KR101757038B1 - 산소 스테이징을 이용하는 저발화율 옥시-연료 평면 화염 버너 - Google Patents

산소 스테이징을 이용하는 저발화율 옥시-연료 평면 화염 버너 Download PDF

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Abstract

본 발명의 평면 화염 옥시-연료 버너는, 수력 직경(Dh-NG ) 및 적어도 2의 종횡비(w/a)를 갖는 기상 연료 노즐; 연료 노즐과 1차 옥시던트 도관 사이에 환형의 1차 옥시던트 노즐을 형성하기 위해, 연료 노즐을 둘러싸는 1차 옥시던트 도관; 및 연료 및 옥시던트 노즐의 출구 단부로부터 연장되며, 길이(L) 및 수력 직경(Dh)을 갖는 예비 연소기를 포함하며, 상기 옥시던트 도관은 높이(b)를 갖고, 연료 노즐 및 옥시던트 노즐의 각각의 출구 단부는 정렬되며, 비율(L/Dh)은 0이 아니고 4 이하이며, 비율(L/Dh-NG )은 0이 아니고 12이하이고, 치수 a, b, w는 버너가 0.05 내지 1 MMBtu/hr로 작동중일 때, 200 내지 22,000의 1차 옥시던트 레이놀즈수를 생산하도록 크기를 갖는다.

Description

산소 스테이징을 이용하는 저발화율 옥시-연료 평면 화염 버너{LOW-FIRING RATE OXY-FUEL FLAT FLAME BURNER WITH OXYGEN STAGING}
이 출원은 그 전체가 여기에 참조 인용된, 2014년 3월 24일자 출원된 미국 가특허출원 제61/969,302호의 우선권을 청구한다.
본 출원은 층화 평면 화염 옥시-연료 버너에 관한 것으로서, 특히 현재 존재하는 버너 보다 훨씬 낮은 발화율(firing rate)을 달성할 수 있는 층화 평면 화염 옥시-연료 버너에 관한 것이다.
그 전체가 여기에 참조 인용된 미국 특허 제5,611,682호에 개시된 버너를 포함하는, 층화 평면 화염 옥시-연료 버너가 알려져 있다. 그 전체가 여기에 참조 인용된 미국 특허 제5,575,637호에 개시된 버너를 포함하는, 스테이징(층화)을 이용하지 않는 평면 화염 옥시-연료 버너도 알려져 있다. 이들 두 특허는 본 출원의 출원인에 의해 소유되어 있다.
상기 '682 및 '637 특허로부터 연장하여, 저발화율 적용에 대한 설계는 간단한 문제가 아니며, 또한 단순히 버너의 기하학적 구조의 크기를 줄이려는 시도는 성공적이지 않았다. 특히, 하나의 과제는 유리 용융에 바람직한 안정적이고 선명한 화염을 생산할 동안 버너 블록이 저발화율로 발화하는 것을 방지하는 것이다. 이 밸런스는 '682 및 '637 특허에 개시된 바와 같이 대형 버너의 설계 원리에 기초하여, 산소 층화를 이용하는 소규모의 평면 화염 옥시-연료 버너를 제조하기 위해, 표준 정률-증가/축소(scale-up/down) 법칙을 사용하여 설계된 버너에서는 특히 파악하기 어렵다.
본 출원은 예비연소기(precombustor)와 연료 및 산소 노즐의 상대적 및 절대적인 치수의 체계적인 선택으로 인해, 전체 작동 범위에 걸쳐 버너 블록 과열을 방지하는 기하학적 구조 및 작동 파라미터를 갖는 설계 기법 및 결과적인 버너에 관한 것이다.
저발화율을 달성할 수 있는 평면-화염 옥시-연료 버너의 다양한 실시예가 여기에 개시된다.
일 실시예에 있어서, 평면 화염 옥시-연료 버너는 기상 연료 노즐, 1차 옥시던트(oxidant) 도관, 및 예비연소기를 포함한다. 기상 연료 노즐은 출구 단부, 폭(w), 높이(a), 수력 직경(Dh-NG), 및 적어도 약 2의 종횡비(w/a)를 갖는다. 1차 옥시던트 도관은, 연료 노즐과 1차 옥시던트 도관 사이에 실질적으로 균일한 환형의 1차 옥시던트 노즐을 형성하기 위해, 연료 노즐을 동심으로 둘러싸도록 위치되며, 상기 1차 옥시던트 도관은 높이(b)를 가지며, 1차 옥시던트 노즐은 연료 노즐의 출구 단부와 정렬되는 출구 단부를 갖는다. 예비연소기는 연료 및 옥시던트 노즐의 출구 단부로부터 화염 단부로 연장되며, 예비연소기는 길이(L) 및 수력 직경(Dh)을 갖고, 예비연소기의 비율(L/Dh)은 0 보다 크고 약 4 보다 작거나 같다. 연료 노즐의 수력 직경에 의해 정규화된 예비연소기 길이(L/Dh-NG )는 0 보다 크고 약 12 보다 작거나 같다. 치수 a, b, w는, 버너가 약 0.05 내지 약 1 MMBtu/hr 의 발화율로 작동될 때, 1차 옥시던트가 약 200 내지 약 22,000의 레이놀즈수를 갖도록, 크기를 갖는다.
일 변형예에 있어서, a 에 대한 w의 비율은 약 2 내지 약 60 이다. 다른 변형예에 있어서, a 에 대한 w의 비율은 약 5 내지 약 30 이다.
다른 변형예에 있어서, 연료 노즐의 폭(w)은 약 0.75 내지 약 3 인치이다. 또 다른 변형예에 있어서, 연료 노즐의 폭(w)은 약 1 내지 약 2 인치이다.
다른 변형예에 있어서, 예비연소기의 길이(L)는 0 인치 보다 크고 약 4 인치 보다 작다. 또 다른 변형예에 있어서, 예비연소기의 길이(L)는 약 0.5 내지 약 2 인치이다
다른 변형예에 있어서, 예비연소기는 방사형 기하구조를 가지며, 연료 노즐의 수력 직경에 대한 예비연소기의 화염 단부에서의 수력 직경의 비율은 약 6 내지 약 10 이다. 또 다른 변형예에 있어서, 예비연소기는 방사형 기하구조를 가지며, 연료 노즐의 수력 직경에 대한 예비연소기의 화염 단부에서의 수력 직경의 비율은 약 6 내지 약 8 이다.
다른 변형예에 있어서, 버너는 1차 옥시던트 도관으로부터 이격되어 있고 1차 옥시던트 도관과 전반적으로 평행한 스테이징 옥시던트 노즐을 더 포함한다.
또 다른 변형예에 있어서, 버너는 연료 노즐과 1차 옥시던트 노즐 중 적어도 하나의 벽의 적어도 일부를 따라 위치되는 경계층 교란기(disruptor)를 더 포함하며, 상기 경계층 교란기는 1차 옥시던트 통로에 흐르는 옥시던트의 난류를 증가시키도록 구성된다. 다른 변형예에 있어서, 경계층 교란기는 딤플(dimple), 오목부, 범프(bump), 스크라이브(scribe), 홈, 채널, 메시, 및 이들의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택된다. 일 변형예에 있어서, 경계층 교란기는 1차 옥시던트 노즐의 내벽의 적어도 일부를 따라 위치되며, 또한 1차 옥시던트 통로에 흐르는 옥시던트의 난류를 증가시키도록 구성된다. 다른 변형예에 있어서, 단독으로 또는 다른 변형예와 조합하여, 경계층 교란기는 연료 노즐의 외벽의 적어도 일부를 따라 위치되며, 또한 1차 옥시던트 통로에 흐르는 옥시던트의 난류를 증가시키도록 구성된다. 또 다른 변형예에 있어서, 단독으로 또는 다른 변형예와 조합하여, 경계층 교란기는 연료 노즐의 내벽의 적어도 일부를 따라 위치되며, 또한 연료 통로에 흐르는 연료의 난류를 증가시키도록 구성된다.
도 1은 관련 치수의 일부를 도시한 버너 및 버너 블록의 실시예의 측부 횡단면도이다.
도 2는 추가적인 관련 치수를 도시한 도 1의 버너 및 버너 블록의 실시예의 단면도이다.
도 3은 0.7의 프란틀수(Prandtl number)에서 레이놀즈수의 함수로서 누셀트수(Nusselt number)를 도시한 한 쌍의 그래프이다[좌측: 일정한-면적의 둥근 파이프, 우측: 평행한-플레이트 채널. 아브라함(Abraham) 등에 의해 개작된, 층류-난류 전이 체제의 저-레이놀즈수 단부를 위한 내부-흐름 누셀트수, International Journal of Heat and Mass Transfer, 54(1-3):5(2011)]
도 4는 예비연소기 L/Dh, % 1차 산소 흐름, 및 1차 산소 흐름 레이놀즈수의 함수로서 버너 블록 과열을 도시한 그래프 형태의 테이블이다. 직사각형의 값은 실온 및 대기압에서 1차 산소 흐름 레이놀즈수를 나타내며, 상부 좌측 모서리에 위치된 정사각형을 갖는 것으로 표시된 직사각형에 도시된 값은 2,300의 둥근 파이프 흐름에 대한 임계 레이놀즈수 보다 낮은 값을 나타낸다. 원에서의 값은 버너 블록 과열이 관찰되는 가장 낮은 L/Dh를 나타내고 있다(원이 없으면 과열이 없음을 의미한다).
도 5a~도 5d는 다양한 기하학적 구성 및 작동 상태에 대한 계산 유체 역학(computational fluid dynamic)(CFD) 결과의 그래프 형태의 도시이다.
도 6은 '682 및 '637 특허에 개시된 바와 같은 대형 버너와 본원에 기술되는 저발화율 버너의 상대 발화율의 함수로서 연료 노즐의 수력 직경에 의해 정규화된 예비연소기 길이의 그래프이다.
도 7은 도 8~도 10에 도시된 바와 같은 다양한 경계층 교란기의 도시에 사용하기 위해, 노즐 사이의 옥시던트 통로를 도시한, 산소 및 연료 노즐의 절반의 횡단면도이다.
도 8a 및 도 8b는 딤플 또는 범프 형태의 경계층 교란기를 도시한, 도 7에서와 같은 노즐의 각각의 횡단면도 및 평면도이다.
도 9a 및 도 9b는 흐름 방향을 횡단하는 직사각형 홈 형태의 경계층 교란기를 도시한, 도 7에서와 같은 노즐의 각각의 횡단면도 및 평면도이다.
도 10a 및 도 10b는 메시 형태의 경계층 교란기를 도시한, 도 7에서와 같은 노즐의 각각의 횡단면도 및 평면도이다.
도 11은 (흐름 교란기가 없는) 옥시던트 통로의 층류와 (흐름 교란기가 있는) 옥시던트 통로의 난류 사이의 비교를 도시한, 도 7에 부분적으로 도시된 산소 및 연료 노즐의 횡단면도이다.
도 1 및 도 2는 관련 치수를 갖는 층화 평면 화염 옥시-연료 버너의 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 여기에 상세히 설명될 치수는 다음과 같다.
L: 예비연소기 길이
D: 예비연소기 높이
a: 연료 가스 통로 높이
b: 1차 옥시던트 가스 노즐 내부 높이
c: 1차 옥시던트 가스 통로 높이
w: (b를 일정하게 하기 위해 모두 동일한) 연료 가스 및 옥시던트 가스 노즐 폭
Dh : 수력 직경(4×단면적/둘레)
원의 경우: 4πr2/2πr = 2r, 연료 노즐의 경우: Dh-NG
'682 및 '637 특허의 실시예에 있어서, 예비연소기 길이(L)는 1 내지 24 인치, 바람직하게는 4 내지 8 인치이며; 연료 노즐 및 스테이징 노즐은 4 내지 40 인치, 바람직하게는 8 내지 24 인치의 폭을 갖고; 발화율은 0.5 내지 40 MMBtu/hr, 바람직하게는 1 내지 20 MMBtu/hr이다. 또한, 연료 노즐의 수력 직경에 대한 예비연소기의 화염 단부의 수력 직경의 비율은 1 내지 6이다.
도 1 및 도 2에 도시된 버너에 있어서, 환형의 1차 옥시던트 가스 흐름은 치수 a를 갖는 개구에서 중심의 연료 가스 흐름을 둘러싸는 치수 c를 갖는 환형 개구에 제공된다. 1차 옥시던트 가스는 연료와 옥시던트의 연소 인터페이스 사이에서 냉매로서 작용하여, 예비연소기의 내측에서 옥시-연료 화염에 의해 발생된 열을 제거하며, 그에 따라 버너 블록 과열을 방지한다.
그러나 소정 버너 노즐 형상의 경우, 저발화율 및 크게 층화된 상태에서(즉, 옥시던트의 대부분이 1차 옥시던트 노즐 대신에 2차 스테이징 옥시던트 노즐을 통해 흐를 때), 1차 옥시던트 가스 유량이 너무 낮아질 수 있어서 흐름이 난류-층류 전이를 겪고 그리고 층류가 된다. 층류와 관련된 대류 냉각율은 난류의 대류 냉각율보다 상당히 낮다. 그 결과, 1차 옥시던트 가스 흐름에 의해 제공된 냉각은 예비연소기의 내측에서 옥시-연료 화염에 의해 발생된 열을 충분히 제거할 수 없으며, 그에 따라 버너 블록이 과열되어 고장나게 한다.
1차 옥시던트 통로/흐름에 있어서, 레이놀즈수는 다음과 같이 계산된다.
식 1: Reprim-02 = ρㆍQ/{μㆍ[w+πㆍ(a+b)]}
여기서 Q는 용적 유량, ρ는 밀도, μ는 1차 옥시던트의 동점성계수이며, ρ 및 μ는 특정 온도에서 특정화된다.
스테이징 포트에 도입된 전체 옥시던트 흐름의 소정 비율에 대해, 연료 가스 주위의 1차 옥시던트 가스 통로를 통과하는 옥시던트 가스의 유량은 발화율에 비례한다. 소정 발화율에서, 1차 옥시던트 가스 통로 및 스테이징 옥시던트 가스 통로를 통과하는 흐름의 분포는 상류 다이버터(diverter) 밸브를 통해 제어될 수 있다.
1차 옥시던트 가스 흐름에 의해 제공된 대류 냉각율이 예비연소기의 내측의 평면 화염에 의해 발생된 열과 동일하거나 그보다 높은 한, 화염은 버너 블록벽을 손상시키지 않고 예비연소기를 통과할 수 있다. 대류 냉각율은 누셀트수(Nu)에 비례하며, 이것은 도 3에 도시된 바와 같이 레이놀즈수의 강한 기능이다. 환형의 1차 옥시던트 가스 통로는 이 디자인, 즉 둥근 파이프와 평행한-플레이트 채널을 경계짓는 가장 멀리 떨어진 2개의 기하구조에 의해 특징지워질 수 있다. 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 흐름이 층류로서 형성되는 임계 레이놀즈수 아래에서, 누셀트수 및 그에 따른 대류 냉각율이 상당히 강하하고, 일정하게 유지된다.
도 4는 0.05 내지 1.0 MMBtu/hr의 발화율에 대해 연료 가스로서 천연가스를, 또한 옥시던트 가스로서 순수 산소를 사용하여 실행된 테스트의 결과를 도시하고 있다. 1차 산소 흐름은 완전 스테이징과 그리고 스테이징 없음을 대표하는, 25% 내지 100%의 범위에 속한다. 예비연소기(L/Dh)(Dh는 예비연소기의 화염 단부에 형성된다)는 버너 블록 과열에 대한 전술한 파라미터의 효과를 평가하기 위해 1.6 내지 5.8 이었다.
도 4에 도시된 바와 같이, 예비연소기(L/Dh)가 증가하고, 발화율이 감소하며, 1차 산소 흐름 레이놀즈수는 감소하고, 스테이징(1차 옥시던트에 대한 2차 옥시던트의 비율)이 커짐에 따라, 버너 블록 과열이 발생할 가능성이 더 커진다. 중요하게도, 상단 좌측 모서리에 위치된 정사각형으로 표시된 직사각형의 수에 의해 표시된 바와 같이, 버너 블록 과열은 실온 및 대기압으로 계산된 임계 레이놀즈수 아래의 레이놀즈수에서 지속적으로 발생한다.
결과는, 1차 옥시던트 통로는 버너 블록 과열을 최소화/방지할 정도로 많이 레이놀즈수를 증가시키도록 설계되어야만 할 것을 제안하고 있다. 식(1)으로부터 알 수 있는 바와 같이, 소정 ρ 및 μ(옥시던트의 특징) 및 Q(발화율 및 스테이징 비율에 대응하는 옥시던트 유량)의 경우, 레이놀즈수는 치수(w, a, b)가 감소됨에 따라 증가할 것이다.
그러나 치수의 감소는 어떤 제조 과제를 부과한다. 또한 치수 b의 감소는 약간의 트레이드 오프를 포함하는데, 그 이유는 작은 b는 1차 산소 속도를 증가시키고, 이는 대류 냉각율을 증가시키지만, 천연 가스와 산소 흐름 사이의 혼합을 증가시켜, 예비연소기의 내측에 더 높은 비율로 열을 방출할 것이기 때문이다. 또한, 치수 w의 감소는 주변을 따라 일정한 치수 및 그에 따라 상대적으로 균일한 산소 속도 프로파일을 유지하기 위해, 1차 산소 및 천연 가스 노즐 모두에 대해 통로폭 w를 작게 하는 것을 요구한다. 마지막으로, Re에 대한 w의 효과는 π/4 < 1 이기 때문에 a 또는 b의 효과보다 높다.
계산 유체 역학(CFD) 시뮬레이션은, 질량, 모멘텀 및 에너지 보존을 위해 지배방정식(governing equation)을 풀이함으로써 유체 흐름, 열전달 및 연소를 시뮬레이트하는, 시판 ANSYS Fluent 소프트웨어를 사용하여 다양한 기하학적 형태에 실시되었다. CFD 시뮬레이션 결과의 요약이 도 5에 도시되어 있다. 도 5에 있어서, 발화 방향은 우측으로부터 좌측이다.
모델에 있어서, 예비연소기의 내측의 소정 깊이에서 대표 온도가 비교된다. 도 5a는 기본 경우를 도시하고 있다.
도 5b는, 도 5a에 비해, 예비연소기의 L/Dh가 30% 증가되고, 치수 b가 24% 감소되며, 치수 a가 17% 감소된 경우를 도시하고 있다. 이들 수정의 결과는 특정한 지점에서 예비연소기 벽 온도가 69℉ 만큼 상승하여, 30% 증가된 예비연소기 길이가 옥시던트 통로에서 21% 더 높은 레이놀즈수의 증가된 이익을 능가하는 것을 의미한다.
도 5c는, 산소 레이놀즈수의 4% 감소를 달성하기 위해, 도 5a에 비해, 예비연소기의 L/Dh가 20% 감소되고, 치수 b가 29% 증가된 경우를 도시하고 있다. 이들 수정의 결과는 특정한 지점에서 예비연소기 벽 온도가 179℉ 만큼 하강하여, 20% 감소된 예비연소기 길이의 이익이 4% 더 낮은 레이놀즈수로 인한 냉각 손실을 능가하는 것을 의미한다.
도 5d는, 옥시던트 통로에서 10% 높은 레이놀즈수를 생산하기 위해, 도 5c에 비해, 예비연소기의 L/Dh가 5% 증가(도 5a에 비해 17% 감소)되고, 치수 b가 29% 감소되며(도 5c와 동일하게), 치수 a가 17% 감소된(도 5b와 동일한) 경우를 도시하고 있다. 이들 수정의 결과는 특정한 지점에서 예비연소기 벽 온도가 도 5c의 온도로부터 43℉ 하강하였으며, 이것은 10% 높은 레이놀즈수가 예비연소기 길이의 5% 감소를 능가하는 것을 의미한다.
도 5a 내지 도 5d에 도시된 4개의 CFD 시뮬레이션의 결과가 아래의 표 1에 요약되었다.
경우 5a 5b 5c 5d
T(℉) 574 643 395 352
L/Dh 2.4 3.2 1.9 2.0
Re 기본 +21% -4% +10%
b 기본 -24% +29% +29%
w 기본 -17% ±0% -17%
요약하면, 이들 결과는 예상외로 버너 블록 과열에 대한 1차 산소 흐름 레이놀즈수의 효과가, 예비연소기 높이 및 1차 산소 속도를 좌우하는 1차 옥시던트 통로 높이에 비해 부차적이라는 것을 제안하고 있다. 더 얇은 1차 옥시던트 통로는 (1) 예비연소기의 내측의 소정 깊이에서 더 높은 온도로 나타나는 열원, 즉 화염과 예비연소기 벽 사이의 더 짧은 거리, 및 (2) 산소와 천연 가스 흐름 사이의 더욱 강화된 혼합으로 나타나고, 그에 따라 예비연소기의 내측의 열 방출의 조기 개시로 나타나며, 다시 예비연소기의 내측의 소정 깊이에서 더 높은 온도로 나타나는, 더 높은 1차 산소 속도로 해석된다.
또한 결과는, 조합하여 1차 산소 Re를 증가시키고 예비연소기(L/Dh)를 감소시킴으로써, 버너 블록 온도가 효과적으로 감소될 수 있음을 나타내고 있다.
약 0.05 내지 약 1 MMBtu/hr의 발화율로 작동되도록 설계된 버너의 경우, 바람직한 예비연소기 기하구조는 0 내지 약 2 보다 큰 L/Dh를 가지며, 또한 약 200 내지 약 22,000의 레이놀즈수로 작동한다. 바람직한 레이놀즈수가 이들 발화율로 달성되는 일 실시예에 있어서, 연료 노즐의 폭(w)은 약 0.75 내지 약 3 인치, 바람직하게는 약 1 내지 약 2 인치이다. 실시예에 있어서, 연료 노즐의 종횡비는 약 2 내지 약 60, 바람직하게는 약 5 내지 약 30 이며, 예비연소기의 길이(L)는 4 인치보다 작으며, 바람직하게는 약 0.5 내지 약 2 인치이다. 실시예에 있어서, 연료 및 옥시던트 노즐의 Dh에 대한 예비연소기의 화염 단부에서의 Dh의 비율은 약 6 내지 약 10, 바람직하게는 약 6 내지 약 8이다.
전술한 바와 같이, '682 및 '637 특허에서처럼, 현존하는 고발화율의 버너 설계를 저발화율 적용으로 연장하는 것은 간단한 문제가 아니다. 도 6은 '682 및 '637 특허에 개시된 바와 같은 대형 버너 및 본원에 개시된 설계 원리를 사용하여 설계된 버너의 상대 발화율의 함수로서 연료 노즐의 수력 직경(Dh-NG)에 의해 정규화된 예비연소기 길이를 도시하고 있다. 여기에 개시된 버너는 약 10의 L/Dh-NG에서 그래프의 "실제로" 매우 좌측에 마킹된 다이아몬드 데이터 점에 의해 표시된다. 점선은 '682 및 '637 특허에 개시된 바와 같은 대형 버너의 설계 원리에 기초하여 산소 층화를 이용하는 작은 크기의 평면 화염을 형성하기 위해, 표준 정률-증가/축소 법칙을 사용하여 설계된 버너의 경우 추론된 L/Dh-NG를 나타내고 있다. 실제 L/Dh-NG는 표준 설계 법칙에 기초하여 예상한 것보다 약 60% 적다. 일반적으로, 이 버너에 있어서, 연료 노즐의 수력 직경에 의해 정규화된 예비연소기 길이(L/Dh-NG)는 약 12 내지 약 20이다.
1차 산소 흐름 레이놀즈수의 증가는 버너 블록의 과열의 위험을 감소시키는데 도움을 줄 수 있으며, 또한 이것은 식(1)에서 변수를 바꿈으로써 달성되었다. 이미 설명한 실시예와 함께 선택적으로 사용될 수 있는 1차 산소 흐름의 레이놀즈수를 증가시키는 다른 방법이 있다. 특히, (도 7에 도시된 흐름 통로에 의해 경계지워지는) 산소 흐름의 경계층은 다양한 경계층 교란기를 전략적으로 적용함으로써 작동될 수 있다.
경계층 교란기의 일 예에 있어서, 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 한 세트의 오목한 및/또는 볼록한 기하구조(오목부 및/또는 범프)가 산소 노즐의 내측 표면 및/또는 산소 흐름의 중심 코어를 방해하지 않을 정도로 충분히 작은 연료 노즐의 외측 표면 상에 형성될 수 있는데, 그 이유는 중심 흐름의 방해가 연료와 산소 스트림 사이에 강화된 혼합을 유도할 수 있고 또한 예비연소기나 버너 블록을 과열시킬 수 있기 때문이다. 연료와 산소 스트림 사이의 속도 슬립을 최소화하기 위해, 유사한 기하구조가 산소 노즐의 외측 표면 및/또는 연료 노즐의 내측 표면에 적용될 수 있다. 특히, 산소 노즐의 내측 표면 상에 오목부/범프의 도입은 예비연소기 내벽과 옥시던트 스트림 사이의 난류 경계층으로의 조기 전이를 가능하게 하며, 또한 연료와 옥시던트 스트림의 혼합을 강화시키지 않고 예비연소기 내벽의 대류 냉각을 강화시킨다. 오목부 또는 범프의 기하구조는 도 8a 및 도 8b에 도시된 바에 제한되지 않는다. 예를 들어, 오목부 또는 범프는 엇갈리거나 엇갈리지 않을 수 있으며, 또는 연료 노즐의 폭을 가로질러 일정한 또는 가변적인 횡단면을 가질 수 있다. 도 9a 및 도 9b의 실시예에 있어서, 노즐의 전체 폭을 가로지르는 오목한 스크라이브 또는 슬롯이 사용된다. 도 10a 및 도 10b에 있어서, 직조되거나 압출된 메시가 노즐 표면을 가로질러 적용된다.
산소 흐름 통로의 경계층 교란기에 대안적으로 또는 이에 추가하여, 흐름 통로에 흐르는 연료의 난류를 증가시키기 위해, 유사한 경계층 교란기가 연료 노즐의 내측 표면 상에 제공될 수 있다. 이것은 연료 및 산소의 경계층 속도 프로파일의 매치업을 돕기 위해, 경계층 교란기가 옥시던트 통로에서 연료 노즐의 외측 표면 상에 제공될 때 특히 유리할 수 있으며, 그에 따라 슬립을 최소화하고 혼합을 지연시킨다.
도 11에 도시된 바와 같이, 연료 통로의 난류 속도 프로파일, 옥시던트 통로의 난류 경계층은 층류 경계층에 비해 연료-산소 인터페이스에 작은 차동 속도/슬립을 발생시켜, 연료와 산소 스트림의 혼합의 개시를 지연시키며, 그에 따라 버너 블록 과열의 위험을 감소시킨다. 그 동안에, 난류 경계층이 경계층에 가까운 더 높은 지역 레이놀즈수로 바뀌며, 이것은 대류 열전달계수를 증가시키고, 또한 궁극적으로 버너 블록의 과열의 위험을 감소시키는데 도움을 준다.
환형의 1차 옥시던트 통로의 내측의 정상(定常)-상태의 층류는 평행한 플레이트 사이에서 포이쉴리 흐름(Poiseuille flow)에 의해 특징지워질 수 있다. 통로의 높이를 가로지르는 대응하는 속도 프로파일[u(z)]은 다음과 같이 표현된다.
Figure 112015028772264-pat00001
여기서, μ는 유체의 동적 속도를 나타내며, dp/dx는 스트림방향 압력구배이고, z는 zmin = -c/2 및 zmax = +c/2인 통로 높이를 가로지르는 좌표이다. 임의의 소정 발화율에서, dp/dx, μ, c에 대한 대표값을 치환하고, 그리고 표면과 평행한 유체 속도가 자유 스트림 속도의 99%와 동일한 요구사항에 의해 형성되는 경계층 두께를 사용하여, 1차 옥시던트 통로의 전체 길이를 따라 경계층 두께를 계산할 수 있다. 이것은 경계층을 작동시키는데 사용되는 오목부/범프의 최대 높이를 결정하는데 특히 유용하다. 사용되는 기준은, 오목부/범프의 최대 특성 높이가 최대 경계층 두께보다 작거나 또는 이와 동일해야만 한다는 점이다. 이 특수한 버너를 위해, 최대 높이(h), 또는 직경(dw)의 2배가 환형 옥시던트 통로 높이(c)의 21%보다 작게, 바람직하게는 10%보다 작게, 더욱 바람직하게는 0.1% 내지 5%로 계산된다.
도 8 및 도 9의 실시예의 경우, 2개의 연속적인 오목부 또는 범프 사이의 스트림방향(x) 및 횡단방향(y) 거리는 1d≤x, y≤100d, 바람직하게는 1d≤x, y≤40d, 더욱 바람직하게는 2d≤x, y≤10d일 수 있다.
도 10의 실시예의 경우, 2개의 연속적인 범프 사이의 스트림방향(xw) 및 횡단방향(yw) 거리는 1dw≤xw, yw≤200dw, 바람직하게는 1dw≤xw, yw≤100dw, 더욱 바람직하게는 2dw≤xw, yw≤ 20dw 일 수 있다.
경계층 교란기 또는 교란기들을 사용하는 예비연소기를 갖는 버너의 일 실시예에 있어서, 예비연소기를 갖는 버너는 1차 옥시던트 노즐을 통과하는 옥시던트 흐름의 약 25%로, (도 9의 실시예처럼, 그러나 옥시던트 통로의 오직 연료 노즐측에서만) 연료 노즐 외측 표면상에 오목한 스크라이브의 형태인 경계층 교란기를 갖는 버너로, 0.125 MMBtu/hr 발화율로 작동되었다. 경계층 교란기 없이 작동하는 버너를 갖는 쌍으로 이루어진 예비연소기에 비해, 약 3분의 과열 지연이 달성되었다. 각각의 스크라이브는 그 길이의 약 2/3에 대해 연료 노즐의 상부 및 바닥 표면을 따라 약 d=0.004"의 폭 및 h=0.0015"의 깊이를 측정하였다. 2개의 연속적인 스크라이브는 서로 약 0.060" 이격되어 있다. 더욱 바람직한 작동 상태 하에서, 경계층 교란기는 과열을 완전히 제거할 수 있음을 인식해야 한다.
본 발명은 본 발명의 몇 개의 양태의 예시로서 의도된 예에 개시된 특정한 양태 또는 실시예에 의해 범위가 제한되지 않으며, 또한 기능적으로 균등한 임의의 실시예가 본 발명의 범위 내에 속한다. 여기에 도시된 그리고 설명된 것과 함께 본 발명의 다양한 수정이 본 기술분야의 숙련자에게 명확해질 것이며 또한 첨부된 청구범위 내에 속하는 것으로 의도된다.
L: 예비연소기 길이 D: 예비연소기 높이
a: 연료 가스 통로 높이 b: 1차 옥시던트 가스 노즐 내부 높이
c: 1차 옥시던트 가스 통로 높이
w: 연료 가스 및 옥시던트 가스 노즐 폭

Claims (15)

  1. 평면 화염 옥시-연료 버너로서:
    출구 단부, 폭(w), 높이(a), 수력 직경(Dh-NG), 및 적어도 2의 종횡비를 갖는 기상 연료 노즐;
    연료 노즐과 1차 옥시던트 도관 사이에 실질적으로 균일한 환형의 1차 옥시던트 노즐을 형성하기 위해, 연료 노즐을 동심으로 둘러싸도록 위치되는 1차 옥시던트 도관; 및
    연료 및 옥시던트 노즐의 출구 단부로부터 화염 단부로 연장되며, 길이(L), 및 수력 직경(Dh)을 갖는 예비 연소기
    를 포함하고, 상기 1차 옥시던트 도관은 높이(b)를 가지며, 1차 옥시던트 노즐은 연료 노즐의 출구 단부와 정렬되는 출구 단부를 갖고,
    예비연소기의 비율(L/Dh)은 0보다 크고 4보다 작거나 같으며,
    연료 노즐의 수력 직경에 의해 정규화된 예비연소기 길이(L/Dh-NG)는 0보다 크고 12보다 작거나 같고,
    치수 a, b, w는, 버너가 0.05 내지 1 MMBtu/hr의 발화율로 작동될 때, 1차 옥시던트가 200 내지 22,000의 레이놀즈수를 갖도록 크기를 갖는 것인 평면 화염 옥시-연료 버너.
  2. 제1항에 있어서, a에 대한 w의 비율은 2 내지 60인 것인 평면 화염 옥시-연료 버너.
  3. 제2항에 있어서, a 에 대한 w의 비율은 5 내지 30 인 것인 평면 화염 옥시-연료 버너.
  4. 제1항에 있어서, 연료 노즐의 폭(w)은 0.75 내지 3 인치인 것인 평면 화염 옥시-연료 버너.
  5. 제4항에 있어서, 연료 노즐의 폭(w)은 1 내지 2 인치인 것인 평면 화염 옥시-연료 버너.
  6. 제1항에 있어서, 예비연소기의 길이(L)는 0 인치보다 크고 4 인치보다 작거나 같은 것인 평면 화염 옥시-연료 버너.
  7. 제6항에 있어서, 예비연소기의 길이(L)는 0.5 내지 2 인치인 것인 평면 화염 옥시-연료 버너.
  8. 제1항에 있어서, 예비연소기는 방사형 기하구조를 가지며, 연료 노즐의 수력 직경에 대한 예비연소기의 화염 단부에서의 수력 직경의 비율은 6 내지 10인 것인 평면 화염 옥시-연료 버너.
  9. 제8항에 있어서, 예비연소기는 방사형 기하구조를 가지며, 연료 노즐의 수력 직경에 대한 예비연소기의 화염 단부에서의 수력 직경의 비율은 6 내지 8인 것인 평면 화염 옥시-연료 버너.
  10. 제1항에 있어서, 1차 옥시던트 도관으로부터 이격되어 있고 1차 옥시던트 도관과 평행한 스테이징 옥시던트 노즐을 더 포함하는 것인 평면 화염 옥시-연료 버너.
  11. 제1항에 있어서, 연료 노즐과 1차 옥시던트 노즐 중 적어도 하나의 벽의 적어도 일부를 따라 위치되는 경계층 교란기를 더 포함하는 것인 평면 화염 옥시-연료 버너.
  12. 제11항에 있어서, 경계층 교란기는 딤플, 오목부, 범프, 스크라이브, 홈, 채널, 메시 및 이들의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것인 평면 화염 옥시-연료 버너.
  13. 제11항에 있어서, 경계층 교란기는, 1차 옥시던트 노즐의 내벽의 적어도 일부를 따라 위치되며, 1차 옥시던트 통로에 흐르는 옥시던트의 난류를 증가시키도록 구성되는 것인 평면 화염 옥시-연료 버너.
  14. 제11항에 있어서, 경계층 교란기는, 연료 노즐의 외벽의 적어도 일부를 따라 위치되며, 1차 옥시던트 통로에 흐르는 옥시던트의 난류를 증가시키도록 구성되는 것인 평면 화염 옥시-연료 버너.
  15. 제11항에 있어서, 경계층 교란기는 연료 노즐의 내벽의 적어도 일부를 따라 위치되며, 연료 통로에 흐르는 연료의 난류를 증가시키도록 구성되는 것인 평면 화염 옥시-연료 버너.
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