메탄-수소-공기 혼합물은, 동일한 정도로 과도하게 풍부한 λ 당량비 (높은 연료 대 공기 비율)에서는 비폭발성이다. 놀랍지만, 사실이다.
만일, 주어진 낮은 공기 흐름 및 과도하게 풍부한 연료 혼합물에 대하여, 우리가 분말을 계속하여 부가하여, 추가로 λ를 증가시킨다면, 궁극적으로 어느 시점에서 질량이 너무 커지고 입자는 너무 가깝게 이격되어 공급 스트림은 연소열을 흡수하는 "열적 블라스트(thermal ballast)"가 되고, 버닝은 지속되지 못한다.
우리가 폭발성 분말-공기 혼합물을 λ = 2 또는 3에서 우리의 "스토브 파이프" 버너 중 하나로 불어넣으면, 연소 체임버 내부의 산소가 고갈될 때까지 폭발성 분말 질량 일부가 완전히 연소될 수 있다. 파면(wave front) 내에서 타는 최초 제1 단계는 입자의 표면에서 일어나고, 이 경우 연소를 추가로 지지하도록 근처 공기 내의 산소를 공급함에 의해 확산-제한적이 된다. 이러한 산소-결핍 작동점에서, 분말연료 질량의 일부는 타지 않은 상태로 남아 있을 뿐만 아니라, 유의한 열분해가 시작되지 않은 채 대부분 탄화되지 않은 상태로 있게 된다. 지금까지의 연소는 단일 상으로 남아있다. 폭발성 분말 질량의 타지 않은 부분은 사라져가는 화염 선단을 넘어서 버너의 최상부 출구를 향하여 탄도 이동을 계속한다. 이하 상세히 논의되는 바와 같이, 이러한 산소-고갈 영역에 2차 공기를 부가하는 것은 제2 단계의 경계를 정하며, 여기서 확산-제한적 연소가 훨씬 빠르게 재개된다.
2차 공기가 없는 경우, 상기 가열된, 산소-결핍 상태의 혼합물이 버너 최상부 출구에서 나타나면, 이는 점화되어 연소가 재개된다. 결코 이러한 산소-고갈의 상황에 있어 관찰 가능하거나 지각 가능한 어떠한 연기 또는 그을음도 생성되지 않는다. 분말연료는 주로 타거나 혹은 타지 않는다. 우리는 폭발성 범위 내에 있는 입자 크기로는 유의한 중간 상태(middle ground)를 발견하지 못하였다.
λ가 1 미만인 값에서, 폭발성 분말-공기 혼합물은 단일상 가스 법칙을 상당히 잘 따르는 반면, λ >> 1의 값에서는, 이러한 풍부한 혼합물이 이들이 그렇지 않은 점에 도달할 수 있다. 만일 λ = 2라면, 입자 표면에서의 버닝은 변하지 않고, 단지 세제곱 미터당 농도가 변한다. 폭발성 입자의 경우, 표면 버닝 특성은 변하지 않으며, 연소를 위해 중요하지 않다.
폭발성 분말의 폭발성 혼합물을 구속 없이 개방 대기 안으로 수평적으로 불어넣으면, 버닝은 열전달 공정이라 말할 수 있으며, 여기서 정상 연소 파면에 도달하는 입자는 다른 버닝에 접근함에 따라 기체 전도를 통해 가온된다. 난기류가 일어나며, 이는 통상 베르누이 효과 및 연소로부터의 가스 열팽창에 대응하여 이동하는 공기-분말 분산의 바깥쪽 부피 둘레로 전단에 의해 발생한다.
폭발성 범위 내의 입자 크기를 가진 폭발성 분말의 작은 입자들을 다루는 경우, 휘발물 백분율은 연소 공정에 중요하거나 제한적인 영향을 주지 않는다. 미분화된 석탄분말에 필적하는 연소 제품은 이러한 기재 내용에 정확히 맞는 것은 아니며, 대립하는 점은, 버닝 영역에서의 불일치라기보다, 상이한 백분율 휘발물을 가진 타입을 위한 석탄의 단위 당 에너지 방출에 관련될 수 있다. 단일상 및 다중상 연소의 경우, 입자가 폭발성이 되도록 충분히 작다면, 그의 불균질 표면 버닝 거동은 단일상 유체 역학 근사가 적용될 수 있게 하며, 폭연에서 이는 마치 단일상 연소 공정인 것처럼 거동한다.
대부분의 바람직한 작동 조건에서, 본 발명의 연소 공정은 거동 상 완전히 단일상이기 때문에 간단하다. 고체가 프로판처럼 연소하는 이러한 유일의, 단일상 버닝 외관은, 우리의 발견과 독창성에 대해 제기될 수 있는 반대, 염려 및 도전을 의미없는 것으로 만든다. 아마도 버너 조작의 이러한 영역의 가장 이로운 결과는, 대단히 낮은 수준의 부산물과 함께 대략 100%인 연소 완전도일 것이다. (참조: 도 6)
Yarin 및 Hetsroni에 의해 기술된 바와 같이, 커다란 입자는 매우 고유한 탈휘발화(devolatization) 상태를 가지며, 이는 폭발성 분말을 포함하는 입자의 거의 즉각적인 플래시-연소보다 완료하기 위해 더 긴 시간을 필요로 한다. 폭발성 문턱값 (목재의 경우 200+ 미크론)을 초과하여 1mm 범위 (1000+ 미크론)까지의 입자의 경우, 탈휘발화 시간은 관련있고 증가한다. 입자가 너무 커서 폭발성이 되지 못하는 경우, 연소는 2상 공정으로 발생하여 수분 제거, 탈휘발화/열분해, 연소성 증기의 가스방출 및 연기 발생을 수반하고, 필수적으로 연소를 완료하기 위해서 탄화물의 버닝이 이어진다.
실질적으로 폭발성인 분말을 연소시키도록 폭발성 입자크기 분포영역에서 작동시키는 경우, 단일상 현상만이 관찰된다. 열분해/탈휘발화는 이 영역에서는 무관하며, 입자의 직경을 가로지르는 온도 구배가 필수적으로 0 이기 때문에 우세한 입자 온도 관계는 시간이다.
다중상 연소 현상은, 큰 입자이거나 혹은 작은 것들의 응집물인 덩어리가 타는 경우에 관찰될 수 있다. 이들 덩어리는, 종종 이들을 버너 바깥으로 나와 도 11에 나타낸 중력 분말 입자 침전의 가장 왼쪽 영역을 지나 바닥 위로 떨어지는 탄도 궤도를 따른다.
입자가 폭발성 범위보다 큰 경우, 연소 공정은 다중상이다. 입자가 폭발성 범위 내인 경우, 팽윤, 탈휘발화 및 가스방출(outgassing)은 관찰되지 않으며, 가능하게는 밀리세컨드(milliseconds)내에 일어나고, 따라서 고려 대상이 아니다.
많은 시간을 요하는 탈휘발화는 입자의 온도가 그 반경과 함께 혹은 반경을 따라 현저하게 변화하는 경우에만 문제가 된다. (참조: 도 2A 및 도 2B) 이는 폭발성 범위 밖의, 조대 분말(coarse powder)로부터 톱밥 내지 통나무까지, 더 큰 입자의 전형적인 특징이며, 이들 모두는 2상으로 연소한다. 단지 폭발성 범위 바깥에서 탈휘발화가 발생하여 연소 속도를 현저하게 제한하는 바, 여기서 우리는 실질적인 작동을 청구하지 않는다. (참조: 도 2B)
미분화된 석탄으로부터의 화염속도 및 특히 1차 공기-연료 혼합물 공급 속도 차이를 이해하는 것은 중요하다. 본 발명의 분말 고체 연료는 분산 내에서 화염속도 이상의 낮은 속도, 예를 들어 화염속도의 2배로 1차 공기와 함께 노즐을 통해 이송된다. 상기 스트림은 느려지고, 분기되고 점화되어, 흐르는 폭발성 분말-공기 스트림 중 연료가 풍분한 코어(core) 위에 올라타고 그 둘레에서 타게 되는 정상 상태의 서 있는(standing) 파동 화염 선단을 형성한다.
본 발명의 버너를 사용하면, 다양한 형태 및 입자크기의 미분화된 석탄을 위한 종래의 관습적 방법과 같이 연소 영역과 인클로저가 항상 방사 온도(radiant temperature)에 있어야 하는 요구 조건이 없다. 우리의 폭연 화염 선단의 안정성은 어떠한 방사상 열전달도 요하지 않고, 불균질 연소 모드 내에 잘 유지되고 지지된다는 사실은, 본 발명을 종래 기술로부터 차별화하는 특유함의 요점이다.
추가의 실시예와 비교로서, 종래의 기술은 부유에서 1차 공기와 혼합된 미분화된 석탄을 퍼니스/버너 내로, 우리의 발명의 개시와는 작동하지 않는 공정 파라미터인, 화염속도의 20배 이상의 속도로 공급하는 것을 포함한다. 석탄 예비 혼합물을 제어된 고온 방사 벽을 구비한 반응기로 보냄에 의해서만, 이러한 조건에서 완전한 연소가 지속되고 가능해진다. 우리의 발명에서는, 연소를 개시하고 지속하기 위해 버너 벽의 온도는 중요하지 않으며, 대형의 이상적으로 교반되는 반응기가 필요하지 않다. 이것이 중요한 차이점이다.
직접 비교를 하자면, 종래 기술에서는, 건조된 미분화 석탄이 노즐을 통해 1차 공기와 함께, 화염속도 위의 한 차수 이상의 (10배 내지 30배 더 큰) 높은 (Y. Kwan 등의 " Advanced Coal - fueled Combustor for Residential Space Heating Applications "에 따르면, 적어도 56ft/s 까지의) 속도로, 대형 체임버를 모방한 소형 반응 체임버인 버너 안으로 이송될 수 있다. 일부의 설계는 이어서, 연소성 흐름을 대형 반응 체임버인 실제 퍼니스로 계속하고 여기서 연소가 완료되며, 점화는 우리의 연소 버너의 경우에서 이용되는 바와 같은 입자-대-가스 열전달이기 보다는, 복사 열전달 기구 (P.M. Krishenik, "Modeling of Combustion Wave Propagation in a Carbon Dust/Gas Mixture")에 의해 개시된다.
Ballester 등은 2종류의 석탄, 역청탄 및 갈탄과 참나무 톱밥 분말을 가지고 원형 버너를 시험하였다. 설계는 열전달이 고온 반응기에서와 같이 주로 복사인 영역에서 분말을 태우기 위한 것이었다. 대형 동력 장치를 지향하는 석탄 연소 전문가들은, 수년간에 걸쳐 그들의 모든 동료들과 마찬가지로, 이들의 2종류의 석탄이 20 내지 40 미크론 범위로 미분화되고, 사실상 폭발성 크기라는 사실을 전혀 알아채지 못하였다. 오히려, 이들은 폭발성이 되기에는 너무 큰 (χw << 1) 입자를 가진 바이오매스 참나무 분진을 가지고 연료를 2000℉ 이상의 고온 체임버로, 종종 화염속도의 40배 내지 60배의 속도로 불어넣음에 의해 시험과 비교를 수행하였다. 이러한 체임버에서는, 열전달의 대부분이 체임버 벽으로부터의 복사에 의하며, 따라서 전체 분포를 2상 영역에서 점화 및 연소시키는 바, 이 경우 시간과 공간은 중요한 제한 요인이 아니며, χw 의 값은 크게 문제되지 않는다.
대부분의 대형 퍼니스에서는, 새로운 연료 반응물이 도달함에 따라 크고 작은 입자의 점화가 계속될 수 있도록 연소구역을 연소온도로 유지하기 위해 연소 속도에 대하여 철갑(iron-clad)의 더 낮은 제한, 최소 연료 질량 유량이 존재한다는 것을 기억하는 것은 중요하다. 그 결과, 고온 방사에 기초한 점화 환경을 모방하여 설계된 퍼니스 및 버너는 본 발명의 훨씬 작은 버너보다 훨씬 좁은 작동 범위 및 훨씬 작은 턴-다운 비를 가진다.
1989년으로부터 Y.Kwan 등에 의한 DOE 최종 보고서에서 이용된, 미분화 및 초미세 석탄 분말 연소 버너 전략을 비교하는 것도 중요하다. 우리의 전체 개념은 후술하는 연소기 설계 및 작동 비교에 의해 입증되는 바와 같이, 미분화 석탄 분말 연소 버너 및 대형 동력 장치에서 이용되는 전략과 다른 것이다:
본 발명의 버너에서는, 연소의 완료를 위하여 대형의 퍼니스-복사 반응기 부피와 통합할 것이 요구되지 않는다. 어떠한 원자화(atomization)도 요구되지 않는다. 우리의 1차공기-연료 혼합물은 노즐로부터 단지 화염속도 이상에서 공급되는 반면, 석탄 분말 예비 혼합물은 화염속도의 10 내지 30배의 속도로 분사된다. 우리의 버너는 조작을 위해 완전히 독립형인 반면, 석탄 버너는 대형의 퍼니스 내화물에 반드시 연결되어야 한다. 우리 버너는 크기가 작아, 대형 퍼니스에서 일반적인 석탄 연소 설계 목표 및 복잡성이 부담되지 않는다.
DOE 석탄 연소기는 연료, 쿠얼(quarl) 및 내화물의 예열(10% 에너지 손실), 2차 공기의 예열, 뿐만 아니라 고온 가스 주입 및/또는 외부 연도 가스 재순환을 요한다. 우리는 이들 요건들 중 어느 것도 가지지 않는다!
우리 버너는 바람직하게는 간단한 스파크 점화기를 사용하며, 자기-지속되는 연소와 함께 계속되고, 추가의 혹은 외부의 점화 개입이 필요하지 않다. DOE 연소기는 종화(pilot light)를 개시하고, 초기에 점화를 지속하고, 연소기를 가열하며, 화염을 안정화하기 위해 오일 또는 가스 연료가 필요하다. 우리는 이러한 가열 기능 또는 하드웨어 중 어느 것도 필요하지 않다. 우리 버너는 간단한 전도 영역을 통해 자기-지속성인 반면, DOE 단위 설계는 입자를 연속적으로 점화시키기 위해 전통적인 석탄 퍼니스에서 발견되는 복사 가열을 모방하였다. 어떠한 표준형 석탄 연소기도, 만일 방사성(irradiative) 퍼니스 반응기로부터 연결이 끊어진 경우, 화염을 지속하지 못한다! 우리 버너는 독립형이다. 크기의 측면에서, DOE 버너의 "세제곱 피트 당 시간당 BTU"는 훨씬 낮아서, 본 발명의 버너의 세제곱 피트 당 산출물의 아마 10분의 1일 것이다.
그러나, 놀랍게도 우리 버너는 위에서 기술한 우리의 유체 역학 연소 영역을 사용하여 적절한 입자 크기의 사실상 저온 건조 분말 석탄을 태울 수 있다.
2차 공기가 포함된 경우, 본 발명의 다수의 구현예에서와 같이, 폭발성 연료-공기 혼합물의 연소는 처음에는 저온 버너 내에서 즉각적으로 시작하여 운동성 입자 대 가스 전도성 열전달을 통해 유지되고, 미분화 석탄을 위해 전형적인 기술인 복사 열전달에 의해 운전되는 대형의 예열된 퍼니스 반응기에서이기 보다는 실질적으로 버너 그 자체 내에서 완성된다.
석탄을 이용하는 가정용 난방을 위한 연소 장치에 대한 DOE-지원의 최종 보고서는 미분화된 석탄 산업 연소 설계 및 운전 원리를 포함하는 바, 이들은 본 발명의 버너와는 명확히 다른 것이다. 이들 버너는, 심지어 미분화되고 건조된 초미세 석탄(dry ultrafine coal: DUF)의 경우에도, 작동 온도까지 올라가기 위해 70분이 소요되는 반면, 우리의 버너는 실제적으로 즉각적 온-오프 능력을 가지며, 5초 이하 내에 작업 영역에서 작동할 수 있다.
다수의 응용 분야에서 우리 버너의 바람직한 용도는 단일 버너로서이다. 처음에는 다수개의 인접한 혹은 아래의 수평 버너들의 수직 뱅크 혹은 어레이로 사용하고자 의도한 것은 아니었으나, 이러한 설계 목표에 의해 제한되고자 하는 의도는 없다. 석탄 분진 슬러리를 태우고자 의도한 것은 아니다. 이는 단일상 연소 영역으로 운전하기 위해 설계되었다.
다른 이들은 다양한 공정상 및 경제적 이유 때문에 연소 전에 석탄을 미분화하는 것을 선택한다. 석탄은 많은 바이오매스 및 그 외 분말 공급원 연료에 비해 훨씬 미분화하기 쉽다. 일부 석탄입자 분포는 폭발성 범위 내의 입자를 현저한 양 포함하고, 다른 것은 실직적인 양을 포함하지만, 이들은 우리가 개시하는 폭발성 모드의 이론과 실제 및 단일상 연소 영역을 사용하여 연소되지 않았다. 다양한 타입의 호그 연료에도 동일한 사항이 적용된다. 오히려, 이러한 미분화된 연료는 전통적인 버너 및 퍼니스, 이상적으로 교반되는 반응기 기술, 하드웨어, 기술 및 접근 방식을 이용하는 공정 및 2상 영역을 사용하여 연소되어 왔고 연소되고 있다.
당해 기술 분야의 통상의 기술자는 주어진 현재 기술의 실시예에 대하여 우리의 개시 내용을 실시하기 위해 무엇이 중요하거나 필요하지 않은지를 인식함으로써 종래 기술로부터 본 발명을 용이하게 차별화할 수 있을 것이다. 이러한 비교는, 근본적으로 상이한 유체 역학 단일상 영역 모방 및 실시된 방법과 함께, 추가로 우리의 개시 내용의 독창성을 입증한다.
도면의 상세한 설명
도 1A는 2개의 입자 크기 분포를 개념적으로 묘사하고 있는 2개의 곡선(10, 11)을 도시하고 있다. 우리의 독특한 분말연료 에너지 전환 공정에 대한 중요한 요소는 곡선 (10)에 보이는 바와 같이, 수 미크론으로부터 200 미크론 부근까지의 입자 크기를 가지는, 실질적으로 폭발성인 분말을 연료로서 바람직하게 사용한 것이다.
200+ 미크론 한계보다 훨씬 큰 목재 입자는 전형적으로 폭발성이 아니며, 통상의 2상 영역으로 더 천천히 타게 된다. 폭발성에 대한 실제 크기 한계는 상이한 타입의 바이오매스 및 그 외 폭발성 분말에 대하여, 입자 표면적-대-부피 비율, 입자 종횡비, 백분율 수분, 백분율 휘발물, 분말/분진의 발열량, 온도, 분산 농도, 입자 내부 구조 형태학 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다수의 변수에 기초하여 변화한다. 200 +/- 미크론이라는 용어는 본 개시에서 총칭적으로 폭발성 및 비폭발성 분말 사이의 경계선을 나타내기 위해 사용된다. 상이한 타입의 바이오매스 및 그 외 분말연료를 위한 실제 입자 크기 직경은 다양한 자원 (Dust Explosions in the Process Industries, R.K. Eckhoff)에서 확인할 수 있다.
일부 방법에서, 입자 분포의 폭발성의 기본 척도는, 프로판 및 그 외 액체 및 가스 연료에서 통상 보여지는 단일상 연소 영역을 모방하여 수십 밀리세컨드 내에 우리가 개시한 다양한 버너에서 그의 최대 입자를 포함한 상기 분포가 폭발성 모드로 플래시 연소하는 능력이다.
도 1A의 오른쪽의 분포(11)은 비폭발성 범위 내에 지배적인 입자들을 가진 넓은 범위의 입자 크기를 포함한다. 목재칩, 톱밥, 연마 폐기물, 호그 연료, 석탄 및, 전체 나무와 탄화수소계 연료에 이르는 그 외의 연소성 바이오매스는 보일러, 동력 장치 및 기타 통상적인 모드를 위한 대형 퍼니스 내에서 수년 동안 본 개시에서의 다수의 참조 문헌에서 인용된 바와 같이 태워져 왔다. 더 최근에는, 상기 문헌은 혼합연료 및 공-연소 버너와 우세하게 비폭발성인 분진 및 분말을 위한 연소 스킴을 기재하고 있다. 일부의 입자 크기 분포는 폭발성 범위에 들어갈 수 있으나, 현재 기술의 응용은, 종종 폭발성 범위에 속하는, 입자 분진과 미세 입자(fine)의 폭파 위험을 피하려는 규정된 선택에 의해, 비교적 큰 평균 입자 크기를 가지고 에너지를 생산하려는 경향이 있다. 입자 크기 분포는 우리의 개시 내용과 현재 기술 사이의 주요 차별인자이다.
도 1B는 50 내지 80 미크론 평균 주변을 중심으로 하는 이상적인 입자크기 분포(12) 및, 바이오매스와 그 외 분발화 공급원으로부터 다양한 타입의 실질적으로 폭발성인 연료 내에서 발견되는 보다 일반적인 곡선(13)을 묘사하고 있다. 곡선(13)은 오른쪽으로, 평균 또는 중간값이 나타내는 것보다 더 큰 입자들의 모드를 향하여 심하게 기울어져 있으나, 여전히 폭발성 영역 내이다. 이러한 기울어짐은 체질로부터 사용된 더 선별적인 분리 기술까지의 제조 공정에 주로 기초한 것이다.
모든 제조 공정과 같이, 바람직한 영역의 바로 바깥쪽에 속할 수 있는, 전체 분포의 소수의(minor) 부분이 통계학적으로 존재하는 경향이 있다. 이러한 양은 제조 및 분리 장비의 재현성과 함께 경제적 처리량 모델에 따라 어느 정도 조정 가능한 것이다. 일부 용도를 위해서는, 곡선의 이러한 오른쪽 꼬리 부분이 연료의 상이한 품질 수준 또는 등급의 이유가 된다.
실질적으로 폭발성인 분말 분포 (15, 16, 17)의 이러한 상이한 형상을 도 1C에 묘사하였다. 여기서 발명의 구현예에 대한 입자 크기 분포는, 용도 및 경제에 기초하여, 다양한 통계학적 특성을 가질 수 있다.
분말 입자 분포가 곡선(16)에 의해 나타내어지는 중간값 모드를 가지는 분말 분산을 선택함에 의해, 현실적으로 폭발성이 되기에 적합하도록 충분한 산화가스가 존재하기만 하면, 분말 입자의 표면적, 분말의 에너지 함량, 산소와 같은 산화제의 농도, 분말과 산화제의 온도 및 열전달율과 같은 변수에 무관하게 폭발성인 분산을 얻을 수 있다. 따라서, 여기서 본 발명의 구현예는 다양한 분말 물질에 요구되는 조정이 거의 없이 분말연료의 분산을 폭연시킬 수 있다.
도 2A는 분말 입자의 입자 크기와 입자 연소시간 사이의 일반적 관계(20)을 나타낸 것이다. 점선(14)는 분말에 대한 폭발성 한계, 즉 그 이상에서는 분산이 비폭발성이 되는 문턱값을 나타낸다. 이러한 문턱값은 분산마다 그리고 위에 언급한 다른 인자에 따라 변한다. 예를 들어, 산화제의 농도에 관해, 특정 분말을 포함하는 제1 분산은, 상기 분산이 20.95% 산소를 가지는 공기를 포함하는 경우 폭발성이 아닐 수 있는 반면, 동일한 분말을 포함하는 제2 분산은, 상기 분산이 순수 산소를 포함하는 경우 폭발성이 될 수 있다. 분말의 폭발성 한계를 결정하기 위한 방법과 장치에 대하여는, W. Bartknecht의 Dust Explosions : Course , Prevention , Protection을 참조한다.
도 2B는, 열전달율과 입자크기 사이에 일반적인 반비례 관계(22)가 있고, 곡선의 가장 지배적인 부분은 폭발성 분말 영역에 존재하는 것을 보여준다. 보다 작은 입자에 대한 열전달율은 일반적으로 더 큰 입자에 대한 것보다 크다. 다시, 점선 (14)는 폭발성 한계를 나타낸다. 도 2B의 곡선은 500㎛ 정도의 큰 입자로 주로 이루어진 연료가 왜 현저한 기간의 시간 동안 퍼니스에 머물러 있어야 하는지에 대한 설명을 제공한다.
도 3은 Eckhoff 로부터 취해진 그래프의 매칭된 세트를 나타내는데, 첫 번째는 산화가스 내에 분산된 폭발성 분말연료에 대한 연료 농도의 함수로서의 최소 요구 점화 에너지(30)를 나타낸다. 폭발성 분말은 농도 하한선(32) 내지 농도 상한선(34) 사이의 산화가스를 가진 농도 범위에서만 폭발성이다. 위쪽의 임계 농도보다 높은 경우, 산화가스의 농도가 너무 낮아 모든 연료를 태울 수 없다. 아래쪽 임계 농도 미만에서는, 타지않은 입자를 점화시키도록 타고 있는 입자로부터 타지 않은 입자로 충분한 열을 전달하기에는 입자가 너무 떨어져 있다. 입자를 점화하기 위해 요구되는 최소 점화 에너지는 36에서 폭발성 농도 범위 내에서 최소값을 가진다.
도 3은 또한 산화가스 내에서 폭발성 분말연료 분산에 대하여 화염속도(38)를 연료 농도의 함수로서 개략적으로 나타내고 있다. 다시, 화염속도는 하한 농도(32)와 상한 농도(34) 사이의 폭발성 입자 농도 범위에서만 관련이 있다. 이 곡선은 당량비 λ에 대한 화염속도의 유체 역학적 묘사를 연상시킨다.
공업적 분진 폭발의 관점에서, 이들 곡선은 비교적 좁은 폭발 범위를 나타낸다. 그러나, 우리의 연소 공정의 시각에서는, 단일상 연소 영역이 작동하는 농도 범위는 보다 넓고 관대하다. 최고의 화염속도로 가장 격렬한 폭발을 개시하기 위해 요구되는 최소 에너지는 λ > 1인 화학양론 보다 어느 정도 큰 농도에서이다. 또한, 화학양론적 농도와 관련하여 고체입자의 분진 분산에 대한 폭발성의 범위가 프로판, 메탄, 또는 가솔린과 같은 액체 또는 기체 연료에서 확인되는 어떤 범위보다도 훨씬 크다는 것도 주목할 만한 것이다.
도 4는 산화제 내에서 예비 혼합된 고체 입자의 이동 흐름(42)의 계면에서 정상 폭연 화염 파면(40)의 연소를 묘사한 것이다.
본 구현예에서, 우리는 수평 오거(auger)의 기부(base)로부터 파우더를 공급하여, 이를 공기와 함께 분산으로 혼합하고, 이어서 이러한 분말-공기 혼합물을 노즐을 통해 우리의 버너로 화학양론 보다 상당히 높은 농도, λ = 3 - 4에서 예비 혼합 화염속도 이상의 속도로 공급한다. 연소는 버너 내부에서 필수적으로 정상 파면으로 발생하는 바, 이는 그 농도가 감소하고 재순환을 통해 난기류 혼합이 일어나는 구역에서 느려지고 넓어진 분말 분산 상에 균형을 잡는다. 우리는 이하를 2단계 연소라 부른다.
제1 단계 (45)에서, 예열구역 I (44)에서 작동하는 주요 공정은 분산상의 가열이다. 화염 선단은 가스의 가열이 주요 동력학(dynamic)인 반응구역 II (46)으로의 전환선이다. 다이어그램은 입자 반응물의 새로운 공급이 폭연을 위해 여기서 기술한 버너 안으로 계속하여 들어오면서 예열구역 I (44)와 반응구역 II (46) 사이의 연속적인 가스-입자 전도성 열전달을 강조하고 있다. 도식적인 온도 반응 프로파일(48)이 버너 내부에 겹쳐져 있다.
제2 단계(47)에서, 고온 입자가 연소 온도에서 계속하여 움직이는 동안 산소는 반응구역 II의 어딘가에서 고갈된다. 제2 단계는 혼합을 촉진하는 각도 및 대략 화염속도의 10배의 속도에서 고속 2차 공기 (49)를 도입함과 함께 시작된다. 적절한 산화제는, 제1 단계에서와 같이 단지 반경이기보다는, 입자 반경의 제곱(R2)에 관련된 시간 내에 발생하는 빠른 공정인 탄화물 연료소진을 완성한다.
도 5A 및 5B는 현상의 기본적 연소 및 유체역학의 요약을 제공하며, 비폭발성 입자에 대한 폭발성 연소 간의 근본적으로 다른 거동을 상술한다. 비교 용어 또는 문장의 리스트를 도 1A의 폭발성 및 비폭발성 입자 크기 분포 곡선의 형상에 중첩시켜 우리의 작동과 종래 기술 간의 고유한 차이점을 강조하였다.
도 5A는 비폭발성이고 보다 전통적인 연소 모드에서의 작동과 비교하여, 우리가 개시한 장치 및 연료를 폭발성 영역에서 작동시켰을 때 관찰되는 기본적 연소 현상을 요약한 것이다. 핵심적인 연소 영역 차이의 이러한 개괄적 요약에서 각각의 항목은 우리의 개시의 다른 부분에서 상세히 논의된다. 전체적으로 보았을 때, 상기 요약은 당업자를 포함한 많은 이들에게 익숙한 연소 용어로 우리의 개시 내용의 신규하고도 놀라운 본성을 명확하게 한다.
도 5B는 우리가 개시한 장치 및 연료를 폭발성 영역에서 작동시켰을 때 관찰되는 유체 역학적 공정과 현상을 현재 널리 이용되고 있는 비폭발성 연소 모드에서의 작동과 비교하여 요약한 것이다. 핵심적인 연소 영역 차이의 이러한 개괄적 요약에서 각각의 항목은 우리의 개시의 다른 부분에서 상세히 논의된다. 전체적으로 보았을 때, 상기 요약은 당업자에게 익숙한 유체 역학 및 연소 역학 용어를 사용하여 우리의 개시 내용에 기재된 이러한 실행되지 않았던 연소 영역의 신규하고도 놀라운 본성을 명확하게 한다.
본 발명의 버너 시스템은 바람직하게는 5개의 섹션을 포함한다. 도 8은 본 발명의 제1 구현예의 버너를 도식적으로 나타낸다. 버너 시스템(80)은 분말연료의 공급을 위한 분말연료 공급 시스템(82) 및 산화가스의 공급을 위한 산화가스 공급 시스템(84)을 포함한다. 분말연료 공급 시스템(82) 및 산화가스 공급 시스템(84)에 의해 공급된 분말연료 및 산화가스 혼합물은 혼합 구역(85)에서의 혼합된다. 혼합 영역(85)에 의해 공급되는 폭발성 분산 유도 시스템(86)은 폭발성 분산을 인클로저(도시하지 않음)의 경계 내의 점화 공급원(88)을 향해 유도한다. 점화 공급원(88)은 폭발성 분산 유도 시스템으로부터 하류에 위치하며, 폭발성 분산을 위한 폭연 화염을 개시한다. 분말연료 공급 시스템(82), 산화가스 공급 시스템(84) 및 혼합 영역(85)를 집합적으로 용적식 분말 분산 공급 시스템이라 부른다. 각각의 부분에 대하여 이하 상세히 기술한다.
도 9는 본 발명의 바람직한 구현예에서 버너 시스템을 도식적으로 나타낸 것이다. 분말연료 공급 시스템(82)은 분말연료 저장 용기 (91), 연료 진동 장치(92), 연료 계량 장치(93), 사용 계량기(94), 및 연료 공급 동력원(95)를 포함한다. 진동 장치(92)는 연료 저장 용기를 진동시켜 연료의 군집(clumping)을 감소시키고 바람직하게는 중력에 의해, 저장 용기(91)로부터 계량 장치(93)까지 연료의 흐름을 유지한다. 연료 공급 동력원(95)는 계량 장치(93)에 의해 제어되는 연료 공급의 비율을 제어하고, 사용 계량기(94)는 계량 장치(93)에 의해 공급된 연료의 양을 기록한다. 산화가스 공급 시스템(84)은 산화가스 공급원(96) 및 가스 계량 장치(97)을 포함한다. 폭발성 분산 유도 시스템(86)은 압축 장치(constriction device: 98) 및 노즐로부터 하류에 화염 안정화 시스템(99)를 포함한다. 분말연료의 이송 또는 저장 중 형성될 수 있는 연료 응집물을 해산하기 위한 집적 장치(agglomerization device: 100A, 100B, 100C)는 선택에 따라 연료 계량 장치(93) 내에 혹은 그 후에, 혼합 영역(85) 내에 혹은 화염 안정화 시스템(99) 내에 위치할 수 있다.
본 발명의 버너 시스템은 바람직하게는, 소정의 공급 비율로 분말연료를 공급하도록 분말연료 공급 시스템을 개시하고, 연료 점화 및 폭연 화염 생산을 위해 점화 공급원을 활성화시킴에 의해 켜진다. 산화가스 공급 시스템은 분말연료 공급 시스템의 개시 전에, 그와 함께, 또는 그 후에 개시될 수 있으며, 산화가스 공급 시스템으로부터의 산화가스는 분말연료를 점화 공급원을 지나 연소 인클로저로 운반한다.
본 발명의 버너는 바람직하게는 분말연료 및 산화가스를, 부하요건에 의존하여 시간에 따라 변할 수 있는, 소정의 공급 속도에서 폭연 화염으로 계속하여 공급함에 의해 온-위치에서 지속될 수 있다.
본 발명의 버너는 바람직하게는 분말연료 공급 시스템을 꺼지게 함에 의해 꺼진다. 산화가스 공급 시스템은 바람직하게는 분말연료 공급 시스템과 동시에 꺼지지만, 분말연료 공급 시스템이 꺼지기 전 또는 꺼진 후에 꺼질 수도 있다. 대안적으로, 산화가스 공급 시스템은 버너가 온-상태 또는 오프-상태일 경우 모두에서, 시간에 따라 변할 수 있는 소정의 공급 속도로 유지될 수 있다.
분말연료 공급 시스템
분말연료 공급 시스템은 바람직하게는 분말연료 저장 용기, 연료 진동 장치, 연료 계량 장치, 사용 계량기, 및 연료 공급 동력원을 포함한다. 분말연료 저장 용기는 바람직하게는 하향으로 경사진 저부를 가지는 임의의 크기 또는 형상일 수 있으며, 임의의 구조 재료로 만들어질 수 있다. 용기는 바람직하게는 필요에 따라 시스템으로의 분말연료 부가를 위해 용이하게 접근되거나, 혹은 멀리 떨어진 저장소로부터 공급된다. 연료 진동 장치는 저장 용기로부터 연료 계량장치로 분말연료의 흐름을 촉진하고 응집을 감소시키는 임의의 고주파수 장치일 수 있다. 연료 계량장치는 고체 물질을 조정 및 제어 가능한 속도로 공급할 수 있는 임의의 장치일 수 있으며, 스크류 오거, 컨베이어, 회전판 또는 그 외 계량 장치를 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 사용 계량기는 버너 시스템에 의해 사용된 연료의 양을 측정하기 위해 예를 들어 스크류 오거의 회전수와 같은 연료 계량장치의 사용을 계수하고 기록하는 임의의 장치일 수 있다. 연료 공급 동력원은 임의의 동력원일 수 있으며, 바람직하게는 전기적이고, 연료 진동 장치를 구동하고 연료 계량장치의 속도를 운전하고 조절하기 위해 별개의 혹은 동일한 동력원이 사용될 수 있다.
산화가스 공급 시스템
산화가스 공급 시스템은 바람직하게는 산화가스 및 가스 계량 장치를 포함한다. 산화가스 공급 시스템을 위한 산화가스는 공기, 산소 또는, 그 외 산소를 포함하는 가스의 임의의 조성물일 수 있다. 산화가스 공급원은 주변 공기, 압축 공기 또는 압축 산소일 수 있다. 가스 계량 장치는 밸브, 펌프, 블로어(blower) 또는 산화가스의 공급율을 제어하는 임의의 장치일 수 있다. 산화가스 공급 시스템을 구동시키는 동력 공급원과 분말연료 공급 시스템을 구동시키는 동력 공급원은 동일하거나 상이한 동력 공급원일 수 있다. 산화가스는 1 또는 2 단계 연소를 지지하기 위한 2차 공기의 공급원으로서 버너에 별도로 공급된다.
혼합 구역
혼합 구역은 산화가스와 분말연료가 함께 한 후 이들이 서로의 사이에 배치될 수 있도록 하는 버너 시스템의 구역이다. 혼합 구역은 이상적으로는 산화가스가 분말연료를 개개의 입자로 해산시키고 분배할 수 있게 하여, 이들이 폭연 화염에 도달했을 때 합리적으로 균일한 폭발성 분말로서 거동한다. 혼합 구역은 체임버, 도관, 에듀케이터(educator), 또는 체임버와 도관의 조합일 수 있다. 혼합 구역은 바람직하게는 산화가스의 난기류 흐름에 의해 분산을 생성할 수 있도록 설계된다.
점화 공급원
본 발명의 버너를 위한 점화 공급원은 PDPD 시스템에 의해 공급되고 화염 안정화 시스템에 의해 형성된 연료-가스 분산 내의 폭연 화염을 개시함으로써 버너를 켜도록 사용된다. 본 시스템의 버너는 바람직하게는 연료 공급이 끊어질 때까지 온(on) 상태로 남아 있기 때문에, 점화 공급원은 온/오프로 펄스되거나 혹은 연속적일 수 있다. 점화 공급원은 바람직하게는 전기 아크 점화 공급원이거나 혹은 그 외 종래의 스파크 점화기와 같은 스파크 공급원일 수 있다. 그러나, 점화 공급원은 대안적으로는 가스 화염 종화, 예열 플러그(glow plug) 또는 임의의 전자 점화 장치일 수 있다.
폭발성 분산 유도 시스템
버너 또는 폭발성 분산 유도 시스템은 PDPD로부터 노즐을 통해 혼합된 분산을 수용하고 폭연 파동의 개시를 위해 이를 점화 공급원으로 전달한다. 또한 폭발성 분산 유도 시스템은, 버너용의 특정 응용분야를 위해 버너를 최적화하도록 분산의 유체 역학 및 폭연 파동을 이용함으로써 공정을 조절한다. 폭발성 분산 유도 시스템은 구속 장치(constricting device) 및 화염 안정화 시스템을 포함한다. 구속 장치는 폭발성 분산이 화염 안정화 시스템으로 공급될 때 그의 속도 및 면적을 제어한다. 한 구현예에서, 구속 장치는 노즐이다. 화염 안정화 시스템은 분말연료의 연소 보급 공기 시스템(combustion makeup air system)을 제어하도록 설계되고, 능동 또는 수동 2차 공기 시스템뿐만 아니라 탈-응집화 시스템을 포함할 수 있다.
실제 버너 설계 및 시험을 시작하기 전에 연소의 동력학에 관하여 알기 위해 수평의 구속받지 않은 공기-분말 분산을 태우는 다수의 시험을 수행하였다. 공기를 버너로 공급하는 리프 블로어(leaf blower)를 사용한 짧은 일련의 시험이 유익하였다. 우리는 다음의 사실을 알게 되었다: 1) 화염속도는 중요하며, 폭발성 분말의 경우 비교적 낮다. 200mph 공기 속도를 장점으로 내세우는 3-포트 분산노즐을 통한 전 출력(full power)은 단지 너무 많다. 노즐 단부로부터 4피트 보다 가까운 분말-포화 공기 스트림을 점화하는 것은 거의 불가능하였다.
2) 공기 스트림 속도 (및 흐름)을 낮춤으로써 점화가 출구 노즐에 점점 더 가깝게 발생할 수 있다. 이러한 보다 높은 속도로, 점화되지 않은 공기-연료 혼합물은 여전히 화염속도보다 빠르게, 따라서 버닝 구역 자체를 이동한다.
3) 속도와 흐름 모두를 위한 최저 모터 속도는, 화염 방사기(flame thrower)를 연상시키는 폭발성 혼합물을 생산하였다. 단지 리프 블로어 최저 속도에서 화염이 점화점으로부터 측방향으로 확산되었다.
4) 연료/공기의 하적(pickup)을 공급하기 위한 튼튼하고 일관된 계측 시스템, 혼합 시스템 및 운반 시스템에 대한 요건 및 이들의 장점은 매우 명백했으며, 이처럼 거칠지만 유익한 실연(demo)은 별로 가지지 않았다.
5) 공기-분말 혼합물의 질량 흐름 속도가 폭연 파면 속도에 근접하거나 이보다 약간 높기만 하면 초기 화염 선단이 형성되었다. 이어서, 버닝은 뒤로 (상류로) 이동하여 점화 공급원으로부터 안정화된다. 이것이 일어나면, 구속(containment)을 가진 점화 후 자기-지지형 연소가 가능해진다.
도 10A는 화염이 없이 본 발명의 구현예에서 수평의 폭발성 분말연료 분산을 개략적으로 나타낸 것이다. 분말연료 분산(100)은 유체 역학적 거동을 묘사한다. 콘(cone)의 대부분 내에서 eXair 공기 증폭기를 탈출하는 흐름은 초기에는 유도된 스트림이다. 정상 상태의 공기가 도입되어, 뚜렷한 회오리 및 항력 와류(drag vortex)가 생성되면서 난기류가 분산 흐름의 에지에서 원주를 따라 신속하게 시작된다. 고속 분산 제트 흐름은 높은 전단을 생성하여, 난기류를 초래하고, 정상 상태의 공기 흐름은 빠르게 움직이는 공기-입자 혼합물에 의해 유도된다. 회오리 및 파동(104)가 이러한 분기하는(diverging) 콘 둘레에 즉시 명백해지며 심지어 중력 효과가 확연해지기 전에도 공기-입자 질량 흐름의 감속에 기여한다.
속도는 서서히 분기하는 콘의 중심 부근에서 높고, 점화에 혹은 지속되는 연소에 즉각적으로 순종하지는 않는다. 증폭기 노즐 출구 후에 첫 번째의 수 피트 내에서는 입자의 낙진(fall out)은 거의 없거나 혹은 가시적이지 않다. 점화 없이 용이하게 관찰되는 미세한 미점화 분말은, 공간 전체를 통해 균일하게 분산하는 경향이 있고, 배출 속도가 0에 접근함에 따라 단지 땅으로 떨어지지 않는다. 서서히 분기하는 구름에 남아있는 입자는 미세 분말의 균일한 분산을 형성한다.
도 11은, 정상 상태의 공기로 불어넣어진 미점화 수평 분산(110) 부유고체의 속도 및 운동량에 대한 중력과 난기류의 효과를 도시한 것이다. 제1 영역은 고전단에 의해 둘러싸인 고속 흐름, 낮은 압력의 실내 분위기 및 결과적인 에지 흐름 항력 유도 난기류 및 베르누이에 의해 예상된 바와 같이 그 결과로서 일어나는 혼합을 특징으로 한다. 이러한 현상은 약 4 피트 동안 계속되며, 느려지는 속도 및 감소하는 운동량의 제2 영역으로 약해지고, 여기서 분산은, 극단의 에지에서의 일부 난기류 및 감쇄(thinning)를 제외하고는 매우 균일하다.
약 8피트에서 분산 입자는, 운동량의 손실로 인해 중력의 영향 하에 놓이면서 분진 유사 분말이 침강하기 시작하는 제3영역으로 들어간다. 모든 바람직하지 않은 과대의, 고질량의 입자, 특히 특정 직경 내에 들지만 종횡비가 2보다 큰 입자는 제3 영역의 말단까지 탄도 모드에서 유지되고, 여기서 이들은 중력에 굴복한다.
도 12A 내지 도 12D는 수평 분산의 비구속적 자유 공간 점화를 도시한 것으로, 점화점 위치가 4개의 증분에서 노즐 공급원으로부터 멀어지게 이동한다. 실질적으로 폭발성인 공기-분말 혼합물의 폭연에 대한 대부분의 통찰은 이러한 시험에 있어 상세한 관찰과, 작용 중인 다양한 물리학 및 유체 역학적 현상의 이미지 분석으로부터 얻어질 수 있다.
공기-분말 예비 혼합물이 eXair 공기 증폭기로 들어가고 여기서 최종 분산 및 속도 증폭이 완료된다. 폭발성 분말 분산은 eXair 노즐을 초기에는 빠른 움직임으로 탈출하고, 분산 화염속도보다는 훨씬 높은 속도와 함께 화학양론의 수 배의 농도에서 서서히 분기한다.
우리의 바람직한 공정 공급 설정에서, 노즐 출구에 직접 적용된 프로판 토치(torch)는 혼합물을 점화시키지 않는데, 속도가 화염속도보다 여전히 높기 때문이며, 이는 0.5 내지 1+ 미터/초 범위이다. 높은 고체 연료 농도는 폭발성 영역에 있을 수 있지만 점화는 속도-억제된다.
최상부 화염 프로파일에 나타낸 바와 같이, 노즐로부터 약 2인치 내에서, 폭연 화염이 도 12A의 점화점(122)에서 분출한다. 프로판 토치에 의해 지지된 연소와 함께, 정상 상태의 실내 공기는 유체 질량 흐름에 의해 비말 동반되고, 난기류성 회오리는 앞으로 움직이는 한편 전단의 결과로서 공급원을 향하여 서서히 뒤로 회전한다. 이는 원주 둘레에서 공기-연료 혼합물을 직교류(corss flow) 방향으로 바꾼다. 고속 스트림에 의해 비말 동반된 실내 공기의 "무한" 공급은 또한 연소 공기의 공급원이며, 베르누이 원리에 따른다. "더 늦은 분진(slower dust)"은 화염속도 근처 또는 화염속도에 있을 때에 잘 연소한다.
본 구현예에서 화염은 자기-지속형이지 않지만, 점화 공급원 프로판 토치가 제자리에 수직으로 유지되는 한 안정한 모드로 계속해서 타게 된다. 관찰되는 변동은, 모든 고체 연료가 소비됨에 따라 고온 가스의 일정한 팽창 및 상향 흐름과의 난기류 상호작용에 기인한다. 이러한 고체 연료 스트림은 관찰 가능하거나 지각 가능한 냄새, 그을음, 또는 잔류 입자 없이 그야말로 "프로판처럼 탄다".
도 12A의 점화점(122)에서는, 폭연 화염 선단 파동의 상류 또는 하류의 이동이 없고, 실질적으로 폭발성인 공기-분말 혼합물의 화염속도와 분산 질량 흐름 속도의 조화(match)가 있다. 화염 선단 라인은 왼쪽으로 약간 기울었지만 수평 흐름 스트림을 가로질러 거의 수직이다.
점화기가 도 12B의 점화점(124)에 대하여 왼쪽 (하류)으로 노즐 출구로부터 약 8인치 이동하면, 폭연 화염은 폭발성 모드에 있는 모든 분산 고체 연료 분말 부유를 계속하여 소비한다. 속도 및 농도가 어느 정도 감소하면서, 실제 화염 선단은 점화점으로부터 상류로 2 내지 3인치 이동하여 필수적으로 정상 상태로 남아있다. 적절한 점화점에서의 전형적인 버닝(burn)은 거의 완전한 연소를 가져오며, 입자 낙진은 거의 또는 전혀 없다.
도 12C의 점화점 (126)은 노즐 출구로부터 하류로 1피트가 조금 넘는다. 뚜렷한 역화(backfire)가 존재하며, 공급원을 향해 뒤쪽으로 4+ 인치에 도달하고, 여기서 미사용 반응물의 스트림이 도달함에 따라 정상 상태로 남아 있게 된다. 화염 파동의 훨씬 왼쪽의 "꼬리부"는 난기류 혼합의 효과로서 멀리 점화와 함께 더 약해지고, 산화제의 감소 및 재공급과 입자 버닝으로부터의 상향의 가스 팽창은 분산 균일도의 변동성에서 그리고 따라서 연소에서의 영향을 증가시킨다.
도 12D의 점화점(128)은 이러한 일련의 시험에서 노즐 공급원으로부터 가장 멀리, 하류로 약 16인치에 존재한다. 분산이 그의 이동에 있어 점점 더 불안해지고, 기하학적으로 뿐만 아니라 공기-연료 농도의 화학양론적 값에서도 모두 넓어짐에 따라 버닝에서 뚜렷한 변화가 관찰된다. 폭발성 이하의 농도에서 혹은 그의 연소 소비를 방해하도록 결합되는 온도에서 폭연하는 화염 구름을 둘러싸고 타지 않은 분말이 관찰된다. 점화점(128)은 우리의 바람직한 방법과 공정의 바람직한 작동영역을 벗어나는 것으로 생각되지만, 우리의 개시를 상세히 설명하기 위해 여기에 포함시킨다.
이러한 시험에서, 우리는 또한 수평 분산을 가진 eXair 공기 증폭기의 유용함을 관찰하였다. 구체적으로, 초음파 탈응집화 기능없이 작동하는 경우, 공기 증폭기 난기류는 잔류하는 임의의 입자 응집물의 최종의 파괴적 해산 및 혼합을 수행하고, 이로써 혼합 영역으로부터 노즐까지 단순 압력 구동 스트림과 비교하였을 때 버닝 스트림 주위에서 임의의 결과적인 미립자 "낙진"을 감소 또는 제거한다.
전형적인 연속 스파크 연료 오일 점화기 전극 구조를 이러한 유체 스트림에 도입하는 것은, 결코 점화되지 않을, 점화기 위치의 하류로 약 8인치 내지 1피트에서 입자의 국지적 난기류 및 중력 유도 낙진을 초래한다. 정상 표면과의 충돌이 적절하고 바람직한 조작을 방해하기 때문에 어떠한 구조물도 가스-분말 분산 연료 흐름 내에 위치할 수 없음이 이러한 간단한 시험에 의해 명확해진다.
낮은 분말연료 및 산화제 흐름(약 10:1 턴다운 비)에서, 이러한 동일한 기본적 현상이 관찰되나, 규모는 상당히 감소된다. 점화점이 노즐로부터 멀어짐에 따라 폭연 화염의 길이, 직경 및 부피는 현저하게 그리고 비례적으로 감소한다. 가정용 난방의 관점에서 초기 시험은, 시간당 약 20,000 BTU에서 열수 히터 요구를 모방한 낮은 흐름과 함께 시간당 약 200,000 BTU의 일반적 퍼니스 가열율로 수행되었다.
도 13 및 그 이상의 도에서의 수직 연소는 일부의 장점을 가진다. 이는 가스상 및 일부의 액체 버너에서 공통되지만, 고체 연료에서는 그러하지 않다. 연소 전 및 연소 동안 분말 미립자 분산에 대한 대칭 효과를 달성하기 위해, 실질적으로 폭발성인 분말 분산에 대해 단순히 위쪽으로 타는 수직 연소 인클로저를 생성하도록 물리학, 동력학 및 유체 역학의 원리를 이용하는 수직의 공기-연료 혼합물 흐름을 가지고 연구를 시작하였다. 무한히 평평한 플레이트로부터 위로 올라가는 수직형 제트는, 특정한 흐름 패턴을 따르며, 이는 버닝 없이 분말이 떨어져 나가게 한다. 우리의 경우에서, 우리는 500:1 내지 1000:1 사이의, 분말과 가스 사이의 큰 밀도 차이를 가진다.
가스 스토브 상의 버너는, 매우 넓은 동적 범위에 걸쳐, 작업을 잘 수행하기 위해 한정될 필요가 없다. 이는 예비 혼합된, 화학양론에 가까운, 예열된, 잘-분포된 혼합물을 화염 홀더(flameholder) 밖으로 보내며, 여기서 이는 깨끗하게 타게 된다. 이는 효과적으로 제로 연료-공기 밀도 차 및 진정한 단일상 작동을 가지는 것을 돕는다.
폭발성 분말의, 수평 저속 제트의 경우 분말을 연소 구역 내에 한정되게 유지하는 것은 어려운 일이다. 분말을 자유 공간으로 내뿜는 우리의 수평 제트는 200 메쉬의 분말과 함께 가장 잘 작동한다. 우리의 사양 밖의 분포를 가진 큰 입자 또는, 80 메쉬의 소나무 또는 베이킹 파우더를 포함한 밀가루와 같이 비감소(non-reduced) 응집물로 이루어진 연료를 사용한 경우, 분말의 일부는 타는 반면, 다른 부분은 탄도 경로를 따라 결국에는 타지 않은 채 중력에 의해 바닥위로 떨어지게 된다.
자유 공간으로 내뿜어지는 수직 제트는, 중력의 효과가 중심 흐름축 둘레로 균일하게 분포되어 비대칭적 입자 거동을 제거하므로, 유사하지만 덜 심각한 문제를 가졌다.
초기 수직형 캔 버너, 및 이후의 스토브 파이프 모델의 목적은 1차 연료-공기 흐름을 대칭적으로 한정하여 분말이 공기 분산 내에 남아 있는 한편, 가스로부터 입자로 급속 열전달을 촉진하도록 난기류 혼합을 이용함으로써 정상 상태의 폭연 파면을 가진 지속된 연소를 위한 매우 충분한 온도 환경을 유지하는 것이다.
수직형 분산은 모든 분말, 특히 너무 조밀하거나 너무 거친 분말이 제트 연소 구역 내에서 부유되고 구속된 상태로 머무르며 스토브 파이프 버너 내에서 탈 수 있게 한다. 매우 낮은 유량에서는, 측벽이 "자유 공간"에 유사하게 충분히 멀리 떨어져 있어 필요한 난기류 재순환을 제공하지 않기 때문에, 대형 버너 직경의 성능이 떨어지고 불안정화하기 시작한다는 것을 이해해야 한다.
이하 섹션에서는 연대기적 순서로 개발, 제조 및 시험된 다수개의 버너 폭발성 분산 지향 시스템 설계에 대하여 살펴본다.
도 13은 본 발명의 제1 캔 버너 구현예를 보여준다. 첫번째의 지속적 버닝(burn)은 PDPD 및 분산 지향 시스템에 의해 생성된 공기-연료 분산이 화염속도보다 조금 높은 속도에서 제1 수직 버너 (130) 인클로저 설계 내로 수직으로 공급될 때에 달성되었다. 이러한 제1 버너는 6인치 직경 x 6 3/4 인치 높이의 커피 캔으로부터 제조되었다. 이는, 감지 가능한 연기 또는 그을음 없이 캔 위로 수 피트를 올라가는, 크고 보다 게으른(lazy) 짙은 주황색의 폭연 화염을 생성하였다.
추가의 답이 분말-공기 혼합물 흐름, 난기류 혼합, 이용 가능한 연소 공기, 버닝 가스 파면의 동력학, 폭발성이면서도 더 큰 버닝 입자의 중력 효과 및 공기/분말 혼합물의 실제 스트림 속도 사이의 복잡한 관계에 묻힌 채 발견되는 것은 즉각적으로 자명하였다.
우리는 이러한 제1 지속 연소 버너 시험으로부터 수직형 버너는 난기류의 재순환하는 공기 흐름으로 하여금 타고 있거나 미점화된 무거운 모든 입자를 고온 가스 혼합물을 따라 "다시 가져올 수 있도록 한다"는 것을 알게 되었다. 에지 둘레로 상당한 하강기류(downdraft)를 가지고 이러한 공기-결핍의 상황을 제공하기 위한 대량의 난기류가 캔 내부에 존재하였다. 이러한 하강기류는 강한 전단을 도입하고 이로써 중간 크기의 커피 캔의 내부벽과 흐름 콘의 둘레 사이에 형성된 팽팽한 경계 구역 내에서 그렇지 않으면 균일할 흐름 상에 난기류의 혼합 효과를 부가하였다.
이러한 하강 기류 또는 역기류(backdraft)의 본성은 상당량의 입자를 공급원으로 다시 되돌려서, 연료를 공급하고 주 화염(main flame)에 의한 점화를 유지하였다. "연소 구역" 주위 온도는 극적으로 상승하고, 지속된 점화/연소를 유지하였다. 가열되고 연소하는 공기/연료 혼합물의 대부분은 커피 캔 버너의 최상부 에지를 탈출하였다. 간단하지만 신규한 연소 체임버를 사용하여, 연소하는 분산이 더 느려져서 공급원을 떠났다. 우리는 이것이 연료 입자 크기의 결함 때문인 것을 후에 알게 되었다. 초기 점화와 급속한 후속의 버섯구름-유사 폭발 후에, 연소의 완전성은 감소하는 것처럼 보였고, 화염 및 스파크의 입자 본성은 더 확연하게 되었으며, 주 흐름 콘 둘레의 난기류 공기 소용돌이도 그러하였다. 그러나, 버닝은 자기 지속적이었다.
더 큰 80 메쉬 연목 소나무 및 200 메쉬 경목은 모두 수평 분산 보다 수직 버너를 가지고, 특히 최상부와 기둥 원주 상에서, 더 많은 스파크를 생산하였다. 이들 스파크는 후에 완전하지 않은 분산과 더불어 종종 커다란 입자 응집물에 있어 산화된 입자의 존재로 이해되었다.
도 14는 버너 바깥쪽 측벽의 저부 근방에 위치한 4개의 2차 공기 구멍(142)를 구비한 본 발명의 제2 캔 버너를 나타낸다. 버너 기부에 혹은 그 근처에 존재하는 공기구멍은 우리가 수동 2차 공기의 공급으로 부르는 것을 제공하여 다수의 공정을 통해 연소를 보조한다. 외부 공기는 연소 공정 및 분산 물질 공급(in-feed)에서 발생된 음의 통기(negative draft)의 힘에 의해 버너 인클로저 내부로 도입 또는 유도된다. 이러한 작은 구멍을 통해 버너 내로 들어오는 수동 2차 공기의 양은, 버너를 통한 압력 강하, 연료 흐름 연소율 및 연료 체임버 적층 높이를 포함하는 다수의 파라미터에 관련되어 있다.
버너 측벽 기부 상의 4개의 1인치 구멍으로부터의 2차 공기의 존재는 버너 내부의 화염 안정성을 향상시키고, 연소 정지(flameout) 없이 넓은 범위의 공기-분말 흐름을 가능하게 하였다. 버너 출구 위에 화염 구조는 "덜 게으르고" 더 작으며, 연소는 노즐로부터 감소된 거리에서 완료된다.
도 15는 본 발명의 2차 공기구멍(152)를 구비한 더 작은 캔 버너(150)을 나타낸다. 이 4" 직경의 캔은 원래의 6" 버너의 버전보다 규모가 작은 것이다. 이 구현예에서, 노즐 직경은 비례적으로 감소하지 않았기 때문에, 더 작은 양의 연소가 캔 내부에서 일어나, 토치와 유사하게 보인다. 가능하게는 감소된 물질 공급 노즐 직경을 가진, 이러한 크기의 연소 체임버는, 20,000 BTU/시간의 주거용 온수 히터와 같이 더 작은 열 부하의 응용 분야에 유용하다.
분말과 공기 사이의 500:1 내지 1000:1의 밀도차이 및 낮은 화염속도를 다룸에 있어, 목표는 정상 상태의 "이동하는(travelling)" 연소 파동 화염에 의한 소비를 위해 이러한 보다 고질량의 부유를 포함하고, 지지하고, 안정화하고 공중 부양시키는 한편, 버너 그 자체 내에서의 실질적인 연소 완료이다.
신속한 수직 분산 제트 기술은, 목표 속도보다 더 높은 초기 속도 및 더 큰 전단을 초래한다. 이것은 1차 연료-공기 혼합물 스트림에서 운동 에너지의 소실에 의해 난기류를 도입한다. 더 높은 속도의 1차 흐름은 분말의 중량을 지지하고 고립된 저부(closed off bottom)를 가능케 하여, 재순환, 지속되는 점화 및 연소기 내에서의 연소를 제공한다. 이러한 설계는 평평한 저부를 가능하게 하며, 갑작스런 압력의 불연속을 제공하는데, 이는 재순환을 위한 주된 추진력(driver)이고, 흐름의 넓은 작동 범위 및 단일 버너 크기용의 BTU 산출을 가능케 한다.
1차 공기-연료 스트림이 연소 체임버 내로 높은 속도에서 우리의 버너 인클로저로 들어올 때, 이는 압력을 감소시켜, 공기가 주위 면적으로부터 구멍을 통해 저압 지역으로 세차게 흐른다. 우리 버너에 있어 이러한 재순환 및 난기류 발생은, 가스 또는 유체의 흐름에 수직한 방향으로의 압력 감소를 예측하는 베르누이 원리 (베르누이 법칙)에 의해 설명된다. 베르누이 방정식은 이상 유체에 적용되는 바의 에너지 보전의 결과로서, 압력, (단위 부피 당) 운동 및 위치 에너지의 합은 유선류(streamline flow) 또는 층류(laminar flow)를 따라 모든 점에서 일정한 값임을 말한다.
공기-분말 스트림이 연소 인클로저 내로 노즐을 탈출할 때의 속도 차이는, 압력 차이가 있음을 의미하는 데, 이는 이동하는 유체가 정상 상태의 유체에 압력을 가하기 때문이다. 재순환 및 난기류는 이러한 밀봉된 환경으로 들어오는 운동학적인 고속 공기-연료 흐름으로부터의 결과적인 에너지 전달에 의해 개시된다. 유사하게, 고속 스트림은 다수의 버너 구현예의 기부 근처에서 수동 2차 공기 유입부로의 흐름을 유도한다. 일단 공기-연료 혼합의 점화가 발생하면, 고온 가스 팽창이 이러한 동력학 과정에 추가의 운동 에너지를 부가한다.
도 16은 하부 캔 (162)의 기부에 2차 공기 구멍(164)를 가지는 2개의 적층형 버너 캔(160, 162)를 도시한 것이다. 부가는 연소 체임버 길이를 약 13인치까지 2배로 하고, 추가의 연소 완료를 위한 환경을 제공함으로써 외부 화염 높이를 감소시킨다. 연소 체임버의 증가된 적층 높이는 진공을 증가시켜 버너 기부에서 1인치 구멍으로 수동 2차 공기를 도입하나, 전체 혼합물 연소는 최상부 출구보다 훨씬 아래에서 산소-결핍 상태로 되며, 이는 추가의 2차 연소 공기가 필요하다는 것을 보여준다.
도 17은 2개의 적층된 캔 (170, 172)의 상부(170)가 수직 상향으로 움직여서, 4개의 1인치 직경 수동 2차 공기 구멍(176)을 가지는 하부 캔과 함께, 연소 인클로저의 상부와 하부 캔 사이에 1인치 에어 갭(air gap: 174)를 생성하는 것을 보여준다. 이러한 갭(174)은 기부에서 4개의 구멍 또는 슬롯 위에 수동 2차 연소 공기의 제2 및 추가의 공급원을 제공한다. 갭을 통해 이러한 추가 공기를 공급함에 의해, 화염 높이가 낮아지고 산소-결핍 혼합물의 더 많은 연소가 이제 14인치 높이인 연소 인클로저 내에서 완료된다.
도 18A 및 도 18B는, 직교류(cross flow) 배향이라기보다는 축을 가지는 더 제어된 흐름 비율의 수동 2차 공기를 공급하기 위한 대안적 기술로서, 경사진 저부(182)와 조정 가능한 저부 공기구멍(184)를 구비한 버너 캔(180)을 도시한다. 경사진 저부는 타지 않은 임의의 미립자를 공기 스트림으로 다시 회송함에 의해 의도한 바의 기능을 한다. 저부 구멍의 2차 공기흐름 양을 제어하는 능력은 유용하였다. 조정 가능한 슬롯 또는 구멍을 구비한 장치가 이러한 방법에 대한 대안으로서 연소 체임버 인클로저 측면(side)에 유사하게 사용될 수 있다.
또한 본 구현예에 의해 확인된 것은 직교류의 가치로서, 이는 이후 수동 2차 공기의 "스위퍼(sweeper) 기능"으로 불리우며, 인클로저의 저부 근방의 공기 유입 구멍에 의해 이전의 원형에서 달성된다. 이러한 직교류는 더 큰 방사상 재순환 및 증가된 난기류 혼합을 제공하는 반면, 이러한 보다 축상(axial)인 2차 공기 흐름은, 1차 연소 공기를 위한 보급 공기의 특정량을 제공함에 의해 연소 완성을 위한 트림 제어(trim control)로서 뿐만 아니라, 폭연 화염 선단 수직 위치 및 타지 않은 입자를 위한 보다 넓은 양력 면적(lift area)을 제어하는 트림 방법(trim method)으로서 유용하다.
도 19A는 1인치 간격을 통해 능동 2차 공기를 공급하는 다수개의 구멍을 낸 공기 고리 (192)를 가진 이중 적층된 버너 캔(190, 191)을 도식적으로 보여준다. 또한 이러한 버너는 저부 캔(191)에 4개의 1인치 직경의 수동 2차 공기 구멍(193)을 가진다. 연소가 1단계에서 완전히 발달되고 공기-연료 예비 혼합이 점화 온도 또는 그 이상에 있은 후, 우리는 고속의 2차 공기를 산소-고갈된 환경으로 안전하게 도입하여 버너의 제2 단계에서 연소를 완성하였다.
공기가 화염속도 VF의 약 10배로 이동하는 단일 에어제트가, 버너 인클로저의 바깥에서 끝나는 구속되지 않은 폭연 화염의 공기-결핍된 연소 구역을 관통하는 경우, 2차 공기 연소의 효과 및 이점을 쉽게 관찰할 수 있다. 고속 2차 공기의 흐름 패턴이 라이트(light) 또는 깨끗한 속도 프로파일로서 보이고, 매우 과량의 산소가 노란색-주황색 화염의 내부에서 흩어지고 합쳐진다. 우리는 이를, 중간에 화염을 가지지 않은 "인사이드-아웃 블로우토치 화염" 또는 "반전된 토치"라 기재하며, 이는 "인사이드-아웃 완성"의 한 예이다.
이러한 2단계 연소를 입증하기 위해, 일반화되고 쉽게 제조되는 설계를 시험용으로 개발하였다. 고온의 1.5인치 ID 호스 (192)를 통상의 공급을 가진 폐회로로 조립하였다. 도 19B에서 볼 수 있는 바와 같이, 일련의 1/16인치 직경 구멍(194)를 상향 각도에서 링의 내부의 둘레로 반인치 중심 상에 구멍을 뚫어 능동 2차 공기의 완전한 공기 커튼을 제공하였다. 이러한 시험에서 공기는 단순 밸브 흐름 제어를 가진 원심 분리형 블로어에 의해 제공되었다.
결과는 인상적이었다. 거의 완전한 360도 균일한, 능동 2차 공기의 경사진 흐름(angled flow)을 제공하는 것은 버너의 제2 단계인 상부 섹션에서 연소 완료를 현저하게 증가시켰다. 화염 온도는 증가하고, 연소 체임버 출구에서 화염 높이는 감소하였다. 각도, 흐름 속도, 부피 및 연소 입자 부유와의 상호 작용은 본 개시에서 후술되는 바와 같이 모두 중요하다. 이러한 초기 시험으로부터의 정보는 본 개시 전반에 걸쳐 논의된 다양한 구현예에서 광범위한 방법의 사용을 위한 기초를 형성하였다.
본 구현예에서 사용된 특정 공기 분포 시스템에 기초하지만 이에 제한되지는 않은, 능동 2차 공기 전달 및 분포를 위해 유용한 다양한 방법이 있다. 구멍 또는 슬롯을 가진 공기 매니폴드(air manifold)가 1500℉ 이상의 온도를 견딜 수 있는 재료로부터 제조될 수 있다. 단일 원의 기계 가공된 구멍은 구멍의 어레이에 의해 능동 2차 공기 모듈 면의 위와 아래에서 증가될 수 있다. 동일한 사항이 슬롯 또는 그 외 기하를 가진 소형 노즐 요소에도 적용될 수 있으며, 이 모두는 우리의 개시 내용에 포함된다 (참조: 특히 도 26B, 도 35 및 도 42). 바람직하게는 기부 근방의 인클로저 측면을 들어오는 수동 2차 공기는 또한, 경사진 파이프(angled pipe) 또는 튜브와 같은 내부 유도 구조가 공기 흐름 방향을 측면 입장(side entry)으로부터 취해진 경로를 모방하도록 제어한다면 기부를 통해서도 들어올 수 있다.
예를 들어, 우리는 경사진 능동 2차 공기의 사용을 통해 제2 연소 영역에서 저속인, 거의 완만한 타입의 소용돌이(swirl)를 제공하는 이점을 관찰하였다. 방향 제어된 능동 2차 공기를 경유하여 연소하는 분산을 위한, 이러한 타입의 지지, 구속 및 혼합을 달성하기 위해서, 기계적 구멍들을 제공하는 공기 채널/저장통을 포함하는 원형 매니폴드(manifold)가 사용될 수 있으며, 상기 구멍들은 동일하게, 가벼운 소용돌이를 생성하도록 회전적으로(rotationally) (공축상으로) 그리고 흐름을 가로질러 약간 상향 수직각으로 모두 경사져 있다.
저속 소용돌이의 생성에 대한 대안적인, 기하학적 수동식 방법은, 몇 개의 지배적으로 수직(축상)이고 약간 경사진 고정형 "날개(vane)"를 고속 입자와의 충돌하에 놓이지 않을 보호된 영역에서, 예를 들어 재순환 영역 또는 공축상(coaxial) 공기 경로에서, 버너 벽의 측면에 부착함에 의해 작동한다. (참조: 도 35 및 도 42)
저속 소용돌이의 생산에 대한 두 번째의 대안적인, 기하학적 수동식 방법은 버너의 수직 흐름 축 둘레로 같은 각도에서 각각의 입구 오리피스(orifice)로부터 버너 기부에서 유입 수동 또는 능동 2차 공기의 흐름을 유도함에 의해 달성될 수 있다. 이러한 공기 속도는 능동 2차 공기를 가진 상부 연소 영역에서 확인되는 것 보다 작지만, 올라가는 연소 과정에 있어 저속이고 완만한 소용돌이를 시작하는 것은 구속과 안정성의 장점을 제공한다. (참조: 도 42A)
이러한 방법은 2차 공기의 단일영역의 사용을, 우리의 2단계 버너에서와 같이 요구되는 연소 제어의 정도에 의존하여 버너의 수직 축을 따라 다수개의 구역으로 연장한다. 공기 흐름은 광범위한 통상의 공업적 공정 수단에 의해 제공 및 제어될 수 있다.
석탄 분말을 태우는 데에 있어 수 년간을 포함하여, 일부 버너 설계는 연소 영역에서 가스와 입자를 지지하고 혼합하기 위해 "소용돌이(swirler)"를 사용한다. 우리는, 유입 노즐을 통해 혼합 스트림의 성분으로서 1차 연소 공기를 제공하고 제어된 2차 공기로 보조함에 의해 유사하지만 아마 더 강력한 혜택을 달성한다.
우리는 우리의 접근 방식에 의해 질량 흐름 작동의 현저하게 넓은 동적 범위를 얻었는데, 재순환 영역에서의 소용돌이 지지에 의한 난기류 혼합의 붕괴로 인한 궁극적인 손실 및, 때때로 대형 복사열전달 타입의 퍼니스와 연소 장치에서 점화 온도를 유지하기 위한 최소 질량 흐름에 의해, 주로 더 낮은 흐름 단부에서, 안정한 선회익 (swirler)에 기초한 버너의 "턴-다운 비"가 제한된다.
선회익 지지형 연소와의 다른 현저한 차이점은 우리가 연소를 위한 총 1차 공기를 제공하는 방법이다. 우리 발명의 구현예에서는, 총 1차 공기는 연료로서 동일한 유입부를 통해 흐른다. 대부분의 기계적 선회익 버너는 중앙에 위치한 노즐을 통해 매우 비-화학양론적인 1-2 : 1의 예비 혼합 비율을 공급하고, 이어서 선회익을 선회시키기 위해 주요 유입부의 원주 둘레로 추가의 1차 공기를 도입한다. 기계적, 공기 흐름 구동의 선회익의 "지지 및 혼합" 기능은 우리의 개시에서 확인되는 정연하게 간단한 접근 방식 보다 훨씬 더 비-선형적이고, 이러한 기능의 낮은 흐름 붕괴 및 이어지는 낮은 턴-다운 비율 성능을 가져온다.
도 20A 및 도 20B의 버너는 도 19A 및 도 19B의 버너에 유사한 하드웨어를 사용하지만, 능동 2차 공기는 본 구현예의 이중 적층형 캔(200, 202) 중 하부 캔(202)으로 에어 링(204)에 의해 저부 부근의 측벽 상의 4개의 수동 공기 유입공(206) 및 제2 단계용의 수동 2차 공기를 위한 이들 사이의 1인치 갭(208)을 통하여 공급된다. 버너의 하부를 통한 능동의, 가압 공기 흐름 제어의 사용은 재순환, 혼합 및 향상된 조기 연소 완료를 위해 유리할 수 있다. 능동 2차 공기는 보다 낮은 유량 및 속도에서의 작동에 유익하여, 주요 공기-연료 분산 및 재순환 공기-연료 분산과 과대 입자의 반송이 과도하게 방해받지 않는다. 너무 높은 흐름은 활활 타올라 나오고, 입자 재순환 및 취급 기능을 압도하며 정상상태의 폭연 화염 파면의 안정성을 방해할 수 있기 때문에 주의해야 한다.
기계적 제어 하의 이와 같은 2차 공기는 일반적으로 강제 통풍(forced draft)이라 불리운다. 산화가스가 블로어 또는 공기압 공급 장치에 의해 압력 하에 공급되는 경우 완전한 버너 시스템은 기계적 통풍 버너(mechanical draft burner)라 할 수 있다. 우리의 고체 연료 버너 개시에 있어 이러한 일반적으로 수동의 2차 공기를 위한 능동 2차 공기의 공급은 별도의 구현예를 구성하며, 이러한 단순한 시범 설명을 위해 사용되는 것 보다 대안적이고 향상된 수단에 의해 구현될 수 있다.
도 21A는 3개의 능동 2차 공기 노즐(213)의 부가와 함께 1인치 갭(212)에 의해 분리된 이중 적층형 캔(210, 211)을 도시한다. 하부 캔에서의 구멍은 수동 2차 공기를 제공할 수 있다. 우리는, 연소 완료 기능의 달성을 보조하기 위해 다양한 제어 수단을 사용하여 공기 공급원으로부터의 부피, 압력 및 흐름을 제어할 수 있는 방법을 기술하기 위해 "능동 2차 공기"라는 용어를 사용한다. 공기 공급원은 압축 공기의 또는 임의의 다양한 블로어 또는 그 외 공기 이동 수단으로부터의 고압 공급원일 수 있다. "수동 2차 공기"로부터의 흐름은 공기 유입부의 기하, 내부구조 및 전체 연소 체임버 크기 파라미터에 의해 정해지며, 공기-연료 분산과 그의 질량 흐름의 연소로부터 가스 팽창의 비율에 따라 변한다.
한 구현예에서, 3개의 0.5인치 구리 라인(215)가 1/16 인치 구멍을 가진 단부 캡을 포함하는 노즐(213)을 공급한다. 연소 인클로저의 내부 단면도인 도 21B에 개시한 바와 같이, 각각의 노즐은 상향으로 45도 각도에서 연소 인클로저의 중심축을 향하도록 겨누고 있다. 흐름은 고속으로, 제2 단계 완료를 달성한다. 1차 공기, 고체 연료 질량흐름 및 능동 2차 공기흐름에 대한 다수의 흐름 조건에서의 시험에 있어 다양한 노즐 구멍 크기와 분산각도의 캡을 이용하였다. 주어진 공기-연료 분산 질량 흐름 설정에 대하여, 증가하는 능동 2차 공기 흐름은 버너 인클로저의 제2 단계 내에서 보다 많은 연소를 완성함에 의해 버너 출구로부터 돌출한 화염(216)의 높이를 낮춘다.
도 21B에 나타낸 바와 같은 폭연 화염 파면의 수직 위치는 주로 유체 역학 및 연소 운동학 공정 파라미터와 이들의 수학적 반응 표면에 기초하여 제어된다. 본 도면에서, 제1 단계의 화염 선단 위치는 비교적 높으며, 이는 공기-연료 폭발성 분산 혼합물의 높은 1차 공기 흐름 속도 성분을 지시한다. 보다 낮은 1차 공기-연료 질량 흐름 설정에서, 정상 폭연 연소파의 높이는 상당히 더 낮다.
도 22A는 원래의 버너 설계의 내구성을 높이고 더 높아진 형태(220)을 도시하고 있는 바, 이는 연소 인클로저에 연결된 무거운 게이지 강 공칭 6인치 직경 스토브 파이프 구성요소 및 주철 파이프 피팅(fitting)을 사용하여 제조되었다. 도 22B는 도 22A의 스토브 파이프 버너를 위해 사용되는 간략화된 버너 연소 시스템 기초 공정을 도시하고 있다. 이는 흐르는 연료 분산으로부터 폭연 화염 공정으로의 전환에 대한 가장 일반적인 도해이다.
분말 고체 연료는 오거(221)에 의해 제어된 비율로 난기류 혼합 구역(222)으로, 이 경우 대형 "T" 피팅으로 전달된다. 고속 공기가 eXair 증폭기(223)으로부터 수직으로 흘러서 모든 남아있는 응집물을 이상적으로 해산시키고, 일반적으로 버너라고 불리우는 연소 체임버의 기부 내로 수직으로 전달하기 위해, 미세한 폭발성 분말 입자를 분산 내로 비말 동반시킨다.
공기-연료 분산이, 노즐(224), 이 경우 3/4 인치 ID로부터 스트림 흐름 내에 화염속도의 약 2배의 속도 및 대략 화학양론의 4배의 농도에서 나타난다. 이러한 1차 공기-연료 분산이 연소 체임버 내로 들어가면, 베르누이 원리가 분산에 영향을 주어 속도를 늦추고 유체 스트림(225)을 넓게 하며 공기-연료 당량비를 감소시킨다.
저부 근방에서 2개의 화살표(226)에 의해 나타낸 재순환 및 난기류 혼합은 연소를 위한 지지를 확립하고 유지하는 데에 중요하다. 점화는 실제 공정 흐름 설정과 유체 역학 반응에 기초하여, 노즐 위에서 임의의 수직 위치에 정상의 폭연 화염 파면을 만든다.
화염 파면에서 제1 단계 반응 영역 내의 격렬한 연소가 입자를 거의 즉각적으로 소비하고, 반응 열은 이러한 좁은 구역에서의 전도에 의해 가스로부터 입자로 전달된다. 연소는 1차 공기-연료 스트림에 도달하는 이용 가능한 모든 산소가 소비될 때까지 계속된다. 가스 팽창이 계속되어, 난기류 및 재순환을 추가로 부가하고, 타지 않은 분산은 연소 온도에서 상향으로 이동하여, 마침내 버너 최상부에서 산화제의 새로운 공급과 만나며, 이로써 남아있는 연료 가 스토브 파이프 버너 출구 보다 훨씬 위에서 완전하게 타게 되고(227), 상기 출구를 지나 우리는 제2 단계가 있기를 원한다.
도 23A의 구현예는 4개의 1인치 수동 2차 공기 구멍(232)를 도 22A의 설계에 부가한다. 도 23B는 버너 저부에서 수동 2차 공기 (234)의 부가된 혜택을 가진 간략화된 버너 연소 시스템 기초 공정을 도식적으로 설명한 것이다. 공기의 유도된 흐름은 인클로저 제1 단계 지역 내에서 연소를 증가시킨다. 산화제 공급은 최저 흐름 조건을 제외하고 모든 공기-연료 질량 흐름 내에서 소진된다.
도 23B에서 화염 (236) 높이는 도시된 바와 같이 도 22B에 나타낸 것보다 더 낮으며, 이는 버너 인클로저 자체 내에서 더 많은 연소 완료가 있었음을 의미하는 것이다. 수동 2차 공기의 이러한 사용의 부가된 혜택은 조작의 질량 흐름 동적 범위의 향상, 구체적으로는 더 큰 값의 턴다운 비율과 함께 증가된 화염 선단 안정성이다.
도 24A, 도 24B 및 도 24C는, 2차 공기 흐름 없이, 낮은 1차 공기 흐름(도 24A), 중간 1차 공기 흐름(도 24B) 및 높은 1차 공기 흐름(도 24C)의 3가지 설정에 있어 기본적인 6인치 스토브 파이프 버너에 대해, 일정한 높은 분말 질량 흐름에서의 캐리어 가스 1차 공기 유량과, 버너 (240)의 최상부로부터 나타나는 결과적인 화염 높이(242, 244, 246) 간의 관계를 나타낸 것이다. 왼쪽에 도시한 낮은 1차 공기 흐름은, 가장 높은 화염 높이(242)를 가진다. 처음에 이러한 사실은 직관에 반대되는 것처럼 보인다. 이렇게 낮은 흐름에서는 높은 당량비, 매우 작은 벌크 연료 부하가 제1 단계로 버너 내부에서 완성된다. 따라서, 이러한 보다 불안정한 화염은 탈출시 최상부의 배기에서 완성된다.
도 24B에 나타낸 중간 수준까지 1차 공기 유량이 증가하면, 증가된 캐리어 가스의 산화효과는 버너 제1 단계 내에서 추가의 완성을 가능하게 하여, 심지어 연료 질량 흐름에 변화가 없는 경우에도 출구 화염 높이(244)는 비례적으로 감소한다. 도 24C의 경우, 버너 최상부 위로 높은 1차 공기 흐름 출구 화염 높이(246)은, 3개의 흐름 중 가장 낮다. 이러한 설정은 가장 높은 안정성을 가지고, 연소를 완성하기 위해 가장 작은 수직 공간을 필요로 한다.
도 25A, 도 25B 및 도 25C는, 1차 혼합 공기 흐름 및 분말연료 질량 흐름 속도가 중간 수준에서 일정하게 유지되는 동안, 3개의 별개의 능동 2차 공기에 대한 화염 높이 (251, 252 253)의 관계를 도시한 것이다. 수동 2차 공기는 버너(250) 저부 근방의 직경 1인치의 4개의 구멍(254)를 통해 들어가는 한편, 능동 2차 공기는 버너의 상부에서 일련의 분사 구멍을 가진 2개의 수직 튜브(255)를 통하여 들어간다. 2개의 수직의 내부 튜브의 상세 내용에 대해서는 도 26A 및 26B를 참조한다.
도 25A는, 낮은 양의 능동 2차 공기가 공급되어 연소의 상당부분이 버너 출구 최상부에서 고온의 산소 결핍 혼합물에 이용 가능한 실내 공기에 의해 완성될 필요가 있는 때의 가장 높은 화염 높이(251)을 나타낸다.
도 25B 및 도 25C에서 능동 2차 공기 유량이 증가함에 따라, 연소는 완료되기에 더 작은 수직 공간을 필요로 하며, 그에 따라 노출된 화염 높이(252)는 감소한다. 가장 높은 2차 공기 유량(도 25C)은 버너 인클로저 내에서 모든 연소를 완료하며 종종 가장 바람직한 조건이다.
도 26A는 버너 내에서 2단계로 연소 완료를 보장하기 위해 능동 2차 공기를 공급하는 2개의 다수공(multi-holed) 내부 수직 공기 튜브(264) 및 4개의 수동 2차 공기구멍(262)를 가진, 8인치 직경의 스토브 파이프 버너 (260)에 의한 24인치 높이의 배열 및 내부 연소 구조를 도시한 것이다.
본 구현예의 성능은 우수하여, 시간 당 높은 BTU 비율의 전달을 허용하는 한편, 버너 인클로저 내에서 연소를 실질적으로 완료한다. 도 26B는, 용적식 분말 분산 시스템의 혼합 시스템으로부터 이러한 8인치 직경 버너의 배기 출구까지 공급되는 이러한 수직의 폭발성 분말연료 버너 시스템의 완전한 작동을 도식적으로 설명한 것으로, 초점은 내부 연소 공정 유체 역학 및 운동학적 공정에 있다.
2개의 상이한 화염속도를 가진 2개의 정상 상태 연소 선단이 우리의 버너 내의 2개의 개별적으로 분리된 연소 구역에서 관찰된다: 제1단계라 불리우는 하부의 제1 구역(266)은 점화기(261)에 의한 점화와 기부 근방에서의 초기 연소를 포함한 저속 공정이고, 제2 단계로 부르는 제2 구역(268)은 상부 버너 섹션에서 고속의 능동 2차 공기에 의해 구동되는 고속의 연소 완료 공정이다.
기부 근방에서는 저부에서 또는 화염 선단의 초기 표면에서 환형 연소가 있다. 이는 화염속도의 거의 2배의 속도에서 버너의 기부에 도달하는 초기 연료-공기 (연료-가스) 분산을 가지는 연료가 풍부한 구역 또는 부피이다.
거기서 점화가 시작되고, 반응 구역에서 계속적인 가열 및 가스로부터 입자로의 전도 전달로 점화가 지속되며, 이는 신속하게 점화 온도 보다 높은 반응 혼합물을 지속되는 연소 온도까지 올린다. 노즐을 탈출하는 연료 공기 혼합물의 초기 부분은 속도가 감소하고 입자 분산이 폭발성 당량비에서 혼합물로 분기하고 나서야 점화된다. 일단 화염 선단에 의해 가열 및 점화되면, 화염 선단에서 난기류 부유 내의 연료는 완료까지 가면서, 이 영역과 가열된 이웃에서 이용 가능한 산화제를 소비한다.
이러한 연소 선단은 본 명세서의 앞부분에서 논의하였던 유체 역학 원리를 따르며, 초기에는 단면 균일도를 나타내지 않는다. 대부분의 초기 버닝은 중앙에서 고속의 풍부하고 미점화된 흐름을 특징으로 하는, 중공형(hollow)의, 분기하는 부피에서 발생하고, 더 낮은 속도의 난기류 연소는 버닝 부피를 둘러싸고 버닝 부피의 바깥쪽을 형성할 것으로 예측되고 관찰 가능하다.
이러한 초기 연료 풍부 영역에서, 분말-공기 스트림은 화염의 점화 파면을 가로질러 부분적으로 타게 된다. 이러한 버닝은 근처의 이용 가능한 산소를 소비할 때까지 입자 연소를 소비하고 완성한다. 타지 않거나 부분적으로 타되, 점화 온도 이상으로 승온된, 나머지 연료 부유는 질소 가스, CO2와 혼합되고 유리 산소는 0인 채로 제1 단계를 떠난다.
이상적으로는, 이러한 과열 상태의, 연료 풍부하고 산소 고갈된 환형 분말 구름은 제2 단계 연소 구역으로 진행하고, 여기서 능동 2차 공기로 이루어진, 고속의 균일하고 집중적인 산소 풍부의 흐름을 만나서, 급속하게 완전히 타게 된다.
합리적으로 높은 속도 및/또는 유량에서의 실온의 2차 공기가 이러한 더 안정한 제2 단계 연소영역에 들어갈 수 있는데, 이는 연소 온도보다 더 과열되어 있으며, 화염 소화(blow out)없이 제1 단계 초기 연소 구역에서 가능한 것보다 훨씬 높은 속도의 강렬한 공기 스트림을 가진다.
그러나, 고온의 산소 결핍된 분산에 영향을 주는 능동 2차 공기의 힘이 그다지 활동적이지 않거나 널리 축을 벗어나서, 이들이 이러한 제2 단계 연소 구역에서 자연적인 난기류 흐름을 압도하는 것이 중요한데, 이는 부유로부터 이들 고온 입자를 털어 내어 응집 또는 연소 인클로저 벽과의 충돌을 야기한다. 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 이해될 수 있는 바와 같이, 흐름, 속도 및 분포 기술의 적절한 선택 및 방향 각도가 중요하다. 이러한 원리는 2단계 연소를 위해 사용되는 다양한 2차 공기 전달 배열까지 확장 가능하나, 제한적인 것으로 의도된 것은 아니다.
비록 우리의 고체 연료 연소 장치는 놀랍고 특유하게 높은 동적 범위의 작동, 전형적으로는 10:1의 턴다운 비를 가졌지만, 버너 연소 인클로저 부피의 크기는, 통상의 작동을 위해 계획된 BTU/시간 비율에 의해 주로 좌우된다. 이렇게 큰 버너의 경우, 낮은 유량에서 8인치 버너의 너비는 "자유 공간"에 충분히 가까워서 그의 성능이 줄어드는 것이 이치에 맞다. 이러한 200,000 BTU/시간의 구현예는 따라서, 일반적으로는, 10 내지 20,000 BTU/시간 범위 에서의 연속 조작을 위해 의도된 것이 아니다.
충분히 낮은 유량의 경우, 버너의 수직 벽은, 효과적으로 "무한정" 멀리 떨어져 있기 때문에, 흐름 패턴에 대하여 너무 작은 효과를 가진다. 구체적으로, 낮은 공기-연료 폭발성 혼합물 유량의 경우, 이렇게 넓은 버너는 분산 스트림에 대하여 보다 적은 흐름 저항을 제공하여 전단에 의해 발생하는 난기류도 더 작아지고, 그 결과 혼합, 재순환 및 화염 재점화에서의 감소를 초래함으로써 인클로저 하부에 대한 온도의 감소를 가져온다.
낮은 흐름 조건에서도 베르누이 효과는 계속 작용하지만, 효율성의 면에서 상당히 감소된다. 주어진 높이의 버너에 대하여 이렇게 보다 넓은 출구 구멍의 경우, 우리는 전술한 바와 같은 연소 가스 및 화염 재순환의 다양한 혜택을 상실한다. 간단히 말해서, 낮은 유량에서 8인치 버너는 "자유 공간"에 충분히 가까워서, 이는 보다 적절한 기계적 설계에 비하여 잘 작동되지 못한다.
도 27은 능동 2차 공기를 6인치 강 스토브 파이프 버너(270)의 제2 단계 상부 연소 구역에 공급하는 매우 강력한 시스템을 도시하고 있다. (도시하지 않은) 한 구현예에서는, 3개의 0.5 인치 구리 튜브가 수직축 둘레로 120도 떨어져서 버너 강 인클로저의 외측 상에서 달린다. 각각의 튜브는 45도 스트리트 엘보(street elbow) 상의 단부 캡으로 닫혀있고, 노즐 오리피스를 위해 1/16 인치 구멍을 가진다. 3개의 노즐 단부 캡은 하기 구현예와 비슷한 방식으로 연소 체임버 측벽의 면을 관통한다.
도 27에 도시한 구현예는, 각각 3/8인치 직경이고 스토브 파이프 연소 인클로저의 외측 위로 달리는 4개의 능동 2차 공기 구리 튜브(272)를 이용한 것이다. 이들 튜브는 수직에 대하여 약 75도 굽어져 있고, 노즐의 단부캡은 인클로저를 관통한다. 양자는 기부 근방에 수동 2차 공기 구멍(274)을 포함한다. 우리는, 버너의 흐름 축으로부터 약 15도 떨어져 내부를 겨냥한, 버너의 원주에 또는 그 근처에 위치한 에어 제트가 잘 작동하는 것을 확인하였다.
이 2개의 배열에서, 안정한 폭연 화염 파면 연소 및 거의 0 내지 출구 위로 2피트까지 가능한 돌출한 화염 높이와 함께 10배 범위의 BTU/시간 에너지 전환율 (20,000 내지 200,000 BTU)을 조정하기 위한 광범위한 제어가 가능하였다. 이러한 버너 시스템은 우리의 분말연료를 위해 매우 효율적이고 제어 가능한 연소 시스템이다. 저온 시동으로부터 1분 내에 제2 연소 구역 내의 내부 작동 온도를 1900℉ 보다 높게 올리는 것이 용이하다.
유체 역학 및 연소 운동학에 기초하여 이러한 연소 공정 및 2차 공기 도입을 말하는 자명하게 완전한 응답 표면이 있다. 따라서, 우리의 개시는 이들 특정한 각도, 2차 공기 유량, 압력, 제트수, 수직 위치 및, 버너 직경과 공기-연료 유량으로 결합된 제트 노즐 구멍 직경에 한정되지 않는다.
폭발성 조건의 유지 및 응집 회피
본 발명의 버너에서 폭발성 분말에 대하여 폭발성 조건을 유지하고 응집의 문제를 피하기 위해 다양한 수단과 방법이 사용될 수 있다. 폭발성 분산은 하기 3가지에 중점을 둔 다수의 기술에 의해 개발되고 안정화될 수 있다: 버너 내부의 난기류 에너지 수준을 유지하는 것; 연소를 위해 모든 연료 입자의 게으르지 않은(non-lazy) 분산을 보장하도록 적절한 1차 및 2차 공기와 함께 충분한 속도에서 연소 체임버로 개개의 폭발성 입자들의 분산을 공급하는 것; 및 응집물의 형성과 성장을 조장하는 구조물 또는 다른 입자와의 충돌 방지.
폭발성 분산은 용적식 분말 분산 (PDPD) 전달 수단 내에 오거의 출구에서 시작되지만, 입자 크기 유지에 관련된 문제는 이 위치보다 훨씬 상류에서 시작될 수 있으며 가능하게는 하류로 계속될 수 있다.
제조 후, 분말연료는 최종 공기-연료 혼합, 점화 및 연소 전에 취급, 저장 및 계량의 힘 하에 놓일 수 있다. 이러한 공정들은 기계적 전단을 도입하며, 이는 바이오매스의 습도 및 섬유상 본성과 조합되어 응집물, 다수의 작은 입자들로 구성된 대형 입자를 생성한다.
비교적 "커다란 크기"의 응집물의 결과로서, 이들은 단일상 연소의 요건에 부합하지 않는 문제점을 제공하는 바, 이들은 즉각적으로 플래시 연소하지 않고, 느리게 가열되며, 완전히 타지 않고 부분적으로 타서 탄화물 코팅을 형성할 뿐만 아니라 이들의 질량 및 공기 역학적 특성 때문에 부유로부터 떨어져 나오게 될 수 있다. 만일 버너 내부에서 빠르고 깨끗하게 재순환된다면 이들은 비말 동반되어 타게 될 수 있다. 만일 크고 낮은 속도의 입자로서 높은 속도의 분말 분산 스트림 안으로 부적절하게 재순환된다면, 이들은 다중 충돌을 초래할 수 있으며, 종종 굴러가는 눈 뭉치와 같은 크기로 될 수 있다.
후속하는 일련의 도에서 (도 28 내지 도 39), 우리는 도 37에 특히 개시한 재순환 소비 버너의 구현예를 개시한다. 탈 수 없는 입자 및 회분의 수집을 위한 다양한 수단 또한 다루어진다. 재순환, 응집물 문제, 일부 입자 크기 감소 및 분말 고체 연료를 가진 연소 잔류물을 다루는 이러한 통합된 접근 방식은 분말연료 연소를 위해 특유한 것임은 기대되는 것이다.
도 28은, 타지 않은 입자 및 응집물의 재순환과 혼합을 수행하도록 기부에 30도로 경사진 콘 삽입물(281)을 장착한 6인치 강 스토브 파이프 버너(280) 내부 흐름 및 재순환 패턴을 나타내고 있다. 내부 흐름 및 난기류 재순환 패턴은, 수동 2차 공기의 혜택 없이 이러한 완전히 밀폐된 버너 내에 화살표에 의해 도시되어 있다. 콘의 저부에 있는 구멍은 충분히 넓어서 수직의 공기-연료 분산이 방해받지 않고 상향으로 흐를 수 있다.
재순환 난기류 내에 잡히고 부유로부터 떨어져 나온, 분말로부터 과대 분말 입자 내지 응집물 (282)에 이르기까지 모든 타입의 입자들은 재-비말동반을 위해 수직 흐름 스트림(283)을 향하여 다시 부드럽게 유도된다.
도 29A는 유사한 6인치 스토브 파이프 버너(290) 내의 진동(292)와 결합된 4개의 수동 2차 공기 유입 구멍(291)을 채용한 대안적인 응집물 재순환 및 혼합 구현예의 전략을 도시한 것이다. 목표는 도 28에서 사용된 30도 콘 접근방식과 효율을 비교하는 것이다. 내부 흐름 및 난기류 재순환 패턴은 수직 흐름에서의 향상 및 더 강력한 재순환 난기류 혼합과 함께 이러한 버너에서 화살표에 의해 도시하였다.
진동 장치(292)는 버너의 저부에 부착되어, 임의의 입자 또는 응집물 낙진을 버너의 저부 위에서 춤추듯 움직이게 한다. 이러한 수직 진동 에너지는, 수동 2차 공기에 의해 수행되는 크로스 버너 "스윕핑(sweeping)" 기능과 결합될 경우, 입자 및 응집물 낙진이 고속 수직 예비혼합 분산 흐름 쪽으로 움직이고 그에 의해 비말동반되는 것을 촉진한다.
도 29B는 도 29A의 버너의 하부 오른쪽 섹션의 확대도로서, 어떻게 "스위퍼" 공기가, 응집물, 개개의 또는 과대의 입자(293)로 이루어진 타지 않은 "춤추는 입자들"을 재순환시키는지를 보여주고 있다. 진동 장치(292)의 사용은 이렇게 수직으로 춤추거나 튀는 것(bouncing)을 장려하여, 수동 2차 공기 구멍으로부터 넓은 범위의 흐름이 연소를 위한 정상 폭연 파동으로의 회귀를 위해 모든 낙진을 높은 예비 혼합 흐름 쪽으로 이동시킬 수 있다.
도 30A의 구현예는 도 28 및 도 29B에서 상세히 기술한 방법의 장점을 결합한 것으로, 30도 콘 설계의 넓은 구멍 버전을 위쪽으로 충분히 올려서 4개의 1인치 구멍(302)을 통해 밑으로부터 들어오는 수동 2차 공기(301)이 정상 폭연 화염 파면을 향하여 콘에 의해 수집된 분진 입자(303)를 다시 들어올리고 비말 동반시키는 것을 보조할 수 있게 한다.
버너 설계(300)은 재순환 및 수동 2차 공기를 함께 조합하여 기능성을 더 향상시킨 것이다. 제1 단계 연소 영역에서 이용 가능한 더 많은 산소를 가지고, 버너 최상부 출구에서 결과적 화염 높이가 감소하였다.
계량 장치를 나온 후에, 우리 시스템 설계의 구현예는 전술한 일부의 응집물을 포함하는 연료를 충분히 난기류인 공기 스트림으로 떨어뜨린다. 이러한 난기류는 실질적인 다수를 탈응집화시키고, 1초의 몇분의 1의 시간 내에 거의 완전한 연소 (99.8%+)를 가져오기에 충분한 방식으로 이를 분산시킨다.
대부분의 분말을 사양의 범위 내에서 (즉, 지나치게 촉촉하지 않게) 탈응집화하기에 충분한 난기류는 혼합 구역이라 불리우는 혼합 "T" 피팅(305)내에서 생성되는 바, 상기 혼합 구역은 수평 및 수직 버너 모두를 위한 우리의 수평 오거 PDPD 공급 시스템과 함께 사용되는 공기 증폭형 eXair 에듀케이터 조합(307) 및 오거 산출부(306) 사이에 위치한다. 거의 수평인 버너 배열로의 수평형 오거 PDPD 공급과 함께, 우리는 가압 공기를 1/16인치 구멍을 통해, 떨어지는 오거 산출 스트림으로 보냄으로써 생성되는 추가의 에어제트를 이용하였다 (참조: 도 40A)
도 30B는 도 30A의 버너의 저부 섹션의 확대도로서, 화살표는 융기된 30도 광구(wide mouth)형 콘(304) 위에서 재순환 흐름 패턴이 어떻게 입자(303)을 수직의 상승하는 예비 혼합 분산으로 돌아가도록 하는지를 도시하고 있다. 이들 기능은, 콘 내의 넓은 구멍에 의해 집중된, 분산 둘레에 동축으로 올라가는 수동 2차 공기구멍(302)로부터의 흐름과 결합된다. 이러한 2차 흐름을 위한 면적을 집중시키고 제한함에 의해, 입자 및 작은 응집물을 들어올리는 그 능력이 현저하게 향상된다.
4개의 1인치 구멍을 수동 2차 공기를 위한 유입 공급부로 사용하는 것은 동일한 기능을 달성하는 다수의 방법 중 단지 하나의 방법이다. 만일 수동으로부터 저류 능동 2차 공기로의 전환이 기술적으로 보장된다면, 동일한 사항이 사용된 공기 흐름 공급 방법과 수단에 적용된다.
도 31A는 버너 인클로저의 하부 섹션에 초음파 응집물 덩어리 분산 스크린 시스템(311)을 구비한 본 발명의 버너를 도시한다. 수직으로 흐르는 공기-연료 분산 스트림(312)은 스크린(311)의 중앙을 통하여 정상 화염 파면(313)을 향해 흐른다.
배경으로서, 연료의 조합된 특성, 취급시 만나게 되는 기계적 전단의 힘, 수분 뿐만 아니라 난기류 혼합 구역으로 떨어지는 뭉치(clump)의 위치에 따라, 일부의 응집물은, 전술한 바의 강렬한 난기류 공기 스트림과 혼합 구역의 배열만에 의해서는 완전 파괴에 저항할 수 있다. 오히려, 이들은 더 작고, 더 매끄러우며 더 둥글어진 응집물로 될 수 있다.
대다수의 응집물 문제는, 신호의 다중-주파수 스프레드 스펙트럼 타입을 포함한 진보된 신호 처리 기술에 의해 움직이는 초음파 변환기에 의해 구동되는 책장 또는 테이블과 같은 구조의 응집물 파괴기 스크린의 신중한 사용에 의해 해결될 수 있다. 스크린은 반드시 원래의 개별적 입자의 최종 메시 크기만큼 미세해야 할 필요는 없고, 후속하여 방해받지 않고 스크린을 흐르는, 원래 개개 입자 구성원으로 응집물을 붕괴하도록 응집물에 적절한 에너지를 공급하기에 충분히 작은 구멍을 가지면 된다.
만일 모든 응집물이, 예를 들어 입자-대-입자 혹은 흐름 도관 벽 및 부품과의 충돌 등을 통해 그의 탈응집화 단계의 하류에서 형성되면, 이들은 본 개시에서 발견되는 응집물 파괴, 수집 및 재순환을 위한 우리의 고유하고 진보적인 방법에서 기재된 다양한 방법을 통하여 버너에서 별도로 처리되어야 한다. 이러한 기술들은 몇몇 버너 설계 배열의 기재에서 그 개요가 기술되어 있는 바, 이는 추가의 진보적 개시를 따르고, 조합하여 이를 구성한다.
초음파 응집물 덩어리 파괴 스크린에 대한 일반적 설계의 상면도의 예는 테니스 라켓의 헤드처럼 보인다. 중간에 있는 구멍(314)는 여전히 필수적으로 층상인 수직 고속 1차 공기-연료 분산이 입자 충돌 없이 흐를 수 있도록 하기에 적절한 직경을 가진다. 도시된 스크린은 6인치 직경 버너 인클로저(310) 내부에 4개의 진동 분리점(315)를 구비하고 있으며, 초음파 변환기 (316)에 연결되어 있다.
도 32는, 6인치 수직 버너 (320)에서 칸막이형(baffled) 수동 2차 공기에 의해 증가된, 응집물 재순환 및 분산 시스템을 포함하도록, 융기된(elevated) 30-도 너비 구멍을 가진 콘(332)과 변환기 (328)에 의해 구동되는 초음파 덩어리 파괴 스크린(324)의 조합을 도시하고 있다. 응집물 (326)으로부터의 입자(321)는 초음파 파괴기 스크린을 통해 그리고 버너 인클로저 저주파수 진동 및 내부 공기 재순환 메카니즘을 통해 떨어지고, 콘(323)의 중앙 구멍의 에지로 가며, 여기서 이들은 들어 올려져서, 고속 공기-연료 스트림으로부터의 인도(education) 및 흐름 스트림(329) 둘레에서 2차 공기 흐름(325)로부터의 솟구침(up-rushing)의 조합에 의해 미사용 반응물로서 반응 영역 (327)을 향하여 다시 이송된다.
도 33은 도 27의 6인치 버너 꼭대기에 탑재된 "톱 햇 (top-hat)" 흐름 구속성 감소기(332)의 한 종류를 도시한다. 6인치 버너(330) 꼭대기에 고정된 이러한 8인치 내지 6인치 감소기는 수동 또는 능동의 3차 공기 흐름(336)이 최종 연소 완료를 보조할 수 있게 하면서, 여전히 버너 출구 목(334)에 일부의 흐름제한을 제공한다.
"덴시화이어(densifire)" 및 "인텐시화이어(intensifire)"라고도 불리우는, 이러한 감소기의 존재는, 출구(334) 화염 높이를 감소시키고, 화염 색에 영향을 주며, 온도 및 내부 순환을 증가시키고, 소리 강도를 증가시킨다. 이러한 버너는 기부에서 구멍을 통해, 특히 능동 2차 공기(338) 및 수동 2차 공기의 보조를 받아 출구(334)에서 백색의 고온 화염을 내뿜는다. 감소된 배출구 면적은, 더 높은 패색율 (blockage ratio), 배출 목 면적(discharge throat area)에 대한 버너 단면적의 무차원적 비를 제공하여, 유사하게 난기류 재순환 기능을 향상시킨다. 감소기(332) 배출구 제한은, 보다 큰 직경의 버너에서 낮은 BTU/시간 1차 공기-연료 흐름과 함께 작동 중 재순환의 붕괴를 방지함으로써 안정성을 유지하기 위해 특히 유용할 수 있다.
추가로 배출구 흐름을 제한하기 위한 대안적 구현예는, 꼭 맞는 6인치 내지 4인치 감소기 (334)를 사용하여, 단순한 1인치 원형 3차 공기 유입부(336)을 제거하며, 이는 소망하는 경우 상이한 수단에 의해 달성된다.
도 34A는 수동 2차 공기와 함께 4인치 캔 버너 (340)을 사용하는 조기 수평형 연소 및 분말 분산 공급 시스템을 묘사한 것이다. 분말은 오거(344)에 의해 티 피팅(tee fitting)으로 공급되고, 여기서 도관(346)을 통해 하강하여 역전된 티 피팅(inverted tee fitting)으로 들어간다. 여기서, 이는 유입부(347)로부터의 고압 공기와 만나서 스크류 공급으로부터 대부분의 응집물을 해산시키고 충분한 1차 공기와 함께 난기류로 혼합되어 eXair 1/2 인치 공기 증폭기 (348)로 공급된다. 분산은 이러한 조작에 의해 추가로 향상되어, 더 많은 응집물이 분해되고, 이어서 연료가 풍부한 흐름 분산 내에서 노즐(343)을 향해 보내지고, 여기서 이는 단순 연소 인클로저로 들어가서 점화된다. 도 34B는 4인치 버너캔(340)의 단면도로서, 4개의 수동 2차 공기 구멍(342) 중 하나와, 분말 분산 공급 시스템으로부터 1차 공기-연료 연결부(343)을 보여주고 있다.
도 35는 이중 동축 인클로저(350, 352)에 의해 완성된 신규한 수동 2차 공기 관리를 가지는 4 인치 수평형 버너 조립체(350)의 내부 기하 구조 및 연소 구조를 도시하고 있다. 이러한 개념 중 다수는 오늘날의 고용량 1MM BTU/시간 수평 버너에 존재한다. 1차 공기-연료 혼합물은 도 34A 및 도 34B에 상세히 기재된 3.5 인치 직경 내부 인클로저(352) 내에 위치하고 있다. 점화는 노즐로부터 몇 인치 하류에서 발생하고 연소는 외부의 길이 18인치 직경 6인치 강 튜브(350)으로 진행한다.
수동 2차 공기(359)는 그 공급원을 대형 공기 유입부(356) 및 (358)에서 찾으며, 안쪽과 바깥쪽 인클로저 사이의 원형 채널(354)을 통해 인클로저(352)에 의해 보호되는 제1단계 반응 구역 둘레로 유도된다. 이러한 경로를 따라서, 수 개의 공기 유도 구조가 존재한다. 355는 2차 공기를 제2 단계 연소 구역으로 유도하기 위한, 각이 있는 카울링(cowling)이다. 355a는 355에 유사하며 동일한 기능을 가지지만, 덜 급한 각(less abrupt angle)을 가진다. 제2단계 2차 공기에서 "소용돌이"를 생성하기 위해 사용되는 인클로저(350) 둘레에 위치된, 선택에 따라 수 개의 각이 있는 날개 구조(355b)가 있다. 이들은 고정형 팬 블레이드(blade)처럼 원형 채널 내에서 각을 이루어, 공기 흐름에 대하여 회전을 부여한다. 공기 흐름(357)은 제1단계를 공급하는 우리의 전통적인 수동 2차 공기이다. 나머지 연소는 외부 공기를 공급원으로 하여 기다란 튜브형 수평 버너의 출구에서 일어나며, 최종 가스 팽창이 발생하면서 화염(351)은 감겨 올라간다.
이러한 구현예는 유입부(356) 및 (358)을 통해 능동 2차 공기의 사용까지 쉽게 연장될 수 있으며, 2개의 인클로저 사이의 갭(354)의 선택에 의해 제어된다.
도 36은 오일을 연료로 하는 퍼니스로의 직접 개조(retrofit)로서 원형 시험을 위해 의도된, 4개의 능동 2차 공기 튜브(362)를 구비한 강으로 제조된 4인치 직경의 수평 버너(360)을 도시하고 있다. 이는 4개의 구멍(363)을 통한 수동 2차 공기를 이용하여, 도 27의 수직 버너에 대한 큰 키의 수평 버전을 달성한 것이다. 이러한 버너는 고도로 시험되었으며, 200,000 BTU/시간을 전달하는, 예전에는 오일을 연료로 하는 퍼니스에서 원형 시험을 위해 준비되어 있다.
도 37A는 응집물 및 과대 입자 수집을 위해 수평 위에서 바람직하게는 약 3 내지 5 도 위쪽으로 기울어진 (372) 기본적 재활용 수집형 수평 버너 (370)을 도식적으로 묘사하고 있다. 진동기 또는 초음파 변환기(374)는 버너의 고주파수 진동을 일으켜서 응집물과 과대 입자(376)가 버너 내에서 구멍을 향해 뒤로 이동하여 수집 용기 (378)로 들어갈 수 있게 한다. 수집 용기 (378) 내에 수집된 타지 않은 연료는 폭발성 형태로 재가공되거나 폐기된다.
도 37B는 선단 말단 응집물 및 과대 입자 수집을 위해 수평 아래에서 바람직하게는 약 3 내지 5 도 아래쪽으로 기울어진 (373) 기본적 재활용 수집형 수평 버너 (370)을 도식적으로 묘사한 것이다. 진동기 또는 초음파 변환기 (374)는 버너의 고주파수 진동을 일으켜서 응집물과 과대 입자가 버너 내에서 구멍(377)을 향해 이동하여 수집 용기(378)로 들어갈 수 있게 한다. 구멍(377)은 바람직하게는 버너의 말단에 있으나, 말단으로부터 약간 돌아와서 위치할 수 있다. 또한, 구멍(377)은 응집물과 과대 입자를 수집 용기 (378)로 더 잘 유도하기 위해 주둥이(spout)로서 형성될 수 있다. 수집 용기(378)은 바람직하게는 충분히 커서 단지 가끔씩 비울 것이 요구된다. 수집 용기(378) 내에 수집된 타지 않은 연료는 폭발성 형태로 재가공되거나 폐기된다.
도 38은 더 자동화된 재활용 소비 중력 수집 폐회로 고체 연료 수평 버너 시스템을 도시한 것으로, 응집물과 과대 입자는 재처리되어 공기-연료 분산으로 다시 도입된다. 이러한 구현예에서, 버너(380)은, 바람직하게는 약 3도 내지 5도로 위쪽으로 기울어져 있다(382). 진동 또는 초음파 변환기(384)는 버너의 고주파수 진동을 유발하여, 응집물 및 과대 입자를 버너 내에서 재활용 시스템을 향해 다시 이동하도록 조금씩 밀고 간다. 입자는 재활용 장치(386)을 향해 떨어지고, 이는 입자를 재활용 경로(388)를 따라 보내서 주요 분말연료 분산 스트림으로 혹은 혼합 시스템으로 공급한다. 재활용 시스템은 바람직하게는 교반 또는 연마를 제공하여 응집물을 작은 입자로 파괴한다.
도 39A는 탈응집을 위해 초음파 구동형 스크린(394)를 사용한 재활용 응집물 파괴 수평 버너 (390)을 도시한 것이다. 버너는 바람직하게는 약 3 내지 5 도 위쪽으로 (392) 기울어져 있다. 초음파 변환기 (396)는 스크린 위에 떨어지는 응집물을 해산하기 위한 스크린(394)의 고주파수 진동, 및 탈응집된 입자가 버너 내에서 능동 2차 공기 흐름 공급원(398)로 다시 이동할 수 있게 하는 버너 (390)의 진동을 유발하여, 입자를 주요 분말연료 분산 스트림으로 다시 재활용한다.
도 39B는 재활용 응집물 파괴형 수평 버너 (390)의 단부도를 나타낸 것으로, 버너의 하부를 가로지르는 초음파 스크린(394) 및 입자 수집과 이동을 위한 통(trough)의 존재를 보여준다.
도 40A는 수평 버너를 위한 바람직한 혼합 구역 및 물질 공급부(infeed)의 배관도 상세 내용을 보여주고 있다. 수평형 오거(403)은 구멍(401)에서 들어오는 산화가스와 혼합되는 분말연료를 공급한다. 이어서, 분산은 수직 도관(405) 아래로 수평 도관(404)까지 이동하고, 여기서 추가의 산화가스가 지점(402)에서 부가된 후 분산이 eXair 증폭기 (400)을 통해 이동한다. 도 40B의 버너는 혼합 영역 (405)에서 초음파 변환기 (406)을 구비한 초음파 탈응집화 스크린을 수평 버너를 위한 도 40A의 상호 접속 배관도에 부가한 것이다.
도 41은 수평에 대한 상방향 수직에서 하방향 수직 배향까지, 개시된 고체 연료 폭발성 분말 버너를 위해 가능한, 넓은 범위를 도식적으로 나타내고 있다. 본 발명의 약 0도 배향 버너 (410), 약 45도 배향 버너 (412), 약 90도 배향 버너 (414), 약 -90도 배향 버너 (416) 및 약 -45도 배향 버너 (418)이 도 41에 도시되어 있다.
프로판 버너는 모든 각도에서 작동한다. 도시된 각각의 배향이 특별한 요건을 필요로 하지만, 우리의 버너 또한 그러하다. 각 배향의 성능 차이 및 장점 뿐만 아니라, 도전과 기회를 이해하는 것이 중요하다.
수직의 또는 거의 수직의 버너의 사용은 주어진 버너 설계에 대하여 거의 수평 또는 하향의 버너로 달성될 수 있는 것 보다 1) 더 낮은 유량에서 작동하고, 2) 더 큰 제어 가능한 동적 범위 (턴다운 비율)로 수행하는 기회를 제공한다. 주요 성능의 차이는 주로 분말연료를 공급 및 부유시킬 때 만나게 되는 매우 현저한 입자와 가스 밀도 차이 (아마도 >500:1)를 가지는 연료-공기 혼합물의 부유를 유지하는 도전에 기인한다.
다앙한 타입의 진동을 가진 수직 배열의 사용은 또한 수평 타입 버너에서 보다 더 급속하게 부유에서 전형적으로 떨어져 나오는 큰 입자를 사용한 조작을 가능하게 하며, 수평 타입의 버너는 본 명세서에 기재된 바의 수직 설계에 의해 제공되는 비폭발성 입자의 대칭 진동 및 재순환 패턴의 동일한 혜택을 만나지 못한다. 거의 수직인 버너는 수평인 것보다 더 많은 부분의 비-폭발성 입자를 사용하여 운전될 수 있으며, 이로써 더 낮은 비용의 분말연료를 이용하는 기회를 제공한다. 우리가 "엉성한(sloppy) 연료"라고 부르는 것에 대한 사양은, 선택에 의해 감당할 수 있게 작은 부분의, 미미하게 폭발성이고 약간 과대하거나 혹은 길쭉한 입자를 포함할 수 있다. 어떤 응용 분야는 농장 및 연료의 더 낮은 비용을 지불하는 일부 산업적 용도와 같은 수집 및 살림 살이의 문제를 쉽게 수용할 수 있다.
하향 버너는 연소 반응물을 부유 상태로 제어 하에 유지하기 위해 중력과 싸워야 한다. 폭발성 혼합물 공급 속도는 대략 동일한 위치에서 정상 폭연파를 유지하기 위해 낮아져야 한다. 연소 가스의 팽창 및 그의 올라가려는 경향에 의해 더 많은 일이 수행된다. 버너 기부 근방의 능동 2차 공기는 더 낮은 분산 스트림 물질 공급 속도에서 제1 단계 난기류 혼합을 위해 더 중요해진다. 하향 버너는 "엉성한 연료"의 응용에서 사용되는 것이 아니면, 과대 연료입자를 가장 적게 가진 보다 미세한 입자(finer)를 요한다.
응집물, 과대 크기 또는 높은 종횡비 적절한 직경의 입자에 대한 탄도학적 문제가 여기에 개시된 기술을 사용하여 관리될 수 있다면, 거의 수평인 버너에 대한 기회도 존재한다. 양호한 연료 관리 및 선택과 결합된 경우, 거의 수평인 버너는 넓은 작동 기회(operating window) 및 선택권을 여전히 제공하여 불완전한 연료가 당면하게 되는 일부의 문제점을 최소화한다.
도 42A는 곡식 건조기에서의 시험을 위해 계획된 우리의 1MM BTU/hr 버너를 도시하고 있다. 현재 설계 중 다수는 도 35의 버너 설계 원리로부터 발전된 것이다. 이러한 공축 유닛은 수동 2차 공기 구멍(421)을 구비한 내측 제1 단계 연소 인클로저(420)을 사용한다. 능동 2차 공기 (422)는 하나 이상의 공급 호스(422)를 통하여 보다 큰 외측 인클로저(424)와 외측 깃(outer collar: 423)에 의해 형성된 원형 플레넘(circular plenum:423)으로 공급된다. 제2 단계 연소 완료구역으로 향하면서, 활성 2차 공기는 원형 삽입물 (425a) 내에 경사진 유도 슬롯을 통해 공급되어 분말 화염속도의 10배까지의 속도에서 나타나 고온 입자들을 혼합하고 연소 완료를 위해 필요한 산소를 공급한다. 선택에 따라, 도 35에서와 같은 공축 공기 채널에 원주 둘레로 장착된 소용돌이 날개가 추가의 제2 단계 연소 구역 지원을 위해 사용될 수 있다.
도 42B는 도 42A의 설계를 사용하고 노즐 단부 근방에 제1 단계 버너 인클로저 측면으로 능동 2차 공기를 단순 부가하여 더 양호한 재순환의 제어 및 화염지지 기능을 촉진한 것이다. 하나 이상의 공급 호스(428)이 분포를 위해 깃 또는 플레넘(428a)으로 산화 및 지지 공기 (421)를 공급한다.
도 43은 폭발성 분말연료를 사용한 가열용 퍼니스의 시스템 수준의 블록 다이어그램이다. 산화가스 공급부(4310), 호퍼(4314)를 구비한 분말연료 공급부(4312) 및 혼합 구역(4316)으로 구성된 PDPD 시스템은 분산을 버너(4318)로 공급하고, 이는 퍼니스 열 교환기(4320) 내로로 배기된다. 연도 가스(4321)은 열 회수 교환기(4322)를 통해 이어서, 공기에 비말 동반된 회분이 제거되고 폐기를 위해 저장되는(4326) 입자 여과 시스템(4324)를 통해 계속된다. 연도 가스는 대기(4335)로 배출된다. 가열 유체(4328)은 퍼니스 열 교환기(4230)을 통하고 나서 주요 열 부하(4330)으로 순환하여, 저온의 유체를 열 회수 교환기(4322)를 통해 반송한다. 버너 시스템, 외부 분말 저장소(4332) 및 연도 가스 입자 여과 시스템(4324)는 열을 생산하는 폭발성 분말연료 직접 열 전환을 위한 퍼니스에로의 고유한 적응을 포함한다.
본 발명의 버너 설계 및 연소 계획(regimen)을 일견하여 유사해 보이는 다른 기술과 차별화함에 있어 종래 기술에 관해 이해해야 하는 가장 중요한 점은, 고체 연료 타입 및 입자 크기 분포에 무관하게 이들 종래 기술들 각각이 2상 연소 영역의 기술에 의존한다는 사실을 정확히 어떻게 종래 기술의 연소 시스템 작동과 버너 설계 개념이 결론적으로 반복하여 증명하고 있는 가이다.
연료 파라미터는, 완전히 폭발성인 연소 영역을 유지하는 기술과 버너 설계 선택 및 작동에 대한 연결에 영향을 주기 때문에 반드시 언급되어야 한다.
입자 크기가 중요하며, 이러한 분포의 "품질"은 버너 연소 공정이, 폭발성 구역, 우리가 청구한 작동 영역 내에서 가장 효율적이고 깨끗하게 운영되는 능력을 결정한다. 전체 분포의 백분율로서의 입자 크기 분포의 상한/외측 경계 조성물과 관련하여 주요 초점은 과대 입자, 당해 물질에 대하여 폭발성 문턱값 (목재의 경우, ~200 미크론)을 초과하는 직경/길이를 가지는 것을 최소화하는 데에 있다.
연료 원료 물질 타입과 사용된 분말 생산 공정 모두는 최종 제조된 분말연료가 사양을 고수함에 있어 주요한 요인이 된다. 연소시 폐기를 요하는 부산물을 초래할 수 있는 "폭죽(sparkler)" 또는 "로켓 입자"를 생성하지 않는 연료를 가지는 것이 바람직하다. 최상의 제조 노력에도 불구하고, 이러한 입자들은 사실상 과대하고, 일부 매우 적은 양의 전반적으로 실질적 폭발성인 분말연료를 포함할 것이다. 최종 등급 사양에 대한 결정은 제조 시스템의 경제적 모델에 대한 버너 시스템 성능에 기초할 것이다.
입자가 클수록 이들은 더 빠르게 침강하고 분산 지지에 대하여 더 많은 주의가 필요하다. 단일상 연소 거동의 실현 가능성으로의 전환은 STP 조건에서 200+ 미크론 경목재 입자로 폭발성 경계에서 일어난다. 입자가 전환 직경에 매우 가까워지면, 우리는 여전히 흐름이 적절하게 거동하는 것을 보장하기 위해 많은 주의를 기울여야 한다. 그에 비해, 우리가 10 미크론 입자를 이용했다면, 양호한 분산 흐름 조건의 유지는 비교적 쉽지만, 연마에 의한 입자 크기 감소 비용은 매우 높아질 것이다. 80 메쉬 (177 미크론) 소나무는, 더 큰 입자를 포함하고 있기 때문에, 수평에서 보다 수직 버너에서 더 잘 탄다. 200 메쉬 (74 미크론) 경목재는 양쪽 모두에서 매우 잘 탄다.
만일 공기-연료 당량비가 정확한 범위 내이면, 200 및 100 미크론 직경 입자의 혼합 흐름은 폭발성이 될 것이다. 큰 쪽의 입자가 폭발성 전환선에 가까우면, 공기 및 분말의 적절한 분산을 얻는 것이 더 어려워진다. 경험적으로 보아, 입자 크기가 서서히 감소하면서, 입자의 개체군을 분산으로 유지하는 것이 쉬워지기 훨씬 전에 폭발성 거동이 나타난다.
일반적으로, 입자 분포는 일부 문턱값, 혹은 분포 평균, 중간값 또는 모드 이상 또는 이하인 그의 개체군의 백분율에 기초하여 논의된다. 그러나, 폭발성 분산을 확립하고 유지하는 것에 관해서는, 분포를 중량 백분율로 논의하는 것이 종종 더 유용하다.
우리는, (직경이 200+ 미만에서 폭발성인 입자) 연료 분포의 폭발성 중량 We을 개체군 내의 모든 입자의 총 중량 Wt로 나눈 것에 해당하는 무차원 수 χw를 정의한다. 목표는 우리가 1에 접근하거나 1인 분포를 가지고 작업하는 것이다. 수가 작을수록, 분포, 따라서 분산을 가지고 작업하기가 더 어려워진다.
χw = We/Wt 여기서 χw → 1
우리의 버너에서, 독점적으로 실질적으로 폭발성인 혼합물로 작업을 하려고 시도하는 경우, 과대 입자는 말 그대로 "밸러스트(ballast)"가 되고 종종 골칫거리가 된다. 우리는 고체 연료 공기 부유 또는 분산을 생성 또는 부유시키려고 비상한 노력을 하였고, 이는 단일상 혼합물로서 타게 되고 이어서 점화되었다.
분말연료 구동 장치의 버너 시스템 구현예
여기 개시된 버너 시스템과 방법은 가열 또는 에너지 목적을 위해서, 퍼니스, 엔진, 보일러, 곡식 건조기, 의복 건조기, 온수 히터, 복합 퍼니스/온수기, 고온 공기 풍선(hot air ballon), 실내 난방기(space heater), 장작 난로, 가스 벽난로, 가스 터빈 및 발전기, 강제 고온 공기 난방 시스템, 강제 열수 난방 시스템, 강제 스팀 난방 시스템 및 방사 난방 시스템을 포함하나 이에 제한되지 않는 다양한 장치 응용분야에 적용될 수 있다. 추가의 장치는 오븐, 흡수식 냉동기(absorption chillers), 암모니아 사이클 냉동(ammonia cycle refrigeration), 파티오 히터(patio heaters), 가열 토치(heating torches), 제어로(controllable fire pits), 연속식 급탕기, 추진식 및 인라인 급탕기 (booster and inline water heaters), 노란 화염 가스 로그세트 (yellow flame gas log sets), 인서트(inserts), 자립형 스토브(freestanding stoves) 및 빌트인 제로 클리어런스 벽난로(built in zero clearance fireplaces), 방사 스토브 및 퍼니스, 옥외 장작 보일러(outdoor wood boiler), 산업용 퍼니스 및 보일러, 콘 스토브(corn stoves), 펠렛 스토브(pellet stoves), 석탄 난로, 엔터테인먼트 제어식 토치(entertainment controllable torches), 불꽃 제조술 타입의 디스플레이(pyrotechnic type displays), 및 기존의 연소 장치를 분말 버닝 장치로 교체 또는 보충하는 스팀 엔진을 포함한다.
분말연료의 폭연을 위한 개조 응용의 키트
본 개시에 기술한 다양한 수평 버너 및 수평에 가까운 버너는, 공칭의 4인치 수용 및 탑재 칼라 시스템(collar system)이 일반적인, 오일을 연료로 하는 기존의 퍼니스에 대한 개조 부품으로서 우선 이용하기 위한 것이다. 이러한 응용을 위한 바람직한 구현예를 시험하고 이 시점에서 운전하여 도 36에 의해 가장 잘 기재한다. 응집물과 관련된 모든 문제는 수평 버너에 대한 도 37A 내지 도 40B에 기재된 하나 이상의 기술, 뿐만 아니라 도 28 내지 도 32에 묘사된 수직 버너를 고려하여 개발된 해결책을 사용하여 다루어질 수 있다.
유동성의 연료의 연소를 위한 장치가 다수의 내장형(self-contained) 장치에 응용될 수 있으나, 종종 가열 퍼니스 및 보일러와 같은 열-소비 장치의 일부이거나 혹은 그에 연결되어 이용된다. 유동성 연료 연소에 대한 이러한 다수의 분야에서, 우리의 버너 장치는 더 큰 최종 제품 독립체의 하부 시스템의 세부 사항으로 고려될 수 있다. 본 발명의 버너는 임의의 타입의 퍼니스, 보일러 및, 오늘날 일반적으로 오일, 천연 가스 및 LP 가스에 의해 연료를 공급받는 것과 같으나 이에 제한되지는 않는 그 외 가열 시스템에서의 사용을 위해 조정될 수 있다. 또한, 본 발명의 버너는 전술한 모든 응용 분야의 기존 시스템에서의 사용을 위해 조정될 수 있다.
또한, 우리의 넓은 범위의 버너 기술, 수단, 방법 및 장치는 기존의 열교환 퍼니스 및 그 외 시스템에 적응되거나, 혹은 전술한 바와 같이 새로운 열교환 퍼니스 및 그 외 시스템에서의 설치를 위해 설계되고자 하는 것이다.
본 출원 전체에 걸쳐 인용된 모든 참조 문헌, 등록된 특허 및 공개된 특허 출원의 내용은 여기서 원용에 의해 통합된다.
따라서, 여기에 기술된 본 발명의 구현예는 단지 본 발명의 원리의 적용을 설명하기 위해 기재된 것임이 이해되어야 한다. 여기에 설명된 구현예의 상세 내용에 대한 참조는 그 자체로 발명에 필수적인 것으로 고려되는 특징을 열거하는 청구항의 범위를 제한하고자 하는 것이 아니다.

Claims (45)

  1. 캐리어 가스에서의 고체 입자를 위한 실질적으로 폭발성 크기 범위에 있는 크기 분포를 가진 복수의 고체 입자로 이루어진 폭발성 분말의 분산의 폭연(deflagration)에 의한 2단계 연소용 버너로서,
    a) 폐쇄 유입단부(inlet end) 및 상기 폐쇄 유입단부의 반대편에 있는 개방 배출단부(exhaust end)를 가지고, 실질적으로 원통 형상을 가진 제1 인클로저를 형성하는 제1 인클로저 측벽으로서, 상기 제1 인클로저는 제1 연소 단계를 포함하는, 제1 인클로저 측벽;
    b) 상기 제1 인클로저의 폐쇄 유입단부에 상기 제1 인클로저로의 출구를 가진 유입 노즐로서, 상기 캐리어 가스에서의 고체 입자의 이동 흐름을 상기 제1 인클로저로 전달하도록 상기 제1 인클로저 내로 가로막히지 않고 자유롭게 개방된, 유입 노즐;
    c) 상기 유입 노즐로부터 하류방향으로 상기 제1 인클로저에 위치한 점화 공급원;
    d) 상기 유입 노즐의 내경으로부터 상기 제1 인클로저 측벽의 내경으로의 제1 직경 단계 증가에 의해 형성된 제1 흐름-변화 불연속부로서, 상기 유입 노즐의 내경에 대한 상기 제1 인클로저 측벽의 내경의 제1 불연속부 비율은 4.67 내지 12의 범위에 있는, 제1 흐름-변화 불연속부;
    e) 제1 반경방향 대칭 화염안정화 개구를 통한 상기 제1 인클로저 내로의 제1 제어된 2차 가스의 유동을 허용하고, 상기 제1 인클로저의 폐쇄 유입단부에 위치한, 하나 이상의 제1 반경방향 대칭 화염안정화 개구로서, 상기 분산의 유동 방향 축을 따라 그리고 유동 방향 축으로부터 외부로 상기 제1 제어된 2차 가스를 지향시키고, 상기 제1 인클로저 측벽을 따라 재순환시키도록 형성된, 하나 이상의 제1 반경방향 대칭 화염안정화 개구
    를 포함하고,
    상기 제1 흐름-변화 불연속부 및 상기 제1 반경방향 대칭 화염안정화 개구는 조합하여 상기 캐리어 가스, 상기 제1 제어된 2차 가스, 및 상기 고체 입자의 난류 혼합을 제공하여, 초기 입자 가열을 촉진시키고, 예열 구역의 길이를 단축하며, 상기 제1 제어된 2차 가스의 유동을 촉진시키고, 연소 화염 안정화를 제공하고,
    상기 제1 인클로저는, 상기 캐리어 가스에서의 고체 입자의 이동 흐름이 상기 유입 노즐로부터 상기 제1 인클로저로 들어갈 때, 역류가 상기 이동 흐름이 발산하도록 하여, 대칭적인 버섯 형상을 가진 폭발성 분산을 형성하고, 또한 상기 제1 흐름-변화 불연속부 및 상기 제1 반경방향 대칭 화염안정화 개구로 인해 상기 폭발성 분산의 화염 속도로 감속되도록 설계되고, 관통 난류 재순환은 상기 제1 제어된 2차 가스와 혼합되어, 폭발성 범위에 있는 당량비로 폭발성 분산을 형성하며, 상기 점화 공급원은 상기 폭발성 분산을 초기 점화하고,
    상기 이동 흐름의 흐름 유동은, 상기 폭발성 분산의 연소에 의해 순간적으로 안정한 정상 상태의 폭연 화염 파동 선단을 유지하도록 규제가능하고, 비방사성이며, 가스에서 입자로의, 전도성 열전달로 열적으로 유지되면서, 단일상 가스 연소의 유체 역학을 모방하며,
    상기 버너는,
    f) 유입단부 및 상기 유입단부 반대편에 있는 개방 배출단부를 가지는 제2 인클로저 측벽으로서, 상기 제1 인클로저 측벽의 개방 배출단부를 넘어서 하류방향으로 상기 제2 인클로저 측벽의 개방 배출단부까지 연장되고, 실질적으로 원통 형상을 가지며 제2 연소 단계를 포함하는 제2 인클로저를 형성하는, 제2 인클로저 측벽;
    g) 상기 제1 인클로저 측벽의 내경으로부터 상기 제2 인클로저 측벽의 내경으로의 제2 직경 단계 증가에 의해 형성된 제2 흐름-변화 불연속부로서, 상기 제1 인클로저 측벽의 내경에 대한 상기 제2 인클로저 측벽의 내경의 제2 불연속부 비율은 상기 제1 인클로저 측벽의 개방 배출단부에서 1.14 내지 2.29의 범위에 있는, 제2 흐름-변화 불연속부; 및
    h) 제2 제어된 2차 가스의 유동이 상기 제2 반경방향 대칭 화염안정화 개구를 통과하도록 허용하고, 상기 제1 인클로저 측벽의 배출단부의 하류에 위치한, 하나 이상의 제2 반경방향 대칭 화염안정화 개구로서, 상기 제2 반경방향 대칭 화염안정화 개구는, 상기 제2 제어된 2차 가스의 반경방향 대칭 흐름을 상기 제2 인클로저의 중심축에 비평행한 방향으로 상기 제2 인클로저에서 내부로 초기에 지향시키도록 형성되고, 상기 제2 제어된 2차 가스는 외적으로 예열되지 않고, 가압되고, 화염 속도의 10배까지의 속도로 능동적으로 공급되는, 하나 이상의 제2 반경방향 대칭 화염안정화 개구
    를 더 포함하고,
    상기 제2 흐름-변화 불연속부 및 상기 제2 반경방향 대칭 화염안정화 개구를 통해 들어가는 제2 제어된 2차 가스는 조합하여 유도된 역류 재순환을 공급하여, 모든 잔류 고체 입자를 추가 연소하고, 제2 연소 단계 내부의 난류 유동을 촉진시켜서, 상기 제1 인클로저로부터의 유출물을 상기 제2 제어된 2차 가스와 혼합하고, 상기 유출물에 의해 상기 제2 제어된 2차 가스의 가열률을 증가시키며, 최종 번아웃(burnout) 구역의 길이를 감소시키고, 화염 안정화를 지속시키며, 완전 연소를 보장하고,
    상기 캐리어 가스, 상기 제1 제어된 2차 가스, 및 상기 제2 제어된 2차 가스는 조합하여 상기 고체 입자를 완전히 연소하기에 충분한 산화 가스를 포함하며,
    상기 제1 단계에서 고체 입자의 가열은 가스에서 입자로의 전도에 의존하고, 상기 제2 단계에서 제2 제어된 2차 가스의 가열은 입자에서 가스로의 전도에 의존하며, 열 보유를 위한 어떠한 열 내화성 구조물 또는 복사 가열 또는 어떠한 외부 열에너지에도 의존하지 않고, 화염 안정화는 경로 길이 및 체류 시간을 증가시키기 위해 사이클로닉 및 볼텍스 유지 시스템에 공통된 능동 기계적 소용돌이 유도 장치에 의존하지 않는,
    버너.
  2. 제1항에 있어서,
    소용돌이 또는 난기류를 상기 이동 흐름에 유도하기 위해, 상기 제1 인클로저에 위치한 하나 이상의 수동 정상 상태 흐름-변화 구조물을 더 포함하는, 버너.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 인클로저는, 상기 제2 인클로저의 개방 배출단부가 최상부에 있도록 수직으로 배향되는, 버너.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 인클로저는 비수직으로 배향되는, 버너.
  5. 제1항에 있어서,
    타지 않은 고체 입자를 상기 이동 흐름 내로 포획하여 재활용하기 위해 상기 제1 인클로저의 폐쇄 유입단부에 원뿔형 배열을 더 포함하는, 버너.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고체 입자의 95% 이상이 폭발성 범위에 있는 직경을 가진, 버너.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고체 입자의 응집물을 해산시키기 위해, 상기 제1 인클로저에 위치한 스크린 및 상기 스크린에 연결된 진동 변환기를 포함하는 탈응집화 시스템(de-agglomerization system)을 더 포함하는, 버너.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 제어된 2차 가스는, 상기 하나 이상의 제1 반경방향 대칭 화염안정화 개구에 의해 기계적으로 제어되는 제1 부분 및 상기 제1 인클로저에서 난류 유동을 생성하도록 배치된 상기 제1 인클로저 측벽의 폐쇄 유입단부에 인접하여 능동적으로 공급되는 제2 부분을 포함하는, 버너.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 인클로저 측벽의 배출단부에 흐름 제한부를 더 포함하는, 버너.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 흐름 제한부는 3차 가스를 도입하기 위한 감소기(reducer)의 형태인, 버너.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 제어된 2차 가스의 유동은 수동적이고, 상기 제1 흐름-변화 불연속부 및 상기 제1 반경방향 대칭 화염안정화 개구는, 상기 제1 인클로저 내로 유동하는 캐리어 가스에서의 고체 입자의 이동 흐름으로부터의 추출에 의해 구동되고 또한 상기 캐리어 가스 또는 상기 제1 제어된 2차 가스에서의 적어도 하나의 산화가스의 일부분에서 고체 입자의 일부분의 연소의 결과인 가스 팽창에 의해 추가로 에너지가 공급되는 흐름과 조합하여, 상기 제1 인클로저 내에서 역난류 유동을 공급하는, 버너.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 제어된 2차 가스는 능동적으로 공급되는, 버너.
  13. a) 캐리어 가스의 유동을 공급하는 가스 공급 시스템;
    b) 실질적으로 폭발성 크기 범위에 있는 크기 분포를 가진 폭발성 분발을 공급하는 분말연료 공급 시스템;
    c) 상기 가스 공급 시스템과 상기 분말연료 공급 시스템에 연결된 투입부(input) 및 상기 캐리어 가스에서의 고체 입자의 분산의 이동 흐름을 포함하는 산출부(output)을 가진 혼합 구역;
    d) 버너; 및
    e) 상기 가스 공급 시스템과 상기 분말연료 공급 시스템에 연결된 제어 시스템
    을 포함하는 버너 시스템으로서,
    상기 버너는,
    ⅰ) 폐쇄 유입단부 및 상기 폐쇄 유입단부의 반대편에 있는 개방 배출단부를 가지고, 실질적으로 원통 형상을 가진 제1 인클로저를 형성하는 제1 인클로저 측벽으로서, 상기 제1 인클로저는 제1 연소 단계를 포함하는, 제1 인클로저 측벽;
    ⅱ) 상기 혼합 구역의 산출부에 연결되고, 상기 제1 인클로저의 폐쇄 유입단부에 상기 제1 인클로저 내로의 출구를 가진 유입 노즐로서, 상기 캐리어 가스에서의 고체 입자의 분산의 이동 흐름을 상기 제1 인클로저로 전달하도록, 상기 제1 인클로저 내로 가로막히지 않고 자유롭게 개방된, 유입 노즐;
    ⅲ) 상기 분산을 초기 점화하도록 상기 유입 노즐로부터 하류방향으로 상기 제1 인클로저에 위치한 점화 공급원;
    iv) 상기 유입 노즐의 내경으로부터 상기 제1 인클로저 측벽의 내경으로의 제1 직경 단계 증가에 의해 형성된 제1 흐름-변화 불연속부로서, 상기 유입 노즐의 내경에 대한 상기 제1 인클로저 측벽의 내경의 제1 불연속부 비율은 4.67 내지 12의 범위에 있는, 제1 흐름-변화 불연속부;
    v) 제1 반경방향 대칭 화염안정화 개구를 통한 상기 제1 인클로저 내로의 제1 제어된 2차 가스의 유동을 허용하고, 상기 제1 인클로저의 폐쇄 유입단부에 위치한, 하나 이상의 제1 반경방향 대칭 화염안정화 개구로서, 상기 제1 제어된 2차 가스를 상기 분산의 유동 방향 축을 따라 그리고 유동 방향 축으로부터 외부로 지향시키고, 상기 제1 인클로저 측벽을 따라 순환시키도록 형성된, 하나 이상의 제1 반경방향-대칭 화염안정화 개구;
    vi) 유입단부 및 상기 유입단부의 반대편에 있는 개방 배출단부를 가지고, 상기 제1 인클로저 측벽의 개방 배출단부를 넘어서 하류방향으로 제2 인클로저 측벽의 개방 배출단부까지 연장되는 제2 인클로저 측벽으로서, 실질적으로 원통 형상을 가지며 제2 연소 단계를 포함하는 제2 인클로저를 형성하는, 제2 인클로저 측벽;
    vii) 상기 제1 인클로저 측벽의 내경으로부터 상기 제2 인클로저 측벽의 내경으로의 제2 직경 단계 증가에 의해 형성된 제2 흐름-변화 불연속부로서, 상기 제1 인클로저 측벽의 내경에 대한 상기 제2 인클로저 측벽의 내경의 제2 불연속부 비율은 상기 제1 인클로저 측벽의 개방 배출단부에서 1.14 내지 2.29의 범위에 있는, 제2 흐름-변화 불연속부; 및
    viii) 제2 제어된 2차 가스의 유동이 상기 제2 반경방향 대칭 화염안정화 개구를 통과하도록 허용하고, 상기 제1 인클로저 측벽의 개방 배출단부의 하류방향에 위치한, 하나 이상의 제2 반경방향 대칭 화염안정화 개구로서, 상기 제2 반경방향 대칭 화염안정화 개구는 상기 제2 제어된 2차 가스의 반경방향 대칭 흐름을 상기 제2 인클로저의 중심축에 비평행한 방향으로 상기 제2 인클로저에서 내부로 초기에 지향시키도록 형성되고, 상기 제2 제어된 2차 가스는 외적으로 예열되지 않고, 가압되고, 화염 속도의 10배까지의 속도로 능동적으로 공급되는, 하나 이상의 제2 반경방향 대칭 화염안정화 개구
    를 포함하고,
    상기 제어 시스템은, 상기 제1 인클로저 내에서 안정한 정상 상태의 화염 선단을 유지하기 위하여, 상기 이동 흐름이 상기 유입 노즐의 하류에서 상기 폭발성 범위에 있는 당량비로 상기 이동 흐름의 화염 속도로 감속되도록, 상기 캐리어 가스의 유동을 규제하는,
    버너 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 가스 공급 시스템은 상기 제2 제어된 2차 가스를 공급하고, 상기 제어 시스템은, 상기 개방 배출단부에서 상기 폭발성 분말의 미리 결정된 수준의 완전 연소를 달성하도록 상기 가스 공급 시스템으로부터의 상기 제2 제어된 2차 가스의 유동을 더 규제하는, 버너 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 이동 흐름을 가속하고 상기 제1 인클로저 내로의 입장 이전에 상기 고체 입자의 응집물을 해산시키는 가속화 가스의 입장을 위해 상기 혼합 구역으로의 하나 이상의 추가 공기 유입부를 더 포함하는, 버너 시스템.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 가스 공급 시스템은 가압된 가스 공급원, 블로어(blower), 또는 가스 증폭 장치를 포함하는, 버너 시스템.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 분말연료 공급 시스템은 적어도 하나의 연료 사용 계량기를 포함하는, 버너 시스템.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 적어도 하나의 센서를 포함하는, 버너 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 센서는 흡입(intake) 온도 센서, 배출 온도 센서, 흡입 가스 센서, 배출 가스 센서, 질량 기류 센서, 공기/연료비 센서, 연료 흐름 센서, 산소 센서, 일산화탄소 센서, 분말 공급 센서, 음향 센서, 분말 센서, 진공 센서, 압력 센서, 위치 센서, 분말 공급 속도 센서, 정전하(static charge) 센서, 습도 센서, 수분 센서, 입자 크기 센서, 화염 존재를 감지하기 위한 광학 센서, 및 이러한 센서들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 버너 시스템.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 가스 공급 시스템은 가스 사용 계량기를 포함하는, 버너 시스템.
  21. 제13항에 있어서,
    상기 분말연료 공급 시스템은 오거(auger)를 포함하는, 버너 시스템.
  22. 제13항에 있어서,
    미리 설정된 시간당 BTU 산출량을 위해, 상기 제어 시스템은 또한 상기 제1 제어된 2차 가스를 규제하여, 상기 이동 흐름을 상기 유입 노즐의 하류에서 상기 폭발성 범위에 있는 당량비로 유지하고, 상기 제1 인클로저 내에서 상기 안정한 정상 상태의 화염 선단을 유지하고, 상기 제1 제어된 2차 가스는 상기 가스 공급 시스템에 의해 능동적으로 공급되는, 버너 시스템.
  23. 제13항에 있어서,
    상기 제1 제어된 2차 가스는 수동적으로 공급되는, 버너 시스템.
  24. 제13항에 있어서,
    상기 제1 제어된 2차 가스는 능동적으로 공급되는, 버너 시스템.
  25. a) 캐리어 가스의 유동을 공급하는 가스 공급 시스템;
    b) 실질적으로 폭발성 크기 범위에 있는 크기 분포를 가진 폭발성 분말을 공급하는 분말연료 공급 시스템;
    c) 상기 가스 공급 시스템과 상기 분말연료 공급 시스템에 연결된 투입부 및 상기 캐리어 가스에서의 고체 입자의 분산의 이동 흐름을 포함하는 산출부를 가진 혼합 구역;
    d) 버너;
    e) 상기 가스 공급 시스템과 상기 분말연료 공급 시스템에 연결된 제어 시스템;
    f) 상기 버너의 배출단부에 열적으로 연결된 열교환기; 및
    g) 상기 열교환기에 열적으로 연결된 가열 유체 순환 시스템
    을 포함하는 퍼니스(furnace)로서,
    상기 버너는,
    ⅰ) 폐쇄 유입단부 및 상기 폐쇄 유입단부의 반대편에 있는 개방 배출단부를 가지고, 실질적으로 원통 형상을 가진 제1 인클로저를 형성하는 제1 인클로저 측벽으로서, 상기 제1 인클로저는 제1 연소 단계를 포함하는, 제1 인클로저 측벽;
    ⅱ) 상기 혼합 구역의 산출부에 연결되고, 상기 제1 인클로저의 폐쇄 유입단부에 상기 제1 인클로저 내로의 출구를 가진 유입 노즐로서, 상기 캐리어 가스에서의 고체 입자의 분산의 이동 흐름을 상기 제1 인클로저로 전달하도록, 상기 제1 인클로저 내로 가로막히지 않고 자유롭게 개방된, 유입 노즐;
    ⅲ) 상기 분산을 초기 점화하도록 상기 유입 노즐로부터 하류방향으로 상기 제1 인클로저에 위치한 점화 공급원;
    iv) 상기 유입 노즐의 내경으로부터 상기 제1 인클로저 측벽의 내경으로의 제1 직경 단계 증가에 의해 형성된 제1 흐름-변화 불연속부로서, 상기 유입 노즐의 내경에 대한 상기 제1 인클로저 측벽의 내경의 제1 불연속부 비율은 4.67 내지 12의 범위에 있는, 제1 흐름-변화 불연속부;
    v) 제1 반경방향 대칭 화염안정화 개구를 통한 상기 제1 인클로저 내로의 제1 제어된 2차 가스의 유동을 허용하고, 상기 제1 인클로저의 폐쇄 유입단부에 위치한, 하나 이상의 제1 반경방향 대칭 화염안정화 개구로서, 상기 제1 제어된 2차 가스를 상기 분산의 유동 방향 축을 따라 그리고 유동 방향 축으로부터 외부로 지향시키고, 상기 제1 인클로저 측벽을 따라 순환시키도록 형성된, 하나 이상의 제1 반경방향-대칭 화염안정화 개구;
    vi) 유입단부 및 상기 유입단부 반대편에 있는 개방 배출단부를 가지고, 상기 제1 인클로저 측벽의 개방 배출단부를 넘어서 하류방향으로 제2 인클로저 측벽의 개방 배출단부까지 연장되는 제2 인클로저 측벽으로서, 실질적으로 원통 형상을 가지며 제2 연소 단계를 포함하는 제2 인클로저를 형성하는, 제2 인클로저 측벽;
    vii) 상기 제1 인클로저 측벽의 내경으로부터 상기 제2 인클로저 측벽의 내경으로의 제2 직경 단계 증가에 의해 형성된 제2 흐름-변화 불연속부로서, 상기 제1 인클로저 측벽의 내경에 대한 상기 제2 인클로저 측벽의 내경의 제2 불연속부 비율은 상기 제1 인클로저 측벽의 개방 배출단부에서 1.14 내지 2.29의 범위에 있는, 제2 흐름-변화 불연속부; 및
    viii) 제2 제어된 2차 가스의 유동이 상기 제2 반경방향 대칭 화염안정화 개구를 통과하도록 허용하고, 상기 제1 인클로저 측벽의 배출단부의 하류에 위치한, 하나 이상의 제2 반경방향 대칭 화염안정화 개구로서, 상기 제2 반경방향 대칭 화염안정화 개구는 상기 제2 제어된 2차 가스의 반경방향 대칭 유동을 상기 제2 인클로저의 중심축에 비평행한 방향으로 상기 제2 인클로저에서 내부로 초기에 지향시키도록 형성되고, 상기 제2 제어된 2차 가스는 외적으로 예열되지 않고, 가압되고, 화염 속도의 10배까지의 속도로 능동적으로 공급되는, 하나 이상의 제2 반경방향 대칭 화염안정화 개구
    를 포함하고,
    상기 제어 시스템은, 상기 제1 인클로저 내에서 안정한 정상 상태의 화염 선단을 유지하기 위하여, 상기 이동 흐름이 상기 유입 노즐의 하류에서 상기 폭발성 범위에 있는 당량비로 상기 이동 흐름의 화염 속도로 감속되도록, 상기 캐리어 가스의 흐름을 규제하는,
    퍼니스.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 버너로부터 연도 가스를 여과하기 위한 연도 가스 입자 여과 시스템을 더 포함하는, 퍼니스.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 가열 유체는 공기이고, 상기 가열 유체 순환 시스템은 공기 플레넘(air plenum)을 통해 공기를 불어넣는 블로어(blower)를 포함하는, 퍼니스.
  28. 제25항에 있어서,
    상기 가열 유체는 물이고, 상기 가열 유체 순환 시스템은 물 펌프를 포함하는, 퍼니스.
  29. 제25항에 있어서,
    상기 가열 유체는 스팀(steam)인, 퍼니스.
  30. 제25항에 있어서,
    상기 제2 인클로저의 개방 배출단부를 빠져나가는 타지 않은 분말연료 또는 회분 미립자를 포획하고 수집하기 위해 상기 제2 인클로저의 개방 배출단부의 하류에 위치한 수집 용기를 더 포함하는, 퍼니스.
  31. 제25항에 있어서,
    미리 설정된 시간당 BTU 산출량을 위해, 상기 제어 시스템은 또한 상기 제1 제어된 2차 가스를 규제하여, 상기 이동 흐름을 상기 유입 노즐의 하류에서 상기 폭발성 범위에 있는 당량비로 유지하고, 상기 제1 인클로저 내에서 상기 안정한 정상 상태의 화염 선단을 유지하고, 상기 제1 제어된 2차 가스는 상기 가스 공급 시스템에 의해 능동적으로 공급되는, 퍼니스.
  32. 제25항에 있어서,
    상기 제1 제어된 2차 가스는 수동적으로 공급되는, 퍼니스.
  33. 제25항에 있어서,
    상기 제1 제어된 2차 가스는 능동적으로 공급되는, 퍼니스.
  34. 폭발성 분말 고체 연료의 연소 방법으로서,
    a) 고체 입자가 캐리어 가스에서의 분말 고체 연료의 고체 입자의 분산의 이동 흐름을 형성하도록, 상기 캐리어 가스의 유동과 실질적으로 폭발성 크기 범위에 있는 크기 분포를 가진 폭발성 분말연료의 복수의 고체 입자를 혼합하는 단계;
    b) 폭발성 분산의 화염 속도로 이동하는 제1 인클로저에서의 폭발성 분산을 형성하도록, 유입 노즐을 통해 버너의 제1 인클로저 내로 상기 이동 흐름을 지향시키는 단계로서, 상기 버너는
    ⅰ) 폐쇄 유입단부 및 상기 폐쇄 유입단부의 반대편에 있는 개방 배출단부를 가지고, 실질적으로 원통 형상을 가진 제1 인클로저를 형성하는 제1 인클로저 측벽으로서, 상기 제1 인클로저는 제1 연소 단계를 포함하는, 제1 인클로저 측벽;
    ⅱ) 상기 혼합 구역의 산출부에 연결되고, 상기 제1 인클로저의 폐쇄 유입단부에 상기 제1 인클로저 내로의 출구를 가진 유입 노즐로서, 상기 캐리어 가스에서의 고체 입자의 분산의 이동 흐름을 상기 제1 인클로저로 전달하도록, 상기 제1 인클로저 내로 가로막히지 않고 자유롭게 개방된, 유입 노즐;
    ⅲ) 상기 분산을 초기 점화하도록 상기 유입 노즐로부터 하류방향으로 상기 제1 인클로저에 위치한 점화기;
    iv) 상기 유입 노즐의 내경으로부터 상기 제1 인클로저 측벽의 내경으로의 제1 직경 단계 증가에 의해 형성된 제1 흐름-변화 불연속부로서, 상기 유입 노즐의 내경에 대한 상기 제1 인클로저 측벽의 내경의 제1 불연속부 비율은 4.67 내지 12의 범위에 있는, 제1 흐름-변화 불연속부;
    v) 제1 반경방향 대칭 화염안정화 개구를 통한 상기 제1 인클로저 내로의 제1 제어된 2차 가스의 유동을 허용하고, 상기 제1 인클로저의 폐쇄 유입단부에 위치한, 하나 이상의 제1 반경방향 대칭 화염안정화 개구로서, 상기 제1 제어된 2차 가스를 분산의 유동 방향 축을 따라 그리고 유동 방향 축으로부터 외부로 지향시키고, 상기 제1 인클로저 측벽을 따라 순환시키도록 형성된, 하나 이상의 제1 반경방향 대칭 화염안정화 개구;
    vi) 유입단부 및 상기 유입단부 반대편의 개방 배출단부를 가지는 제2 인클로저 측벽으로서, 상기 제1 인클로저 측벽의 개방 배출단부를 넘어서 하류방향으로 상기 제2 인클로저 측벽의 개방 배출단부까지 연장되고, 실질적으로 원통 형상을 가지며 제2 연소 단계를 포함하는 제2 인클로저를 형성하는, 제2 인클로저 측벽;
    vii) 상기 제1 인클로저 측벽의 내경으로부터 상기 제2 인클로저 측벽의 내경으로의 제2 직경 단계 증가에 의해 형성되는 제2 흐름-변화 불연속부로서, 상기 제1 인클로저 측벽의 내경에 대한 상기 제2 인클로저 측벽의 내경의 제2 불연속부 비율은 상기 제1 인클로저 측벽의 개방 배출단부에서 1.14 내지 2.29의 범위에 있는, 제2 흐름-변화 불연속부; 및
    viii) 제2 제어된 2차 가스의 유동이 상기 제2 반경방향 대칭 화염안정화 개구를 통과하도록 허용하고, 상기 제1 인클로저 측벽의 배출단부의 하류방향에 위치한, 하나 이상의 제2 반경방향 대칭 화염안정화 개구로서, 상기 제2 반경방향 대칭 화염안정화 개구는 초기에 상기 제2 제어된 2차 가스의 반경방향 대칭 유동을 상기 제2 인클로저의 중심축에 비평행한 방향으로 상기 제2 인클로저에서 내부로 지향시키도록 형성되고, 상기 제2 제어된 2차 가스는 외적으로 예열되지 않고, 가압되고, 화염 속도의 10배까지의 속도로 능동적으로 공급되는, 하나 이상의 제2 반경방향 대칭 화염안정화 개구
    를 포함하는, 상기 이동 흐름을 지향시키는 단계;
    c) 상기 점화기로 상기 폭발성 분산을 순간적으로 점화하는 단계;
    d) 상기 제1 제어된 2차 가스를 상기 제1 인클로저로 공급하는 단계;
    e) 상기 제2 제어된 2차 가스를 상기 제2 인클로저로 능동적으로 공급하는 단계;
    f) 상기 유입 노즐의 하류에서 폭발성 범위에 있는 당량비를 유지하도록, 상기 캐리어 가스의 흐름, 상기 제1 제어된 2차 가스의 흐름, 상기 제2 제어된 2차 가스의 흐름, 및 상기 고체 입자의 공급률을 제어함으로써, 상기 제1 인클로저 내에서 상기 폭발성 분산의 연소의 순간적으로 자체 지속되는 안정한 정상 상태의 화염 선단을 유지하는 단계
    를 포함하는, 폭발성 분말 고체 연료의 연소 방법.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 제1 인클로저 측벽에 비평행한 방향으로의 난류 유도 흐름을 위해, 상기 제1 제어된 2차 가스는, 상기 폐쇄 유입단부와 상기 개방 배출단부 사이에서 상기 제1 인클로저로의 하나 이상의 2차 유입부를 통해 상기 버너로 공급되는, 폭발성 분말 고체 연료의 연소 방법.
  36. 제34항에 있어서,
    흡입 온도 센서, 배출 온도 센서, 흡입 가스 센서, 배출 가스 센서, 질량 기류 센서, 공기/연료비 센서, 연료 흐름 센서, 산소 센서, 일산화탄소 센서, 분말 공급 센서, 음향 센서, 분말 센서, 진공 센서, 압력 센서, 위치 센서, 분말 공급 속도 센서, 정전하 센서, 습도 센서, 수분 센서, 입자 크기 센서, 화염 존재를 감지하기 위한 광학 센서, 및 이들 센서의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 센서를 사용하여 상기 버너를 모니터링하는 단계 및 상기 센서로부터의 판독에 기초하여 상기 버너의 하나 이상의 파라미터를 제어하는 단계를 더 포함하는, 폭발성 분말 고체 연료의 연소 방법.
  37. 제34항에 있어서,
    상기 캐리어 가스의 유량, 상기 제1 제어된 2차 가스의 유량, 상기 제2 제어된 2차 가스의 유량, 또는 상기 고체 입자의 공급량을 제어함으로써, 상기 버너의 열 산출량을 규제하는 단계를 더 포함하는, 폭발성 분말 고체 연료의 연소 방법.
  38. 제34항에 있어서,
    상기 하나 이상의 버너는 복수의 버너를 포함하고,
    상기 연소 방법은, 상기 복수의 버너 중 하나 이상으로 상기 캐리어 가스의 유량, 상기 제1 제어된 2차 가스의 유량, 상기 제2 제어된 2차 가스의 유량, 또는 상기 고체 입자의 공급량을 제어함으로써, 상기 복수의 버너에 의한 총 열 산출량을 규제하는 단계를 더 포함하는, 폭발성 분말 고체 연료의 연소 방법.
  39. 제34항에 있어서,
    오븐, 흡수식 냉동기(absorption chillers), 암모니아 사이클 냉동(ammonia cycle refrigeration), 파티오 히터(patio heaters), 가열 토치(heating torches), 제어로(controllable fire pits), 연속식 온수기, 추진식 및 인라인 온수기 (booster and inline water heaters), 노란 화염 가스 로그세트 (yellow flame gas log sets), 인서트(inserts), 자립형 스토브(freestanding stoves) 및 빌트인 제로 클리어런스 벽난로(built in zero clearance fireplaces), 방사 스토브 및 퍼니스, 옥외 장작 보일러(outdoor wood boiler), 산업용 퍼니스 및 보일러, 콘 스토브(corn stoves), 펠렛 스토브(pellet stoves), 석탄 난로 (coal stoves), 엔터테인먼트 제어식 토치(entertainment controllable torches), 불꽃 제조술 타입의 디스플레이(pyrotechnic type displays), 및 기존의 연소 장치를 버너로 교체 또는 보충함에 의한 스팀 엔진으로 이루어진 군으로부터 선택된 장치의 작동을 통해 상기 연소에 의해 생산된 에너지를 전환하는 단계를 더 포함하는, 폭발성 분말 고체 연료의 연소 방법.
  40. 제34항에 있어서,
    상기 제1 제어된 2차 가스는 수동적으로 공급되는, 폭발성 분말 고체 연료의 연소 방법.
  41. 제34항에 있어서,
    상기 제1 제어된 2차 가스는 능동적으로 공급되는, 폭발성 분말 고체 연료의 연소 방법.
  42. 삭제
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