KR102086894B1 - 공동 활성화 혼합을 이용하는 산소-연료 버너 - Google Patents

Abstract

산소-가스상 연료 버너(400, 500) 또는 고체 연료 버너(700)는 유출 평면(416, 516, 716)으로부터 상류에 그리고 유출 평면에 근접한 환형 공동(404, 504, 704)과, 공동(404, 504, 704)으로부터 상류에 그리고 공동에 근접하게 위치하는 수렴 노즐(434, 734) 또는 수렴-발산 노즐(537)을 갖는다. 고체 연료 버너(700)는 또한 바람직하게는, 제2 환형 도관(730)을 빠져나가는 가스의 속도가 중앙 도관(710)을 빠져나가는 가스의 속도 미만이 되도록 작동된다.

Description

공동 활성화 혼합을 이용하는 산소-연료 버너{OXYGEN-FUEL BURNER WITH CAVITY-ACTUATED MIXING}

관련 출원에 대한 교차 참조

본 출원은 참조에 의해 본 명세서에 완전히 기술되는 것처럼 포함되는, 2014년 6월 23일자로 출원된 미국 가특허출원 제62/015,792호의 이점을 주장한다.

기술분야

본 발명은 공동 활성화 혼합(cavity-actuated mixing)을 이용하는 산소-연료 버너에 관한 것이다.

연소 시스템에서의 산소의 이용은, 당업계에서 공기-연료 연소에서 자연 발생하는 연소 반응의 속도에 비해 연소 반응의 속도를 가속시키기 위한 효과적인 기술로서 알려져 있다. 몇몇 연소 시스템 및 어플리케이션은 연소에 이용 가능한 시간 및/또는 공간에 대한 엄격한 제한에 의해 구속되는데, (특정 디바이스 및/또는 기술의 어플리케이션과 별개로) 산소 단독 이용은 상기 제한을 극복하기에 충분치 못할 수 있다. 예컨대, 산소와 가스상 연료의 극도로 높은 속도의 확산(즉, 비예혼합) 화염이 이용되는 어플리케이션에서, 2개의 반응제 종의 혼합 속도는 완전한 및/또는 안정한 연소를 저지하는 “속도-제한” 단계일 수 있다. 이 경우, 반응제 혼합 속도의 증대는 산소-연료 반응을 적절히 “제공”할 것을 필요로 한다.

다른 도전적인 어플리케이션은 고체 연료, 특히 무연탄 및 대부분의 코크스와 같은 휘발성이 극히 낮은 물질을 갖는 고체 연료의 연소이다. 고체 연료의 연소에 있어서 또 다른 도전적인 어플리케이션은, 고체 연료가 고속으로 이동하면서 연소되어야만 하는 경우 및 더욱이 동일한 연소가, 원료 베드 내로의 고체 연료의 고속 주입에 의해; 예컨대 철 형성 용선로 또는 강 형성 블라스트 노 프로세스에서 종종 발생하는 것과 같은 매우 짧은 반응 거리에 걸쳐서 연소되어야만 하는 경우이다.

몇몇 종래 기술의 어플리케이션에서, 고체 연료는 약 100 m/sec를 초과하는 속도의 흐름으로 이송된다. 상기한 고속 흐름은 일반적으로 대단히 높은 이송 가스압을 요구하며, 이는 매우 높은 비용과 출력 요구를 유발하고, 더욱이 이송 통로 벽의 매우 급속한 부식을 초래한다. 더욱이, 고속 고체 연료가 이송 통로로부터 연소 공간으로 배출될 때, 그 높은 모멘텀으로 인해 고체 연료는 심지어는 고속 산소-가스 화염 내로의 혼입에 저항할 것이고, 이에 따라 허용 가능한 시간 내에 허용 가능한 거리에 걸쳐 필요한 만큼 적절히 가열, 점화 및 연소하는 데 실패할 것이다.

고속 흐름에서의 연소 속도를 증가시키기 위해 전단층들의 공동 활성화 혼합을 이용하고자 하는 시도가 있어 왔다. 그러한 종래 기술의 한 가지 시스템에서, 공동은 초기 연료 및 산화제(산화제는 공기임) 혼합 위치 하류에 배치된다. 다른 종래 기술 시스템에서, 연료는 공동으로부터 상류에서 공기 스트림으로 주입된다. 이들 시스템은 산화제와 연료의 혼합을 증대시키는 것으로 보이지만, 그러한 시스템들의 가능한 작동 온도에 관한 출원인의 분석에 기초하여 산화제와 연료의 초기 혼합으로부터 하류에 있는 공동의 위치는, 혼합이 일어나는 도관 내에 매우 높은 온도, 몇몇 경우에는 대부분의 상용 강의 최대 서비스 온도보다 실질적으로 높은 온도를 형성할 것이다. 따라서, 종래 기술의 공동 활성화 혼합 구성은 여러 어플리케이션에서 실현 가능성이 없을 것이다.

따라서, 허용 가능한 온도 한계 내에서 작동하면서 전술한 것과 같은 도전적인 어플리케이션에서 보다 완전한 및/또는 안정한 연소를 제공하는 개선된 연소 시스템이 필요하다.

본 개요는 아래의 상세한 설명에 더욱 기술되는 본 발명의 양태들의 선정을 단순한 형태로 소개하기 위해 제공된다.

양태 1 - 버너로서,

산소와 가스상 연료 중 어느 하나를 포함하는 환형 가스의 공급부와 유체 흐름 소통하고, 제1 내벽 및 제1 외벽을 갖는 제1 환형 도관;

상기 제1 환형 도관 내에 위치하고, 산소와 가스상 연료 중 다른 하나를 포함하는 중앙 가스의 공급부와 유체 흐름 소통하며, 중앙 외벽 및 유출 평면을 갖는 중앙 도관; 및

중앙 외벽, 제1 내벽 및 제1 외벽 중 적어도 하나에 형성되는 공동으로서, 이 공동은 중앙 도관의 유출 평면에 근접하게 그리고 유출 평면의 상류에 0이 아닌 거리로 위치 설정되며, 길이, 깊이 및 길이를 깊이로 나눈 것으로 규정되는 종횡비를 갖고, 상기 깊이는, 공동이 형성되는 벽에 의해 경계가 정해지는 도관의 수력 직경(hydraulic diameter)의 적어도 10 %이고, 상기 종횡비는 1 내지 10인 것인 도관

을 포함하는 버너.

양태 2 - 양태 1에 있어서, 상기 중앙 가스는 산소로 이루어지고, 상기 환형 가스는 가스상 연료로 이루어지는 것인 버너.

양태 3 - 양태 1 또는 2에 있어서, 상기 중앙 가스는 가스상 연료로 이루어지고, 상기 환형 가스는 산소로 이루어지는 것인 버너.

양태 4 - 양태 1 내지 3 중 어느 하나에 있어서, 상기 공동은 1 내지 4의 종횡비를 갖는 것인 버너.

양태 5 - 양태 1 내지 4 중 어느 하나에 있어서, 상기 공동은 상류측 벽, 저부벽 및 하류측 벽을 갖고, 상기 길이는 상류측 벽과 하류측 벽 사이의 거리이며, 상기 깊이는 상류측 벽과 하류측 벽 중 어느 하나의 높이인 것인 버너.

양태 6 - 양태 1 내지 5 중 어느 하나에 있어서, 상기 공동은 중앙 외벽에 형성되는 것인 버너.

양태 7 - 양태 1 내지 6 중 어느 하나에 있어서, 상기 공동은 공동 포함 벽의 360도에 걸쳐 연속하여 연장되는 것인 버너.

양태 8 - 양태 1 내지 6 중 어느 하나에 있어서, 상기 공동은 공동 포함 벽의 360도 둘레를 따라 이격된 복수 개의 공동을 포함하는 것인 버너.

양태 9 - 양태 1 내지 8 중 어느 하나에 있어서, 상기 공동으로부터 상류에 그리고 공동에 근접하게 위치하는 수렴 노즐을 더 포함하는 버너.

양태 10 - 양태 1 내지 8 중 어느 하나에 있어서, 상기 공동으로부터 상류에 그리고 공동에 근접하게 위치하는 수렴-발산 노즐을 더 포함하는 버너.

양태 11 - 양태 5 내지 10 중 어느 하나에 있어서, 상기 공동의 상류측 벽은 중앙 도관 및 제1 환형 도관에서의 흐름 방향에 수직한 것인 버너.

양태 12 - 양태 1 내지 10 중 어느 하나에 있어서, 고체 연료와 이송 가스의 혼합물을 배출하도록 구성되고, 제1 환형 도관을 둘러싸는 제2 환형 도관을 더 포함하는 버너.

양태 13 - 방법으로서,

(a) 산소와 가스상 연료 중 어느 하나를 중앙 도관을 통해 흐르게 하는 단계;

(b) 산소와 가스상 연료 중 다른 하나를 중앙 도관을 둘러싸는 제1 환형 도관을 통해 흐르게 하는 단계; 및

(c) 산소와 가스상 연료 중 어느 하나를, 중앙 도관과 제1 환형 도관 중 하나 이상에 위치 설정된 공동을 가로질러 흐르게 하는 단계로서, 상기 공동은 중앙 도관의 유출 평면에 근접하고 유출 평면의 상류에 0이 아닌 거리에 있으며, 길이, 깊이 및 길이를 깊이로 나눈 것으로 규정되는 종횡비를 갖고, 상기 깊이는, 공동이 위치 설정되는 도관의 수력 직경의 적어도 10 %이고, 상기 종횡비는 1 내지 10인 것인 단계

를 포함하는 방법.

양태 14 - 양태 13에 있어서, 상기 공동은 길이, 깊이 및 길이를 깊이로 나눈 것으로 규정되는 종횡비를 가지며, 상기 종횡비는 1 내지 4인 것인 방법.

양태 15 - 양태 13 또는 14에 있어서, 상기 공동은 중앙 도관의 외벽에 위치하는 것인 방법.

양태 16 - 양태 13 내지 15 중 어느 하나에 있어서, 상기 공동은 공동 포함 벽의 360도 둘레에 걸쳐 연속하여 연장되는 것인 방법.

양태 17 - 양태 13 내지 15 중 어느 하나에 있어서, 상기 공동은 360도 둘레를 따라 이격된 복수 개의 공동을 포함하는 것인 방법.

양태 18 - 양태 13 내지 17 중 어느 하나에 있어서,

(d) 산소와 가스상 연료 중 어느 하나를 공동으로부터 상류에 그리고 공동에 근접하게 위치하는 수렴 노즐을 통해 흐르게 하는 단계를 더 포함하는 방법.

양태 19 - 양태 13 내지 17 중 어느 하나에 있어서,

(d) 산소와 가스상 연료 중 어느 하나를 공동으로부터 상류에 그리고 공동에 근접하게 위치하는 수렴-발산 노즐을 통해 흐르게 하는 단계를 더 포함하는 방법.

양태 20 - 양태 13 내지 19 중 어느 하나에 있어서,

(e) 산소 대 가스상 연료의 분자비가 가스상 연료의 완전 연소에 대해 요구되는 화학양론적 분자비를 초과하게 하는 방식으로 단계 (a) 및 (b)를 수행하는 단계를 더 포함하는 방법.

양태 21 - 양태 13 내지 20 중 어느 하나에 있어서,

(f) 고체 연료와 이송 가스의 혼합물을 제1 환형 도관을 둘러싸는 제2 환형 도관을 통해 흐르게 하는 단계를 더 포함하는 방법.

양태 22. 양태 31 내지 21 중 어느 하나에 있어서, 산소와 가스상 연료 중 어느 하나는 적어도 약 50 m/sec의 중앙 가스 속도로 중앙 도관을 통해 흐르고, 고체 연료와 이송 가스의 혼합물은 중앙 가스 속도 미만의 고체 연료 속도로 제2 환형 도관을 통해 흐르는 것인 방법.

양태 23 - 양태 22에 있어서, 상기 중앙 가스 속도는 적어도 마하 1인 것인 방법.

양태 24 - 버너로서,

산소와 가스상 연료 중 어느 하나를 포함하는 중앙 가스를 배출하도록 구성되고, 중앙 외벽에 의해 경계가 정해지는 중앙 도관;

산소와 가스상 연료 중 다른 하나를 포함하는 환형 가스를 배출하도록 구성되고, 중앙 도관을 둘러싸며, 환형 내벽과 환형 외벽에 의해 경계가 정해지는 환형 도관; 및

중앙 외벽, 환형 내벽 및 환형 외벽으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 공동 포함 벽에 형성되는 공동으로서, 이 공동은 중앙 도관의 유출 평면에 근접하게 그리고 유출 평면의 상류에 0이 아닌 거리로 위치 설정되며, 길이, 깊이 및 길이를 깊이로 나눈 것으로 규정되는 종횡비를 갖고, 상기 깊이는, 공동이 형성되는 벽에 의해 경계가 정해지는 도관의 수력 직경의 적어도 10 %이고, 상기 종횡비는 1 내지 10인 것인 공동

을 포함하는 버너.

아래에서는, 첨부도면 - 유사한 도면부호는 유사한 요소를 지칭함 - 과 함께 본 발명의 실시예를 설명하겠다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 산소-가스상 연료 버너의 개략적인 정면도이고,
도 2a는 도 1의 버너의 개략적인 부분 좌측 단면도이며,
도 2b는, 제1 배리어의 하류 단부를 넘어 연장되는 중앙 도관의 하류 단부를 보여주는, 도 1의 버너의 개략적인 부분 좌측 단면도이고,
도 2c는, 중앙 도관의 하류 단부를 넘어 연장되는 제1 배리어의 하류 단부를 보여주는, 도 1의 버너의 개략적인 부분 좌측 단면도이며,
도 3은 산소-가스상 연료 버너의 예시적인 제2 실시예의 개략적인 부분 좌측 단면도이고,
도 4는 산소-가스상 연료 버너의 예시적인 제3 실시예의 개략적인 부분 좌측 단면도이며,
도 5a 내지 도 5h는, 도 1 내지 도 4의 버너의 변형예에 마련될 수 있는 다른 공동 형상의 부분 좌측 단면도이고,
도 6a는 공동의 상류에 수렴 노즐을 갖는 산소-가스상 연료 버너의 예시적인 제4 실시예의 중앙 도관 부분의 개략적인 부분 좌측 단면도이며,
도 6b는 공동의 상류에 수렴-발산 노즐을 갖는 산소-가스상 연료 버너의 예시적인 제5 실시예의 중앙 도관 부분의 개략적인 부분 좌측 단면도이고,
도 7은 도 6a의 버너의 공동 및 수렴 노즐 부분의 개략적인 부분 좌측 단면도이며,
도 8은 본 발명의 예시적인 제6 실시예에 따른 고체 연료 버너의 개략적인 정면도이고,
도 9는 도 8의 버너의 개략적인 부분 좌측 단면도이며,
도 10은 고체 연료 버너의 예시적인 제7 실시예의 개략적인 부분 좌측 단면도이고,
도 11은 산소-가스상 연료 화염 내로의 고체 연료의 혼입을 보여주는, 도 10의 버너의 개략적인 부분 좌측 측면도이며,
도 12는 고로(shaft furnace)에서 도 10에 도시된 고체 연료 버너를 사용하는 것을 보여주는 단면도이고,
도 13은 소규정 공동 종횡비 및 3개의 상이한 유체 유량에서의 유입구에서부터 유출구까지의 압력 손실을 보여주는 테스트 데이터의 그래프이며,
도 14 내지 22은 소정 주파수 범위와 공동 종횡비에서의 음향 방출 그래프이고,
도 23은 소정 범위의 공동 종횡비에 있어서의 블로 오프(blowoff)에서의 상대적인 산소 유량을 보여주는 그래프이다.

이어지는 상세한 설명은 단지 바람직한 예시적인 실시예를 제시하며, 본 발명의 범위, 이용가능성 또는 구성을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 오히려, 바람직한 예시적인 실시예에 관한 이어지는 상세한 설명은 당업자에게 본 발명의 바람직한 예시적인 실시예를 구현하기 위한 가능한 설명을 제공할 것이다. 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나는 일 없이 요소의 기능 및 구성에서 다양한 변경이 이루어질 수 있다는 것이 이해된다.

본 발명의 설명을 돕기 위해, 본 발명의 부분(예컨대, 상부, 하부, 좌측, 우측 등)을 설명하는 명세서 및 청구범위에 방향성 용어들이 사용될 수 있다. 이들 방향성 용어는 단순히 본 발명을 기술하고 청구하는 데 기여하는 것으로 의도되는 것이지, 본 발명을 어떤 방식으로든 제한하는 것으로 의도되는 것은 아니다. 추가로, 도면과 관련하여 본 명세서에서 소개되는 도면부호들은 다른 피쳐들을 위한 내용을 제공하기 위해 본 명세서에서 추가로 설명되는 일 없이 하나 이상의 후속 도면들에서 반복될 수 있다.

도면에서, 본 발명의 다른 실시예의 요소와 유사한 요소는 100의 값만큼 더한 도면부호로 나타낸다. 예컨대, 예시적인 제1 실시예와 관련된 공동(104)은 예시적인 제2 실시예와 관련된 공동(204)에 상응한다. 그러한 요소는, 본 명세서에 달리 언급하거나 도시되지 않는 한 동일한 기능 및 피쳐를 갖는 것으로 간주되어야만 하며, 상기 요소에 관한 설명은 이에 따라 다수의 실시예에 대해서 반복되지 않을 수 있다.

본 명세서와 청구범위에서 사용되는 “도관”이라는 용어는, 시스템의 2개 이상의 구성요소들 사이에서 유체를 이송할 수 있는 하나 이상의 구조체를 일컫는다. 예컨대, 도관은, 액체, 증기 및/또는 가스를 이송하는 파이프, 덕트, 통로 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.

청구범위에서, 문자들은 청구되는 단계들[예컨대, (a), (b), 및 (c)]을 식별하는 데 사용된다. 이들 문자는 방법 단계들을 일컫는 것을 돕기 위해 사용되며, 청구되는 단계들이 수행되는 순서가 청구범위에 특별히 언급되지 않는 한 그러한 순서를 나타내는 것으로 의도되지 않는다.

본 명세서와 청구범위에서 사용되는 “흐름 소통” 및 “유체 흐름 소통”이라는 용어는 동의어로 의도되며, 2개 이상의 요소가, 유체가 밸브, 게이트 또는 유체 흐름을 선택적으로 제한할 수 있는 다른 디바이스를 포함할 수 있는 연결부를 비롯한 상기 요소들 사이에서 흐를 수 있는 방식으로 (직접 또는 간접적으로) 연결됨을 의미한다.

명세서와 청구범위에서 사용되는 “산소”라는 용어는 산소 분자를 28 mol% 이상의 농도로, 바람직하게는 60 mol% 이상의 농도로, 보다 바람직하게는 85 mol% 이상의 농도로 함유하는 가스를 의미하는 것으로 의도된다.

명세서와 청구범위에서 사용되는 “고체 연료”라는 용어는 고체 형태의 탄화수소 연료를 의미하는 것으로 의도된다. 고체 연료의 예로는 석유 코크스; 무연탄, 역청탄, 아역청탄 및 갈탄을 포함하는 다양한 모든 석탄; 이탄, 목재, 유리 및 다른 소위 바이오매스 재료; 도시 고형 폐기물; 및 이들의 조합이 있다.

명세서와 청구범위에서 사용되는 “가스상 연료”라는 용어는 탄소, 수소, 이들의 조합 및/또는 산화제와 화학적으로 반응할 수 있고 에너지를 방출할 수 있는 다른 가스 성분을 함유하는 가스를 의미하는 것으로 의도된다. 가스상 연료의 예로는, 천연 가스, 프로판, 아세틸렌, 에탄, 합성 가스, 석탄 오븐 가스 및 코크스 오븐 가스가 있다.

명세서와 청구범위에 사용되는 “흐름 방향”이라는 용어는 일반적인 자유 유동(freestream) 방향 또는 도관을 통과하는 유체의 벌크 흐름을 의미하는 것으로 의도된다.

여기에서 보다 상세히 설명하는 바와 같이, 본 출원인은, 반응제들 중 어느 하나의 흐름 통로의 벽에 공동을 전략적으로 배치하는 것이, 반응제들 중 어느 하나 또는 양자 모두가 음향의 국지 속도 이상인 흐름 속도로 흐르는 경우에도 반응제 혼합 속도를, 반응제의 연소가 고속 흐름 시스템에서 안정하게 그리고 완전하게 실행될 수 있는 정도로 증가시킨다는 것을 확인하였다. 고체 연료 연소 문제에 관하여, 본 출원인은, 고체 연료를 매우 단시간에 그리고 매우 짧은 거리에 걸쳐; 예컨대 효율적인 용선로 및 블라스트 노 공규정 요건에 일치하는 시간 및 거리에 걸쳐 신속하게 혼입, 점화 및 완전 연소시키기 위해 고속 산소-가스상 연료 점화용 화염(pilot flame)을 활용하는 버너를 개발하였다.

추가로, 본 출원인은 전술한 과제를 극복하는 고속 고체 연료 연소를 달성하는 수단을 확인하였다. 구체적으로는, 본 출원인은, 고체 연료를 산소-가스상 연료 화염의 엔벨로프 외측에 환형 도관을 통해 온건한 속도(예컨대, 100 m/sec 미만)로 도입하는 것이 고속 산소-가스상 연료 화염 내로의 고체 연료의 신속한 혼입 - 그 후에 상기 고체 연료가 급속 가열, 점화 및 연소됨 - 을 제공한다는 것을 확인하였다.

도 1 및 도 2a를 참고하면, 예시적인 산소-가스상 연료 버너(100)가 도시되어 있다. 버너(100)는 제1 환형 도관(120)으로 둘러싸인 중앙 도관(또는 플리넘)(110)을 포함한다. 도시한 실시예에서는 중앙 도관(110)이 단면에 있어서 명목상 원형이고, 제1 환형 도관(120)은 단면에 있어서 명목상 원통형이지만, 버너(100)의 다른 실시예에서, 중앙 도관(110)과 환형 도관(120) 중 어느 하나 또는 양자 모드는 장방형, 타원형, 라운드형 모서리를 지닌 타원형화된 직사각형 형상의 직사각형 또는 다른 비원형 형상일 수 있다는 점이 이해된다. 중앙 도관(110)을 통해 흐르는 유체는 가스상 연료이거나 산소일 수 있다. 제1 환형 도관(120)을 통해 흐르는 유체는 바람직하게는 가스상 연료 또는 산소 중 다른 하나일 수 있다. 즉, 산소가 중앙 도관(110)을 통해 흐르도록 버너(100)가 구성되면, 가스상 연료는 제1 환형 도관(120)을 통과하도록 구성되는 것이 바람직하며, 그 반대도 성립된다. 버너(100)가 작동될 때, 산소 및 가스상 연료의 흐름 방향(101)은 도 2a에 도시한 것과 같다.

중앙 배리어(113)는 중앙 도관(110)의 외벽(112)을 형성하고, 제1 환형 도관(120)으로부터 중앙 도관(110)을 분리한다. 중앙 배리어(113)는 또한 제1 환형 도관(120)의 내벽(118)을 형성한다. 제1 배리어(121)는 제1 환형 도관(120)의 외벽(122)을 형성한다. 중앙 배리어는 중앙 도관(110)의 유출 평면(116)을 형성하는 하류 단부(133)를 포함한다. 유출 평면(116)은 초기 점화 포인트(또는 위치/평면)와 일치한다. 유출 평면(116) 상류에서는 중앙 도관(110)에서 나온 유체와 제1 환형 도관(120)에서 나온 유체 간의 혼합이 일어나지 않을 수 있다. 제1 배리어(121)는 하류 단부(135)를 포함한다. 도 2a에서, 중앙 도관(110)과 제1 환형 도관(120) 양자 모두의 하류 단부(133, 135)가 일치한다[양자 모두가 유출 평면(116)에 위치함을 의미함]. 도 2b 및 도 2c는, 중앙 도관(110)의 하류 단부(130)가 환형 도관(120)의 하류 단부(131)에 대하여 오목하거나 연장될 때조차도 유출 평면(116)이 중앙 도관(110)에 고정된 상태로 유지되는 방식을 보여준다.

도 2a의 실시예에서, 버너(100)는 유출 평면(116)의 상류에 0이 아닌 거리로 유출 평면(116)에 근접하게 공동 포함 벽에 위치하는 공동(104)을 더 포함한다. 공정 중에, 공동은 공동 내에 포함된 유체와 자유 유동 유체를 분리하는 전단층 내의 불안정한 파동 동작을 촉진하는 기능을 하고, 이에 의해 유출 평면 하류에서의 연료와 산화제 간의 증대된 혼합을 촉진하고, 유체 흐름 속도가 매우 높은, 예컨대 천음속(transonic), 음속 또는 심지어는 초음속인 경우에도 안정한 화염 부착을 가능하게 한다. 이러한 타입의 안정한 화염 부착은 기존의 음속(수렴) 및 초음속(수렴-발산) 노즐에서는 발생하지 않았는데, 그 이유는 본 명세서에 개시된 공동의 부재 시에 연료와 산화제 간의 혼합 속도가 매우 느려서, 화염이 분출되거나 소멸되기 때문이다. 본 실시예에서, 공동 포함 벽은 중앙 도관(110)의 외벽(112)이다. 공동(104)은 전방벽 또는 상류측 벽(107)[공동(104)의 상류 단부에 있는 벽], 저부벽(106) 및 후방(또는 하류측)벽(105)을 포함한다. 본 실시예에서, 공동(104)은 단면이 직사각형이고, 중앙 도관(110)의 외벽(112)의 전체 둘레 주위로 연장된다. 즉, 공동(104)은 환형이며 단면이 균일하다. 공동(104)이 상-하류 방향으로 대칭되도록 전방벽(107)과 후방벽(105)은 각각 동일한 상대 각도로 저부벽(106)에 이웃할 수 있다. 추가로, 본 실시예에서 전방벽(107)과 후방벽(105) 모두는 흐름 방향(101)에 수직하고, 저부벽(106)은 흐름 방향(101)에 평행하다.

다른 실시예에서, 공동(104)은 다른 공동 포함 벽에 위치할 있다. 예컨대, 도 3은, 공동(204)이 제1 환형 도관(220)의 내벽(218)에 위치하는 버너(200)의 변형예를 보여준다. 도 4는, 공동(304)이 제1 환형 도관(320)의 외벽(322)에 위치하는 버너(300)의 다른 변형예를 보여준다.

다른 실시예에서, 공동(104)은 다른 단면 형상을 가질 수 있다. 대안의 단면 형상의 예가 도 5a 내지 도 5h에 도시되어 있다. 다른 실시예에서, 공동(104)은, 전방벽(107), 저부벽(106) 및 후방벽(105) 중 하나 이상이 구분이 안 되게 함께 섞여, 예컨대 반원형 또는 포물선형 공동을 형성하는 연속적인 만곡 형상을 가질 수 있다. 추가로, 공동(104)은 공동 포함 벽 - 본 실시예에서는 중앙 도관(110)의 외벽(112) - 주위에 이격된 다수의 공동을 포함할 수 있다.

버너(400)의 다른 실시예가 도 6a에 도시되어 있다. 본 실시예에서, 공동(404)은 [버너(100)에서와 같이] 중앙 도관(410)에 위치하고, 수렴 노즐(434)이 공동(404)으로부터 상류에 공동(404)에 근접하게 위치하는 스로트(436)를 갖는다. 당업자라면, 적절한 수렴도(degree of convergence)가 적절한 유입 압력 대 유출 압력의 비와 함께 노즐(434)의 스로트(436)에서 마하 1의 유출 자유 유동 속도를 초래하고, 이 경우에 유출 자유 유동 속도는 자유 유동 가스상 매체의 음향의 국지 속도와 동일하다는 것을 이해할 것이다. 마하 1의 흐름 속도를 달성하는 데 적절한 면적 및 압력 비를 결정하는 방법은 당업계에 알려져 있다[예컨대, Owczarek, J.A. 저, 가스 동력학의 기초(Fundamentals of Gas Dynamics), International Textbook Company, 스크랜톤, 펜실베니아주, 1964년 - 참조에 의해 본 명세서에 포함됨].

버너(500)의 또 다른 실시예가 도 6b에 도시되어 있다. 본 실시예에서, 공동(504)도 또한 중앙 도관(510)에 위치하고, 수렴-발산 노즐(537)이 공동(504)으로부터 상류에 공동(404)에 근접하게 위치한다. 좌측에서 우측으로 감에 따라, 스로트(539)를 향해 직경이 점감되는 수렴부(538)로 천이되고, 스로트 지점에서 수렴-발산 노즐(537)은 발산부(540)로 천이되는데, 천이부는 공동(504)의 전방벽(507)에 근접한 하류 단부(541)에 도달할 때까지 직경이 점증한다. 당업자라면, 적절한 발산도(degree of divergence)가 이어지는 적절한 수렴도가 적절한 유입 압력 대 유출 압력의 비와 함께 마하 1보다 큰 유출 자유 유동 속도를 초래하고, 이 경우에 국지 자유 유동 속도는 자유 유동 가스상 매체의 음향의 국지 속도보다 높다는 것을 이해할 것이다.

공동의 형상 및 위치는 그 기능에 있어서 중요하다. 도 6a의 버너(400)의 부분 확대도가 도 7에 제공된다. 도 7에 도시한 바와 같이, 공동은 깊이(D) 및 길이(L)를 포함한다. 공동(404)의 깊이(D)는 저부벽(406)과 전방벽의 상부 코너(409)의 선단 에지(417) 사이의 반경방향 거리로서 형성된다. 공동(404)의 길이는 전방벽(407)의 상부 코너(409)에서부터 후방벽(405)의 상부 코너(403)까지의 선형 길이와, 전방벽(407)의 저부 코너(411)에서부터 후방벽(405)의 저부 코너(415)까지의 선형 거리의 평균으로서 규정된다.

공동(404)의 종횡비는 길이(L)를 깊이(D)로 나눈 비이다. 바람직하게는, 공동(404)의 종횡비는 약 1 내지 약 10, 보다 바람직하게는 약 1 내지 약 6, 가장 바람직하게는 약 1 내지 약 4이다. 앞서 기술한 바람직한 종횡비 범위는 여기에서 설명되는 버너의 모든 실시예에 적용 가능하다. 바람직하게는, 공동(404)의 깊이(D) 대 공동이 위치하는 도관, 즉 공동이 형성되는 벽에 의해 한정되는 도관의 수력 직경(hydraulic diameter) 비는 적어도 약 0.1이다. L/D 비가 적어도 약 1이라는 선택과 함께, 이것은 공동의 길이(L) 대 공동이 배치되는 도관의 수력 직경의 비도 또한 적어도 약 0.1임을 의미한다.

노즐이 마련되는 경우, 공동은 바람직하게는 노즐로부터 하류에 그리고 노즐에 근접하게, 여전히 중앙 도관(410)의 유출 평면(416)으로부터 상류에 위치한다. 도 6a 및 도 7에 도시한 실시예에서, 수렴 노즐(434)에서부터 공동(404)까지의 거리(G1)는 노즐(434)의 하류 단부(436)[즉, 수렴 노즐(434)이 수렴을 중단하는 부분)에서부터 전방벽(407)의 상부 코너(409)까지의 거리로서 규정된다. 도 6b에 도시한 실시예에서, 거리(G1)는 수렴-발산 노즐(537)의 하류 단부(541)에서부터 공동(504)의 전방벽(507)의 상부 코너까지일 것이다. 거리(G1)에 대한 엄격한 제한은 없지만, 불필요한 마찰 에너지 손실을 회피하기 위해 G1을 최소화하는 것이 바람직하다.

이와 유사하게, 공동(404)은 유출 평면(416)으로부터 상류로 0이 아닌 거리에, 그리고 바람직하게는 유출 평면(416)에 근접하게 위치한다. 도 6a 및 도 7에 도시한 실시예에서, 공동(404)에서부터 유출 평면(416)까지의 거리(G2)는 공동(404)에 있는 후방벽(405)의 상부 코너(403)에서부터 유출 평면(416)까지의 최단 선형 거리로서 규정된다. 본문에서, “근접한”이라는 용어는, 거리(G2)가 바람직하게는 유체 통로 또는 공동을 포함하는 도관의 내측 수력 직경의 약 10배 미만임을 의미한다. 당업자라면, 수력 직경이 흐름 통로의 단면적을 흐름 통로의 둘레로 나눈 것의 4배로서 산출된다는 점을 이해할 것이다.

도 8 및 도 9는, 3개의 흐름 통로: 중앙 도관(노즐)(610), 중앙 도관(610)을 둘러싸는 제1(또는 내측) 환형 도관(620) 및 제1 환형 도관(620)을 둘러싸는 제2(또는 외측) 환형 도관(630)을 포함하는 버너(600)의 다른 예시적인 실시예를 보여준다. 중앙 도관(610)과 제1 환형 도관(620)은 이전에 설명한 기존의 실시예의 유사한 구조와 같다. 제2 환형 도관(630)은 외측 배리어(631)에 의해 경계가 정해지고, 제2 내벽(628)과 제2 외벽(632)을 갖는다. 고체 연료의 안정한 연소를 위해 유리하게 채용될 수 있는 본 실시예에서, 중앙 도관(610)은 산소와 가스상 연료 중 어느 하나를 배출하고, 제1 환형 도관(620)은 산소와 가스상 연료 중 다른 하나를 배출하며, 제2 환형 도관(630)은 이송 가스에 의해 고체 연료를 배출한다.

중앙 도관(610)은 바람직하게는 가스, 산소나 가스상 연료를 그 아웃테이크[유출 평면(616)]를 통해 고속으로 배출한다. 본문에서, “고속”은, 바람직하게는 적어도 50 m/sec 이상인 속도, 보다 바람직하게는 100 m/sec를 초과하는 속도, 가장 바람직하게는 마하 1을 초과하는 속도를 의미한다. 바람직하게는, 공동(604)이 위치하는 도관[본 실시예에서는 중앙 도관(610)]을 통해 흐르는 가스는 버너(600)의 모든 도관(610, 620, 630)들 중 최고 속도를 갖는다.

일실시예에서, 중앙 도관(610)은 산소를 배출하고, 제1 환형 도관(620)은 가스상 연료를 배출한다. 다른 실시예에서, 중앙 도관(610)은 가스상 연료를 배출하고, 제1 환형 도관(620)은 산소를 배출한다.

제2 환형 도관(630)은 이송 가스 내의 고체 연료로 이루어진 이송 가스 혼합물을 배출한다. 언급의 용이함을 위해, 이송 가스 혼합물은 이따금 단순히 고체 연료라고 일컫는데, 고체 연료가 유체로서 흐르는 경우, 고체 연료는 이송 가스에 의해 운반되는 소형 입자여야만 하는 것이 이해된다. 이송 가스는, 공기, 산소 농후 공기, 산소, 이산화탄소, 질소 또는 다른 가스나 이들 가스의 혼합물일 수 있고, 주로 분상 또는 특정 고체 연료를 버너(630)로 또는 버너를 통과하도록 이송하는 기능을 한다. 제2 환형 도관(630)의 아웃테이크에서의 이송 가스 혼합물의 속도(즉, 고체 연료 속도)는 바람직하게는 중앙 도관(610)에서 배출되는 가스의 속도보다 낮고, 일실시예에서는 바람직하게는 50 m/sec 미만이다. 도시한 실시예에서, 이송 가스 혼합물 아웃테이크는 중앙 도관(610)의 유출 평면(616)과 일치하지만, 이송 가스 아웃테이크는 다른 실시예에서는 중앙 도관 유출 평면(616)의 상류 또는 하류일 수 있다.

고체 연료가, 산소 또는 가스상 연료를 운반하지 않는 제2 환형 도관(630)과 같은 도관을 통해 운반되는 것이 바람직하다. 본 출원인은, 제1 환형 도관(620)으로부터 고체 연료를 배출하는 것이, 요구되는 순차적인 단계의 실행을 위해 필수적인 산소-가스상의 초기 공동 혼합 및 연료 스트림의 점화를 저지한다는 것을 확인하였다. 이와 유사하게, 중앙 도관(610)으로부터 고체 연료를 배출하는 것은 연소하는 산소-가스 혼합물 내로의 고체 연료의 충분한 혼입을 가능하게 하지 않으며, 이에 따라 허용 가능한 거리에 걸쳐 보다 낮은 고체 연료 연소도를 초래한다. 더욱이, 고체 연료 속도는 비교적 낮은 것으로 가정되기 때문에, 반응제로 형성된 제트는 비교적 약하며, 고로(shaft furnace)의 베드를 효율적으로 침투할 수 없다.

중앙 도관(610), 제1 환형 도관(620) 및 제2 환형 도관(630)을 빠져나가는 가스들의 상대 속도는 버너(600)의 성능을 향상시킨다. 성능에 있어서의 다른 개선은, 도 6a, 도 6b 및 도 7을 참고하여 전술한 바와 같은 버너(400, 500) 각각에 도시한 것과 유사한 구성을 갖는 공동 및 수렴 또는 수렴-발산 노즐을 포함하는 것에 의해 실현될 수 있다.

도 10은, 유출 평면(716)으로부터 상류에서 유출 평면에 근접한 환형 공동(704)과 공동(704)으로부터 상류에서 공동에 근접한 수렴 노즐(734)을 지닌 버너(700)의 예시적인 실시예를 도시한다.

작동 중에, 산소 및 가스상 연료는 버너(100)와 관련하여 설명한 바와 같이 중앙 도관(710)과 제1 환형 도관(720) 각각으로 유입된다. 산소 대 가스상 연료의 비는 바람직하게는 가스상 연료의 완전 연소를 위해 요구되는 비(화학양론적 비보다 큰 산소의 양을 포함하는 연료-희박상)를 초과한다. 산소-가스상 연료 혼합물은 주위의 열로 인해 또는 고압 점화기 또는 파일럿 화염과 같은 전용 점화원으로 인해 신속히 점화되어, 과량의 산소를 이용하여 짧고 비교적 높은 속도의 화염(746)을 형성한다. 도 11에 도시한 바와 같이, 중앙 도관(710)으로부터 배출되는 가스의 고속은 유출 평면(716)의 하류에 저압 구역[유출 평면(716)과 라인(717) 사이에 위치함]을 생성하며, 이 저압 구역에서 저속 고체 연료/이송 가스 스트림(742)이 산소-가스상 연료 화염(744)에 혼입된다. 이에 따라, 고체 연료는 신속 점화되고, 과량의 산소에 의해 화학적으로 활성화된 고온 화염으로 연소되며, 따라서 소망하는 결과를 달성한다.

다른 실시예의 경우와 마찬가지로, 공동(704)은 대안으로서 제1 내벽(718) 또는 제1 외벽(722) 상에 위치할 수 있다. 그러나, 실시예에서는 고체 연료가 공동(704) 내에 침적되거나 공동을 부식시킬 가능성으로 인해 공동(704)이 제2 내벽(728) 또는 외벽(732)에 위치하지 않는 것이 바람직하다.

버너(700)는 다양한 노 어플리케이션에서 사용될 수 있다. 버너(700)가 특히 적합한 한가지 특정 어플리케이션이 도 12에 도시되어 있는데, 도 12는 고로(850)(해당 업계에서는 용선로라고도 함)의 성능을 향상시키기 위해 사용되는 버너(800)를 보여준다. 고로(850)는 샤프트(852)를 포함하며, 이 샤프트를 통해 금속이 하스(hearth; 858)에 도입되며, 하스는 상부에서부터 저부까지 대직경부(854)에서부터 감소된 직경부(856)로 테이퍼진다.

금속 성형 주조 공장에서 사용되는 것과 같은 여러 고로는 금속의 발열량 및 화학물 감소 양자 모두를 위해 그 하스에서 탄소질 고체 연료를 활용한다. 이들 설비 중 일부는 또한, 하나 이상의 송풍구(860)를 사용하여 공기 챔버(862)를 통해 노에 진입하는 프로세스 공기 스트림 내로 고체 연료를 주입하려고 시도해 왔다. 이러한 시도는, 대부분 통상적으로 밀리세컨드 정도인 이용 가능한 짧은 에어본 체류 시간 동안에 공기 스트림 내에 주입된 연료의 신속 점화를 달성하는 데 있어서의 어려움으로 인해 성공도가 변하였다. 버너의 화염이 하스(858)를 향하도록 송풍구(860) 내에 버너(800)[버너(700)와 동일한 구성을 가짐]를 배치하는 것은 이러한 한계를 완화하며, 향상된 공중(in-flight) 고체 연료 점화 및 연소를 제공한다.

노즐 압력 손실 측정

도 6a 및 도 6b에 각각 도시된 버너(400, 500)에서, 1.0 및 1.5의 마하수에서 압력 손실 측정이 이루어졌다. 공동(404, 504)의 종횡비(L/D)는 0(공동이 없음)부터 10까지 변하였다. 안전상의 이유로, 압축 공기는 중앙 도관(410, 510) 및 제1 환형 도관(420, 520) 양자 모두에서 유체로서 사용되었다. 마하수 1.0 테스트의 경우에 예시적인 압력 손실 결과가 도 13에 요약되어 있으며, 도 13에서는 유량이 유량 1, 유량 2 및 유량 3으로 나타낸 3개의 상이한 레벨로 일정하게 유지되었다. 압력 손실 측정은 표준 압력 게이지를 사용하여 이루어졌다.

각각의 유량은 버너(400, 500) 내에서 1.0의 마하수를 달성하였지만, 부족 팽창(under-expansion)의 정도는 상이하였다. 즉, 각 경우에 버너(400, 500)의 유출 압력은 주위 압력보다 높았지만, 변하는 양에 의해 유출 평면(416, 516)에서의 속도는 마하 1로 변하지 않은 상태로 유지되었다. 각각의 유량에 있어서, 공동 압력 손실(도 13에서 Y축)은 상이한 길이의 공동들에 대하여 측정된 노즐 유입 압력에서 “무공동” 조건에 있어서의 노즐 유입 압력을 빼는 것에 의해 산출되었다. 도 13에 도시한 바와 같이, 특징적 압력 손실 거동은 테스트된 3개의 다른 유량에 대해 일정하다. 데이터는, 공동 종횡비가 증가할 때에 공동 압력 손실이 증가하고, 비교적 일정한 압력 손실의 수평 상태(plateau)가 후속하는 반복되는 동향을 따른다.

본 출원인은, 반복되는 사이클이 공동 유체 역학 모드 및 음향 방출 거동에서의 변화를 나타내는 것으로 믿는다. 당업계에서는 일반적으로 공동의 거동은, 낮은 L/D 값의 경우에 음향 방해(acoustic disturbance)가 원칙적으로, 비교적 낮은 에너지 소산율로 전단 계면과 공동의 저부벽 사이에서 이동하는 자유 유동 흐름 방향을 가로지르는 방향이 되도록 한다는 것이 이해된다. 그러나, L/D가 증가할 때에 음향 모드는 종방향 파동이 발달하는 것(즉, 공동의 전방벽과 후방벽 사이의 흐름 방향으로의 파동 동작)으로 변위하고 시작하고, 규칙적인 와류가 공동의 선단 에지로부터 형성되고, 압력파가 공동 후방벽으로부터 공동 전방벽으로 반사된다. 이러한 제2 단계는 보다 높은 음향 방출 및 보다 강력한 유체 동적 동작에 상응한다. 보다 강력한 흐름 유도 파동 동작으로 인해 보다 높은 압력 손실이 예상될 것이다. L/D에서의 한층 더한 증가는 궁극적으로 와류의 성장 및 충분한 전단층 진동과, 전단층이 공동의 저부에 충돌하는 편향을 초래한다. 이러한 후자의 모드는 공동 유도 압력 손실에서의 한층 더한 증가와 함께, 공동 자체(즉, 전단층 인터페이스와 자유 유동에서만이 아니라) 내에 고도의 난류성 흐름의 생성을 초래한다. 블러프 바디(bluff body) 뒤에서의 후류(後流) 흐름과의 그 유사성으로 인해, 이러한 최종 모드는 종종 “후류” 또는 “후류형” 모드로 일컬어진다. 따라서, 공동 거동의 3개의 광범위한 모드가 확인되고, 이들 3개의 모드가 몇몇 방식에서 도 13에 도시한 결과로부터 명백한 바와 같이 공동 종횡비가 증가함에 따라 압력 손실 증가 및 수평 상태의 3개의 반복되는 사이클과 관련이 있을 것이라는 점이 타당하다.

음향 방출 거동에 관한 본 출원인의 이해를 확인하기 위해, 공동을 통과하는 압축 공기의 저온(즉, 비반응) 흐름에 대해서 그리고 미리 정해진 조건에서의 산소-천연 가스 연소 테스트 동안에 조직적 테스트에서 음향 방출 스펙트럼들이 수집되었다. 도 6a 및 도 6b의 버너(400, 500)는 또한, 저온 흐름 테스팅 동안에 달성되는 마하수 1.0 및 1.5의 흐름 속도 각각에서의 이들 테스트를 위해 사용되었다. 연소 테스트 동안에, 산소는 중앙 도관(410, 510)에서 사용되었고, 천연 가스는 제1 환형 도관(420, 520)에서 사용되었다.

1.0의 마하수에 대한 예시적인 결과가 도 14 내지 도 20에 제시되며, 이들 도면에서는 데시벨(dB) 단위의 음향 출력 레벨(SPL)이 테스트되는 소정 종횡비(L/D) 범위에 대한 주파수에 대하여 플롯팅되어 있다. 도 14는 공동 종횡비(L/D)가 0인 경우(공동이 없음)에 SPL 대 주파수를 보여준다. 스펙트럼은 대략 17.4, 32.1 및 34.8 kHz에서 공진하는 3개의 별개의 협대역 음이 산재된 광대역 방출(“백색 잡음”)로 주로 조성된다. 공동이 부재하는 경우, 이들 별개의 음 방출의 가능한 소스는 이들 테스트 동안에 발생하는 노즐 유출 압력과 주위 압력 간의 미스매치로 인한 노즐 유출 평면의 하류에의 쇼크 셀(shock cell) 형성이다.

L/D = 0.5 및 1.0의 경우의 SPL 대 주파수가 도 15에 제시된다. 도 15는, 공동 방해에 기여하는, 다수의 추가의 저에너지(즉, 매우 협소한)의 별개의 음들의 존재를 보여준다. 스펙트럼의 대역폭부에 관하여, 도 14와의 비교는 명목상 35 kHz까지 대부분 동일한 것으로 나타난다. 그러나, 상기 주파수를 넘어서는, L/D = 1.0 데이터는 광대역 소음에서의 증가를 나타내며, 아마도 음파 생성 개시로 인해 미세 스케일 난류 소산(fine-scale turbulent dissipation)에서의 증가를 시사한다는 점이 주목된다.

L/D = 1.5, 2 및 2.5의 경우의 SPL 대 주파수 데이터가 도 16에 제시된다. 도 15에 비해, 도 16은 기본적인 광대역 방출의 진폭에서의 증가를 보여준다. 이뿐 아니라, L/D = 2의 경우, 상당한 강도(즉, 도 15의 예리하지만 매우 협소한 피크에 비해 그들의 증가된 폭으로부터 추론되는 것과 같은)의 여러 다른 별개의 음이 존재한다. 이러한 후자의 피쳐는 L/D가 2인 케이스에 대해서 활성화되었던 공진 조화 모드를 시사한다.

도 17에서, L/D = 3, 3.5 및 4인 경우의 SPL 대 주파수는 지속적으로 강력한 광대역 방출, 그러나 별개의 음들의 강도 및 수의 축소를 나타낸다. L/D가 5, 6 및 7인 경우를 포함하는 도 18에서는 12 kHz에서의 고립된 별개의 음 피크를 제외하고, 신호는 필수적으로 23 kHz 미만의 몇몇 기본적인 저진폭 진동을 갖는 광대역 소음이다. 마지막으로, L/D가 8, 9 및 10인 경우의 도 19에서는 17 kHz에서의 지속적인 별개의 음을 제외하고, 거동은 광대역 잡음에 의해 거의 완전히 조성되어, 미세 스케일 난류 소산의 우세를 나타낸다. 이와 관련하여, 도 20에 제공된 분해도에서 L/D가 0인 신호와 L/D가 10인 신호를 비교하는 것이 유익하다. 명목상 17 kHz 음이 양자의 경우에 존재하지만, 그 피크는 아마도 보다 높은 난류 소산율로 인해 L/D = 10인 경우에 감쇠된 것이 관찰되었다. 더욱이, 광대역 방출의 전체 진폭은 L/D = 10인 경우에, 특히 그래프의 보다 높은 주파수 범위 내에서 현저히 높으며, 이것은 이 경우와 연관된 증가된 소산 및 압력 소실로 인해 예상되는 것이다.

산소와 천연 가스를 이용한 연소 테스팅(산소는 내부 플리넘에 있는 공동을 통과하여 흐름) 동안에 이들 동일한 버너(400, 500)에 대하여 음향 스펙트럼 방출을 측정하였고, 특정 조건에서의 비반응 흐름 테스트 데이터와 비교되었다. 이들은 L/D가 2인 경우와 L/D가 5인 경우에 대해서 도 21 및 도 22에 각각 스렉트럼 플롯으로 요약되며, 이들 도면은 직면하는 연소 피동 음향 방출의 2개 유형을 나타낸다. 즉, 연소 방출(combustion emission)의 한가지 유형은 강력한 음 피크를 생성하는 공동/노즐 조합의 경우에 관찰되고, 다른 유형은 약한 음 피크를 생성하는 공동/노즐 조합의 경우에 관찰되었다. 도 21은 L/D가 2인 경우에, 연소 스펙트럼이 약 4 kHz에서 절정이고, 그 이후에 약 5.3, 10.8 및 21 .6 kHz에서의 명백한 브레이크 스루 음을 제외하고는 필수적으로 감소하는 것을 보여준다. 마지막 2개의 피크는 11 .2 및 22.6 kHz에서의 비반응 피크에 매우 근접한다. 비반응 흐름 데이터가 공기와 산소 간의 음향 차(즉, 분자량의 차이로 인함)의 속도에 대해 수집될 때, 이들 피크는 저온 케이스 그리고 반응 흐름 케이스의 경우와 거의 동일하게 형성된다.

보다 높은 주파수의 저온 흐름 개별 음 방출; 예컨대 명목상 31 및 34 kHz의 음 방출과 관련하여 연소 방출 피크가 없다는 점이 더욱 주목된다. 이것은, 연소 반응이 로우 패스 필터 타입으로 작동하여, 약 27 kHz 미만의 충분한 강도의 별개의 음들을 허용하지만 보다 높은 주파수의 음향 방출은 감쇠한다는 것을 시사한다. 도 22는 L/D가 5인 경우에 다른 유형의 방출을 예시한다. 이 그래프에서는, 연소 스펙트럼은 역시 약 4 kHz에서 절정이고, 약 27 kHz 미만에서는 방출을 감쇠시키키고, “브레이크 스루” 저온 흐름 음은 없지만, 11.9 kHz에서 명백한 저온 흐름 개별 음 방출이 존재한다. 그러나, 이러한 음은 연소 음향 특징에 영향을 주는 데 필수적인 강도가 결여되어 있다는 것이 명백하다.

화염 안정성 측정

당업계에는, 고속 확산 화염이 본질적으로 안정화시키기 어렵고, 주어진 연료/산화제 조합의 경우에 안정성은 유출 평면 바로 하류의 영역에서의 연료와 산화제의 혼합 패턴에 의해 강력히 영향을 받는다는 것이 알려져 있다. 여기에서 화염 안정성은 화염이 소화에 저항하는 능력에 의해 판단된다. . 도 6a 및 도 6b의 버너(400, 500)와 연소-음향 방출 테스트를 위한 유체(즉, 도 21 및 도 22에 그 데이터가 제시됨)를 사용하여 조직적인 화염 안정성 테스트가 실시되었다. 테스트는 초기에 점화용 화염으로 버너를 점화하고, 그 다음에 소화 시점에 도달할 때까지 산화제 흐름을 점증시키는 것에 의해 실시되었다. 결과가 도 23에 요약되며, 도 23은 수렴 팁과 수렴-발산 팁을 지닌 노즐을 사용하는 2개의 다른 테스트 세트에 있어서의 상대 산소 유량 대 공동 종횡비를 보여준다. 원거리장 음향 스펙트럼 방출을 측정하기 위해 민감한 마이크로폰과 신호 처리기가 사용되었다.

본 도면에는 여러 피쳐들이 두드러진다. 우선, “무공동” 조건과 피크 안정성 지점 간의 안정성 “한계”(즉, 블로 오프가 발생하는 산소 유량)에서의 극적인 증가가 있으며, 이것은 전단층의 공동 활성화 방해가 화염 안정성을 어느 정도 향상시킨다는 것을 시사한다. 다음으로, 모든 테스트 시리즈에 있어서의 화염 안정성에서의 피크는 2.0의 종횡비에서 발생하였다. 마지막으로, 종횡비가 보다 큰 공동에 있어서의 화염 안정성에서의 감소는 무공동과 피크 안정성 블로 오프 한계 간의 가파른 증가에 비해 오히려 서서히 발생한다.

기본적인 프로세스에 관한 본 출원인의 지견에 기초하여, 테스트 데이터로부터 다음이 추론되었다: i) 음향 방출은 사실상 공동 종횡비에 매우 의존하는 특징적인 모달 시프트(modal shift)를 겪고, 이러한 모달 시프트들은 자유 유동 유체와 공동 내에 포함되는 유체 간의 상호 작용에서의 기본적인 변화를 반영한다; ii) 고속 산소/가스 확산 화염의 안정성을 향상시키기 위해 이들 상호 작용을 실질적으로 제어하는 것이 가능하다; iii) 안정한 고속 산소/가스 확산 화염은 종래 기술의 디바이스가 기존에 경험했던 문제들 및 한계들 없이 고체 연료를 급속 가속, 점화 및 연소시키는 효율적인 수단을 제공한다.

데이터는, 횡방향 파동 모드에서 종방향 모드로의 천이의 개시가 향상된 연소 화염 안정성 개시의 특징이 되고, 이것은 1보다 큰 종횡비(L/D)의 경우에 발생한다는 것을 강력 시사한다. 종횡비가 한층 더 증가할 시, 파동 거동은 종방향 파동에 의해 조성되고, 궁극적으로 후류형 모드 - 전단층이 공동 바닥에 충돌하고, 공동 흐름은 고도의 난류성으로 됨 - 로 천이한다. 이들 후속하는 모달 시프트 모두(즉, 횡방향 파동 우세에서 종방향 파동 우세로의 초기의 모달 시프트 후)는 무공동, 즉 L/D = 0을 포함하여 L/D < 1의 경우에 비해 어느 정도 향상된 화염 안정성을 유지한다.

사실상, 종횡비 L/D > 10는 화염 안정성에서의 이러한 증대를 계속해서 증가할 것이라고 예상하는 이유가 있다. 그러나, L/D > 10의 경우, 음향 모드에서의 다른 조직적인 시프트는 예상되지 않을 것이다. 그러나, 증가하는 공동 길이로 인해 공동 압력 손실이 계속해서 증가할 것으로 예상될 것이다. 따라서, 본 발명의 버너를 위한 종횡비의 범위를 L/D = 10보다 훨씬 높게 연장하는 데에는 아무런 이점이 없을 것으로 보인다. 더욱이, 증대된 화염 안정성은 후류형 모드(L/D > 6)로의 모달 시프트 이전에 다소 낮은 공동 압력 손실과 함께 달성될 수 있기 때문에, 공동 종횡비의 바람직한 범위는 1 < L/D < 6이다. 마지막으로, 최적 화염 안정성은 공동 압력 손실이 훨씬 낮은, 횡방향 파동 우세와 종방향 파동 우세 간의 모달 시프트의 조기 단계에 발생하기 때문에, 매우 바람직한 종횡비 범위는 1 < L/D < 4이다.

이와 같이, 본 발명은 바람직한 실시예와 바람직한 실시예의 변형예 관점에서 개시되었다. 본 발명의 의도된 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고, 당업자에 의해 본 발명의 교시로부터 다양한 변화, 수정 및 변경이 고려될 수 있음은 물론이다. 본 발명은 단지 첨부된 청구범위에 의해서만 제한되는 것으로 의도된다.

Claims (24)

1. 버너로서,
   산소와 가스상 연료 중 어느 하나를 포함하는 환형 가스의 공급부와 유체 흐름 소통하고, 제1 내벽 및 제1 외벽을 갖는 제1 환형 도관;
   상기 제1 환형 도관 내에 위치하고, 산소와 가스상 연료 중 다른 하나를 포함하는 중앙 가스의 공급부와 유체 흐름 소통하며, 중앙 외벽 및 유출 평면을 갖는 중앙 도관; 및
   중앙 외벽, 제1 내벽 및 제1 외벽 중 적어도 하나에 형성되는 공동(cavity)으로서, 이 공동은 중앙 도관의 유출 평면에 근접하게 그리고 유출 평면의 상류에 0이 아닌 거리로 위치 설정되며, 길이, 깊이 및 길이를 깊이로 나눈 것으로 규정되는 종횡비를 갖고, 상기 깊이는, 공동이 형성되는 벽에 의해 경계가 정해지는 도관의 수력 직경(hydraulic diameter)의 적어도 10 %이고, 상기 종횡비는 1 내지 10인 것인 공동
   을 포함하고,
   상기 공동은 상류측 벽, 저부벽 및 하류측 벽을 갖고, 상기 공동이 상-하류 방향으로 대칭되도록 상기 상류측 벽과 상기 하류측 벽은 각각 동일한 상대 각도로 상기 저부벽에 이웃하며, 상기 길이는 상류측 벽과 하류측 벽 사이의 거리이고, 상기 깊이는 상류측 벽과 하류측 벽 중 어느 하나의 높이인 것인 버너.
2. 제1항에 있어서, 상기 중앙 가스는 산소로 이루어지고, 상기 환형 가스는 가스상 연료로 이루어지는 것인 버너.
3. 제1항에 있어서, 상기 중앙 가스는 가스상 연료로 이루어지고, 상기 환형 가스는 산소로 이루어지는 것인 버너.
4. 제1항에 있어서, 상기 공동은 1 내지 4의 종횡비를 갖는 것인 버너.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서, 상기 공동은 중앙 외벽에 형성되는 것인 버너.
7. 제1항에 있어서, 상기 공동은 공동 포함 벽의 360도 둘레에 걸쳐 연속하여 연장되는 것인 버너.
8. 제1항에 있어서, 상기 공동은 공동 포함 벽의 360도 둘레를 따라 이격된 복수 개의 공동을 포함하는 것인 버너.
9. 제1항에 있어서, 상기 공동으로부터 상류에 그리고 공동에 근접하게 위치하는 수렴 노즐을 더 포함하는 버너.
10. 제1항에 있어서, 상기 공동으로부터 상류에 그리고 공동에 근접하게 위치하는 수렴-발산 노즐을 더 포함하는 버너.
11. 제1항에 있어서, 상기 공동의 상류측 벽 및 상기 공동의 하류측 벽 각각은 중앙 도관 및 제1 환형 도관에서의 흐름 방향에 수직한 것인 버너.
12. 제1항에 있어서, 고체 연료와 이송 가스의 혼합물을 배출하도록 구성되고, 제1 환형 도관을 둘러싸는 제2 환형 도관을 더 포함하는 버너.
13. 방법으로서,
    (a) 산소와 가스상 연료 중 어느 하나를 중앙 도관을 통해 흐르게 하는 단계;
    (b) 산소와 가스상 연료 중 다른 하나를 중앙 도관을 둘러싸는 제1 환형 도관을 통해 흐르게 하는 단계; 및
    (c) 산소와 가스상 연료 중 어느 하나를, 중앙 도관과 제1 환형 도관 중 하나 이상에 위치 설정된 공동을 가로질러 흐르게 하는 단계로서, 상기 공동은 중앙 도관의 유출 평면에 근접하고 유출 평면의 상류에 0이 아닌 거리에 있으며, 길이, 깊이 및 길이를 깊이로 나눈 것으로 규정되는 종횡비를 갖고, 상기 깊이는, 공동이 위치 설정되는 도관의 수력 직경의 적어도 10 %이고, 상기 종횡비는 1 내지 10인 것인 단계
    를 포함하고,
    상기 공동은 상류측 벽, 저부벽 및 하류측 벽을 갖고, 상기 공동이 상-하류 방향으로 대칭되도록 상기 상류측 벽과 상기 하류측 벽은 각각 동일한 상대 각도로 상기 저부벽에 이웃하며, 상기 길이는 상류측 벽과 하류측 벽 사이의 거리이고, 상기 깊이는 상류측 벽과 하류측 벽 중 어느 하나의 높이인 것인 방법.
14. 제13항에 있어서, 상기 종횡비는 1 내지 4인 것인 방법.
15. 제13항에 있어서, 상기 공동은 중앙 도관의 외벽에 위치하는 것인 방법.
16. 제13항에 있어서, 상기 공동은 공동 포함 벽의 360도 둘레에 걸쳐 연속하여 연장되는 것인 방법.
17. 제13항에 있어서, 상기 공동은 360도 둘레를 따라 이격된 복수 개의 공동을 포함하는 것인 방법.
18. 제13항에 있어서,
    (d) 산소와 가스상 연료 중 어느 하나를 공동으로부터 상류에 그리고 공동에 근접하게 위치하는 수렴 노즐을 통해 흐르게 하는 단계를 더 포함하는 방법.
19. 제13항에 있어서,
    (d) 산소와 가스상 연료 중 어느 하나를 공동으로부터 상류에 그리고 공동에 근접하게 위치하는 수렴-발산 노즐을 통해 흐르게 하는 단계를 더 포함하는 방법.
20. 제13항에 있어서,
    (e) 산소 대 가스상 연료의 분자비가 가스상 연료의 완전 연소에 대해 요구되는 화학양론적 분자비를 초과하게 하는 방식으로 단계 (a) 및 (b)를 수행하는 단계를 더 포함하는 방법.
21. 제13항에 있어서,
    (f) 고체 연료와 이송 가스의 혼합물을 제1 환형 도관을 둘러싸는 제2 환형 도관을 통해 흐르게 하는 단계를 더 포함하는 방법.
22. 제21항에 있어서, 산소와 가스상 연료 중 어느 하나는 적어도 50 m/sec의 중앙 가스 속도로 중앙 도관을 통해 흐르고, 고체 연료와 이송 가스의 혼합물은 중앙 가스 속도 미만의 고체 연료 속도로 제2 환형 도관을 통해 흐르는 것인 방법.
23. 제22항에 있어서, 상기 중앙 가스 속도는 적어도 마하 1인 것인 방법.
24. 버너로서,
    산소와 가스상 연료 중 어느 하나를 포함하는 중앙 가스를 배출하도록 구성되고, 중앙 외벽에 의해 경계가 정해지는 중앙 도관;
    산소와 가스상 연료 중 다른 하나를 포함하는 환형 가스를 배출하도록 구성되고, 중앙 도관을 둘러싸며, 환형 내벽과 환형 외벽에 의해 경계가 정해지는 환형 도관; 및
    중앙 외벽, 환형 내벽 및 환형 외벽으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 공동 포함 벽에 형성되는 공동으로서, 이 공동은 중앙 도관의 유출 평면에 근접하게 그리고 유출 평면의 상류에 0이 아닌 거리로 위치 설정되며, 길이, 깊이 및 길이를 깊이로 나눈 것으로 규정되는 종횡비를 갖고, 상기 깊이는, 공동이 형성되는 벽에 의해 경계가 정해지는 도관의 수력 직경의 적어도 10 %이고, 상기 종횡비는 1 내지 10인 것인 공동
    을 포함하고,
    상기 공동은 상류측 벽, 저부벽 및 하류측 벽을 갖고, 상기 공동이 상-하류 방향으로 대칭되도록 상기 상류측 벽과 상기 하류측 벽은 각각 동일한 상대 각도로 상기 저부벽에 이웃하며, 상기 길이는 상류측 벽과 하류측 벽 사이의 거리이고, 상기 깊이는 상류측 벽과 하류측 벽 중 어느 하나의 높이인 것인 버너.

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