KR101837832B1 - 축열로를 위한 선택형 산소-연료 부스트 버너 시스템 및 방법 - Google Patents

축열로를 위한 선택형 산소-연료 부스트 버너 시스템 및 방법 Download PDF

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샤일레쉬 프라딥 강올리
러셀 제임스 휴어트슨
아눕 바산트 사네
존 씨 파라졸로
샤오이 헤
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에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
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Abstract

교대로 노 내로 발화하고, 상기 노로부터 배기하도록 구성되는 축열기 포트 쌍을 갖는 축열로를 위한 산소-연료 부스트 버너는, 노(爐)의 상보적인 영역 내로 발화하도록 위치됨으로써 각각의 축열기 포트에 대응하는 적어도 하나의 버너 요소, 및 어느 축열기 포트가 현재 발화 중이고, 어느 축열기 포트가 현재 배기 중인지를 식별하도록, 그리고 현재 발화 중인 축열기 포트에 대응하는 적어도 하나의 버너 요소가 평균 제1 반응물 흐름보다 크고 그리고 현재 배기 중인 축열기 포트에 대응하는 적어도 하나의 버너 요소가 평균 제1 반응물 흐름보다 작도록 각각의 선택형 분배 노즐로의 제1 반응물 흐름을 독립적으로 제어하도록 프로그래밍되는 제어기를 포함하며, 상기 각각의 버너 요소는 제1 반응물을 유출시키도록 구성되는 선택형 분배 노즐 및 제2 반응물을 유출시키도록 구성되는 비례형 분배 노즐을 포함한다.

Description

축열로를 위한 선택형 산소-연료 부스트 버너 시스템 및 방법{SELECTIVE OXY-FUEL BOOST BURNER SYSTEM AND METHOD FOR A REGENERATIVE FURNACE}
본 출원은, 가열의 균일성을 개선하고 또한 가능한 질소 산화물(NOx)의 형성을 감소시키면서 증대된 열전달을 제공하기 위해, 축열로에서 하나 이상의 산소-연료 버너를 사용하는 시스템 및 상기 축열로(regenerative furnace)에서 버너를 작동하기 위한 방법에 관한 것이다.
통상적인 축열로 시스템에 있어서, 공기-연료 버너는 제2 버너 쌍의 작동 중 사용되는 공기를 예열함으로써 제1 버너 쌍의 연도 가스(flue gas)로부터 에너지를 회수하기 위해 상기 쌍들을 교대로 발화시키는 데 사용된다. 특히, 용량성 열교환기(예를 들어, 내화물)는, 제1 버너가 발화되고 그 후 제2 버너로의 공기 흐름에 그 에너지(열)를 방출할 동안, 연도 가스로부터 에너지(열)를 흡수하는 데 사용되며, 그리고 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 각각의 버너가 발화하고 있을 동안, 다른 버너의 공기 통로는 연도 가스 덕트로서 작용하고 그리고 용량성 열교환기를 포함하며, 버너는 버너로서의 발화와 연도 가스 덕트로서의 동작 사이에서 주기적으로 순환한다.
단부-포트 축열로(100)의 구성의 일 예가 도 9에 도시되어 있다. 상기 노(爐)는 전형적으로 버너와 연도로서 교대로 작용하는 2개의 버너 포트(110, 130)를 사용하여 축열식으로 작동된다. 상기 노는 전방벽(102), 후방벽(120), 및 천정(도시되지 않음)처럼 상기 전방벽(102)으로부터 후방벽(120)으로 각각 연장하는 제1 측벽(114) 및 제2 측벽(134)으로 구성된다. 유리나 금속과 같은 용융될 재료의 장입물은 노(100) 내로 로딩되어 위치된다.
단부-포트 구성에 있어서, 제1 축열기 포트(110) 및 제2 축열기 포트(130)는 전방벽(102)에 장착된다. 제1 작동 모드에 있어서, 연료 및 공기는 제1 축열기 포트(110)로 공급되어 노(10)에서 연소되는 반면에, 고온의 연소 산물은 제2 축열기 포트(130)의 공기 공급 개구를 경유하여 연도 가스로서 배기된다. 연소 가스는 일반적으로 노(100)에서 U 형 경로를 이동한다. 제2 작동 모드에 있어서, 연료 및 공기는 제2 축열기 포트(130)로 공급되어 노(100)에서 연소되는 반면에, 고온의 연소 산물은 제1 축열기 포트(110)의 공기 공급 개구를 경유하여 연도 가스로서 배기된다. U 형 흐름 패턴을 유지시키는 드래프트(draft)의 생성에 도움을 주기 위해, 연도(도시되지 않음)가 노(100)에 위치될 수 있다. 노의 작동은 제1 모드와 제2 모드 사이에서 교대로 이루어지므로, 축열기 포트(110,130)는 매 10분 내지 30 분과 같은 설정된 시간 크기로 발생하는 두 모드 사이에서 전환되는, 버너 포트와 배기 가스 포트로서 주기적으로 작동된다. 축열기 포트를 통해 내향으로 흐르는 공기 및 축열기 포트를 통해 외향으로 흐르는 배기가 열교환기를 가로지르도록 열교환기(축열기로도 지칭된다)가 각각의 축열기 포트(110, 130)에 위치되며, 이에 따라 유출되는 배기로부터 회수되는 열로 유입 공기를 예열한다.
축열로의 쌍으로 이루어진 또는 교호하는 발화 구성이 주어진 경우에, 때로는 균일한 가열을 얻기 위하여 용융/가열 공정에서 쌍으로 이루어진 버너를 최적으로 위치시키는 것이 어렵다. 제1 축열기 포트가 발화되고 있을 동안 제2축열기 포트를 통해 가장 많은 연도 가스가 방출되는 것을 보장하기 위하여, 드래프트가 도입되며, 이는 연도 가스의 단락 및 에너지 분배 시의 가능한 불균일성으로 나타날 수 있다. 예를 들어, 연장된 사이클 시간으로 나타나는 냉점(cold spot)(122)이 노(100)에 존재할 수 있다. 이런 냉점은 U 형 경로의 기저부에서, 특히 그 폭에 비해 그리고 축열기 포트 버너(110, 130)로부터 발산하는 화염에 의해 도달되는 영역에 비해 비교적 긴 노(100)에서, 통상적이다.
전략적으로 위치되는 산소-연료 버너는, 연도 가스의 용적을 상당히 증가시키지 않고 가열 균일성, 효율, 및 생산성을 개선하기 위해, 노에서 상기 냉점을 목표로 하는 에너지 부스트를 제공할 수 있다. 공기-연료 노에서 산소 풍부의 다른 사용과 마찬가지로, 증가된 연소 효율 및 높은 화염 온도가 유익할 수 있다. 그러나 공기-연료 노 내로 산소-연료 버너의 도입은, NOx 방출물을 불리하게 증가시킬 수 있다. 옥시다이저(oxidizer)에서 낮은 질소 농도의 결과로서 옥시다이저에서 55 % 산소보다 높은 NOx 의 강하를 가지며, 옥시다이저에서 45-50 % 산소 근처에서 NOx 의 정점을 기술한, "산소-증대 연소", 찰스 이. 바우칼(Chales E. Baukal) 편찬, CRC 출판사, 1998년(48 페이지, 도 2.1) 참조. 공기-연료 발화형 축열로에서 산소 풍부를 이용하려는 종래의 시도는 이 문제점을 극복하지 못하였다.
선택적 부스트 버너 시스템 및 방법은 노에서 화염 범위 및 뷰 팩터(view factor)를 강화시키고, 또한 냉점 감소 및 이에 따른 더욱 균일한 노 가열을 가능하게 하기 위해 제공된다. 여기에 한정되는 바와 같이, 산소-연료 부스트 버너는 연소 에너지의 1 % 내지 90 % 를, 또는 다양한 실시예에서는 적어도 5 % 를, 적어도 10 % 를, 적어도 20 % 를, 적어도 30 % 를, 또는 적어도 40 % 를; 또는 90 % 미만을, 80 % 미만을, 70 % 미만을, 60 % 미만을, 또는 50 % 미만을; 또는 전술한 상한치와 하한치의 조합을, 노에 제공할 수 있다. 버너의 구성은, 노에 균일한 온도 분배가 달성되고 그리고 유지될 수 있도록, 공간적으로 그리고 일시적으로 모두 최적의 열유속(heat flux) 전달을 가능하게 한다. 균일한 열유속은 노의 형상에 기초하여, 또는 설정된 시간량에 대해 하나 이상의 센서로부터의 실시간 피드백에 기초하여, 예를 들어 알고리즘에 의해 결정되는 바와 같이 열유속을 적절한 위치로 지향시킴으로써 달성된다. 상기 버너 및 방법은 산화성 용융 손실을 최소로 할 동안 개선된 용융을 제공하기 위해 노의 장입물과 충돌할 수 있는 선택적으로 더 길고 더 많은 관통 화염(penetrating flame)을 가능하게 한다. 특히, 복수의 큰 모멘텀 화염이 주기적인 방식으로 용융물을 향해 지향된다. 과열이 피해지며, 또한 에너지가 용해조(melt bath) 위에 더욱 균일하게 분배된다. 버너는 하나의 하우스(house)에 위치되거나 또는 하나 이상의 하우징에서 분기된, 다수의 분리된 버너 요소를 갖는다. 각각의 버너 요소는 원하는 열유속 프로파일을 달성하기 위해 다양한 패턴 및 주파수로 조절될 수 있는 비활성(passive) 상태 또는 활성 상태로 그 자신의 화염을 갖는다.
여기에 기재된 바와 같이, 선택적 부스트 버너에 의해 전달된 바와 같은 산소-연료 연소는 축열로의 주기적 작동을 흉내 내거나 또는 이와 동조되도록 조절된다. 이는, 노에서 산소-연료 부스트 화염과 공기-연료 축열기 화염 사이의 상호 작용을 최소화할 동안, 노의 요구에 따라 에너지를 전달하기 위해 축열로에 대해 노에 전략적으로 설치된, 단일의 부스트 버너 또는 다수의 부스트 버너를 사용하여 달성될 수 있다.
부스트 버너 시스템의 다양한 실시예가 기재된다.
양태 1: 교대로 노(爐) 내로 발화하고, 상기 노로부터 배기하도록 구성되는 축열기 포트 쌍을 갖는 축열로(regenerative furnace)를 위한 산소-연료 부스트 버너로서, 적어도 2개의 버너 요소로서, 상기 버너 요소 중 적어도 하나는, 축열기 포트 및 그 대응하는 적어도 하나의 버너 요소가 노의 상보적인 영역 내로 발화하게 위치 설정되도록 각각의 축열기 포트에 대응하고, 상기 각각의 버너 요소는, 제1 반응물을 유출시키도록 구성되는 선택형 분배 노즐; 및 제2 반응물을 유출시키도록 구성되는 비례형 분배 노즐을 포함하는 것인 적어도 2개의 버너 요소; 및 어느 축열기 포트가 현재 발화 중이고, 어느 축열기 포트가 현재 배기 중인지를 식별하도록, 그리고 현재 발화 중인 축열기 포트에 대응하는 적어도 하나의 버너 요소가 활성화되고 현재 배기 중인 축열기 포트에 대응하는 적어도 하나의 버너 요소가 비활성화되도록 각각의 분배 노즐로의 제1 반응물 흐름을 독립적으로 제어하도록 프로그래밍되는 제어기를 포함하며, 활성 버너 요소의 선택형 분배 노즐에서의 제1 반응물 흐름은 선택형 분배 노즐로의 평균 제1 반응물 흐름보다 크고, 비활성 버너 요소의 선택형 분배 노즐에서의 연료 흐름은 선택형 분배 노즐로의 평균 제1 반응물 흐름보다 작으며, 상기 제1 반응물은 연료와 산화제 중 어느 하나이고, 제2 반응물은 연료와 산화제 중 다른 하나인, 산소-연료 부스트 버너.
양태 2: 양태 1의 산소 연료-부스터 버너에 있어서, 비례형 분배 노즐은 선택형 분배 노즐을 둘러싸는 환형 노즐인, 산소-연료 부스트 버너.
양태 3: 양태 1 또는 2의 산소 연료-부스터 버너에 있어서, 제1 반응물은 연료이고, 제2 반응물은 산화제인, 산소-연료 부스트 버너.
양태 3a: 양태 1 또는 2의 산소 연료-부스터 버너에 있어서, 제1 반응물은 산화제이고, 제2 반응물은 연료, 산소-연료 부스트 버너.
양태 4: 양태 3의 산소 연료-부스터 버너에 있어서, 각각의 버너 요소로부터 이격되며 2차 산화제를 유출시키도록 구성되는 적어도 하나의 스테이징 노즐(staging nozzle)을 더 포함하며, 상기 제어기는 스테이징 비율을 약 75 % 이하로 제어하도록 더 프로그래밍되며, 상기 스테이징 비율은 비례형 분배 노즐 및 스테이징 노즐을 통해 흐르는 산화제의 총합에 대한 2차 산화제 흐름에 포함된 산소의 비율인, 산소-연료 부스트 버너.
양태 5: 양태 1 내지 4의 산소 연료-부스터 버너에 있어서, 축열기 포트는 노의 단부벽에 장착되고, 부스트 버너는 노의 반대편 단부벽에 장착되는, 산소-연료 부스트 버너.
양태 6: 양태 1 내지 4의 산소 연료-부스터 버너에 있어서, 축열기 포트는 노의 단부벽에 가까운 대향 측벽에 위치 설정되고, 상기 각각의 축열기 포트는 그 각각의 측벽에 대해 비수직 각도를 이루며, 상기 부스트 버너는 노의 반대편 단부벽에 장착되는, 산소-연료 부스트 버너.
양태 7: 양태 1 내지 4의 산소 연료-부스터 버너에 있어서, 축열기 포트는 노의 단부벽에 가까운 대향 측벽에 위치 설정되고, 상기 각각의 축열기 포트는 그 각각의 측벽에 대해 비수직 각도를 이루며, 상기 부스트 버너는 노의 천정에 장착되는, 산소-연료 부스트 버너.
양태 8: 양태 1의 산소 연료-부스터 버너에 있어서, 버너 요소는 동일한 하우징에 장착되는, 산소-연료 부스트 버너.
양태 9: 양태 1의 산소 연료-부스터 버너에 있어서, 버너 요소 중 적어도 하나는 버너 요소 중 적어도 다른 하나와 별개의 하우징에 장착되는, 산소-연료 부스트 버너.
양태 10: 양태 1의 산소 연료-부스터 버너에 있어서, 제어기는 비활성 선택형 분배 노즐로의 제1 반응물 흐름을, 0보다 크게 그리고 활성 선택형 분배 노즐의 제1 반응물 유량의 절반 이하로 제어하도록 프로그래밍되는, 산소-연료 부스트 버너.
양태 11: 양태 1의 산소 연료-부스터 버너에 있어서, 버너 요소를 통해 흐르는 산화제는 약 70 % 이상의 산소 농도를 갖는, 산소-연료 부스트 버너.
양태 12: 양태 1의 산소 연료-부스터 버너에 있어서, 활성 버너 요소의 선택형 분배 노즐은 활성 제트 유량을 갖고, 비활성 버너 요소의 선택형 분배 노즐은 비활성 제트 유량을 가지며, 상기 제어기는 비활성 제트 유량에 대한 활성 제트 유량의 비율을 약 5 내지 약 40 으로 제어하도록 프로그래밍되는, 산소-연료 부스트 버너.
양태 13: 양태 1의 산소 연료-부스터 버너에 있어서, 비활성 버너 요소는 약 0.2 내지 약 1 의 당량비(equivalence ratio)를 갖고, 활성 버너 요소는 약 1 내지 10 의 당량비를 가지며, 상기 당량비는 버너 요소를 통한 실제 산화제 흐름에 대한 버너 요소를 통한 실제 연료 흐름을 연소하는 데 요구되는 이론적인 화학량론적 산화제 흐름의 비율인, 산소-연료 부스트 버너.
양태 14: 제1 및 제2 단부벽과, 상기 단부벽들을 연결하는 제1 및 제2 측벽과, 천정, 그리고 상기 단부벽, 측벽 및 천정에 의해 한정되는 챔버를 갖는 축열로로서: 교대로 챔버 내로 발화하고, 챔버로부터 배기하도록 구성되는 축열기 포트 쌍으로서, 각각의 축열기 포트는 이 축열기 포트로부터 챔버 내로 연장되는 화염 영역을 형성하는 것인 축열기 포트 쌍; 적어도 2개의 버너 요소를 포함하는 산소-부스트 버너로서, 각각의 버너 요소는 이 버너 요소로부터 챔버 내로 연장되는 화염 영역을 형성하여, 적어도 하나의 버너 요소가 각각의 축열기 포트에 의해 형성되는 화염 영역과 실질적으로 중첩되지 않는 화염 영역을 형성하며, 상기 각각의 버너 요소는 제1 반응물을 유출시키도록 구성되는 선택형 분배 노즐 및 제2 반응물을 유출시키도록 구성되는 비례형 분배 노즐을 포함하는 것인 산소-부스트 버너; 및 어느 축열기 포트가 현재 발화 중이고, 어느 축열기 포트가 현재 배기 중인지를 식별하도록, 현재 발화 중인 축열기 포트의 화염 영역과 실질적으로 중첩되지 않는 화염 영역을 갖는 적어도 하나의 버너 요소를 활성으로 지정하고 나머지 버너 요소를 비활성으로 지정하도록, 그리고 각각의 활성 버너 요소의 선택형 분배 노즐로의 제1 반응물 흐름을, 선택형 분배 노즐로의 평균 제1 반응물 흐름보다 크게, 그리고 각각의 비활성 버너 요소의 선택형 분배 노즐로의 제1 반응물 흐름을 선택형 분배 노즐로의 평균 제1 반응물 흐름보다 작게 독립적으로 제어하도록 프로그래밍되는 제어기를 포함하며, 상기 제1 반응물은 연료와 산화제 중 어느 하나이고, 제2 반응물은 연료와 산화제 중 다른 하나인, 축열로.
양태 15: 교대로 노 내로 발화하고, 노로부터 배기하도록 구성되는 축열기 포트 쌍을 갖는 축열로에서의, 비례형 분배 노즐에 근접한 선택형 분배 노즐을 각각 포함하는 적어도 2개의 버너 요소를 가지며, 각각의 버너 요소의 선택형 분배 노즐로의 제1 반응물 흐름을 독립적으로 제어하도록 프로그래밍되는 제어기를 추가로 갖는 부스트 버너의 작동 방법으로서: 각각의 비례형 분배 노즐을 통해 제2 반응물을 제2 반응물 유량으로 유출시키는 단계; 어느 축열기 포트가 현재 발화 중이고, 어느 축열기 포트가 현재 배기 중인지를 식별하는 단계; 선택형 분배 노즐들 중 적어도 하나를 활성으로 그리고 상기 선택형 분배 노즐 중 적어도 하나를 비활성으로 선택하는 단계; 적어도 하나의 활성 선택형 분배 노즐을 통해, 제1 반응물을 활성 제트 유량으로 유출시키는 단계; 및 적어도 하나의 비활성 선택형 분배 노즐을 통해, 제1 반응물을 비활성 제트 유량으로 유출시키는 단계를 포함하며, 상기 적어도 하나의 활성 분배 노즐은 현재 발화 중인 축열기 포트의 화염 영역에 상보적인 화염 영역을 가지며, 상기 활성 제트 유량은 선택형 분배 노즐을 통한 평균 유량보다 크고, 비활성 제트 유량은 선택형 분배 노즐을 통한 평균 유량보다 작으며, 상기 제1 반응물은 연료와 산화제 중 어느 하나이고, 제2 반응물은 연료와 산화제 중 다른 하나인, 부스트 버너의 작동 방법.
양태 16: 양태 1의 산소 연료-부스터 버너에 있어서, 버너 요소는 동일선상에 위치되는, 산소 연료-부스터 버너.
양태 17: 양태 16의 산소 연료-부스터 버너의 에 있어서, 각각의 인접한 버너 요소 쌍 사이에 스테이징 노즐을 추가로 포함하며, 상기 각각의 스테이징 노즐은 두 버너 요소 사이에서 실질적으로 등거리로 위치되는, 버너 요소의 산소 연료-부스터 버너.
본 발명의 다른 양태가 아래에 기재된다.
도 1a는 산화제 스테이징을 구비한 선택형 부스트 버너의 실시예의 단부 사시도이다.
도 1b는 산화제 스테이징이 없는 선택형 부스트 버너의 실시예의 단부 사시도이다.
도 2a는 도 1a에서처럼 스테이징을 구비한 선택형 부스트 버너의 실시예의 제어 개략도이다.
도 2b는 도 1b에서처럼 스테이징이 없는 선택형 부스트 버너의 실시예의 제어 개략도이다.
도 3은 도 1a 및 1b에서처럼 선택형 부스트 버너의 실시예에 대한 작동 시퀀스 개략도이다.
도 4는 선택형 부스트 버너의 두 실시예에 대한 노즐 배향을 도시한 개략적인 단부도이다.
도 5a(a)-5a(e)는 스테이징을 구비한 선택형 부스트 버너의 다양한 실시예의 단부도이다. 도 5a(a)는 방사방향으로 외향하여 각도를 이루는 4개의 버너 요소에 의해 둘러싸이는 중심 스테이징 노즐을 갖는 버너를 도시하고 있고; 도 5a(b)는 외접원(circumscribed circle)을 따라 접선방향으로 각도를 이루는 4개의 버너 요소에 의해 둘러싸이는 중심 스테이징 노즐을 갖는 버너를 도시하고 있으며; 도 5a(c)는 중심 스테이징 노즐을 제외한 모두가 외향으로 각도를 이루는 교호하는 버너 요소 및 스테이징 노즐의 동일선상의 배치를 갖는 버너를 도시하고 있고; 도 5a(d)는 슬롯형 스테이징 노즐의 주축선(major axis)에 인접하고 또한 실질적으로 이에 평행한 4개의 동일선상의 버너 요소를 갖는 버너를 도시하고 있으며; 도 5a(e)는 한 쌍의 정렬된 평탄한 화염 버너 요소, 및 각각의 버너 요소의 주축선에 인접하고 또한 실질적으로 이에 평행한 한 쌍의 동일선상의 스테이징 노즐을 도시하고 있다.
도 5b(a)-5b(f)는 스테이징이 없는 선택형 부스트 버너의 다양한 실시예의 단부도이다. 도 5b(a)는 방사방향으로 외향하여 각도를 이루는 4개의 버너 요소를 갖는 버너를 도시하고 있고; 도 5b(b)는 외접원을 따라 접선방향으로 각도를 이루는 4개의 버너 요소를 갖는 버너를 도시하고 있으며; 도 5b(c)는 다른 버너로부터 외향하여 각각 각도를 이루는 2개의 동일선상의 버너 요소를 갖는 버너를 도시하고 있고; 도 5b(d)는 다른 인접한 쌍으로부터 인접한 쌍에 외향하여 각도를 이루는 4개의 동일선상의 버너 요소를 갖는 버너를 도시하고 있으며; 도 5b(e)는 한 쌍의 정렬된 평면 화염(flat-flame) 버너 요소를 도시하고 있고; 도 5b(f)는 동일선상의 버너 요소의 복수의 열(row)을 갖는 버너를 도시하고 있다.
도 6은 각각의 버너 요소 내의 선택형 분배 노즐의 다양한 가능한 형상을 도시하고 있다.
도 7은 선택형 부스트 버너의 2개의 가능한 장착 배향을 도시하는 하나의 타입의 노의 사시도이다.
도 8은 도 7과 같은 노에서, 발광 모드와 비-발광 모드 모두로 작동되는, 통상적인 산소-연료 버너, 통상적인 스테이지형 산소-연료 버너, 및 선택형 부스트 버너로부터 상대적 크기의 NOx 생성 데이터를 비교한 그래프이다.
도 9는 예시적인 공기-연료 발화형 단부-포트 축열로의 개략적인 평면도이다.
도 10은 연속적으로 발화되는 산소-연료 부스트 버너의 비교 구성을 도시한, 단부-포트 축열로의 개략적인 평면도이다.
도 11은 단일의 하우징 내에 포함되는 복수의 버너 요소를 갖는 단부벽 장착형의 선택형 부스트 버너의 작동을 도시한, 단부-포트 축열로의 개략적인 평면도이다.
도 12는 2개 이상의 별도의 하우징 중에 분할되는 복수의 버너 요소를 갖는 단부벽 장착형의 선택형 부스트 버너의 구성을 도시한, 단부-포트 축열로의 개략적인 평면도이다.
도 13은 단일의 하우징 내에 포함되는 복수의 버너 요소를 갖는 단부벽 장착형의 선택형 부스트 버너의 구성을 도시한, 각도를 이루는 측부-포트(side-port) 축열로의 개략적인 평면도이다.
도 14는 2개 이상의 별도의 하우징 중에 분할되는 복수의 버너 요소를 갖는 단부벽 장착형의 선택형 부스트 버너의 구성을 도시한, 각도를 이루는 측부-포트 축열로의 개략적인 평면도이다.
도 15는 천정 장착형 선택형 부스트 버너의 구성을 도시한, 각도를 이루는 측부-포트 축열로의 개략적인 평면도이다.
도 1a는 하나의 반응물의 스테이징을 갖는 선택형 부스트 버너(10)(즉, "스테이지형 버너")의 실시예를 도시하고 있는 반면에, 도 1b는 두 반응물의 스테이징이 없는 선택형 부스트 버너(11)(즉, "비(非)-스테이지형 버너")의 실시예를 도시하고 있다. 버너(10, 11)는 면(14)을 갖는 본체(12)를 각각 포함하며, 상기 버너(10 또는 11)가 노에 장착될 때(예를 들어 도 7 또는 도 11-15에서처럼), 상기 면(14)은 노에서 연소 영역에 노출된다.
비-스테이지형 버너(11)는 외접원(도 4 참조)을 형성하도록 배향되는 다수의 버너 요소(20)를 포함하며, 상기 버너 요소(20)는 외접원 둘레로 균등하게 바람직하게 이격되어 있다. 스테이지형 버너(10)는 외접원 내에 위치되는 적어도 하나의 스테이지형 노즐(30)을 추가로 포함한다. 참조 목적으로, 활성 제트가 비활성 제트보다 큰 화염을 갖는 것을 나타내기 위해, 활성 제트(A) 및 비활성 제트(P)가 도시되어 있다.
도 1a 및 1b에 각각 도시되어 있는 버너(10, 11)는, 약 90°간격으로 이격된 4개의 버너 요소(20)를 각각 갖는다. 그러나 상기 버너(10 또는 11)는 2개와 동일하거나 또는 이보다 많은 임의의 개수(n)의 버너 요소(20)를 포함할 수 있다는 것을 인식해야 한다. 예를 들어, 버너(10 또는 11)는 직경방향으로 마주하도록[도 5a(d) 및 5b(d)에 도시된 바와 같이] 이격된 2개의 버너 요소(20), 또는 약 120°간격으로 교호하여 이격된 3개의 버너 요소(20), 또는 대략 균등한 간격으로 이격된 5개 이상의 버너 요소(20)를 포함할 수 있다. 일부의 노 형상, 구성, 또는 작동 조건에 대해 외접원 둘레로 불균등하게 이격된 다수의 버너 요소(20)를 구비한 버너(10 또는 11)가 바람직할 수 있다는 것을 인식해야 한다. 다른 대안으로서, 노의 형상 및 구성에 따라, 버너(10 또는 11)는 원 이외의 기하학적 형상, 예를 들어 타원형이나 불규칙 다각형을 형성하도록 위치되는 다수의 버너 요소(20)를 가질 수 있다.
또한, 비-스테이지형 버너(11)는, 동일한 하우징에 있는 모든 버너 요소(20) 대신에, 노의 상이한 위치에서 복수의 하우징에 위치되지만 그러나 여기에 기재되는 바와 같이 조정된 선택 방식으로 작동되는, 2개 이상의 버너 요소(20)를 포함할 수 있다.
도 1a의 스테이지형 버너(10)는 중심에 위치되는 하나의 스테이징 노즐(30)을 갖는다. 그러나 다수의 스테이징 노즐(30)이 제공될 수 있으며, 상기 스테이징 노즐(30)이 모두 동일한 크기를 갖거나 또는 상이한 크기를 가질 수 있음을 인식해야 한다. 또한, 노의 형상, 원하는 화염 특성, 개별적인 버너 요소(20)의 배향, 및 다른 요소에 따라, 상기 스테이징 노즐(들)(30)은 버너 요소(20)에 의해 형성되는 외접원 내에서 중심을 벗어나 위치될 수 있다. 스테이징 노즐(30)은 임의의 형상을 가질 수 있다.
스테이지형 버너(10)와 비-스테이지형 버너(11) 모두에 있어서, 각각의 버너 요소(20)는 환형의 비례형 분배 노즐(24)에 의해 둘러싸이는 선택형 분배 노즐(22)을 포함한다. 선택적으로 분배되는 반응물이 상기 선택형 분배 노즐(22)을 통해 흐르는 반면에, 비례적으로 분배되는 반응물이 환형의 비례형 분배 노즐(24)을 통해 흐르며, 하나의 반응물은 연료이고 다른 반응물은 산화제이다. 스테이지형 버너(10)에 있어서, 비례적으로 분배되는 반응물의 일부도 스테이징 노즐(30)을 통해 흐른다. 버너(10 또는 11)의 일 실시예에 있어서, 연료는 선택적으로 분배되는 반응물로서 선택형 분배 노즐(22)을 통해 흐르는 반면에, 산화제는 비례적으로 분배되는 반응물로서 환형의 비례형 분배 노즐(24)을 통해 흐른다. 버너(10 또는 11)의 다른 실시예에 있어서, 산화제는 선택형 분배 노즐(22)을 통해 흐르는 선택적으로 분배되는 반응물이며, 연료는 환형의 비례형 분배 노즐(24)을 통해 흐르는 비례적으로 분배되는 반응물이다. 또한, 버너 요소(20)의 대안적인 실시예에 있어서, 상기 비례형 분배 노즐(24)은 환형일 필요는 없지만, 그러나 대신에 선택형 분배 노즐(22)에 매우 근접하여 위치되는 하나 이상의 노즐을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나의 비례형 분배 노즐(24)은 선택형 분배 노즐(22)에 인접할 수 있거나, 또는 다수의 비례형 분배 노즐(24)은 선택형 분배 노즐(22)에 인접하며 그리고 선택형 분배 노즐의 둘레에서 원주방향으로 위치될 수 있다. 어떤 구성이라도, 비례형 분배 노즐(24)[또는 노즐(24)]은 안정한 화염을 형성하기 위해 연료와 산화제가 상호 작용하여 연소하는 선택형 분배 노즐(22)에 충분히 가까워야만 한다.
스테이지형 버너(10)에 있어서, 스테이지형 노즐(30)과의 비교 시 환형의 비례형 분배 노즐(24)을 통해 도입되는 비례적으로 분배되는 반응물의 비율은, 안정한 버너 작동을 유지하기 위해 및/또는 방열 프로파일과 같은 화염 특성을 제어하기 위해 조정될 수 있다. "스테이징 비율(staging ratio)"이라는 용어는 스테이징 노즐(30)을 통해 흐르는 비례적으로 분배되는 반응물 흐름의 양을, 조합되는 스테이징 노즐(30)과 환형의 비례형 분배 노즐(24)을 통해 흐르는 비례적으로 분배되는 반응물 흐름의 전체 양으로 나눈 것을 나타낸다.
여기에 사용되는 바와 같이, "연료(fuel)"라는 용어는 연소 반응에서 연료로서 사용될 수 있는 임의의 탄화수소-함유 기질을 나타낸다. 바람직하게도, 상기 연료는 천연가스와 같은 기체형 연료이지만, 그러나 연료는 캐리어 가스에서 분무화된 액상 연료 또는 분쇄된 고체 연료일 수도 있다. 여기에 사용되는 바와 같이, "산화제(oxidant)"라는 용어는 연소 반응에서 연료를 산화시킬 수 있는 임의의 산소-함유 기질을 나타낸다. 산화제는 공기, 오염된 공기(즉, 약 20.9 %보다 적은 산소를 갖는 가스), 산소-풍부 공기(즉, 약 20.9 %보다 많은 산소를 갖는 가스, 또는 본질적으로 순수 산소(즉, 약 100 % 산소를 갖는 가스)일 수 있다. 다양한 실시예에 있어서, 산화제는 적어도 약 23 %, 적어도 약 26 %, 적어도 약 40 %, 적어도 약 70 %, 또는 적어도 약 98 % 의 산소 농도를 갖는 산소-풍부 공기이다.
선택형 분배 노즐(22)은 임의의 형상을 가질 수 있다. 슬롯형 노즐(도 6a), 단일-슬롯 노즐(도 6b), 원형 노즐(도 6c), 및 다구멍 노즐(도 6d)을 포함하여, 가능한 예시적인 형상의 서브셋(subset)이 도 6에 도시되어 있다. 가능한 노즐 형상의 더욱 상세한 논의는 그 전체가 여기에 참조 인용된 US 6,866,503호에서 찾아볼 수 있다. 예를 들어, 고방사성 전달 특성을 구비하는 발광 화염을 생성하기 위해, 10보다 작은 형상계수(shape factor)를 갖는 선택형 분배 노즐(22)이 사용될 수 있는 반면에, 낮은 NOx 를 가질 수 있는 비-발광 화염을 생성하기 위해 10 또는 이보다 큰 형상계수를 갖는 선택형 분배 노즐이 사용될 수 있다. 발광 모드가 용융 동작에 바람직할 수 있는 반면에, 비-발광 모드가 재가열 동작에 바람직할 수 있다. 높은 형상계수의 노즐은 다구멍 노즐을 포함할 수 있음을 인식해야 한다. US 6,866,503호에 상세히 기재된 바와 같이, 형상계수(σ)는 등식에서 둘레(P)의 제곱을 2배의 단면적(A)으로 나눔으로써 형성된다.
σ = P2/2A [수학식 1]
전술한 바와 같이, 도 2a는 스테이지형 버너(10)에 대한 간략한 제어 개략도를 도시하고 있으며, 그리고 도 2b는 비-스테이지형 버너(11)에 대한 간략한 제어 개략도를 도시하고 있다. 제1 유체(F1)는 제어 밸브(23)에 의해 제어되는 전체 유량으로 선택형 분배 노즐(22)로 공급된다. 제1 유체(F1)의 각각의 선택형 분배 노즐(22)로의 흐름은 별도로 제어된다. 일 실시예에 있어서, 각각의 선택형 분배 노즐(22)의 상류의 제어 밸브(26)는 상기 선택형 분배 노즐(22)을 포함하는 버너 요소(20)에 대해 활성 상태와 비활성 상태에 각각 대응하는, 고-흐름(high flow)과 저-흐름(low flow) 위치 사이에서 조정된다. 대안적인 실시예에 있어서, 제어 밸브(26)는 우회 통로(27)와 평행하게 위치된다. 이 실시예에 있어서, 제어 밸브(26)는 버너 요소(20)의 활성 상태와 비활성 상태에 다시 각각 대응하는, 개방 위치와 폐쇄 위치 사이로 조정되는 반면에, 상기 우회 통로(27)는 비활성 상태이더라도 제1 유체(F1)의 일부가 항상 선택형 분배 노즐(22)로 흐르도록 비교적 소량의 흐름이 제어 밸브(26)를 우회하는 것을 허용한다. 각각의 선택형 분배 노즐(22)에 대한 유량은, 특수한 노의 요구 또는 용도에 따라, 각각의 선택형 분배 노즐(22)에 대한 제1 유체(F1)의 활성 상태 유량이 상이하거나 동일할 수 있도록, 그리고 각각의 선택형 분배 노즐(22)에 대한 제1 유체(F1)의 비활성 상태 유량이 상이하거나 동일할 수 있도록 설정될 수 있다.
두 구성의 효과는 선택형 분배 노즐(22)을 통한 흐름을, 비교적 높은 활성 유량과 비교적 낮은 비활성 유량 사이에서 조절한다는 점이다. 예를 들어, 활성 유량은 선택형 분배 노즐(22)에 대한 평균 유량보다 큰 유량으로서 한정될 수 있는 반면에, 비활성 유량은 선택형 분배 노즐(22)에 대한 평균 유량보다 적은 유량으로서 한정될 수 있다. 평균 유량은 제1 유체(F1)의 전체 유량을 선택형 분배 노즐(22)/버너 요소(20)의 전체 개수(n)로 나눔으로써 결정된다. 활성 유량과 비활성 유량 사이의 다른 관계가 사용될 수 있으며, 상기 활성 유량은 비활성 유량보다 항상 크다.
활성 및 비활성 유량이 어떻게 결정되는 것과는 관계 없이, 비활성 유량은 유량 0보다 커야만 한다. 버너 요소(20)가 비활성 상태로부터 활성 상태로 전환될 때 즉각적인 점화를 위한 메커니즘을 제공하기 위해, 비활성 유량은 각각의 연소 버너 요소(20)에서 연소를 충분히 유지시킬 수 있다. 또한, 비-제로 비활성 유량은 이물질의 유입으로부터 선택형 분배 노즐(22)을 보호한다. 일 실시예에 있어서, 비활성 유량은 활성 유량의 절반보다 적거나 또는 이와 동일하다. 다른 실시예에 있어서, 비활성 유량에 대한 활성 유량의 비율은 적어도 약 5 이며, 그리고 약 40보다 크지 않다. 또 다른 실시예에 있어서, 비활성 유량에 대한 활성 유량의 비율은 적어도 약 15 이며, 그리고 약 25보다 크지 않다.
제2 유체(F2)는 환형의 비례형 분배 노즐(24)로 공급된다. 제어 밸브(28)는 환형의 비례형 분배 노즐(24)에 대한 제2 유체(F2)의 전체 유량을 제어하며, 또한 매니폴드(29)는 흐름을 n 개의 환형의 비례형 분배 노즐(24)에 걸쳐 대략 동일하게 분배한다.
비-스테이지형 버너(11)(도 2b)가 아닌 스테이지형 버너(10)(도 2a)에 있어서, 제3 유체(F3)는 스테이징 노즐(30)로 공급되며, 제3 유체(F3)의 유량은 제어 밸브(32)에 의해 제어된다. 상기 스테이징 노즐(30)은, 스테이징 노즐(30)을 빠져나가는 제3 유체(F3)에 선회(swirl)를 부여하기 위해, 선회 베인 또는 다른 메커니즘(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 제3 유체(F3) 상에 부여된 선회는 그 유체 제트의 해체로 나타날 것이며, 이는 활성 제트(들)에 의한 제3 유체(F3)의 동반(entrainment)을 도울 수 있다. 그러나 강렬한 선회는 흐름 구조를 지배하고 또한 화염 형상을 변경시킬 수 있기 때문에 바람직하지 않다.
제2 유체(F2) 및 제3 유체(F3)는 연료이거나 또는 산화제인, 동일한 타입의 반응물을 포함한다. 예를 들어, 제1 유체(F1)가 연료일 때, 제2 유체(F2) 및 제3 유체(F3)는 각각 산화제이며, 또한 제1 유체(F1)가 산화제일 때 제2 유체(F2) 및 제3 유체(F3)는 각각 연료이다. 일 실시예에 있어서, 제2 유체(F2) 및 제3 유체(F3)는 각각 상이한 유체이며, 즉 각각은 동일한 반응물(연료 또는 산화제)을 갖지만, 농도가 상이하다. 이 경우, 제어 밸브(28) 및 제어 밸브(32)는 2개의 유체(F2, F3)를 제어하기 위해 분리된 밸브이어야만 한다. 대안적인 실시예(도시되지 않음)에 있어서, 제2 유체(F2) 및 제3 유체(F3)가 동일한 반응물의 동일한 농도를 갖는 동일한 유체일 때, 흐름의 일부를 n 개의 비례적 분배 환형 노즐(24)로 대략 동일하게 그리고 스테이징 노즐(30)로 나머지 흐름을 분배하기 위해, 제어 밸브(28) 및 제어 밸브(32) 대신에 스테이징 밸브가 사용될 수 있다.
도 2a 및 2b의 도시된 실시예에 있어서, 각각의 환형의 비례형 분배 노즐(24)에 대한 제2 유체(F2)의 유량은 독립적으로 제어되지 않는다. 그 결과로서, 각각의 환형의 비례형 분배 노즐(24)은 제어 밸브(28)가 개방되었을 때 항상 대략적으로 제2 유체(F2)의 평균 유량으로 유출시킨다. 상기 평균 유량은 제2 유체(F2)의 전체 유량을 n 개의 환형의 비례형 분배 노즐/버너 요소(20)의 총 개수로 나눔으로써 결정된다. 대안적으로, 각각의 환형의 비례형 분배 노즐(24)에 대한 제2 유체(F2)의 유량이 독립적으로 제어될 수 있다.
도 2a 및 2b의 도시된 실시예에 있어서, 각각의 환형의 비례 분배 노즐(24)에 대한 제2 유체(F2)의 유량이 대략 동일하기 때문에, 각각의 버너 요소(20)는 버너 요소(20)가 당시에 활성인지 또는 비활성인지의 여부에 따라 각각의 화학량론으로 작동한다. 버너 요소(20)가 활성 상태일 때, 그 버너 요소(20)는 화학량론적 작동을 정지하고 그리고 때로는 한쪽 방향으로 화학량론적 작동이 좋으며, 또한 버너 요소(20)가 비활성 상태일 때, 그 버너 요소(20)는 화학량론적 작동을 정지하고 그리고 때로는 반대 방향으로 화학량론적 작동이 좋다. 예를 들어, 제1 유체(F1)가 연료이고 그리고 제2 유체(F2)가 산화제일 때, 활성 상태에서의 버너 요소(20)는 연료-풍부 상태로 작동할 것이고, 비활성 상태에서의 버너 요소(20)는 연료-희박 상태로 작동할 것이다. 대안적으로, 제1 유체(F1)가 산화제이고 그리고 제2 유체(F2)가 연료일 때, 활성 상태에서의 버너 요소(20)는 연료-희박 상태로 작동할 것이고, 비활성 상태에서의 버너 요소(20)는 연료-풍부 상태로 작동할 것이다. 그러나 연료와 산화제의 전체 흐름이 제어 밸브(23, 28)에 의해[또한 스테이징 제어 밸브(32)에 의해] 제어되기 때문에, 버너(10)의 전체 화학량론은, 버너 요소(20)가 활성 상태 대 비활성 상태인 것과는 관계 없이 그리고 얼마나 많은 버너 요소(20)가 활성 상태 대 비활성 상태인 것과는 관계 없이, 동일하게 유지된다.
각각의 버너 요소(20)가 작동하는 화학량론은 당량비를 특징으로 할 수 있다. 주어진 연료 유량에 대해, 상기 당량비는 실제 산소 흐름에 대한 이론적 화학량론 산소 흐름의 비율로서 결정된다. 100 % 산소인 산화제에 대해, 산소 흐름은 산화제 흐름과 동일하다. 산소 백분율(X)이 100 %보다 낮은 산화제에 대해, 산화제 흐름에서의 산소 흐름은 예를 들어 40 % 산소를 함유한 산화제를 사용하여 100 SCFH 의 산소 요구에 부합하기 위해 산화제 유량을 산소 백분율(X)로 나눔으로써 결정되며, 250 SCFH 의 산화제가 요구된다.
이하의 논의는 제1 유체(F1)가 연료이고 그리고 제2 유체(F2)가 산화제이며(비-스테이지형 버너) 또한 제1 유체(F1)가 연료이고 그리고 제2 유체(F2)와 제3 유체(F3) 모두가 산화제인(스테이지형 버너) 실시예에 관한 것이다. 버너 요소(20)가 비활성 상태일 때, 당량비는 약 1보다 작으며, 그리고 적어도 약 0.2 가 바람직하다. 이는 비활성 버너 요소(20)가 완전 연소에 요구되는 산소의 5배 정도인 연료-희박 상태로 작동하고 있음을 의미한다. 이와는 달리, 버너 요소(20)가 활성 상태일 때, 당량비는 약 1보다 크며, 그리고 약 10 미만이 바람직하다. 이는 활성 버너 요소(20)가 완전 연소에 요구되는 산소의 10 % 정도로 적은 연료-풍부 상태로 작동하고 있음을 의미한다.
스테이지형 버너의 경우, 스테이징 비율은 환형의 비례형 분배 노즐(24) 및 스테이징 노즐(30)을 통해 흐르는 그 반응물의 전체 양에 대해 스테이징 노즐(30)을 통해 흐르는 반응물의 양의 비율로서 한정된다. 예를 들어, 제2 유체(F2) 및 제3 유체(F3)가 산화제일 때, 스테이징 비율은 조합된 스테이징 노즐(30) 및 환형의 비례형 분배 노즐(24)에 의해 제공되는 전체 산소량으로 나눈, 스테이징 노즐(30)에 의해 제공된 산소의 양이다. 제2 유체(F2) 및 제3 유체(F3)가 동일한 유체라면(즉, 동일한 산소 농도라면), 스테이징 비율은 간단히 제2 유체(F2) 유량 및 제3 유체(F3) 유량의 총합으로 나눈 제3 유체(F3) 유량이다. 그러나 제2 유체(F2) 및 제3 유체(F3)가 상이한 유체라면[즉, 각각 상이한 산소 농도(X2, X3)를 갖는다면], 스테이징 비율은 본 기술분야의 숙련자에 의해 인식되는 바와 같이 X3F3/(X2F2 + X3F3)로서 농도 차이를 고려하여 계산된다.
스테이지형 버너(10)는 75 % 와 동일하거나 또는 이보다 작은 스테이징 비율로 작동되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 산화제가 스테이징될 때, 즉 제2 유체(F2) 및 제3 유체(F3)가 산화제일 때, 버너(10)에 대해 적어도 약 25 % 의 산소가 환형의 비례형 분배 노즐(24)을 통해 흐르고, 약 75 %보다 적은 산소가 스테이징 노즐(30)을 통해 흐른다. 보다 구체적으로, 스테이지형 버너(10)는 약 40 % 와 동일하거나 또는 이보다 작은 스테이징 비율로 작동된다. 또한 전술한 바와 같이, 각각의 버너 요소(20)의 활성 동작 또는 비활성 동작 때문에, 하나 이상의 버너 요소(20)가 화학량론에 비해 제1 유체(F1)를 초과하여 한 번에 작동하며, 비활성인 하나 이상의 버너 요소(20)가 화학량론에 비해 제2 유체(F2)를 초과하여 동시에 작동하며, 이에 따라 스테이징 노즐(30)에 의해 제공되는 제3 유체(F3)를 고려하지 않더라도 동일한 양의 스테이징을 제공한다.
또한 비-스테이지형 버너(11)가 어느 정도의 "스테이징"으로 작동하더라도, 활성 버너 요소(20)는 제1 유체(F1)가 풍부한 상태로 작동하고, 비활성 버너 요소는 제1 유체(F1)가 희박한 상태로 작동하므로, 활성 버너 요소(20)로부터의 제1 유체(F1)의 일부는 비활성 버너 요소(20)로부터의 제2 유체(F2)의 일부로 더욱 지연된 방식으로 그리고 확산 방식으로 연소된다. 예를 들어, 제1 유체(F1)가 연료이고 그리고 제2 유체(F2)가 산화제일 때, 활성 버너 요소(20)는 연료 풍부 상태이고 또한 과잉 연료의 일부는 연료 희박 상태인 비활성 버너 요소(20)로부터의 과잉 산화제로 연소된다.
활성의 선택형 분배 노즐(22)을 빠져나오는 제1 유체(F1)는, 제1 유체(F1) 유량 및 선택형 분배 노즐(22)의 횡단면적에 의해 결정되는 활성 제트 속도를 갖는다. 환형의 비례형 분배 노즐(24)을 빠져나오는 제2 유체(F2)는, 제2 유체(F2) 유량 및 환형의 비례형 분배 노즐(24)의 횡단면적에 의해 결정되는 환형 제트 속도를 갖는다. 스테이지형 버너(10)에 있어서, 스테이징 노즐(30)을 빠져나오는 제3 유체(F3)는 제3 유체(F3) 유량 및 상기 스테이징 노즐(30)의 횡단면적에 의해 결정되는 스테이징 제트 속도를 갖는다. 상기 활성 제트 속도는 스테이지형 버너(10)와 비-스테이지형 버너(11) 모두에 대해 환형 제트 속도보다 더 큰 것이 바람직하다.
또한, 스테이지형 버너(10)의 최적의 성능을 위해, 스테지잉 제트 속도는 활성 제트 속도보다 작거나 또는 이와 동일해야 하며, 그리고 활성 제트 속도보다 약 0.05 배 크거나 또는 이와 동일해야 한다. 일 실시예에 있어서, 활성 제트 속도에 대한 스테이징 제트 속도의 비율은 약 0.4보다 작거나 또는 이와 동일하다. 다른 실시예에 있어서, 활성 제트 속도에 대한 스테이징 제트 속도의 비율은 약 0.1보다 크거나 또는 이와 동일하다.
수직 발화 배치(천정 장착형)로 테스트된 예시적인 일 실시예에 있어서, 활성의 선택형 분배 노즐(22)을 통한 제1 유체(F1) 제트 속도는 적어도 약 250 ft/s 이었고 그리고 적어도 약 300 ft/s 가 바람직하였으며, 또한 비활성 선택형 분배 노즐(22)을 통한 속도는 활성 제트 속도의 약 20 % 이었다. 수평 발화 배치에 대해, 활성 제트 속도는 버너 블록 과열을 피하기 위해 부력 효과(buoyancy effect)를 방지할 것이 적게 요구되기 때문에 상당히 낮아질 수 있다.
모든 제어 밸브(23, 26, 28, 32)는 버너(10)를 작동시키도록 특별히 프로그래밍되거나 구성되는 제어기(105)에 연결되며, 그리고 이에 의해 제어된다. 상기 제어기(105)는 CPU, RAM, I/O 디바이스와 같은 통상적인 전자 부품을 포함할 수 있으며, 또한 제어기(105)의 프로그래밍 또는 구성은 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어, 및 제어기 내로의 작동 명령을 프로그래밍하기 위해 이제 알려지거나 또는 차후에 개발될 임의의 다른 메커니즘의 하나 이상의 조합에 의해 달성될 수 있다.
전술한 바와 같이 유체(F1, F2) 중 하나는 연료이어야만 하거나 또는 연료를 포함해야만 하며, 또한 유체(F, F2) 중 다른 하나는 산화제이어야만 하거나 또는 산소를 포함해야만 한다. 스테이지형 버너(10)에 있어서, 제3 유체(F3)는 제2 유체(F2)와 동일한 타입의 유체(연료 또는 산화제)이어야 한다. 연료는 기체형 연료, 액상 연료, 또는 기체형 캐리어에서 분쇄된 고체 연료일 수 있다. 비-스테이지형 버너(11)의 일 실시예에 있어서, F1 은 연료이고, F2 는 산화제이다. 스테이지형 버너(10)의 일 실시예에 있어서, F1 은 연료이고, F2 및 F3 는 산화제이다. 이 경우에, F2 및 F3 는 동일한 산화제일 수 있으며, 또는 F2 및 F3 는 상이한 산화제일 수 있다. 예를 들어, 바람직한 일 실시예에 있어서, F1 은 천연가스와 같은 기체형 연료이고, F2 는 스테이지형 버너(10) 또는 비-스테이지형 버너(11)에 대해 약 70 % 와 동일하거나 또는 이보다 큰 산소 농도를 갖는 산화제이다. 이 실시예의 스테이지형 버너(10)에 대해, F3 는 약 20.9 % 와 동일하거나 또는 이보다 큰 산소 농도를 갖는 산화제이다. 다른 유사한 실시예에 있어서, F1 은 천연가스와 같은 기체형 연료이고, F2 는 공기의 산소 농도보다 큰 산소 농도를 갖는 산화제이고, 그리고 스테이지형 버너 버전에서 F3 는 공기이다.
대안적인 실시예에 있어서, F1 은 산화제이고, F2(그리고 스테이징의 경우 F3)는 연료이다. 이 경우에, F1 은 약 26 % 와 동일하거나 또는 이보다 큰, 바람직하기로는 약 40 % 와 동일하거나 또는 이보다 큰, 더욱 바람직하기로는 약 70 % 와 동일하거나 또는 이보다 큰, 산소 농도를 갖는다.
도 3은 도 1a 및 1b에 도시된 버너(10, 11)의 실시예에 대한 하나의 가능한 작동 시퀀스를 도시하고 있다. 논의를 위해, 4개의 버너 요소(20)는 a, b, c, d 로 명명된다. 도시된 바와 같이, 오직 하나의 버너 요소(20)만 한 번에 활성인 반면에, 나머지 버너 요소(20)는 비활성이며, 각각의 버너 요소(20)는 이전의 활성 버너 요소(20)가 비활성 상태로 복귀될 때 활성 상태로 연속적으로 전환된다.
특히, 도시된 실시예에 있어서, 버너 요소(20a)는 활성인 반면에, 버너 요소(20b, 20c, 20d)는 비활성이다. 달리 말하면, 각각의 버너 요소(20)에서 각각의 환형 노즐(24)은 대략적으로 제2 유체(F2)의 동일한 흐름을 수용하고 있고, 그리고 오직 버너 요소(20a)의 선택형 분배 노즐(22)만 제1 유체(F1)의 높은 활성 흐름을 수용하고 있는 반면에, 다른 버너 요소(20b, 20c, 20d)의 선택형 분배 노즐(22)이 제1 유체(F1)의 낮은 비활성 흐름을 수용하고 있다. 이는 활성 버너 요소(20a)로부터 나타나는 비교적 긴 관통 화염 및 비활성 버너 요소(20, 20c, 20d)로부터 나타나는 비교적 짧은(파일럿) 화염으로 귀결된다. 도시된 실시예에 추가로 도시된 바와 같이, 버너 요소(20b)가 활성으로 되었을 때, 버너 요소(20a)는 비활성 상태로 복귀하고, 그리고 버너 요소(20c, 20d)는 비활성 상태로 남는다. 이어서, 버너 요소(20c)가 활성으로 되었을 때, 버너 요소(20b)는 비활성 상태로 복귀하고, 그리고 버너 요소(20c, 20a)는 비활성으로 남는다. 마지막으로, 버너 요소(20d)가 활성으로 되었을 때, 버너 요소(20c)는 비활성 상태로 복귀하고, 그리고 버너 요소(20a, 20b)는 비활성으로 남는다.
도 3에 도시되었으며 그리고 전술한 시퀀스는 본질적으로 제한 없는 변형예들 중 하나일 뿐이다. 하나의 비-제한적인 예에 있어서, 한 번에 하나의 버너 요소(20)가 a-b-c-d 또는 a-b-d-c 또는 a-c-b-d 또는 a-c-d-b 와 같은 반복적인 시퀀스로 활성화된다. 다른 비-제한적인 예에 있어서, 임의의 시퀀스에서 한 번에 하나의 버너 요소(20)가 활성화된다. 또 다른 비-제한적인 예에 있어서, 한 번에 하나의 버너 요소(20)가 활성화되지만, 그러나 각각은 동일하거나 또는 상이한 시간의 길이에 대한 것이다.
또한, 다른 실시예에 있어서, 한 번에 하나 이상의 많은 버너 요소(20)가 활성이다. 예를 들어, 3개 이상의 버너 요소(20)를 갖는 버너(10)에 대해, 2개의 버너 요소(20)는 활성이고 나머지는 비활성이다. 일반적으로, n 개의 버너 요소를 갖는 버너(10)에 대해, 1 내지 n-1 개의 버너 요소의 임의의 개수는 활성일 수 있으며, 그리고 나머지는 비활성이다.
각각의 버너 요소(20)는 노 상태에 따라 미리 결정된 알고리즘에 따라, 임의의 시퀀스에 따라, 미리 프로그래밍된 시간 시퀀스에 기초하여 비활성 상태로부터 활성 상태로 전환될 수 있거나, 또는 노에서 다른 주기적인 이벤트로 동기화될 수 있다. 많거나 또는 적은 연소열이 필요해지는 위치의 결정과 관련될 수 있는 임의의 매개변수를 감지하기 위해, 하나 이상의 센서(110)가 노에 위치될 수 있다. 예를 들어, 상기 센서는 온도 센서일 수 있으므로, 상기 온도 센서가 임계 설정치 아래에 있을 때, 그 온도 센서의 영역에서 노를 가열하도록 배향된 버너 요소(20)는 더욱 빈번하게 또는 더 긴 시간 주기로 활성으로 형성될 수 있다. 또는 온도 센서가 노 또는 장입물의 일부가 불충분한 열을 수용하는 것으로 검출하였다면, 노의 그 부분에 위치되어 있거나 또는 장입물의 그 부분을 향해 각도를 이루는 하나 이상의 버너 요소(20)가 활성 상태로 전환될 수 있는 반면에, 과잉의 열을 수용하는 노의 부분에 있는 버너 요소(20)는 비활성 상태로 전환될 수 있다. 특히 축열로에 의해, 광학 센서와 같은 온도 센서는 냉점(122)의 일부 또는 전부처럼 추가적인 열을 필요로 하는 영역을 검출하기 위해 노의 다양한 부분에서 장입물의 온도를 검출할 수 있으며, 또한 이들 지역을 목표로 하는 버너 요소(20)는 이들 영역의 온도를 증가시키기 위해 더 긴 시간 주기로 또는 더욱 빈번하게 활성으로 형성될 수 있다.
온도 센서는 노 벽에 위치되는 열전쌍(thermocouple) 또는 RTD 와 같은 접촉 센서, 또는 적외선 센서, 방사선 센서, 광학 센서, 카메라, 컬러 센서와 같은 비-접촉 센서, 또는 본 산업에 유용한 다른 센서를 포함할 수 있다. 다른 타입의 센서는 노에서 용융 레벨 또는 가열 레벨을 나타내는데 사용될 수도 있으며, 근접 센서(예를 들어, 아직 용융되지 않은 고체 장입물의 근접성을 감지하는) 또는 전도 센서(예를 들어, 빈약하게 상호 연결된 고체의 덩어리에 비해 액체의 높은 전도성을 검출하는)를 포함하지만, 그러나 이에 제한되지 않는다.
여기에 기재된 바와 같이, 버너(10) 또는 버너(11)의 작동에 의해 여러 이익이 달성될 수 있다. 열이 어떤 위치로 그리고 더 길거나 또는 더 짧은 시간 주기로 바람직하게 지향될 수 있기 때문에, 노의 냉점이 식별될 수 있고 그리고 제거될 수 있으므로, 더욱 균일한 가열 및 용융으로 나타난다. 도 7 또는 도 15에서처럼, 특히 수직형 발화 배치(즉, 하향으로 향하는 천정-장착형 버너)에 대해, 모든 버너 요소(20)보다 적은 버너를 활성 모드로 작동시키면 부력 화염(buoyant flame)의 위험을 감소시키거나 제거하며, 이에 따라 버너 블록 및 노 천정의 과열을 피한다. 환형의 비례형 분배 노즐(24)을 통해 제공된 산소가 선택형 분배 노즐(22)을 통해 제공된 연료에 의해 요구되는 화학량론적 산소보다 상당히 적은, 활성 버너 요소(20)로부터의 연료-풍부 상태의 연소는 바람직하지 않은 산화로부터 장입물을 보호하는 것을 돕기 위해 용해조 근처에 비-산화성 대기압을 생성한다. 또한, 버너 요소(20)의 반복된 주기 패턴으로의 작동은, 예를 들어 US 2013/00954437 호에 기재된 바와 같이, 연소 가스의 체류 시간을 증가시키고, 열전달율을 증가시키며, 또한 가열의 균일성을 개선시키는 와류 가열 패턴을 발생시키는 데 사용될 수 있다. 또한, 버너 요소(20)의 선택적 작동 및 스테이징 비율의 변경은 연소 반응으로부터 나타나는 최대 열유속의 위치를 조정하고, 또한 다양한 노 형상, 상태, 및 장입물 레벨을 수용하기 위해 화염 범위를 조정하는 데 사용될 수 있다.
스테이지형 버너(10) 및 비-스테이지형 버너(11)의 가능한 다양한 구성은 도 5a 및 5b에 도시된 바를 포함한다. 도 5a(a) 및 5b(b)에 도시된 타입의 실시예에 있어서, 하나 이상의 버너 요소(20)는 버너 요소(20)에 의해 외접하는 원으로부터, 또는 버너 블록(12)과 직교하는 축선이나 스테이징 노즐(30)에 의해 형성되는 축선으로부터, 각도(α)로 방사방향으로 외향하여 각도를 이룰 수 있다. 도시된 실시예가 동일한 각도(α)로 방사방향으로 외향하여 각도를 이루는 모두 4개의 버너 요소(20)를 도시하고 있더라도, 각각의 버너 요소(20)는 노 형상 및 버너(10)의 원하는 작동 특성에 따라 상이한 각도(αn)로 각도를 이룰 수 있음을 인식해야 한다. 상기 각도(α)는 약 0°와 동일하거나 또는 이보다 클 수 있으며, 또한 0 이 아니고 그리고 약 60°와 동일하거나 또는 이보다 작은 것이 바람직하다. 더욱 바람직하기로는, 상기 각도(α)는 적어도 약 10°이며 약 40°보다 크지 않다.
도 5a(b) 및 5b(b)에 도시된 타입의 실시예에 있어서, 하나 이상의 버너 요소(20)는 와류를 생성하기 위해 각도(β)로 외접원에 대해 접선방향으로 각도를 이룰 수 있다. 도시된 실시예가 동일한 각도(β)로 접선방향으로 각도를 이루는 모두 4개의 버너 요소(20)를 도시하고 있더라도, 노의 형상 및 버너(10)의 원하는 작동 특성에 따라 상이한 각도(βn)로 각도를 이룰 수 있음을 인식해야 한다. 상기 각도(β)는 약 0°와 동일하거나 또는 이보다 클 수 있으며, 그리고 약 60°와 동일하거나 또는 이보다 작은 것이 바람직하다. 더욱 바람직하기로는 상기 각도(β)는 적어도 약 10°이고 그리고 약 40°보다 크지 않은 것이다.
도 5a(c) 및 5b(d)에 도시된 타입의 실시예에 있어서, 다수의 버너 요소(20)는 중점(midpoint) 및 단부를 갖는 라인을 형성하기 위해 일반적으로 서로 동일선상에 위치된다. 4개의 버너 요소(20)가 도시되어 있지만, 이 실시예는 적어도 2개의 버너 요소(20)[예를 들어, 비-스테이지형 버너에 대해 도 5b(c)에 도시된 바와 같이]를 가지며 또한 특수한 노에 요구될 수 있는 바와 같이 많은 버너 요소(20)를 갖는 구성에도 적용할 수 있다. 스테이지형 버너에 있어서, 스테이징 노즐(30)이 버너 요소(20)의 각각의 인접한 쌍 사이에 위치되므로, 버너 요소(20)와 스테이징 노즐(30)은 교호한다. 예를 들어, 2개의 버너 요소(20)를 구비한 구성은 2개의 버너 요소(20) 사이에 위치되는 하나의 스테이징 노즐(30)을 가지며, 3개의 버너 요소(20)를 구비한 배치는 한 쌍의 인접한 버너 요소(20) 사이에 각각 위치되는 2개의 스테이징 노즐(30)을 갖는다. 버너 요소(20)는 모두 버너면(14)과 직교하여 배향될 수 있거나, 상기 버너 요소(20)의 전부 또는 일부는 라인 중점으로부터 라인 단부 중 하나를 향해 약 45°보다 작거나 또는 이와 동일한 각도(Y)로 외향으로 각도를 이룰 수 있다. 마찬가지로, 스테이징 노즐(30)은 버너면(14)과 직교하여 배향될 수 있거나, 상기 스테이징 노즐(30)의 일부 또는 전부는 라인을 따라 일 방향으로 또는 다른 방향으로 각도를 이룰 수 있다. 도시된 실시예에 있어서, 중심의 스테이징 노즐(30)은 버너면(14)과 직교하여 배향되며, 일련의 3개의 동일선상의 요소, 즉 버너 요소(20), 스테이징 노즐(30), 및 다른 버너 요소(20)는 양측에 직경방향으로 위치되며, 그리고 중심의 스테이징 노즐(30)로부터 그리고 라인의 그 각각의 단부를 향해 각도를 이룬다.
도 5a(d) 및 5b(d)에 도시된 타입의 실시예에 있어서, 다수의 버너 요소(20)는 중점 및 단부를 갖는 라인을 형성하기 위해 서로 동일선상에 위치된다. 4개의 버너 요소(20)가 도시되어 있더라도, 이 구성은 적어도 2개의 버너 요소(20)와 그리고 특수한 노에서 요구될 수 있는 바와 같이 많은 버너 요소(20)를 갖는 구성에 적용할 수 있다. 스테이지형 버너에 있어서, 단축선(minor axis)보다 적어도 1.5 배 긴 주축선을 갖는 가늘고 긴(elongated) 또는 일반적으로 직사각형인 스테이징 노즐(30)은 버너 요소(20)로부터 고정된 거리에 인접하고 그리고 이 거리로 이격되어 위치되며, 상기 주축선은 버너 요소(20)에 의해 형성되는 라인과 실질적으로 평행하다. 버너 요소(20)는 모두 버너면(14)과 직교하여 배향될 수 있으며, 또는 상기 버너 요소(20)의 일부 또는 전부는 라인 중점으로부터 라인 단부 중 하나를 향해 약 45°보다 작거나 또는 이와 동일한 각도(Y)로 외향으로 각도를 이룰 수 있다.
도 5a(e) 및 5b(e)에 도시된 타입의 실시예에 있어서, 각각의 버너 요소(20)는 평면-화염 구성을 가지며, 선택형 분배 노즐(22)과 환형 노즐(24) 모두는 단축선보다 적어도 1.5 배 긴 주축선을 갖는 가늘고 긴 또는 일반적으로 직사각형인 스테이징 노즐(30)을 갖는다. 이 타입의 평면 화염 버너는 예를 들어 US 5,611,682호에 상세히 기재되어 있다. 스테이지형 버너에 있어서, 적어도 2개의 스테이징 노즐(30)은 버너 요소(20)에 인접하고 그리고 이로부터 이격되어 위치되며, 또한 버너 요소(20)의 주축선과 실질적으로 평행한 라인을 형성하도록 일반적으로 동일선상에 배향된다. 적어도 2개의 버너 요소(20)가 이 구성에 사용되고 있다.
도 5a 및 5b의 전술한 임의의 구성에 있어서, 선택적 작동 계획은 도 1a 및 1b의 구성에 대해 전술한 바와 유사하게 실시될 수 있다. 특히, 임의의 주어진 시간에서, 적어도 하나의 버너 요소(20)가 활성 상태로 작동되고, 활성의 선택형 분배 노즐(22)을 통한 유체 흐름은 모든 선택형 분배 노즐(22)을 통한 평균 유체 흐름보다 큰 반면에, 적어도 하나의 버너 요소(20)는 비활성 단계로 작동되고, 비활성 선택형 분배 노즐(22)을 통한 유체 흐름은 모든 선택형 분배 노즐(22)을 통한 평균 유체 흐름보다 적다.
도 7 및 도 15에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 버너(10 또는 11)는 노(200)의 천정에(수직 설치) 또는 노(200)의 측벽에(수평 설치) 장착될 수 있다. 수직 설치에 있어서, 버너 요소(20)는 버너 블록의 과열을 방지할 동안 장입물에 최적의 열유속을 제공하기 위해, 도 5a(a) 또는 도 5b(a) 또는 도 5a(b) 또는 도 5b(b)와 같은 구성으로 바람직하게 배치된다. 예를 들어, 전술한 바와 같이, 버너 요소(20)는 버너 요소(20)에 의해 형성되고 또한 스테이지형 버너(10)[도 5a(a)]에서 스테이징 노즐(30)을 둘러싸는 외접원으로부터 방사방향으로 외향하여 각도를 이루도록 배향될 수 있다. 대안적으로, 버너 요소(20)는 와류 구성(외접원에 대해 접선방향으로 각도를 이루는)[도 5a(b) 또는 도 5b(b)]으로 배향될 수 있다. 수평 구성에 있어서, 버너 요소(20)는 임의의 어레이로 배치될 수 있으며, 또한 특히 노의 형상에 따라 도 5a(c)-5a(e) 또는 도 5b(c)-5b(e) 중 그 어떠한 도면에서처럼 배치될 수 있다. 또한, 도 5b(f)에 도시된 바와 같이, 특히 비-스테이지형 버너(11)에서 동일선상의 요소의 복수의 열이 사용될 수 있다.
도 8의 데이터에 도시된 바와 같이, 스테이지형 버너(10)는 통상적인 산소-연료 버너에 비해 감소된 NOx 방출물을 나타낸다. 도 8의 크기는 상대적이고, 통상적인 산소-연료 버너의 정점 NOx 로 정상화되었음을 인식해야 한다. 버너(10)가 발광 모드로[즉, 낮은 형상계수의 선택형 분배 노즐(22)로] 여기에 기재된 바와 같이 선택적으로 작동될 때, 상기 정점 NOx 방출물은 통상적인 산소-연료 버너에 의해 방출되는 방출물의 약 40 % 에 불과하다. 스테이지형 버너(10)가 비-발광 모드로[즉, 높은 형상계수의 선택형 분배 노즐(22)로] 여기에 기재된 바와 같이 선택적으로 작동될 때, 상기 정점 NOx 방출물은 훨씬 낮으며, 통상적인 산소-연료 버너에 의해 방출되는 방출물의 약 35 % 에 불과하다. 두 경우에 있어서, 스테이지형 버너(10)는 스테이지형 유체와 같은 분배된 유체 및 산화제로서의 연료로 작동되었다. 이론에 구속되지 않고, 이 놀라운 결과는 버너(10)에 의해 생산되는 연소의 상당한 스테이지형 특성의 결과인 것으로 생각되며, 이는 제한된 산소 유용성으로 인해 낮은 NOx 를 생산하는 제1 연료-풍부 화염 영역, 및 그 낮은 연소 온도로 인해 낮은 NOx 를 생산하는 제2 연료-희박 화염 영역으로 나타난다.
선택적인 부스트 스테이지형 버너(10) 또는 비-스테이지형 버너(11)는 노(100)에서 동일한 위치에(하나 이상의 하우징에서) 위치되거나 또는 상이한 위치에(2개 이상의 별도의 하우징에서) 위치되어, 여기에 기재되는 바와 같이 선택적 부스트 방식으로 작동되고, 또한 연도 가스에 비교적 낮은 NOx 방출물을 유지할 동안 축열로에 부스트 가열을 효과적으로 제공하는 데 사용되는, 2개 이상의 버너 요소(20)의 조합을 포함할 수 있다.
일반적으로, 공기, 산소, 및 연료 사이의 혼합을 지연시키면 국부적인(정점) 화염 온도를 감소시킬 수 있으며, 따라서 NOx 발생에 대한 가능성을 감소시킬 수 있다. 지연을 달성하는 하나의 방법은 적어도 노 내로 도입되었을 때 공기, 산소, 및 연료의 공간적 분리이다. 달리 말하면, 공기-연료 버너로부터 분리된 산소-연료 버너를 설치하면 일반적인 산소 풍부보다 낮은 NOx 가능성을 갖는 경향을 나타내는데(즉, 단일의 공기-산소-연료 버너에서 산소-풍부한 공기를 사용하여), 그 이유는 일반적인 산소 풍부가 산소와 공기의 더욱 친밀한 혼합을 갖는 경향을 나타내기 때문이다.
그러나 달성 가능한 분리의 정도는 노에서 버너의 상대적인 물리적 배치, 공간의 유용성, 에너지(부스팅) 요구, 및 다른 요소에 의해 억제될 수 있다. 예를 들어, 2개의 산소-연료 부스트 버너(140, 150)가 도 10의 비교예에 도시된 바와 같이 냉점(122)을 제거하도록 설치되었으며, 그리고 이들 버너(140, 150)가 공간 제한으로 인해 노의 두 횡단측 상에 위치되었다면, 각각의 산소-연료 화염은 각각의 작동 모드 중 축열기 포트 버너(110, 130)로부터의 화염 중 대응하는 하나와 상호 작용하려는 경향을 나타낼 것이다. 보다 구체적으로, 부스트 버너(140)의 산소-연료 화염(142)은 제1 작동 모드 중 제1 축열기 포트 버너(110)의 공기-연료 화염(112)과 상호 작용할 것이며, 부스트 버너(150)의 산소-연료 화염(152)은 제2 작동 모드 중 제2 축열기 포트 버너(130)의 공기-연료 화염(132)과 상호 작용할 것이다. 이는 NOx 발생에 대한 가능성을 증가시킬 뿐만 아니라 연도 가스 흐름의 침체로 나타날 수 있는 화염의 충돌 및 천정을 과열시킬 수 있는 굴뚝 발생을 형성한다.
보다 일반적으로, 단부벽(102)의 각각의 축열기 포트(110, 130)가 화염 영역(112, 132)을 각각 형성하므로, 상기 축열기 포트가 버너로서 작동될 때, 연료와 공기가 결합하여, 가장 강렬한 연소가 화염 영역에 발생한다. 단부-포트 축열기 포트 버너(110)에 대해, 이 화염 영역은 전형적으로 노(100)의 한쪽(114)(즉, U 로 굴곡되기 전에, U 형 흐름 패턴의 제1 절반부) 상의 길이방향 영역을 따라 위치되므로, 연소 산물이 노(100)의 먼 단부(120)에 U-굴곡부를 형성하는 그 시간에 연소가 대부분 완료되고, 노(100)의 반대측(134) 상의 평행한 길이방향 영역을 따라 U 형 흐름 패턴의 복귀 흐름(131)은 주로 다른 단부-포트 축열기 포트(130)로부터 배기되는 도중의 연소 산물이다. 축열기 포트(110, 130)가 전환되었을 때, 이 흐름 패턴은 반전되지만, 동일하므로, 화염 영역(132)은 노(100)의 한쪽(134) 상의 길이방향 영역을 따르며, 연소는 연소 산물이 먼 단부(120)에 U-굴곡부를 형성하는 그 시간에 대부분 완료되며, 복귀 흐름(111)은 다른 단부-포트 축열기(110)로부터 연소 산물을 배기하는 도중에 노(100)의 반대측(114) 상의 평행한 길이방향 영역을 따라 발생한다. 따라서 상대적인 냉점(122)이 노(100)의 먼 단부에 지속된다. 통상적으로 발화형 부스트 버너(140, 150)를 사용하면 냉점(122)에 추가적인 열을 제공할 것이지만, 부스트 버너(140, 150)는 그 자신의 화염 영역을 각각 형성한다. 부스트 버너(140, 150) 중 하나의 화염 영역이 축열기 포트 버너(110, 130)의 양측으로부터의 화염 영역과 중첩되거나 또는 이와 상호 작용할 때, 전술한 바와 같이 증가된 NOx 및 국부적인 과열과 같은 문제가 발생할 수 있다.
여기에 기재된 여러 구성은 도 10의 비교예와 관련된 문제를 완화시킬 수 있으며, 노(100)의 냉점(122)을 감소시키거나 제거하기 위해 열을 효과적으로 제공한다.
도 11의 구성에 있어서, 선택형 산소-연료 부스트 버너(240)는 축열기 포트(110, 130)가 위치되는 단부벽(102)과는 반대인 노의 단부벽(120)에 장착된다. 부스트 버너(240)는 부스트 버너(10, 11)에 대해 전술한 임의의 구성으로 구성될 수 있으며, 특히 부스트 버너(240)는 도 5b(c) 또는 5b(d)의 예에 도시된 바와 같이 외향으로 각도를 이루는 적어도 2개의 버너 요소(20)로, 또는 횡방향으로 이격되고 그리고 실질적으로 단부벽(120)에 대해 직교하도록 지향되는 적어도 2개의 버너 요소(20)로 바람직하게 구성된다. 두 구성에 있어서, 외향으로 각도를 이루거나 또는 직교의 여부와는 관계 없이, 버너 요소는 임의의 형상을 가질 수 있다. 또한 두 배향에 있어서, 버너 요소는 필요하다면 장입물을 향해 하향으로 또는 장입물로부터 상향으로 각도를 이룰 수도 있다. 동일선상의 버너 요소(20)의 복수의 열이 도 5b(f)에 도시된 바와 같이 사용될 수도 있다.
도 11의 부스트 버너(240)는 하나의 화염 영역이 각각의 버너 요소(20)와 관련된, 복수의 화염 영역을 갖는다. 예를 들어, 2개의 화염 요소(20)를 구비한 부스트 버너(240)에 있어서, 하나의 버너 요소(20)는 축열기 포트 버너(110)에 대해 노(100)의 상보적인 영역 내로 발화하는 화염 영역(242)을 갖도록 배향되며, 따라서 실질적으로 축열기 포트 버너(110)의 화염 영역(112)과 상호 작용하지 않는다. 또한 다른 버너 요소(20)는 축열기 포트 버너(130)에 대해 노(100)의 상보적인 영역 내로 발화하는 화염 영역(244)을 갖도록 배향되며, 따라서 실질적으로 축열기 포트 버너(130)의 화염 영역(132)과 상호 작용하지 않는다.
제어기(105)는 부스트 버너(240)에서 각각의 버너 요소(20)의 선택적 활성/비활성 발화를, 축열기 포트(110, 130)의 교호하는 발화/배기와 동기화하도록 구성되고 그리고 프로그래밍된다. 임의의 주어진 시간에서, 제어기(105)는 먼저 어느 축열기 포트(110, 130)가 현재 발화 중이고, 어느 축열기 포트가 현재 배기 중인지를 식별한다. 그 후, 제어기(105)는 현재 발화 중인 축열기 포트의 화염 영역에 대해 그 화염 영역이 노의 상보적인 영역 내로 발화하는 하나 이상의 버너 요소(20)를 활성 모드로 설정하거나 또는 유지시키며, 또한 그 화염 영역이 현재 발화 중인 축열기 포트의 화염 영역과 중첩되거나 상호 작용하는 하나 이상의 버너 요소(20)를 비활성 모드로 설정하거나 또는 유지시킨다.
보다 구체적으로, 전술한 바와 같이, 비례적으로 분배되는 반응물인 제2 유체(F2)의 유량은 각각의 버너 요소(20)의 환형의 비례형 분배 노즐(24)에서 일정하게 유지되는 반면에, 선택적으로 분배되는 반응물인 제1 유체(F1)의 유량은 활성으로 지정된 적어도 하나의 버너 요소(20)의 선택형 분배 노즐(22)을 통해 높은 활성 유량으로 조절되고, 또한 비활성으로 지정된 적어도 하나의 버너 요소(20)의 선택형 분배 노즐(22)을 통해 낮은 비활성 유량으로 조절된다. 제어기는 이러한 과정을 반복하여 실행하므로, 현재 발화 중인 축열기 포트가 전환될 때, 버너 요소(20)가 응답하여 신속히 전환되며, 이전의 비활성 버너 요소(20)는 전형적으로 활성으로 되고, 그리고 이전의 활성 버너 요소(20)는 전형적으로 비활성으로 된다. 그러나 일부의 노 구성에 있어서, 하나 이상의 버너 요소(20)는 어느 축열기 포트가 현재 발화 중인지의 여부와는 관계 없이 하나 이상의 버너 요소(20)가 계속 활성으로 남아 있을 수 있고 및/또는 하나 이상의 버너 요소(20)가 계속 비활성으로 남아 있을 수 있음을 인식해야 한다. 예를 들어, 일부 구성에 있어서, 특수한 버너 요소(20)는 두 축열기 포트의 화염 영역과 중첩되지 않는 화염 영역을 가질 수 있는 반면에, 다른 특수한 버너 요소(20)는 두 축열기 포트의 화염 영역과 중첩되는 화염 영역을 가질 수 있다.
도 11과 같은 구성의 일 실시예에 있어서, 제1 유체(F1)는 연료이고, 그리고 제2 유체(F2)는 산화제이다. 바람직하게도, 산화제는 적어도 26 % 분자 산소, 적어도 40 % 분자 산소, 적어도 70 % 분자 산소, 적어도 98 % 분자 산소이거나, 또는 통상적인 순수 산소이다. 따라서 활성 모드인 선택형 부스트 버너(240)의 각각의 버너 요소(20)는 연료-풍부 상태로(즉, 1보다 크고 10 까지의 당량비로) 작동하는 반면에, 비활성 모드인 각각의 버너 요소(20)는 연료 희박 상태로(즉, 1보다 작고 약 0.2 까지의 당량비로) 작동한다. 결과적으로, 발화 중인 축열기 포트의 화염 영역을 떠나는 연소 산물은 먼저 U-굴곡부로 가는 하나 이상의 비활성 버너 요소(20)로부터의 낮은 모멘텀의 연료 희박 화염 영역과 상호 작용할 것이며, 그리고 상기 U-굴곡부를 통과한 후 하나 이상의 활성 버너 요소(20)로부터의 높은 모멘텀의 연료 풍부 화염 영역과 상호 작용할 것이다. 이런 희박한 상태 후 풍부한 상태(lean then rich)로의 연소 시퀀스는 정점의 NOx 생산 화학량론을 피하게 하는 반면에, 노(100)의 먼 단부(120)에서 냉점(122)에 상당한 연소열을 계속 전달한다.
도 12의 실시예는, 부스트 버너(240)의 버너 요소(20)가 도 11에서처럼 공통의 하우징이 아니라 각각의 하우징(248, 250)에 적어도 하나의 버너 요소(20)를 구비한 2개의 별도의 하우징(248, 250)에 장착될 수 있다는 점을 제외하고는, 본질적으로 도 11의 실시예와 동일하게 작동된다. 그 외에는, 버너 요소(20)는 도 11의 실시예와 동일한 방식으로 작동된다.
도 13 및 14는 노(100)의 하나의 단부벽(102)에 가깝게 위치된 각도를 이룬 측벽 축열기 포트(110, 130)를 갖는 축열로(100)에서 선택형 부스트 버너(240)의 대안적인 적용을 도시하고 있다. 상기 축열기 포트(110)는 측벽(114)에 위치되며, 그리고 축열기 포트(130)는 측벽(134)에 위치된다. 각각의 축열기 포트(110, 130)로부터의 공기-연료 화염(112, 132)은 일반적으로 노(100)를 대각선으로 가로질러 지향되며, 축열기 포트(130)로부터의 화염(132)은 먼 단부벽(120)을 향하는 축방향 성분 및 반대쪽 측벽(114)을 향하는 횡방향 성분을 갖는 각도로 연장하며, 또한 축열기 포트(110)로부터의 화염(112)은 먼 단부벽(120)을 향하는 축방향 성분 및 반대쪽 측벽(134)을 향하는 횡방향 성분을 갖는 각도로 연장한다.
도 13 및 14의 구성에 있어서, 선택형 산소-연료 부스트 버너(240)는 모든 버너 요소(20)를 포함하는 단일의 하우징(도 13)이나 또는 적어도 하나의 분리 요소(20)를 각각 포함하는 2개의 별개의 하우징(248, 250)(도 14)에서, 단부벽(120)에 장착된다. 도 11 및 12의 구성에서처럼, 부스트 버너(240)는 부스트 버너(10, 11)에 대해 전술한 임의의 구성으로 구성될 수 있으며, 특히 부스트 버너(240)는 예를 들어 도 5b(c) 또는 5b(d)에 도시된 바와 같이 외향으로 각도를 이루는 적어도 2개의 버너 요소(20)로, 또는 횡방향으로 이격되고 그리고 실질적으로 단부벽(120)에 대해 직교하여 지향되는 적어도 2개의 버너 요소(20)로 바람직하게 구성된다. 두 배향에 있어서, 외향으로 각도를 이루거나 또는 직교하는지의 여부와는 관계 없이, 버너 요소는 임의의 형상을 가질 수 있다. 또한, 두 배향에 있어서, 버너 요소는 필요하다면 장입물을 향해 하향으로 또는 장입물로부터 상향으로 각도를 이룰 수도 있다. 동일선상의 버너 요소(20)의 복수의 열이 도 5b(f)에서처럼 사용될 수도 있다.
도 13 및 14의 부스트 버너(240)는 하나의 화염 영역이 각각의 버너 요소(20)와 관련된, 복수의 화염 영역을 각각 갖는다. 예를 들어, 2개의 화염 요소(20)를 구비한 부스트 버너(120)에 있어서, 하나의 버너 요소(20)는 축열기 포트 버너(110)에 대해 노(100)의 상보적인 영역 내로 발화하는 화염 영역(242)을 갖도록 배향되며, 따라서 실질적으로 축열기 포트 버너(110)의 화염 영역(112)과 상호 작용하지 않는다. 또한 다른 버너 요소(20)는 축열기 포트 버너(130)에 대해 노(100)의 상보적인 영역 내로 발화하는 화염 영역(244)을 갖도록 배향되며, 따라서 실질적으로 축열기 포트 버너(130)의 화염 영역(132)과 상호 작용하지 않는다.
제어기(105)는 부스트 버너(240)에서 각각의 버너 요소(20)의 선택적인 활성/비활성 발화를, 축열기 포트(110, 130)의 교호하는 발화/배기와 동기화하도록 구성되고 그리고 프로그래밍된다. 임의의 주어진 시간에서, 제어기(105)는 먼저 어느 축열기 포트(110, 130)가 현재 발화 중이고, 어느 축열기 포트가 현재 배기 중인지를 식별한다. 그 후, 제어기(105)는 현재 발화 중인 축열기 포트의 화염 영역에 대해 그 화염 영역이 노의 상보적인 영역 내로 발화하는 하나 이상의 버너 요소(20)를 활성 모드로 설정하거나 또는 유지시키며, 또한 그 화염 영역이 현재 발화 중인 축열기 포트의 화염 영역과 중첩되거나 상호 작용하는 하나 이상의 버너 요소(20)를 비활성 모드로 설정하거나 또는 유지시킨다.
도 11 및 12를 참조하여 논의된 노의 구성과 유사하게, 도 13, 14, 및 15의 노(100)는 먼 단부벽(120)에 가까운 냉점(122)을 갖는다. 또한, 2차 냉점(121)은 축열기 포트 버너(110, 130)로부터 연소 산물의 흐름을 수용하지 않는 영역에서 단부벽(102)에 가깝게 존재할 수 있다. 도 13 및 14의 구성이 2차 냉점(121)에 효과적으로 대처할 수는 없지만, 도 15에서처럼 천정-장착형 버너는 두 냉점(121, 122)에 산소-연료 연소의 열을 동시에 공급할 수 있다. 도 15의 천정-장착형 적용을 위해, 도 1a 또는 1b에서처럼 부스트 버너(240)가 하나의 바람직한 배치이다.
본 발명은 본 발명의 약간의 양태의 예시로서 의도된 예에 기재된 특정한 양태 또는 실시예에 의해 그 범주가 제한되지 않으며, 또한 기능적으로 동등한 임의의 실시예는 본 발명의 범주 내에 속한다. 또한 여기에 도시되고 기재된 본 발명의 다양한 수정이 본 기술분야의 숙련자에게 명백해질 것이며, 또한 첨부된 청구범위의 범주 내에 속하는 것으로 의도된다.

Claims (15)

  1. 교대로 노(爐) 내로 발화하고, 상기 노로부터 배기하도록 구성되는 축열기 포트 쌍을 갖는 축열로(regenerative furnace)를 위한 산소-연료 부스트 버너로서:
    적어도 2개의 버너 요소들로서, 상기 버너 요소들 중 적어도 하나는, 축열기 포트 및 그에 대응하는 적어도 하나의 버너 요소가 노의 상보적인 영역 내로 발화하게 위치 설정되도록 각각의 축열기 포트에 대응하고, 상기 각각의 버너 요소는,
    제1 반응물을 유출시키도록 구성되는 선택형 분배 노즐; 및
    제2 반응물을 유출시키도록 구성되는 비례형 분배 노즐을 포함하는 것인 적어도 2개의 버너 요소들; 및
    어느 축열기 포트가 현재 발화 중이고, 어느 축열기 포트가 현재 배기 중인지를 식별하도록, 비례형 분배 노즐로 비례적으로 분배되게 제2 반응물 흐름을 제어하도록, 그리고 현재 발화 중인 축열기 포트에 대응하는 적어도 하나의 버너 요소가 활성화되고 현재 배기 중인 축열기 포트에 대응하는 적어도 하나의 버너 요소가 비활성화되도록 각각의 선택형 분배 노즐로의 제1 반응물 흐름을 독립적으로 제어하도록 프로그래밍되는 제어기
    를 포함하며, 활성 버너 요소의 선택형 분배 노즐에서의 제1 반응물 흐름은 선택형 분배 노즐로의 평균 제1 반응물 흐름보다 크고, 비활성 버너 요소의 선택형 분배 노즐에서의 제1 반응물 흐름은 선택형 분배 노즐로의 평균 제1 반응물 흐름보다 작으며,
    상기 제2 반응물은 비례형 분배 노즐로 비례적으로 분배되고 적어도 2개의 비례형 분배 노즐에 걸쳐 동일하게 분배되며,
    상기 제1 반응물은 연료와 산화제 중 어느 하나이고, 제2 반응물은 연료와 산화제 중 다른 하나인, 산소-연료 부스트 버너.
  2. 제1항에 있어서,
    비례형 분배 노즐은 선택형 분배 노즐을 둘러싸는 환형 노즐인, 산소-연료 부스트 버너.
  3. 제1항에 있어서,
    제1 반응물은 연료이고, 제2 반응물은 산화제인, 산소-연료 부스트 버너.
  4. 제3항에 있어서,
    각각의 버너 요소로부터 이격되며 2차 산화제를 유출시키도록 구성되는 적어도 하나의 스테이징 노즐(staging nozzle)을 더 포함하며,
    상기 제어기는 스테이징 비율을 75 % 이하로 제어하도록 더 프로그래밍되며, 상기 스테이징 비율은 비례형 분배 노즐 및 스테이징 노즐을 통해 흐르는 산화제의 총합에 대한 2차 산화제 흐름에 포함된 산소의 비율인, 산소-연료 부스트 버너.
  5. 제1항에 있어서,
    축열기 포트는 노의 단부벽에 장착되고, 부스트 버너는 노의 반대편 단부벽에 장착되는, 산소-연료 부스트 버너.
  6. 제1항에 있어서,
    축열기 포트는 노의 단부벽에 가까운 대향 측벽에 위치 설정되고, 상기 각각의 축열기 포트는 그 각각의 측벽에 대해 비수직 각도를 이루며, 상기 부스트 버너는 노의 반대편 단부벽에 장착되는, 산소-연료 부스트 버너.
  7. 제1항에 있어서,
    축열기 포트는 노의 단부벽에 가까운 대향 측벽에 위치 설정되고, 상기 각각의 축열기 포트는 그 각각의 측벽에 대해 비수직 각도를 이루며, 상기 부스트 버너는 노의 천정에 장착되는, 산소-연료 부스트 버너.
  8. 제1항에 있어서,
    버너 요소는 동일한 하우징에 장착되는, 산소-연료 부스트 버너.
  9. 제1항에 있어서,
    버너 요소 중 적어도 하나는 버너 요소 중 적어도 다른 하나와 별개의 하우징에 장착되는, 산소-연료 부스트 버너.
  10. 제1항에 있어서,
    제어기는 비활성 선택형 분배 노즐로의 제1 반응물 흐름을, 0보다 크게 그리고 활성 선택형 분배 노즐의 제1 반응물 유량의 절반 이하로 제어하도록 프로그래밍되는, 산소-연료 부스트 버너.
  11. 제1항에 있어서,
    버너 요소를 통해 흐르는 산화제는 23 % 이상의 산소 농도를 갖는, 산소-연료 부스트 버너.
  12. 제1항에 있어서,
    활성 버너 요소의 선택형 분배 노즐은 활성 제트 유량을 갖고, 비활성 버너 요소의 선택형 분배 노즐은 비활성 제트 유량을 가지며,
    상기 제어기는 비활성 제트 유량에 대한 활성 제트 유량의 비율을 5 내지 40 으로 제어하도록 프로그래밍되는, 산소-연료 부스트 버너.
  13. 제1항에 있어서,
    비활성 버너 요소는 0.2 내지 1 의 당량비(equivalence ratio)를 갖고, 활성 버너 요소는 1 내지 10 의 당량비를 가지며, 상기 당량비는 버너 요소를 통한 실제 산화제 흐름에 대한 버너 요소를 통한 실제 연료 흐름을 연소하는 데 요구되는 이론적인 화학량론적 산화제 흐름의 비율인, 산소-연료 부스트 버너.
  14. 제1 및 제2 단부벽과, 상기 단부벽들을 연결하는 제1 및 제2 측벽과, 천정, 그리고 상기 단부벽, 측벽 및 천정에 의해 한정되는 챔버를 갖는 축열로로서:
    교대로 챔버 내로 발화하고, 챔버로부터 배기하도록 구성되는 축열기 포트 쌍으로서, 각각의 축열기 포트는 이 축열기 포트로부터 챔버 내로 연장되는 화염 영역을 형성하는 것인 축열기 포트 쌍;
    적어도 2개의 버너 요소를 포함하는 산소-부스트 버너로서, 각각의 버너 요소는 이 버너 요소로부터 챔버 내로 연장되는 화염 영역을 형성하여, 적어도 하나의 버너 요소가 각각의 축열기 포트에 의해 형성되는 화염 영역과 중첩되지 않는 화염 영역을 형성하며, 상기 각각의 버너 요소는,
    제1 반응물을 유출시키도록 구성되는 선택형 분배 노즐; 및
    제2 반응물을 유출시키도록 구성되는 비례형 분배 노즐을 포함하는 것인 산소-부스트 버너; 및
    어느 축열기 포트가 현재 발화 중이고, 어느 축열기 포트가 현재 배기 중인지를 식별하도록, 현재 발화 중인 축열기 포트의 화염 영역과 중첩되지 않는 화염 영역을 갖는 적어도 하나의 버너 요소를 활성으로 지정하고 나머지 버너 요소를 비활성으로 지정하도록, 그리고 각각의 활성 버너 요소의 선택형 분배 노즐로의 제1 반응물 흐름을, 선택형 분배 노즐로의 평균 제1 반응물 흐름보다 크게, 그리고 각각의 비활성 버너 요소의 선택형 분배 노즐로의 제1 반응물 흐름을 선택형 분배 노즐로의 평균 제1 반응물 흐름보다 작게 독립적으로 제어하도록 프로그래밍되는 제어기
    를 포함하며, 상기 제2 반응물은 비례형 분배 노즐로 비례적으로 분배되며,
    상기 제1 반응물은 연료와 산화제 중 어느 하나이고, 제2 반응물은 연료와 산화제 중 다른 하나인, 축열로.
  15. 교대로 노 내로 발화하고, 노로부터 배기하도록 구성되는 축열기 포트 쌍을 갖는 축열로에서의, 비례형 분배 노즐에 근접한 선택형 분배 노즐을 각각 포함하는 적어도 2개의 버너 요소를 가지며, 각각의 버너 요소의 선택형 분배 노즐로의 제1 반응물 흐름을 독립적으로 제어하도록 프로그래밍되는 제어기를 추가로 갖는 부스트 버너의 작동 방법으로서:
    각각의 비례형 분배 노즐을 통해 제2 반응물을 제2 반응물 유량으로 유출시키는 단계;
    어느 축열기 포트가 현재 발화 중이고, 어느 축열기 포트가 현재 배기 중인지를 식별하는 단계;
    선택형 분배 노즐들 중 적어도 하나를 활성으로 그리고 상기 선택형 분배 노즐 중 적어도 하나를 비활성으로 선택하는 단계;
    제2 반응물을 각각의 비례형 분배 노즐로 비례적으로 유출시키는 단계;
    적어도 하나의 활성 선택형 분배 노즐을 통해, 제1 반응물을 활성 제트 유량으로 유출시키는 단계; 및
    적어도 하나의 비활성 선택형 분배 노즐을 통해, 제1 반응물을 비활성 제트 유량으로 유출시키는 단계
    를 포함하며, 상기 적어도 하나의 활성 분배 노즐은 현재 발화 중인 축열기 포트의 화염 영역에 상보적인 화염 영역을 가지며,
    상기 활성 제트 유량은 선택형 분배 노즐을 통한 평균 유량보다 크고, 비활성 제트 유량은 선택형 분배 노즐을 통한 평균 유량보다 작으며,
    상기 제1 반응물은 연료와 산화제 중 어느 하나이고, 제2 반응물은 연료와 산화제 중 다른 하나인, 부스트 버너의 작동 방법.
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