KR101640251B1 - 산소에 의한 연소 방법 및 버너 - Google Patents

산소에 의한 연소 방법 및 버너 Download PDF

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Abstract

연료 및 산화제가 버너 헤드에 공급되는, 가열로 내에서 산소 가스 상태의 산화제를 이용한 연료의 연소 방법에 관한 것이다.
본 발명은 연료 및 산화제 각각이 적어도 두 쌍의 노즐(2, 3; 4, 5)을 통해서 버너 헤드(1)를 거쳐 주입되고, 하나의 쌍은 개개의 연료 노즐(3; 5)과 개개의산화제 노즐(2; 4)로 이루어지며, 복수의 쌍의 노즐(2 ~ 5)들은 버너 헤드(1)의 둘레(6)를 따라 그 둘레(6) 내에 균등하게 분포되며, 연료 노즐(3; 5)의 양측 각각에 산화제 노즐(2; 4)이 마련되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 버너에 관한 것이다.

Description

산소에 의한 연소 방법 및 버너{METHOD AND BURNER FOR BURNING WITH OXYGEN}
도 1은 제 1 실시예에 따른 버너 헤드의 배면도이다.
도 2는 제 1 실시예에 따른 버너 헤드의 정면도이다.
도 3은 제 2 실시예에 따른 버너 헤드의 정면도이다.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***
1: 버너 헤드
2,4,19,20,21: 산화제 노즐
3,5,16,17,18: 연료 노즐
6: 둘레
7: 개시 노즐
8,9: 동심 채널
10,11: 연료 공급 개구
12: 연료용 중앙 공급 도관
13: 산화제용 중앙 공급 도관
14: 플랜지
15: 버너 헤드 표면
본 발명은 산소의 연소를 위한 방법 및 버너에 관한 것으로, 더 상세하게는 가열로에서 이용하기 위한 산소의 연소를 위한 방법 및 버너에 관한 것이다.
통상적으로, 탄화수소가 다량의 산소와 결합하여 연소될 때, 화염 온도가 2000℃ 이상에 도달하고, 가열로의 분위기는 매우 높은 분압의 이산화탄소와 수증기를 갖는다. 이는 많은 NOX 함량 및 국부 과열 문제와 같은 장애를 발생시킨다.
방출물 저감 특성(emission-lowering property)을 갖도록 버너를 설계하는 것이 강하게 요구된다.
스웨덴 특허 0402223-2에서, 연료 및 산화제가 버너 헤드에 공급되는 가열로에서 산화제를 이용한 연료의 연소 방법이 개시되었다. 이 특허 문헌에 따르면, 첫 번째 단계에서, 가열로 내에서 연료의 자동 점화 온도를 초과하는 온도에 도달할 때까지, 연소가 본질적으로 버너 헤드 근처에서부터 버너 헤드로부터 소정의 거리에 이르기까지 일어나도록 연료와 산화제를 버너 헤드로부터 서로 근접하게 하여 방출하며, 그 후의 두 번째 단계에서는 연소가 본질적으로 버너 헤드로부터 적어도 버너 헤드의 직경만큼의 거리를 떨어져서 버너로부터 외측으로 일어나도록, 연료와 산화제를 서로 간격을 두고 떨어지게 하여 버너 헤드로부터 방출한다.
상기 특허에 따르면, 산화제가 80% 이상의 산소 함량을 갖는 경우라도, 노즐들의 분리, 고압, 및 최적화된 위치결정을 통하여 연소 영역에서 산소 함량을 낮추는 개념이다. 이는 매체용 노즐을 포함하지 않은 노즐의 표면상에 큰 부압을 발생시키는 노즐 구조를 사용하여 달성된다. 부압 때문에, 연도 가스가 가열로 분위기로부터 흡수되고, 유출 매체와 빠르고 거칠게 혼합된다. 혼합 매체, 즉 가열로 분위기는 일반적으로 0.5~10%의 산소 함량을 갖는다. 나머지 가스는 다양한 혼합물의 CO2, H2O, 및 N2이다.
CO2, H2O, 및 N2 가 연소에 적극적으로 참여하지 않기 때문에, 이러한 화합물은 "연소 브레이크(combustion brake)"로서 작용한다. 산소 및 연료의 희석도가 매우 광범위하여, 순수한 산소 가스의 사용에도 불구하고, 일반적으로 연소 중에 산소 비율이 7~15%에 이른다.
본 발명은 NOX 값을 더욱 줄이고, 훨씬 더 균일한 가열로 온도를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 연료 및 산화제가 버너 헤드에 공급되는, 가열로 내에서 산소 가스 상태의 산화제를 이용한 연료의 연소 방법에 관한 것으로, 연료 및 산화제 각각이 적어도 두 쌍의 노즐을 통해서 버너 헤드를 거쳐 주입되고, 하나의 쌍은 개개의 연료 노즐와 개개의 산화제 노즐로 이루어지며, 복수의 쌍의 노즐들은 버너 헤드의 둘레를 따라 그 둘레 내에 균등하게 분포되며, 연료 노즐의 양측 각각에 산화제 노즐이 마련되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 청구항 9에서 나타나는 형태 및 주된 특징을 포함하는 버너에 관한 것이다.
이하, 본 발명은 첨부된 도면에서 공개된 발명의 실시예와 부분적으로 연결되면서, 더 상세하게 기술된다.
이렇게, 본 발명은 연료 및 산화제가 버너 헤드에 공급되는, 가열로 내에서 산화제를 이용한 연료의 연소에 관한 것이다. 연소중에 형성된 화염이 가열로 내로 퍼지도록, 버너 헤드는 공지된 방식으로, 가열로 벽에 고정된다.
본 발명은 연료 및 산화제 각각이 적어도 두 쌍의 노즐(2, 3; 4, 5)을 통해서 버너 헤드(1)를 거쳐 주입되고, 하나의 쌍은 개개의 연료 노즐과 개개의 산화제 노즐로 형성된다. 복수의 쌍의 노즐(2, 3; 4, 5)들은 버너 헤드(1)의 둘레(6)를 따라 그 둘레(6) 내에 균등하게 분포된다. 또한, 도 2에서 도시하는 바와 같이, 연료 노즐의 양측 각각에 산화제 노즐이 마련되는 것을 특징으로 한다.
버너 헤드를 관통하는 도 2의 A-A선을 따라 취한 사선 단면을 나타내는 도 1은, 연료 공급 개구(10, 11), 연료용 중앙 공급 도관(12), 및 산화제용 중앙 공급 도관(13)을 나타낸다. 도면 부호 14는 버너 헤드를 고정하기 위한 플랜지를 나타내고, 도면 부호 15는 가열로의 내부와 직면하는 버너 헤드의 표면을 나타낸다.
도 3은, 세 쌍의 노즐을 포함하는 버너 헤드를 나타낸다.
본 발명에 따르면, 연료는 하나의 노즐을 통하여 주입되고 산화제는 다수의 노즐을 통하여 주입되는 상기한 특허 문헌에 따른 실시예와 달리, 연료 노즐와 산화제 노즐의 복수의 쌍이 제공된다.
바람직한 실시예에 따르면, 쌍을 이룬 노즐들은 버너 헤드의 두 개의 상호 직교하는 직경을 따라 배치된다.
놀랍게도, 하나의 연료 노즐 및 다수의 산화제 노즐을 사용하는 대신에, 여러 쌍의 연료 노즐 및 산화제 노즐을 통하여 같은 양의 연료 및 산화제를 주입함으로써, 가열로 내에서 열기 및 냉기의 국부적인 집중이 감소하는 동시에 NOX의 발생이 훨씬 감소하는 것으로 판명되었다. 연료가 단지 하나의 노즐을 통하여 주입될 때와 비교하여, 노즐들이 쌍을 이루게 함으로써 난류가 심한 다수의 영역이 형성된다고 말할 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 버너 헤드는 연료 및 산화제가 동심 채널(8, 9)을 통하여 방출되는 추가 노즐(7), 즉 개시 노즐을 포함하고, 상기 추가 노즐은 가열로의 온도가 연료 및 산화제의 자동 점화 온도에 도달할 때까지 작동한다.
바람직한 실시예에 따르면, 개시 노즐(7)은 버너 헤드(1)의 중심에 또는 중심 가까이에 위치한다.
두 번째 연소 단계는, 즉 연료 및 산화제가 쌍을 이룬 노즐들을 통해 주입되는 단계는 유리하게는 가열로의 온도가 약 750℃ 이상이 될 때 시작될 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 노즐들은 라발(laval) 또는 벤쳐(venture) 노즐이다.
도면 부호 22로 나타낸 개구는 자외선의 검출에 의해, 화염을 관리하기 위한 것이다.
도 3은, 연료용의 세 개의 노즐(16, 17, 18) 및 산화제용의 세 개의 노즐(19, 20, 21), 이렇게 세 쌍을 포함하는 실시예를 나타낸다.
이에 따라, 상기 버너는 두 개의 다른 작동 모드를 가능하게 하는데, 즉 한편으로는 일반적인 산소 연료 버너로서, 다른 한편으로는 실질적으로 더 낮은 최대 온도를 가진 화염을 발생시키도록 작동하는 버너로서 기능한다. 더 낮은 화염 온도는 NOX의 발생이 반응 속도론(reaction kinetics)에 의해 제한되는 온도, 즉, 약 1550℃ 이하로 된다.
이는, 연료 및 산소 가스가 종래의 산소 연료 연소의 경우에 비하여 버너 헤드로부터 더 멀리 떨어져서 연소하게 되는, 연료 및 산소용의 쌍을 이룬 노즐들의 전술한 바와 같은 배치를 이용함으로써 달성된다.
본 발명을 적용할 때, 자동 점화 온도보다 높은 공정 온도에서 확산되지만 제어된 연소가 달성되어, 질소 가스, 즉 NO 및 NO2의 발생을 실질적으로 줄인다.
결론적으로, 연료와 산화제는 서로 충돌하기 전에 가열로의 연도 가스와 혼합된다. 자체로 공지된 방식에서, 이는 종래 기술에 따른 연소에 대응하는 이용 효율에 불구하고, 더 크고 더 저온의 화염을 제공한다. 적절하게는, 노즐은 직선형으로 전방으로 향하게 배치될 수 있는데, 즉, 서로 멀어지게 또는 서로를 향해 배치될 필요가 없고, 오히려 버너 헤드의 종축을 향해 또는 세로축에서 멀어지게 기울어질 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 산화제는 기상이고, 80 vol% 또는 그 이상의 산소를 함유한다.
이론적인 특징에 따르면, 산화제는 적어도 1 바(bar) 압력으로 버너에 제공된다.
통상의 용례에서의 정상적인 압력은 4~5 바(bar)이다.
연료는 이용 가능한 압력으로 통상의 노즐을 통해 주입된다.
본 발명에 따른 버너 노즐은 산소 연료 연소용의 종래 버너 헤드보다 크지 않다. 바람직한 실시예에서, 직경은 약 70밀리미터(mm)이다.
컴팩트하게 구현함으로써, 본 발명을 사용자 공간에 이미 존재하는 장치에 적용할 수 있다. 또한, 그 장치는 매우 높은 공정 온도에서 적용할 수 있도록, 작은 수냉식 보호 자켓 내에 배치할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 장점은 어떤 연료로도, 즉, 고체 연료, 기체 연료, 또는 액체 연료로도 달성된다. 본 발명에 따른 장치는, 본질적으로 공정에 사용되는 가열로 장치를 본질적으로 개조하지 않고도, 기존의 연소 시스템을 대체할 수 있다.
석유, 프로판, 또는 천연 가스 중에서 연료를 선택하는 것이 유리하다.
산화제 노즐 및 연료 노즐이 직선으로 배치될 수 있기 때문에, 노즐 구조를 교체하는 것 외에는 어떠한 다른 조치를 취하지 않고도, 값싸고, 유지보수가 용이하며, 기존의 공정에 적용할 수 있는 구조가 제공된다.
이상, 여러 실시예를 기술하였다. 그러나, 버너 헤드의 디자인, 특히 연료 및 산화제 노즐 쌍의 개수에 대하여는 변경 가능하다.
따라서, 본 발명은 상기 언급한 실시예에 한정하여 고려해서는 안되고, 첨부한 청구범위의 사상 내에서 변경 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 여러 쌍의 연료 노즐 및 산화제 노즐을 통하여 같은 양의 연료 및 산화제를 주입함으로써 가열로 내에서 열기 및 냉기의 국부적인 집중을 감소시키는 동시에 NOX의 발생을 훨씬 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 가열로 내에서 산소 가스 상태의 산화제를 이용한 연료의 연소 방법으로서,
    연료 및 산화제는 버너 헤드로 공급되고,
    상기 연료 및 산화제는 각각이 적어도 두 쌍의 노즐(2, 3; 4, 5)을 통해 버너 헤드(1)를 거쳐 주입되고, 하나의 쌍은 개개의 연료 노즐(3; 5)과 개개의 산화제 노즐(2; 4)로 이루어지며, 복수의 쌍의 노즐(2 ~ 5)들은 상기 버너 헤드(1)의 둘레(6)를 따라 그 둘레(6) 내에 균등하게 분포되고, 상기 연료 노즐(3; 5)은 연료 노즐(3; 5)의 양측 각각에 산화제 노즐(2; 4)이 마련되고,
    상기 연료 및 산화제는 노즐의 쌍들로만 주입되며,
    상기 버너 헤드(1)는 상기 연료 및 상기 산화제가 동심 채널(8, 9)을 통하여 방출되는 개시 노즐로서 추가 노즐(7)을 포함하고, 상기 추가 노즐(7)은 상기 가열로의 온도가 상기 연료 및 상기 산화제의 자동 점화 온도에 도달할 때까지 작동하며,
    상기 산화제는 기상이고, 80 vol% 또는 그 이상의 산소 함량을 포함하는 것인 산화제를 이용한 연료의 연소 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    복수의 쌍의 노즐(2 ~ 5)들은 상기 버너 헤드(1)의 두 개의 상호 직교하는 직경을 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 산화제를 이용한 연료의 연소 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 추가 노즐(7)은 상기 버너 헤드(1)의 중심에 또는 중심 가까이에 위치하는 것을 특징으로 하는 산화제를 이용한 연료의 연소 방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 산화제는 적어도 1 바(bar)의 과압으로 제공되는 것을 특징으로 하는 산화제를 이용한 연료의 연소 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 연료는 석유로 선택되는 것을 특징으로 하는 산화제를 이용한 연료의 연소 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 연료는 천연 가스 또는 프로판으로 선택되는 것을 특징으로 하는 산화제를 이용한 연료의 연소 방법.
  9. 가열로 내에서 산소 가스 상태의 산화제를 이용한 연료 연소용 버너로서,
    연료 및 산화제는 버너 헤드로 공급되고,
    상기 버너 헤드(1)는 적어도 두 쌍의 노즐(2, 3; 4, 5)을 포함하고, 하나의 쌍은 개개의 연료 노즐과 개개의 산화제 노즐로 이루어지며, 복수의 쌍의 노즐(2 ~ 5)들은 상기 버너 헤드(1)의 둘레(6)를 따라 그 둘레(6) 내에 균등하게 분포되고, 상기 연료 노즐(3; 5)은 연료 노즐의 양측 각각에 산화제 노즐(2; 4)을 구비하도록 배치되고,
    상기 연료 및 산화제는 노즐의 쌍들로만 주입되며,
    상기 버너 헤드(1)는 상기 연료 및 상기 산화제가 동심 채널(8, 9)을 통하여 방출되는 개시 노즐로서 추가 노즐(7)을 포함하고, 상기 추가 노즐(7)은 상기 가열로의 온도가 상기 연료 및 상기 산화제의 자동 점화 온도에 도달할 때까지 작동되도록 배치되며,
    상기 산화제는 기상이고, 80 vol% 또는 그 이상의 산소 함량을 포함하는 것인 산화제를 이용한 연료 연소용 버너.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    복수의 쌍의 노즐(2 ~ 5)들은 상기 버너 헤드(1)의 두 개의 상호 직교하는 직경을 따라 위치하는 것을 특징으로 하는 산화제를 이용한 연료 연소용 버너.
  12. 제9항에 있어서,
    노즐들은 라발(laval) 또는 벤쳐(venture) 노즐인 것을 특징으로 하는 산화제를 이용한 연료 연소용 버너.
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