KR20060089233A

KR20060089233A - 연소 방법 및 연소 장치

Info

Publication number: KR20060089233A
Application number: KR1020067006499A
Authority: KR
Inventors: 아나톨리 엠 라크마일로프; 아나톨리 에이 라크마일로프
Original assignee: 에이엘엠 블루플레임 엘엘씨
Priority date: 2003-10-03
Filing date: 2004-08-27
Publication date: 2006-08-08
Also published as: JP4799413B2; JP2007507686A; RU2006114435A; IL174461A; EP1676078A4; AU2004284398B2; US20050084812A1; AU2004284398A1; CA2540561C; IL174461A0; BRPI0415476A; EP1676078A2; WO2005040677A2; CA2540561A1; WO2005040677A3; BRPI0415476B1; US7086854B2; EP1676078B1

Abstract

본 발명은, 전체적으로 구부러진 재순환 챔버 및 이 챔버 내에서 와류 유동의 경계층 주변을 따라 교란받지 않은 유동을 가지는 재순환 유동 연소기 및 이러한 연소기를 작동시키는 방법에 관한 것이다. 이러한 연소기는, 그 연소기내에 그 와류 유동과 주 유동 사이에 난류도가 낮은 경계(border) 인터페이스 영역을 또한 가지며, 여기서는 연소 프로세스에 매우 바람직한 화학 반응이 일어나서 그 연소기 내에서의 열 노즐 효과를 향상시키게 된다. 이러한 종류의 연소기는, 가스 터빈 엔진, 제트 엔진 및 로켓 엔진 그리고 보일러, 열교환 플랜트, 화학 반응기 등의 열 플랜트에서 사용하기 위한 희박 연료/공기 혼합물 및 초희박 연료/공기 혼합물을 연소시키는데 사용할 수 있다. 본 발명에 따른 장치 및 방법은, 필요한 경우에는, 연소보다는 연료 개질이 지배적인 조건하에서도 작동 가능하다.

Description

연소 방법 및 연소 장치{COMBUSTION METHOD AND APPARATUS FOR CARRYING OUT SAME}

본 출원은 2003년 10월 3일 출원된 미국 특허출원 제60/508,405호, 2004년 6월 6일 출원된 미국 특허출원 제 60/585,958의 우선권의 이익을 주장하고 있다.

본 발명은, 다양한 적용을 위해 고온 가스를 생성할 목적으로 연료/공기 혼합물을 연소시키는 연소 장치 및 연소 방법에 관한 것이다. 본 발명은, 보다 구체적으로는, 재순환 유동을 가지는 연소기를 사용하는 연소 장치 및 연소 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 연료/공기 혼합물을 점화시켜 연소시키는 장치 및 방법에 관한 것이기도 하다. 이러한 형태의 연소기는, 가스 터빈 엔진, 제트 및 로켓 엔진, 그리고 보일러, 열 교환 플랜트, 화학 반응기 등과 같은 열 플랜트에 사용되는 희박 연료/공기 혼합물 및 초희박 연료/공기 혼합물을 연소시키는데 사용할 수 있다. 본 발명의 장치 및 방법은, 필요한 경우, 연소보다 연료 개질이 지배적인 조건하에서도 사용될 수 있다.

(다음의 설명 또는 배경기술은 이하 상세한 설명에 제공된 특정 용어의 정의를 염두에 두고 읽어야만 한다.)

통상의 연소 장치에서는, (미리 혼합되어 있거나 그렇지 않을 수도 있는)연 소 공기/연료가 유입구를 통해 연소 프로세스가 일어나는 연소 공간으로 도입된다. 연소하는 가스는 주 연소 유동과 다시 합쳐지기 전에 연소 장치 내에서 재순환하는, 재순환 유동이 있을 수 있다. 고속, 고온, 큰 질량의 재순환 유동을 도입시키면 주 연소 유동 내에 열 에너지와 운동 에너지가 주입되어 희박 및 초희박 연료/공기 혼합물의 안정적 연소를 가능하게 하고, 무엇보다도 유해 배출물을 줄여주게 된다.

많은 연소 방법 및 장치에 있어 재순환 유동이 존재하지만, 현존하는 연소 기에서의 재순환 유동은 체계화된 운동을 위한 특수 공간에만 제한되지 않은 채로 연소 공간 내에서 일어나고 있다. 따라서, 현재의 연소 장치는 재순환 유동의 속도를 최대화하지 못하고, 따라서, 희박 및 초희박 연료/공기 혼합물의 효율적이고 안정적인 연소에 있어서 바람직한, 주 연소 유동 내로 취입되는 열 에너지량과 운동 에너지량을 최대화하지 못하고 있다.

예컨대, 호왈드(Howald)에게 부여된 미국특허출원 제 4,586,328호는 통상 원환형(toroidal) 연소 장치를 개시하는데, 이 연소 장치에서는 연소 혼합물이 통상 원환형 가스 유동 경로를 따라 연소하게 된다. 그러나, 연소 챔버 내의 유입구 영역으로 다시 공급되는 재순환 유동(연소 가스)은 충분히 높은 속도를 가질 수 없고 따라서 극히 낮은 에너지만이 새로운 혼합기에 공급되게 된다. 원환형 유동 경로의 외측 배출구는 터빈으로 통해 있다. 또한, 호왈드의 발명에 있어서, 상기 공기 유동과 재순환된 연소 가스의 유동 사이에는 냉각 유동이 도입된다. 결과적으로, 상기 공기 유동 내로 또는 상기 연료/공기 혼합물 유동 내로 연소 가 스를 취입시키기 위한 조건에 장해가 되어, 상기 재순환 유동에 의해 공급되는 에너지량이 줄어들게 된다. 이에 대한 해결 방안은 상기 혼합기를 더욱 농후하게 하는 것인데, 이와 같이 하면 연소 온도가 높아지고, 불완전 연소 및 유해 배출물이 증가하기 때문에 바람직하지 못하다.

키드(Kydd)에게 부여된 미국특허 제 3,309,866 호는 재순환이 일어나고, 불꽃이 발생하지 않는(flameless) 가스 연소를 위한 프로세스 및 장치를 개시하고 있다.(즉, 연소 장치내의 고온이며, 실질적으로 완전히 연소된 가스가 그 연소 장치내로 들어오는 연료/공기 혼합물과 결합한다.) 호왈드의 발명의 경우와 유사하게, 키드가 개시하고 있는 상기 연소 장치는 재순환 유동의 속도를 최대화하지 못해서, 주 연소 유동에 공급되는 에너지량이 낮게 되는 결과를 가져온다. 호왈드 발명의 경우에서와 같이, 원환형 순환 영역의 주변을 따른 유동이 터빈에 공급된다. 또한, 키드가 개시한 연소 장치는 구멍이 나있는 환형의 판 형태의 배플을 포함하여, 연소 가스는 새 연료/공기 혼합물로 흘러들지 않아서 상기 연소 가스를 연료 혼합물로 불어넣는 조건을 불량하게 한다. 여기에서의 주된 단점은, 공급된 연료/공기 혼합물과, 스월 운동을 하는 거의 완전히 연소된 가스의 완전한 혼합에 있다.

로크모어(Roquemore) 외에게 부여된 미국 특허 제 3,587.339호는, 주 유동 유입구에 대해 고온 가스 재순환을 갖는 트랩드 와류 연소기로서, 고온 가스가 주 유동을 만나기 전에 재순환된 고온 가스에 연료 및/또는 공기를 공급하기 위한 연료 및 공기 유입구를 갖는 트랩드 와류 연소기를 개시하고 있다. 다른 공지된 연소기들과 마찬가지로, 새 연료/공기 혼합물과 만나는 재순환된 고온 가스의 온도가 급격히 하강하는데, 그 이유는 무엇보다도, 새 연료/공기 혼합물에서 일어나는 활발한 연료 개질 프로세스에 있다. 이 경우에, 상기 재순환된 고온 가스에 공기 및/또는 연료를 추가하는 것은 역효과를 가져오는데, 그 이유는 재순환된 고온 가스의 온도가 주 유동을 만나기 전에 이미 하강하여 있기 때문이다. 연소 공간의 형상은 재순환된 고온 가스가 가능한 한 동류의 유동으로 주 유동과 만나도록 한다. 이것은 본 발명의 주 목적이 재순환된 유동이, 유입되는 주 유동을 만나게 될 때, 가능한 최소의 수두 손실을 구현하는 것임을 의미한다. 상기 두 유동이 혼합되는 형상은 매우 바람직하지 못한데, 그 이유는 상기 두 유동이 충돌할 때의 조건이 "온화(mild)" 하여 상기 두 유동 사이의 에너지 전달이 매우 불량하고, 주 유동 유입구에서의 불균일성이나 온도가 100% 에 달하여, 유입되는 주 유동의 내층이 전혀 가열되지 않기 때문이다. 이로 인해 불꽃 꺼짐(flame out)과 함께, 유입되는 주 유동의 불량한 가열이 초래된다. 이러한 종류(도 19 참조)의 연소기에 대한 전형적인 온도 분포(profile)는, 트랩드 와류 연소기에서, 연소 공간 내로 유입되는 주 유동의 유입구에서의 온도는, 그 연소기에 공급되는 주 유동의 온도와 실제적으로 동일하게 유지됨을 보여준다. 이에 따라서, 연소 온도의 연소기의 축방향을 따르고, 또한 반경방향으로의 높은 불균일성이 초래되고, 이것은 연료/공기 혼합물이 희박해지면 플레임 안정성이 더 낮아지고, 또한 CO 및 NO_x 방출이 증가하게 됨을 의미한다. 재순환 유동의 경로 상에 공기 및 연료 유입 구를 추가하여 사용하는 것은 매우 바람직하지 못한데, 그 이유는 이들 추가의 유입구는 재순환 유동 내에서 속도 분포(profile)의 불균일성을 형성하고, 이것은 재순환된 고온 가스와 유입되는 주 유동 사이에 에너지 전달의 불균일성이 증가됨을 의미한다.

버러스(Burrus) 외에게 부여된 미국특허 제 6,295,801호에서, 연소기는 파일럿 플레임을 지속시키기 위해 트랩드 와류 작동 원리를 사용하고 있다. 이러한 설계는 전술한 바와 같은 단점을 가지고 있다. 이 트랩드 와류 설계의 주된 이점은, 파일럿 플레임의 안정성이라고 할 수 있다. 종래 기술에서는, 추가의 장치를 사용하지 않고서는 주 플레임 안정성을 구현할 수 없었기 때문에 이와 같이 한 것이다. 와류 속도는 유입 유동 속도와 같을 수 없다. 약 0.75 의 속도 계수를 갖는 포트를 통해 공기가 와류 구역으로 공급된다. 주 공기 유동은, 약 0.9 의 속도 계수를 갖는 프로파일드 통로를 통해 연소기로 유입된다. 주 공기 유동 속도는 90 m/s 가 되고, 와류 속도는 75m/s가 되고, 그 이상적인 등엔트로피(isentropic) 속도는 100 m/s 이다. 와류에 공급되는 유동의 속도는 그 와류에 공기를 공급하기 전에 얻을 수 있는 압력차에 따라 증가될 수 있으며, 즉 압력차를 증가시킬 수 있다. 그러나 와류에 유입되는 유체의 온도는 와류 내의 가스 온도 미만이어서는 안되며, 즉, 연소 생성물이 와류에 추가되어야 한다. 주 유동은 갑작스럽게 팽창하게 되고, 따라서 속도가 감소하게 된다. 일반적으로, 와류 유동의 난류 특성은 속도의 저하를 가져온다. 이러한 모든 팩터들은 유입되는 주 유동에 대한 에너지의 공급을 허용하지 않는다.

종래 기술의 연소기에서 트랩드 와류의 사용은 주로 유입되는 주 유동의 표면층을 가열하는 것으로 특징 지워지며, 이는 그 자체로서 나쁘지 않고 희박 혼합물 플레임의 유지시킴에 있어서 어떤 향상을 가져올 수 있다. 한편, 단순한 겉으로만의(superficial) 가열은, 플레임 안정성 및 배출물 감소에 어떠한 대폭적인 개선을 가져올 수가 없다.

이들 종래 기술에 따른 재순환 유동 연소기에서, 고온 가스의 재순환 유동은 2차 공기의 유동과 희석(냉각)되고난 후, 이 냉각된 재순환된 가스는 가열되어야 하는 1차 유입 공기로 도입된다(도 20 참조). 1차(주) 공기 유동과 만나기 전에, 2차 공기 유동으로 희석된 상기 고온의 재순환된 가스에 연료가 추가된다. 상기 고온의 재순환된 가스에 연료를 넣는 것은, 연소에 있어서 매우 불균일한 상태를 초래하는데, 매우 소량의 연료가 매우 다량의 재순환된 가스 및 2차 공기와 완전하게 혼합될 수 없기 때문이다. 연료 개질이 매우 활발할 것이고 뒤이은 냉각과 함께 불균일해 질 것이다. 그리고나서, 이 연료를 점화시키고, 가스의 온도가 상승하지만, 이러한 온도의 상승은, 연료 개질로 인한 온도의 감소를 보상하는데 부분적으로 사용될 것이다. 그리고나서, 이 유동은, 1차(주) 공기 유동(혼합물이 이미 연소되었기 때문에 실제로는 2차 유동) 과 만나고 다시 냉각된다. 재순환된 고온 가스가 이미 두 번 냉각(최초에는, 2차 공기 유동과 그리고, 두 번째로는 연료를 공급 받음으로써)되었고, 또한, 연소하는 연료에 의해 가열되는 재순환 유동이 개질 온도 손실을 보상하는데 부분적으로 소모되었기 때문에, 주 유동은 유입구에서 가열될 수 없다. 유입구에서 주 유동을 그 전체 단면적에 걸쳐 서 균일하게 가열하기는 불가능한데, 그 이유는 그 결과가 전체 용적에 걸쳐서 균일한 혼합을 보장하지 못하는 두 유동의 난류 혼합에 전적으로 의존하기 때문이다. 상기 두 유동이 실질적으로 동류식으로(co-currently) 움직이기 때문에, 이러한 난류(기계적 혼합)에 대한 의존이 더욱더 문제가 된다.

모든 전술한 연소기에서의 재순환 유동의 온도는 TIT(터빈 유입구 온도) 보다 더 높을 수 없다 (도 21 참조).

NO_x 및 CO 배출 타협(trade-off)을 바탕으로 한 재순환 유동에서의 바람직한 온도는 1100~1200℃ 이다. 공기 및/또는 연료를 재순환된 고온의 가스에 가하면 재순환 가스 온도의 하강을 초래한다. 이에 따라서 두 가지의 주된 결과가 나타나게 된다. 첫 번째로, CO 배출이 증가한다. 두 번째로는, 유입되는 유동 온도를 증가시키기 위해서 더 많은 연소 생성물을, 유입되는 유동에 더해야만 하고, 이렇게 되면, 연료 개질의 증가가 일어나서 온도가 낮아지게 된다. 그러므로 종래 기술에 따른 연소기에서 트랩드 와류 및 재순환된 유동을 사용하는 것은, 플레임 안정성 및 배출 성능에 있어서 소정의 향상을 가져올 수는 있지만, 어떤 대폭적인 개선은 가져올 수가 없다.

앤더슨(Anderson)에게 부여된 미국특허 제 5,266,024 호는 산화제(oxidant)의 유동 운동 에너지를 증가시키기 위해 그 유동에 블로우(blow) 토치에 의해 열 을 공급하는 열 노즐(thermal nozzle)을 사용하는 것을 개시한다.

랭크(Ranque)에게 부여된 미국특허 제 1,952,281 호는 상기 현상과, 상기 현 상을 형성하기 위한 장치를 개시하고 있으며, 이에 따르면, 압축 유체의 하나의 접선방향(tangential) 유입 유동을 갖는 와류 튜브(tube)에서 그 와류 튜브내 유체의 회전하는 층들 사이에 열이 전달되어 그 회전하는 유체를, 별도 분리된 출력으로 취할 수 있는 고온의 외측 유동과 저온의 내측 유동으로 분리시키고 있다.

본 발명은, 전체적으로 구부러진 재순환 챔버 및 이 챔버 내에서 와류 유동의 경계층 주변을 따라 교란받지 않은 유동을 가지는 재순환 유동 연소기에 관한 것이다. 이러한 연소기는, 그 연소기내에 그 와류 유동과 주 유동 사이에 난류도가 낮은 경계(border) 인터페이스 영역을 또한 가지며, 여기서는 연소 프로세스에 매우 바람직한 화학 반응이 일어나서 그 연소기 내에서의 열 노즐 효과를 향상시키게 된다. 이러한 종류의 연소기는, 가스 터빈 엔진, 제트 엔진 및 로켓 엔진 그리고 보일러, 열교환 플랜트, 화학 반응기 등의 열 플랜트에서 사용하기 위한 희박 연료/공기 혼합물 및 초희박 연료/공기 혼합물을 연소시키는데 사용할 수 있다. 본 발명에 따른 장치 및 방법은, 필요한 경우에는, 연소보다는 연료 개질이 지배적인 조건하에서도 작동 가능하다.

더 구체적으로, 본 발명은, 반응기를 포함하는 연소기를 제공하며, 이 반응기는, 상기 반응기에 유체의 주 유동이 들어가는 입구, 상기 반응기로부터 가열된 유체를 배출하는 출구를 구비하며, 상기 반응기는 상기 입구와 출구 사이에 위치되며, 주 유동의 대부분이 주 유동 경로를 따라 통과하는 주 유동 영역, 및 상기 주 유동의 적은 부분이 통과하는 재순환 영역을 구비하며, 상기 재순환 영역은 실질적으로 연속적인 방식으로 일방향으로 구부러진 내부면을 가지며 상기 출구에 가까운 분리점으로부터 상기 입구에 가까운 복귀점까지 형성된 벽에 의해 부분적으로 형성되며, 상기 내부면은 상기 주 유동 경로의 유체의 일부를 상기 분리점에서 전환시켜 상기 반응기의 작동중 상기 재순환 영역에서 재순환 와류를 형성하도록 상기 주 유동 경로에 대해 형성 및 위치되며, 상기 내부면에는 불연속적 부분이 없어서 상기 재순환 와류 유동의 주변을 따라 경계층이 실질적으로 교란되지 않고 운동하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 반응기 내에서 상기 재순환 와류 유동과 선형의 주 유체 유동 사이에 있는 상기 보더(border) 또는 "인터페이스" 층 내에서 일어나는 화학 반응으로부터 열 노즐 효과가 발생한다.

또한, 본 발명은, 상기 주 유동 영역을 따른 경로에서 상기 주 유동의 대부분을 통과시키는 단계, 상기 재순환 영역을 통과하는 경로에서 상기 주 유동의 적은 부분을 통과시켜, 상기 재순환 영역에 있는 유체의 일부를 상기 입구에 가까운 영역으로 복귀시키는 재순환 와류를 형성하는 단계, 실질적인 난류 없이 상기 재순환 영역의 내부벽면을 따라 재순환 유체의 경계층을 흐르게 하는 단계, 상기 재순환 와류 유동의 주변부분이 상기 입구에 가까운 영역에서 상기 주 유동과 교차시키는 단계로서, 상기 주변 유동은 상기 주 유동보다 높은 속도를 가지며, 교차점을 지나서 상기 주변 유동은 상기 주 유동과 대략 같은 방향으로 움직이는 상기 단계, 실질적인 기계적 혼합이 아니라 확산에 의해 상기 주변 유동과 상기 주 유동을 혼합하는 단계 및, 상기 주 유동과 주변 유동 사이에 인터페이스 층을 형성하여, 상기 주변 유동의 유체로부터 열에너지가 상기 인터페이스 층을 통해 상기 주 유동 영역 내의 유체로 전달되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연소기에서 연료를 반응시키는 방법을 제공한다.

첨부 도면과 다음의 설명을 검토한다면 본 발명의 실시형태를 더욱 분명히 이해할 수 있을 것이다.

도 1 은, 본 발명에 따른 연소기에서, 연료/공기 혼합물과, 재순환 와류 유동 사이의 인터페이스를 보여주는 개략도이다.

도 1A 는, 재순환 와류 유동과, 유입되는 연료/공기 혼합물 유동 사이의 인터페이스 층의 일부를 보여주는 개략도이며, 여기서 X 는, 재순환 와류 유동의 바깥층에서의 "고온" CO 분자를 나타낸다.

도 2 는, 본 발명에 따른 연소기에서, 재순환 와류 유동과, 연료/공기 혼합물 유동 사이의 접촉 시간에 대한 CH₄, T 및 CO 를 나타내는 그래프이다.

도 3 은, 연소 온도에 대한 NO_x 방출 레벨을 보여주는 그래프이다.

도 4 는, V₂/V₁ 에 대한 연료/공기 혼합물 유동에서의 온도를 나타낸다.

도 5 는, 연소 시간에 대한 CO 및 CH(%) 의 농도를 나타낸다.

도 6 은, 버너에 적용된 본 발명에 따른 연소기의 단면도이다.

도 7 은, 도 6 의 화살표 Ⅶ 를 따라 취한 부분 단면도이다.

도 8 은, 본 발명에 따른 환형 연소기의 개략적인 부분 단면도이다.

도 9 는, 도 8 의 선을 따라 설계된 환형 연소기의 다른 실시형태를 보여주는 종방향 단면도이다.

도 10 은, 도 8 에 나타낸 연소기의 일 실시형태이다.

도 11 은, 본 발명에 따른 캔 연소기의 개략적인 종방향 단면도이다.

도 12 는, 유입구 개구의 일 실시형태를 보여주는 것으로, 본 발명에 따른 연소기의 유입측에서 바라본 끝부분을 보여준다.

도 13 은, 도 12 에 나타낸 것과 유사한 유입구 개구의 다른 실시형태를 보여준다.

도 14 는, 가스 터빈 엔진의 종방향 단면도이다.

도 15 는, 본 발명에 따른 환형 연소기를 포함하는 가스 터빈 엔진의 다른 실시형태의 종방향 단면도이다.

도 16 은, 도 16 의 화살표 ⅩⅥ 를 따라 취한 도면이다.

도 17 은, 도 15 에 나타낸 연소기의 부분 확대도이다.

도 18 은, 서로 다른, 유입 유동 속도 V₁ 에 대한 재순환 와류 유동 속도 V₂ 의 비에 대한 접촉시간과, 일산화탄소(CO) 레벨을 나타낸다.

도 19 는, 트랩드 와류 연소기에 대한 통상의 온도 분포를 보여준다.

도 20 은, 종래 기술에 의한 재순환 유동 연소기에 있어서의 온도 분포를 나타낸다.

도 21 은, 종래 기술에 의한 재순환 유동 연소기에 있어서의 예상 온도 분포 를 나타낸다.

도 22 는, 연소기 라이너에 있어서의 온도 측정 지점을 나타낸다.

본 발명에 따른 연소기의 실시형태를 보여주는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하겠으며, 이러한 실시형태는 본 발명을 제한하는 것이 아님을 알려둔다.

선결 사항으로서, 본 명세서 및 청구의 범위에 대한 이해를 도우려는 목적으로 몇 가지의 정의를 제공하겠다.

플레임(Flame) : 연쇄 산화반응이 개시되는 좁은 영역

연소(Combustion) : 연료 산화의 연쇄 반응

점화(Inflammation) (또는 "불이 붙여지다"에서와 같은 불붙임의 의미) : 연쇄 산화 반응의 시작 단계

플레임레스 연소(Flameless combustion) : 주 유동의 용적 전체에 걸쳐 균일하게 산화 반응이 일어나는 현상

반응기(Reactor) : 화학 반응을 구현하기 위한 장치

이후 설명하는 바와 같이, 본 발명에 따른 장치는, 연소보다는 연료 개질이 우세한 조건하에서 작동될 수 있지만, 여기서 설명되는 장치를 언급함에 있어 본 명세서는 "연소기(combustor)" 라는 용어를 통상 사용하겠다. "연소 챔버" 또는 "연소 공간" 에 대한 보다 일반적인 대체 용어로서, 본 명세서는 "반응기" 라는 용어를 때때로 사용하고 있는데, 그 이유는 어떤 조건하에서는, 의도적으로, 연료 개질이 그 안에서 일어나는 지배적인 프로세스가 되기 때문이다.

또한, 연소 및/또는 개질은 복잡한 동역학적 운동을 수반하는 복잡한 화학적 프로세스로서, 어떤 주어진 반응기 내에서는 수천 가지의 서로 다른 화학 반응이 매 순간 일어난다.

통상, 반응기 내의 반응은, 이산화탄소 및 물로의 연료의 직접 산화에 더하여, 다음과 같은 반응을 포함하는 수많은 중간 반응 및 교환(alternate) 반응을 포함하고 있다.

a) 예를 들어, CH₄ → C + 2H₂ 와 같은 연료의 열분해

b) 예를 들어, 2CH₄ + O₂ → 2CO + 4H₂ 와 같은 연료의 부분 산화

(다른 연료들과 반응하는 서로 다른 반응에 대응하는 가장 기초적인 예로써 메탄을 든다.) 이들 반응은, 특히 종래 기술에 따른 연소기에서의 온도보다 낮은 온도를 갖는 연소기에서 촉매를 사용치 않고 일어난다. 또한, 본 출원인들은 다음과 같음을 알려준다(예를 들음). :

c) 연료 개질, C + CO₂ → CO + CO (산화-환원)

d) 연료 연소, C + O2 → CO₂ (산화)

e) 연료 개질, H2 + CO2 → H2O + CO (산화-환원)

f) 연료 연소, 2CO + O₂ → 2CO₂ (산화)

g) 연료 연소, H₂ + O₂ → H₂O (산화)

h) 연료 개질, C + H₂O → H₂ + CO (산화-환원)

연료 개질 및 연료 연소의 양자는, 여기서 산화-환원 및 산화 반응의 화학 반응의 한 형태로서 종종 특징 지워진다는 것을 알아야한다. 그 이유는, 각각의 경우 모두에 있어서, "고온" 반응 생성물 (H₂O 및 CO) 은 산화 프로세스에 의해 생성되기 때문이다. 물론, 연료 개질 중에는 환원 반응에 의해 형성된 "저온" 반응 생성물 (CO) 역시 존재함을 알 수 있다.

이제, 도 6 및 도 7 로 돌아가, 본 발명에 따른 일 실시형태의 두 가지 측면을 보겠다. 이 실시형태는, 연소 공간, 즉, 유체의 주 유동을 이 연소 공간으로 유입시키기 위한 유입구 (18) 와 가열된 유체를 이 연소 공간으로부터 배출시키기 위한 출구 (20) 사이에 반응기 (16) 를 갖는 연소기 (10) 를 제공하며, 상기 연소 공간은, 상기 주 유동의 대부분이 주 유동 경로를 따라 지나가는 주 유동 영역, 그리고 상기 주 유동의 더 작은 소부분이 일단의 경로를 따라 지나가는 재순환 영역을 포함한다. 상기 순환 영역은 실질적으로 연속적 방식으로 일 방향으로 만곡된(curved) 내표면 (21) 을 갖으며, 상기 유체의 주 유동 및 상기 주 유동 경로에 대해 배치된 벽(wall) 에 의해 부분적으로 형성된다. 상기와 같은 방식으로 형성되기 때문에, 연소 공간으로부터 유체가 방출되기 전에, 배출구 근처의 분리점으로부터 유입구 근처의 복귀점으로 복귀하는 지점에서 주 유동 경로 내의 일부 유체에 재순환 와류 유동을 일으키고, 어떠한 불연속 없이, 상기 재순환 와류 유동의 주변을 따른 인터페이스 층에 실질적으로 교란받지 않은 운동이 일어난다.

상기 재순환 영역의 용적은, 반응기 (16) 가 연소 챔버로서 기능 할 때, 상기 주 유동 영역의 용적 이상인 것이 바람직하다.

그러나 반응기 (16) 가 다음에 논의되는 개질기로서 기능 할 때는, 상기 재순환 영역의 용적은 상기 주 유동 영역 용적의 2배 이상인 것이 바람직하다.

더욱 상세히 설명하는 바와 같이, 상기 재순환 와류 유동과, 반응기 (16) 내의 선형의 유체 주 유동 사이에 존재하는 "보더" 또는 "인터페이스" 층 내에서 일어나는 화학 반응으로부터 열 노즐 효과가 발생하게 된다.

본 발명에 따른 연소기는 재순환 와류 유동을 제공한다. "보더" 또는 "인터페이스" 층은 이러한 와류 내의 유동과 상기 주 유동 영역 사이의 인터페이스에 존재한다. 또한, 상기 재순환 영역의 벽과 상기 와류 유동 사이에는, 주변층 또는 경계층이 존재하며, 이 경계층은 실질적으로 라미나르(laminar)한 유동을 갖는다. 보다 구체적으로는, 상기 경계층은 0.2 미만의(바람직하게는, 0.008~0.01) 난류도(degree of turbulence)를 갖는다.

상기 주변 층 및 보더 층에서의 교란받지 않은 재순환 유동은 다음과 같은 이점을 제공한다.

- 상기 와류층은 상기 와류 내에서 실질적으로 반경방향으로 혼합되지 않아서, 일차(primary)의 CO, CO₂ 및 H₂O 의 "고온" 분자는 상기 재순환 유동 와류의 주변으로 이동하여, 여기서 CO 가 연소되고, 연료 개질 및 분해 생성물인 이차 (secondary)의 CO, H₂, 및 산소는 상기 와류 주변으로부터 중심으로 이동하고, 그 와류 내부에서의 산화 반응에 참여하여, 그 와류 내에서 고온 가스 분자의 분포 프로파일을 유지할 수 있다. 이러한 분리는 원심력 영역 내에서 관성 확산의 결과로 발생한다. 따라서, 상기 재순환 와류 유동 및 유입되는 유체의 주 유동 사이의 인터페이스 또는 인터섹션은 가능한 최대의 온도로 되고, 상기 와류는 층들의 어떠한 혼합 없이, 항상 연소가능한 물질을 공급받게 된다.

- 주변 층에 대한 와류 내부의 속도는 유입되는 유체의 주 유동의 속도보다 크며, 그 이유는 열 노즐 효과와 함께 재순환 유동의 난류도가 매우 낮기 때문이다(이것은 자연(natural) 유동을 보장하도록 배치된 환형면을 제공하고 이 환형면을 따른 교란없는 유동이 보장되게 만듦으로써 구현된다).

- 보더 및 주변 층의 존재로 연료의 연소가 약 2 ms 이하의 시간 내에 종결된다.

- CO₂ 와 C 가 관여하여 반응하여 2CO 를 형성하는 개질 반응이 상기 와류 주변 층을 따라 일어난다. 하나의 "고온" 및 하나의 "저온" CO 분자로서 최초 형성되었지만, 여타의 요인들 중, 이 층이 유입구 영역에서 주 유동과 재결합할 때까지 실질적으로 덮혀져서 고온의 챔버 벽과 접촉하게 된다. 연료로서의 역할을 하는 이러한 고온 CO 의 주변 와류 유동은, 더 설명하는 바와 같이, 입구에서 유입되는 연료/공기 혼합물과 적절히 혼합되면 극히 유리하다.

연소기 내에서 주(선형) 유동에 대한 재순환 유동의 비가 변화한다. 출 구에서 연소기를 빠져나오는 유체에 대한 와류 내로 들어가는 유체의 비는, 상기 반응기가 연소 챔버로서 기능하는 작동 모드에서는 바람직하게는 7% 이상이고, 상기 반응기가 개질기로서 기능하는 작동 모드에서는 10% 이상이다.

상기 논의된 바와 같이, 재순환 영역의 주변을 따라서 유체의 유동 또는 경계층이 형성된다. 이러한 유동을 소망하는 깊이로 유지하기 위해, 상기 챔버의 표면은, 실질적으로 연속적 방식으로 일 방향으로 만곡을 유지한 채로 굴곡이 져 있어야 한다(예컨대, 전후가 아닌). 출구에서의 유체가 대략 1100℃의 온도를 갖는다면, 경계층의 이 깊이는 약 1mm 가 되고, 출구에서의 유체가 대략 800℃의 온도를 갖는다면, 이 깊이는 약 2mm 가 되고, 예컨대, 380~420℃ 의 더 낮은 온도를 갖는다면, 상기 경계층이, 재순환 와류 유동내의 재순환하는 유체의 중심부(central core)의 직경보다 더 큰 깊이를 갖는 지점까지 이 깊이는 훨씬 더 깊어지게 된다.

따라서, 와류의 주변이, 연소 공간으로 유입이 허용되는 유체의 주 유동과 만나는 교차 지점 또는 유입구 부근 영역에서 다음과 같은 조건이 얻어진다: 두 유동의 인터페이스에서 가장 높은 온도로 되며, 교차 지점을 따라서 동일 방향으로 운동하는 이 두 유동 사이에는 높은 상대 속도가 존재한다. 이들 두 조건의 결과로, 와류 주변으로부터, 유입되는 주 유동의 인터페이싱 표면으로, 극히 높은 열전달률을 특징으로 하는 매우 집중적인 열전달이 일어난다. 그러므로 상기 와류는, 유입되는 주 유동의 인터페이싱 층으로 가장 효율적인 방법으로 열에너지를 전달할 수 있다. 이러한 이유로, "열점" 및 "냉점"의 형성, 온도의 평준화, 그 리고 종래의 트랩드 와류 연소기의 최적 실시형태에 있었던 다른 소망하지 않은 현상을 초래할 수 있는 두 유동 사이의 상당한 난류 혼합 없이, 파일럿 플레임으로 작용하면서, 유입되는 주 유동의 표면층이 점화되어 공연비에 상관없이 꾸준히 연소하게 된다. 관성 확산의 결과로, 연소된 연료는, 우선, 유입되는 유동의 표면층에 들러붙고, "저온" 분자는 와류의 중심부를 향해 떠나고, 따라서 연쇄 반응을 위한 조건(즉, 연소율에 상응하는 비율로의 산화)을 제공하고, 유입되는 유동 속도에 대한 와류 속도의 비가 더욱 증가함과 따라 연소율이 증가할 수 있어서 종래 연소기 (약 0.5 의 k_e) 에서 사용되던 것보다 더 희박한 혼합기를 가지고 제어된 폭발 연소를 구현할 수 있다. 이러한 현상으로 인해 유입되는 유동의 온도가 급격히 증가하게 되고 이에 따라 유입되는 유동의 전체 유동체에 걸쳐서 급격하고 균일한 가열이 연소 공간 내로의 바로 입구에서 일어나고, 이 결과로, 운동 에너지, 즉 유입되는 유동의 속도가 입구 영역에서부터 증가하기 시작하고, 이러한 유동 속도의 증가가 배출구 영역까지 계속하여 일어나서 열 노즐 효과를 제공하고, 이러한 열 노즐 효과는 재순환 와류 유동에 임펄스(impulse)를 부여하여 더 높은 속도로 이동하게 한다. 유입되는 유동에 걸친 급격한 가열은, 와류 재순환 유동과 유입되는 유체 유동의 기계적(난류) 혼합 없이, 전술의 기구(메카니즘)만을 사용하여 일어나는 것임을 유념해야 한다.

본 발명에 따른 연소기에서 열 노즐 현상을 사용하면, 연소 공간을 통한 재순환(와류) 유동과 유체 유동의 본체와의 난류 혼합을 거의 완전히 없애면서, 연소 공간으로부터 출구를 통한 유체 유동의 속도를 증가시킬 수 있게 된다. 따라서 연소 공간 내에서의 손실이 실질적으로 줄어들게 된다.

열 노즐 효과를 형성하기 위한 원형면으로서 개구부, 홈, 돌출부, 유체 입구 등과 같은 유동 교란 요소를 갖지 않는 원형면을 사용하면, 상기 관성 확산 및 두 유동 사이의 안정된 고온 인터페이스와 함께 유입 유체 유동의 본체를 통한 급속한 가열에 의해, 재순환 와류 유동에서 가스 분자의 재분배가 보장된다. "열점" 및 "냉점"의 발생을 수반하는 혼합이 없으므로 NO_X 발생량이 최소로 된다. 연소 생성물은 난류에 의해 유입 유체와 혼합(기계적 혼합) 되지 않기 때문에, 그 연소 가스 및 연료/공기 혼합물이 기계적 혼합 없이 병류로(다른 속도에서 동일한 방향으로) 유동하므로 유입하는 연료/공기 혼합물(매우 희박할 수 있음)은 더 희박하게 되지 않는다. 이러한 이점 때문에, 탄화수소 연료의 산화가 이론상 가능한 어떠한 온도에서도 아주 희박한 혼합물의 연소가 유지될 수 있게 된다.

탄화수소 연료의 연소 온도는 500 ℃ 이하일 수 있고, 연소실 배출 가스의 온도는 330 ~ 350 ℃ 으로 낮게 된다. 이는 산화 온도로, 통상적인 연소실 구성이 사용되는 경우, CO₂ 및 H₂O 발생률이 1000 배 이상으로 감소할 것이다. 그러나 상기 관성 확산에 의해, 새로 형성된 CO, CO₂ 및 H₂O 가 더 높은 연료 함량을 갖는 영역(와류의 중심에서 주변 쪽으로)과 그 후 인터페이스 층으로 재배치 속도는 보통 연소 속도 (약 1m/s) 보다 수 배 더 높으며, 본 발명에 따른 연소기에서 연료 성분 산화의 속도는 종래 기술의 연소기의 연소 속도와 동일한 정도이다.

상기한 바와 같이, 재순환 유동하는 연소 생성물에 부가되는 유체(연료를 포함해서)는 없으며(적어도 연소 공간의 입구 및 출구 사이에 있는 원형의 재순환 유동면의 대부분 내에서는 그렇지 않음), 재순환 유동의 난류도는 아주 낮다(임의의 통상적인 연소실에 대한 최소값 보다도 낮음). 그 결과, 와류에는 탄소 미립자가 생기지 않는다. 그 바람직한 결과로, 재순환 유동으로부터 연소실 벽으로의 큰 열 복사 손실이 없으며, 연소실을 떠나는 연소 생성물의 유동으로부터 재순환 유동이 분리되는 지점에서부터 입구 영역까지의 영역 내에서 연소실 벽의 온도는 비교적 낮게 된다. 분리점 상류의 연소실 벽 온도는 CO 레벨에 어떠한 실질적인 영향도 주지 않는다.

와류 표면과 화학 반응성 연료/공기 혼합물 사이의 열 교환 과정은 온도에 의해서만 결정되는 것은 아니며, 와류 및 연료/공기 혼합물의 화학적 조성에 따라서도 결정된다. 두 유동 사이에는 온도 차가 있으며(와류 온도가 더 높음), 화학적 조성에서도 차이가 있다(와류가 CO₂ 및 H₂O 를 더 많이 함유하며, 새 혼합물이 연료 및 산소를 더 많이 포함함). 따라서, 두 유동이 기계적 혼합 없이 동일한 방향으로 유동하는 경우, 확산을 위한 조건, 더 상세하게는, 열 확산 및 농도 확산을 위한 조건이 생성된다. 압력 확산은 무시할 수 있으며, 이는 제어된 폭발 연소로 전환될 때에만 중요하다.

열 확산 및 농도 확산의 비는 연소실의 작동 중에 변하지만, 와류와 연료/공기 혼합물 사이의 열 교환시에는 농도 확산이 항상 우세하다. 농도 확산은 실 제로 열 교환 과정 강도에 결정적인 영향을 갖는다. 화학 반응을 고려하는 경우, 열 교환시 실제 농도 구배를 평가하는 것은 문제가 있다. 와류 유동과 연료/공기 유동 사이의 인터페이스 층에서 CH₄(또는 다른 연료) 및 O₂ 의 농도 변화는 열에너지 전달 과정뿐만 아니라, 반응 방향(정방향 및 역방향)에도 영향을 미치게 된다. 예컨대, 연료/공기 혼합물 중의 CH₄ 농도가 증가하면 (등가 계수가 설계치 보다 증가하는 결과로), 연료 개질 과정이 인터페이스 층에서 일어나기 시작한다. 이는 와류에의 산소 공급의 특성과 함께, 와류 주변 온도의 감소를 초래하며, 그 결과 와류의 중심부에 도달하는 분자의 온도 또한 떨어지게 된다. 동시에 일어나는 두 과정의 결과, 임계치 이하까지 와류 온도가 감소되어, 플레임 아웃이 일어나게 된다. 이것이 종래와 같은 와류 유동과 연료/공기 혼합물의 단순한 기계적 혼합으로는 희박한 혼합물의 안정된 연소의 문제가 해결되지 않는 이유인데, 기계적 혼합이 일어나는 경우 연료/공기 혼합물로의 열 에너지 공급은 CO₂ 및 H₂O 공급의 동시 증가를 수반하여(이 결과 연료 개질이 강화된다) 와류와 연료/공기 혼합물의 온도가 감소되기 때문이다. 본 발명에 따르면, 확산 과정이 두 유동 사이에서 (그들의 기계적 혼합 없이) 일어나고, 유동(와류)이 만나는 입구에서 열 에너지 원은 열 에너지 소비원(연료/공기 혼합물)의 속도보다 높은 속도를 갖는다.

와류로부터 연료/공기 혼합물로의 강한 열 전달은 다음과 같은 방식으로 열 노즐 효과를 일으킨다. 연료/공기 혼합물의 유동의 주변층은 항상 고온의 CO₂, CO, 및 H₂O 분자뿐만 아니라, 높은 열 전달 속도로 와류 주변으로부터 열 에너지를 받게 된다. 따라서, 연료/공기 유동의 주변을 발화하고 이 층의 연소를 유지하기 위한 조건이 제공된다. 이 주변층이 발화되면, 연소가 연료/공기 유동의 전체를 통해 아주 높은 속도로 전파되고, 열 노즐 효과 하에서 유동 속도가 상승하기 시작한다. 그 결과, 연료/공기 유동의 운동 에너지가 증가한다. 연료/공기 유동 주변층의 지속적인 연소(안정된 화염)는 와류 유동의 높은 온도 및, 와류 주변에서 연료/공기 유동 주변으로의 높은 열 전달 속도(이는 일종의 "파일럿 화염"을 발생시킴)에 의해서만 보장되는 것은 아니다. 이 "파일럿 화염" 층에, CO₂, CO, 및 H₂O 분자가 지속적으로 충분히 공급됨으로써, 공연비가 최소인 어떠한 과도기 하에서도, 그리고 연료 공급이 갑작스럽게 됨으로써 변동하는 경우에도 지속적인 화염이 보장된다.

연료 및 산소의 분자는, 확산에 의해 와류로부터 연료/공기 혼합물로 이동하는 "고온" 분자와는 반대방향으로 운동한다. 이것이 농도 확산이다. 매우 작은 양의 질소 분자만이 와류로부터 연료/공기 혼합물 내로 확산하며(열 확산), 대부분의 질소는 연료/공기 혼합물로부터 와류로 이동하지 않는데, 이는 와류와 연료/공기 혼합물의 질소 농도가 실질적으로 동일하기 때문이다. 와류와 연료/공기 유동 사이의 경계층 내로 들어가는 연료의 일부는 발화되며, 그 층내 연료의 대부분이 개질된다. 일차 ("고온") CO 분자 및 일부 수소가 인터페이스 층에 남게 된다.

남아 있는 일부 분자는 산화되어 CO₂ 및 H₂O 로 되며, 이들은 연료/공기 혼합물로 되돌아간다. 일차 ("고온") CO 분자의 대부분과 수소는 CO 및 H₂ 의 형태로 연료/공기 혼합물로 돌아간다. 이들은 와류의 추진력 (striking force) 을 형성한다. "저온" 분자 (개질의 결과로 얻어짐), 소위 이차 CO, H₂ 및 산소는 와류의 중심으로 이동할 것이다(이 분자들은 더 낮은 열 운동 속도 때문에 더 작은 관성을 갖는다). 그들의 전부가 중심으로 이동하지는 않고, 일부는 중심으로 가는 도중에 산화되어 CO₂ 및 H₂O 로 되며, 이들은 원심력에 의해 와류 주변 등으로 가게 된다(관성 확산).

이 과정은, 도 1 및 도 1a 에 도시되어 있는데, "고온" CO, CO₂, H₂O 및 H₂ 분자는 점으로 나타나 있고, "저온" 연료 분자 및 산소는 플러스 (+) 로 나타나 있다. 화살표는 상기된 바와 같이 분자 운동 방향을 나타내며, 재순환 와류 유동과 유입 연료/공기 혼합물 유동이 만나는 지점은 "0" 으로 나타나있다.

재순환 와류 유동과 유입 연료/공기 혼합물 유동 사이의 인터페이스 층의 확대된 개략적인 부분도가 도 1a 에 도시되어 있다. "×" 는 개질에 의해 형성되어, 와류의 주변층에 있는 CO 를 나타낸다. 도면에서 보듯이 CO 가 입구 영역에서 유입 연료/공기 혼합물 내로 확산하여, 연소를 상당히 보조한다. 알 수 있는 바와 같이, 재순환 와류 유동의 속도 (V₂) 가 유입 연료/공기 혼합물 유동의 속도 (V₁) 보다 더 크지만, 재순환 와류 유동의 주변층의 속도 (V₃) 는 유입 연료/ 공기 혼합물 유동의 속도보다 훨씬 더 작다(표면으로부터 속도 구배가 있으며, 이 층에서 평균 속도는 속도 (V₁) 의 약 1/5 이다).

인터페이스 층에서 일어나는 과정은 도 2 에 그래프로 도시되어 있다. 연료 레벨 (CH₄) 은 시간이 지남에 따라 떨어지나 온도 (T) 는 거의 일정하게 유지되는데, (일반적으로 통상의 연소실과 같이 증가하지 않음) 이는 강한 연료 개질이 계속되어 "저온" 및 "고온" CO 분자 모두가 형성되기 때문이다. 온도 (T) 는 접촉 시간의 대략 2/3 가 경과된 후, 또는 이 실시형태에서는 두 유동이 만난 후 약 0.7 ~ 0.8 ms 이 지난후 상승하기 시작한다.

본 발명에 따른 연소 방법을 실행하기 위한 현재 바람직한 방법은 연소실을 다음과 같은 치수 조건을 만족하도록 구성하는 것이다.

a ≥ 1.4b

d ≤ 2.2b

2r + b ≥ c ≥ r + b

여기서,

r 은 원형면의 반경(도 6 참조),

a 는 연소 공간의 입구 및 출구 사이의 거리,

b 는 입구 부분의 높이,

c 는 반경 (r) 의 방향으로 연소 공간의 최대 크기,

d 는 출구 부분의 높이다.

d 가 2.2b 보다 크면, 열 노즐 단면적이 지나치게 커지게 되고, 와류에 초기 임펄스를 부여하는 요구되는 연료/공기 유동 속도를 얻지 못한다. 반경 c 가 2r + b 보다 크면, 상기 단면적이 지나치게 커지게 되고, 요구되는 연료/공기 유동 속도를 얻지 못하고, 와류에 대한 그 효과는 감소되며, 연료/공기 유동과의 경계 영역에서 와류 속도가 지나치게 느려진다. 바람직하게는, 출구의 단면적은 입구의 단면적의 2.2 배를 넘지 않는다. 반응기가 개질기로서 기능하는 작동 모드로의 전환이 요구되면, 입구 단면적은 반응기가 연소실로서 기능을 하는 작동 모드시 사용되는 입구 단면적에 비해 감소된다.

거리 (a) 는 와류와 연료/공기 유동간의 접촉 시간을 결정한다. 바람직하게는, 이 접촉 시간은 약 1ms 보다 길어야한다. 거리 (a) 는 입구에서 유체의 입구 속도를 토대로 얻어질 수 있으며, 바람직하게는 10 ~ 20 m/s 이다.

통상 혼합물이 점화 전에 통상의 연소실에서 재순환된 고온 가스로 가열되는 경우 발생하는, 새 연료/공기 혼합물이 가열되면(약 150 ℃ 의 온도 상승이 있음), 일반적으로 연료/공기 유동 내에서 불균일한 온도 분포가 존재한다. 온도의 불균일성은 100% 까지 클 수 있으며, 이는 유동의 개별적인 분류 (jet) 가 연소실에 들어가기 전에 공기 유동 온도와 실제로 동일한 온도로 유지될 수 있다는 것을 의미한다. 온도 불균일성은 연료 연소가 끝날 때에도 거의 동일하다. 연소실 배출 온도가 약 1200 ℃ 이면, 유동 내의 온도는 상기한 불균일성 때문에 1500 ℃ 까지 될 수 있다. 1200 ℃ 에서 NO₂ 레벨이 허용될 수 있지만, 높은 온도에서 질소 산화물 방출은 상당히 더 많게 된다. 이는 도 3 에 도시되어 있으며, 여기서 곡선 Ⅰ 은 연료/공기 혼합물의 고온층에 대한 질소 산화물의 방출을 나타내며, 곡선 Ⅱ 는 연료/공기 혼합물의 저온층에 대한 질소 산화물의 방출을 나타낸다. NO₂ 는 1 ppm ~ 10 ppm 의 수준이며, 동일한 연소실에서는 더 높을 수 있다. 곡선 Ⅲ 은 점화전에 가열된 연료/공기 혼합물에서 균일한 온도 분포를 나타낸다.

온도 불균일성을 제거하기 위해, 새 연료/공기 유동에 더 많은 고온 가스를 보내면 더 많은 고온 연소 생성물을 받는 연료/공기 혼합물의 일부가 기대하는 바와는 달리 더 적은 연소 생성물을 받는 혼합물의 나머지보다 더 낮은 온도로 가열된다. 이는, 고온 연소 생성물이 지나치게 많으면 연료 개질이 더 강하게 일어나 온도 감소를 일으키기 때문이다. 이러한 현상은 연료 및 공기의 혼합이 불량하면 더욱 현저해 지며, 유동 내에서 더 높은 연료 레벨을 갖는 영역은 더 높은 개질 속도 때문에 온도가 더 낮아지게 된다. 이는 와류 주변 속도에 대한 연료/공기 혼합물 유동의 온도를 나타내는 도 4 에 도시되어 있다. 연료/공기 유동에서 온도 상승은, 와류 주변 속도가 입구 유체 유동 속도의 1.2 ~ 1.25 배가 될 때까지 증가하고, 그 후부터는 온도가 감소하는데, 이 감소는 입구 유체 유동 내로 다량의 열에너지가 공급되어도 그렇다.

따라서, 상기 온도 불균일성은 점화 순간까지 연료/공기 유동 내에서 유지되는 것을 알 수 있다. 연료/공기 혼합물이 점화되면, 저온 부분은 더 빨리 연소 되고, 점화 이전에 고온인 부분 보다 더 고온으로 된다. 방출을 감소시키기 위해 바람직한 와류 주변 속도로, 연소하는 연료/공기 혼합물 내의 온도 불균일성(점화 후)은 상기 개질 효과 때문에 더욱 높아지게 된다. 이는, 연료/공기 혼합물의 저온부의 연소가 완료된 후에도 그 혼합물의 고온부가 계속해서 연소하기 때문이다. 이 시점에서 온도 불균일성은 약 500 ℃ 까지 될 수 있다.

연소 과정 사이의 상기한 차이는 다른 온도를 갖는 유동 분류에 있는 상이한 연소 화학 물질 때문이다. 저온 분류가 연소 생성물을 더 많이 포함하기 때문에, 이러한 분류에서 CO 산화 속도는 당업자에게 잘 알려져 있는 제 1 화학 반응 방정식에 의해 결정된다.

x = a₁ - b₁[exp(-kt)] (1)

여기서,

x 는 연소 생성물에서 현재 CO 레벨 (몰).

a₁ 는 초기 CO 레벨 (몰),

k 는 운동학적 반응 상수 (2.15 mol/s)

b₁ 는 온도 계수,

t 는 연소 시간 (s) 이다.

적은 연소 생성물을 포함하는 유동의 더 고온인 분류는, 이러한 분류에서의 연소 과정에 대한 확산 질량 전달의 영향을 나타내는 2계 화학 반응 방정식에 따라 연소한다.

x = a₂ - b₂[exp(-kt)] + Deff[exp(-mt²)] (2)

여기서,

x, a₂, b₂ , k 및 t 는 x, a₁, b₁, k 및 t 와 동일한 의미이며,

Deff 는 유효 확산 계수 (mol/㎝²*s),

m 은 비이진(non-binary) 충돌 계수 (㎝^-1*s^-1) 이다.

이러한 두 식의 작용을 연소 시간에 대한 CO 및 CH 의 농도(%)를 나타내는 도 5 를 참조하여 설명한다. 곡선 (Ⅰ) 은 식 (1) 에 의해 설명되는 운동을 나타내며, 연료는 NO_X 방출을 줄이는데 바람직하게는 짧은 연소 시간에서 신속히 연소되고 동시에 CO 레벨도 최소임을 알 수 있다. 곡선 (Ⅱ) 은 식 (2) 에 의해 설명되는 운동을 나타내며, 더 높은 연소 온도와 결합된 앞서의 경우보다 연소 과정은 더 길게 걸리는 데, 이러한 점과 더 높은 연소 온도 때문에 NO_X 방출이 많아지고, CO 연소가 매우 느리게 된다. 곡선 (Ⅱ) 은 이상적인 경우인 균질의 연료/공기 혼합물을 가정하여 나타낸 것임을 알아야 한다. 종래의 연소실에서 얻을 수 있는 연료 및 공기 혼합으로는 결과가 더욱 나빠질 것이다.

상기 종래 기술의 단점을 제거하기 위해, 연소실에 유체 유동이 도입되는 입구의 단면에 걸쳐 균일하게 연소 영역의 입구에서 주 공기 유동의 온도를 상승시킬 필요가 있다. 실질적으로 전체 유입 유동이 연소 영역에 들어가기 전에 실질적으로 동일한 양의 열에너지를 받는 것이 중요하다. 이런 경우, 연료/공기 혼합 물의 전체에 대한 연료 개질 조건은 실질적으로 동일하다.

이 방법의 이점은 다음과 같다. 점화된 유동은 연료/공기 혼합물의 점화전에 온도 불균일성을 갖기 때문에, 연소는 전체 유동에 걸쳐 실질적으로 동일한 온도에서 발생하며, 이 경우, 연소실 출구에서의 최대 설계 온도는 예컨대, 1200 ℃ 일 수 있으며, 연소실 내의 어떤 지점에서도 온도는 이보다 높을 수는 없다. 이는 최소 NO₂ 발생을 위한 온도이며, 또한, 가장 강한 CO 연소를 위한 온도이다. 따라서 연소실이 가스 터빈 엔진에서 사용되는 경우, TIT 와 동일한 연소 온도를 위해 설계될 수 있다. 연소 구역에서 균일한 온도 분포는 열점 및 국부적으로 과열된 연소 영역이 발생하지 않음을 보장하므로, 제조하기에 경제적이고 더욱 간단한 연소실을 만들고, 연소실 수명도 연장된다.

유입하는 유동의 온도 분포의 균일성은, 연소실이 식 (1) 또는 식 (2) 에 따라 작동하게 한다. 도 4 와 같이, 와류 주변 속도가 입구 유체 유동 속도의 1.2 배까지 되면, 연소 과정은 주로 식 (2) 에 따라 일어나며, 연소실 출구에서 적은 NO_X 방출 및 비교적 적은 CO 방출이 얻어진다. 속도비가 1.4 ~ 2 이면 연소실 출구에서 NO_X 및 CO 의 방출은 낮아진다 (도 5 참조).

연소를 위한 공기의 온도는 입구 영역에서 50 ℃ ~ 550 ℃ 상승되는 것이 바람직하다. CO 방출 요건이 너무 엄격하지 않다면, 연소실 구성을 아주 간단하게 하는 더 높은 온도가 사용될 수 있다. 이 경우, 식 (2) 은 연소실 작동을 결정하며, 과정은 많은 양의 재순환된 고온 가스를 필요로 하지 않아 연소실 부품 에 대한 열적 부하가 낮아진다. CO 레벨이 낮을 필요가 있다면, 온도 상승은 낮춰질 수 있지만, 주 유동 구역에 들어가는 유입 주 유동의 속도에 대한 입구 부근이지만 인터페이스 층의 외측 영역에서 와류 주변 속도의 비는 증가 되어야 하며, 1.4 ~ 2.2 범위이다. 이 경우, 식 (1) 에 따라 연소실이 작동하며, NO_X 방출은 작게 되며 CO 레벨은 도 5 의 곡선 (Ⅰ) 에 의해 도시된 바와 같이 현저하게 감소된다.

주 유동 영역으로 들어가는 유입 주 유체 유동의 속도에 대한 입구 주변이지만 인터페이스 층 외부 영역에서 와류 주변 속도의 비는 1.4 ~ 2.2 범위이다. 상기한 바와 같이, 입구 유체 유동에서 이 비와 온도 상승 사이에는 연관이 있다. 도 4 에서 볼 수 있는 바와 같이, 두 영역이 있으며, 하나는 식 (2) 에 의해 이루어지고, 다른 하나는 식 (1) 에 의해 이루어진다. 대략 0.8 ~ 1.5 사이의 비를 갖는 변환 영역은 식 (1) 및 식 (2) 에 의해 설명되며, 여기서 NO_X 레벨은 좌측 및 우측 영역 모두에서 레벨보다 더 높고, CO 레벨은 우측 영역에 비해서만 높다. 이 변환 영역은 예컨대, 과도현상 하에서 일어나며, 예컨대 속도비를 변화시켜 (예컨대, 입구 단면 또는 분리점에서 각 β 을 변화시켜) 제거될 수 있다.

본 발명에 따른 연소실은 잔류 CO 산화를 위한 조건을 개선하기 위해 연소 공간의 출구로부터 하류에 위치된 난류화기 (turbulizer) 로 이루어질 수 있다. 이러한 경우, 연소실은 낮은 연소 온도를 갖는 식 (2) 에 따라서 작동할 수 있으며, 양호한 CO 방출 성능을 갖는다. 동일한 설비는 CO 레벨을 더 감소시키기 위해 식 (1) 에 따른 작동시 사용될 수 있다.

도 6 은 버너에 가해진 경우의 본 발명에 따른 연소실을 나타내는 단면도이다. 도 7 에 도시된 바와 같이, 연소실은 확장된 구성을 가지며, 예컨대 보일러 설비를 위한 노벽을 덮기 위해 필요한 길이로 이루어질 수 있다. 도면 부호 "10" 으로 나타낸 연소실은 벽 (12) 에 의해 한정된 케이싱 (또한 라이너로서 기능할 수 있음) 을 갖는다. 벽 (12) 및 단부 벽 (14) (우측벽 (14) 만 도 7 에 도시되어 있음) 은 연료의 연소가 일어나는 연소 공간 (16) 을 한정한다. 연소 공간 (16) 은 서로 떨어진 입구 (18) 및 출구 (20) 를 가지며, 유체 (예컨대, 압력하의 공기) 는 입구 (18) 를 통해 연소 공간 (16) 으로 V₁ 의 속도로 들어가고, 연소실 (10) 의 하류에 위치된 장치 (도시되지 않음) 에 사용되도록 출구 (20) 를 향한 방향으로 연소 공간 (16) 을 통해 이동한다. 본 발명에 따르면, 연소 공간은 재순환 와류 유동을 위한 경로를 한정하는 원형 벽 (21) 을 가지며, 이 재순환 와류 유동은 연소 공간 (16) 의 출구 (20) 를 통해 방출되는 유체 유동으로부터 분리된다. 유체 유동의 일부는, 출구 (20) 를 통해 분리점 (22) 에서 연소 공간 (16) 으로부터 배출되기 전에, 유체로부터 분리되고, 원형면 (21) 은 분리 지점 (22) 과 입구 (1) 가 위치된 입구 영역 (24) 사이에 형성되어 있다. "원형" 은 본 명세서에서 "정확하거나 비슷한 원의 형태 또는 외관" 을 의미하는 것으로 사용된다 (Webster"s Third New International Dictionary of the English Language, Merriam-Webster, Inc). 정확한 원형이 본 발명의 목적을 위해 바람직하며, 타 원 등과 같은 원형에 유사한 형상도 본 발명의 목적을 위해 사용될 수 있다. 입구 유체 유동은 선 O-O 로 도시된 경로를 따라 연소 공간 (16) 을 통해 이동한다. 입구 유체 유동의 이동 방향과 입구 (18) 에서 벽 (12) 의 일부 (26) 또는 입구 (18) 에서 순환 와류의 방향 사이의 각 (α) 은 바람직하게는 약 85 °~ 175°이며, 본 명세서에서는 직각으로 도시되어 있다. 이 각의 기능은 이하 설명된다. 입구 유체 유동 (O-O) 의 이동 방향과, 분리/갈림 점 (22) 에서 벽 (12) 에 대한 접평면 (T-T) 또는 분리 점 (22) 에서 순환 와류의 방향 사이의 각 (β) 은 약 100°~ 15°가 바람직하다. 이 각의 기능은 이하 설명된다. 치수 (a, b, c, d 및 r) 는 상기 본 발명에 따른 연소 방법의 설명에서 설명되었다.

이 연소실은 다음 방식으로 기능한다. 연소를 위한 공기와 같은 유체는 예컨대 송풍기 또는 압축기로부터 입구 개구 (18) 를 통해 수용되며, 공기는 이미 예비혼합된 유체에 의해 수용될 수 있음을 알 수 있고, 또는 연료는 입구 (도시되지 않음) 에서 유체 유동 내로 개별적으로 공급될 수 있다. 입구 (18) 를 통해 수용된 유체는 연소 공간 (6) 으로부터 출구 (20) 를 향해 일반적인 방향 O-O 에서 이동하며, 이 유체 유동의 초기 속도는 V₁ 이다. 연료는 점화기 (도시되지 않고, 예컨대 입구 (18) 로부터 하류, 또는 연소 공간 (16) 내에서 설치될 수 있음) 에 의해 점화되며, 연소 공간 (16) 내에서 연소를 시작하며, 그 결과 예컨대 보일러 또는 임의의 다른 열교환 장치에서 사용하기 위해 출구 (20) 를 통해 배출되는 고온 연소 생성물이 형성된다.

바람직하게는, 점화기는 그 영역에서 유동을 방해하는 것을 회피하기 위해 순환 와류 내에 배치되어서는 안 된다. 캔 (can) 연소실 실시예에서, 크로스 파이어 튜브 (cross fire tube) 는 순환 영역을 넘어 또는 순환 영역 이전 (종종 종래에 실시되었던 바와 같이 순환 영역 내부는 아님) 에 각 캔의 지점에서 캔늘 연결할 수 있다. 선택적으로, 점화기는 실질적으로 유동을 방해하지 않도록 형성되면, 순환 챔버 내에 설치될 수도 있다. 연소 생성물 (고온 가스) 이 연소 공간 (16) 을 떠나기 전에, 연소 생성물의 일부는 분리 또는 갈림 점 (22) 에서 일반적으로 선 O-O 을 따라 이동하는 주 유동으로부터 분리한다. 이 유동은 내연 공간 (16) 의 내부 크기 사이의 비와, 원형면 (21) 을 따르는 순환 와류 유체의 특성에 따라서 결정되는 속도 (V₂) 를 갖는다. 입구 유체 유동 O-O 의 이동 방향과 45°의 분리점 (22) 에서 벽 (12) 에 대한 접평면 T-T 사이의 각 (β) 으로, 원형면 (21) 에따른 와류 유동의 난류도는 약 0.008 이며, 각 (β) 가 약 100°이면, 난류도는 약 0.2 이다. 약 0.03 내지 0.025 의 난류도를 위한 각 (β) 의 바람직한 값은 약 65°이다. 상기된 낮은 난류 값은, 예컨대 임의의 구멍, 리세스, 돌출부, 유체 입구 등이 없이 매끄럽게 형성된 원형면 (21) (적어도 분리점 (22) 으로부터 시작하는 원형면의 주요부를 지나며, 입구 (18) 를 향한 방향으로 신장함) 에 의해서만 얻어질 수 있다는 것을 알 수 있다. 표면에서의 이러한 임의의 불균일성은 표면 (21) 을 따라 와류 유동을 실제로 불가피하게 방해하며, 난류화 하며, 상기 범위를 0.2 이상으로 초과하는 난류도를 발생시켜, 종래의 트랩 형 와류 연소실에서 발생하는 난류와 유사하게 만든다. 난류도는 적용이 필요할 때, 와류 온도를 상승시키기 위해 (상기 범위 내에서) 증가될 수 있다. 각 (α) 은 순환 와류 유동이 입구 (18) 의 영역 (24) 에서 입구 유체 유동과 만나는 조건을 토대로 85°~ 175°범위 내에서 선택된다. 이 각의 값의 증가는 두 유동이 만날 때, 두 유동의 낮은 난류로 나타난다. 속도 (V₂) 를 갖는 순환 와류 유동이 입구 구역에서 (V₂＞ V₁) 속도 (V₁) 를 갖는 입구 유체 유동을 만나는 경우, 두 유동은 연소 공간 (16) 에서 일어나는 공정을 설명하기 위해 상기 상세하게 설명된 바와 같이, 그들 사이에 인터페이스 층을 형성한다. 상기된 열 노즐 효과 때문으로 상기 설명된 바와 같이, 속도 (V₂) 는 속도 (V₁) 보다 더 크며, 원형면 (21) 에 따른 낮은 난류도와 이 경로를 따라 요소의 난류화의 부재 때문에, 입구 구역에서 두 유동이 만나는 순간까지 높은 속도 (V₂) 는 속도 (V₁) 보다 높게 유지된다.

도 8 은, 동일한 부분의 부호가 도 6 및 도 7 에서 동일한 도면 부호에 100 을 더한 것과 같은, 본 발명에 따른 환상 연소실의 개략적인 부분 단면도를 나타낸다. 이 실시예에서, 입구 유체 유동이 따르는 표면 (130) 이 입구 (118) 에서 부분 (132) 을 가지며, 이 부분은 입구 유체 유동의 일반적인 방향 O-O 에 대해 약 0°내지 15°의 각 (γ) 으로 경사져 있다. 이 구성은 속도 (V₁ 및 V₂) 사이의 비를 유지하기 위해 필요한 경우, 그리고 연소실 반경이 한정된 경우에 사용될 수 있다. 이러한 경우, 속도 (V₁) 는 간단히 치수 (b) 를 확대하여 입구 단면적 영역을 증가시킴으로써 낮춰질 수는 없는데, 이는 낮은 난류 순환 와류 유동을 방해하는 입구 유동으로 나타나기 때문이다. 0°보다 큰 각 (γ) 을 이용하여, 치수 (b) 는 실질적으로 변하지 않지만, 순환 와류 유동을 방해하지 않고 유동 단면적은 더 커진다. 나머지에 대해서는, 이 실시예는 도 6 및 도 7 을 참조하여 설명된 실시예의 선을 따라 기능한다.

도 9 는 동일한 부분의 부호가 도 6 및 도 7 에서 동일한 도면 부호에 200 을 더한 것과 같은, 도 8 의 선을 따라 구성된 환상 연소실의 길이방향 단면도이다. 차이는 CO 레벨을 낮추기 위해 두 유동 (순환 와류 유동 및 입구 유체 유동) 을 위한 아주 소프트하고 낮은 난류 조건을 제공하기 위해, 각 (α) 이 더 크게 되어 있다는 것이다.

도 10 은, 어떻게 도 8 및 도 9 에 도시된 연소실의 실시예가 함께 사용되는 지를 나타내기 위해, 동일한 부분의 부호가 도 8 및 도 9 에서 동일한 도면 부호에 300 을 더한 것과 같은, 도 8 에 도시된 연소실의 실시예를 나타낸다. 각 (γ) 은 0°보다 크고, 각 (α) 은 90°보다 크다. 본 발명에 따른 연소실로 그렇게 구성되며, CO 레벨은 연소실의 작은 반경으로 감소될 수 있다.

도 11 은 본 발명에 따라 구성된 캔 연소실을 나타낸다. 동일한 부분의 부호는 동일한 도면 부호에 400을 더한 것과 같이 나타낸다. 차이점은 입구 유동이 반경 방향으로 유입되고, 경선(curved path) O₁-O₁ 을 따라 이동된다는 것이 다. 표면 (430) 을 한정하는 벽 (434) 은 안내 슬리브 (436) 에서 들어오가 나갈 수 있다 (도면에서 좌우 또는 우좌). 이는 연소실 구성을 변경하여 속도 (V₁ 및 V₂) 의 비가 변화될 수 있어, 연소실 구성 점 최대 온도를 변경하기 때문에, 동일한 연소실이 다른 용도로 사용될 수 있게 한다. 벽 (434) 은 또한 연소실의 작동시 (메카니즘은 도시되지 않음) 이동하도록 배치될 수 있으며, 이러한 경우 연소실 최대 온도는 예컨대, 하중 조건에 따라서 변화될 수 있다.

도 12 및 도 13 은 입구 (18) 가 변경된 본 발명에 따른 연소실의 실시예를 나타낸다. 도 12 에 도시된 바와 같이, 입구 개구부는 개구부의 원주를 따라 떨어진 반경 방향 내부로 신장하는 돌출부 (13) 를 가지며, 도 13 에서는 입구 개구부는 개구부의 원주를 따라 떨어진 반경 방향 리세스 (15) 를 갖는다. 두 경우, 돌출부 및 리세스는 표면적 증가에 의해 유입 유체 유동의 주변면의 구성을 확실하게 한다. 이는 입구 유체 유동 주변과 순환 와류 유체 사이의 접촉면적이 두 유동의 속도 (V₁ 및 V₂) 사이의 동일한 비로 확대될 수 있게 한다. 이러한 배열로, 연소실은 짧아질 수 있고, 두 유동 사이의 반응은 연소실의 동일한 길이로 강화될 수 있다.

도 14 는 본 발명에 따른 환형 연소기를 내장한 가스 터빈 엔진의 길이 방향 단면도이며, 이는 동일 부분에 500을 부가하여 도시한다. 도 11 에 도시된 연소기와 유사하게 이루어진 환형 연소기 (510) 는 노즐 (541) 세트를 갖는 터빈 (540) 의 가스 터빈 엔진에 탑재되어 샤프트 (542) 에 마운트된다. 공기가 압축기 (도시 되지 않음) 로부터 덕트 (519) 를 통해 연소 공간 (516) 의 입구 (518) 에 공급된다. 입구 (518) 는 확산 장치 (544) 를 가지며, 이는 연소 공간 (516) 에서 재순환 와류 (recirculation vortex flow)(528) 사이의 상호작용을 향상시키기 위해 기류에 부과된 잔류 원주형 소용돌이를 유지한다. 연료가 공기와 예비혼합을 위해 포트 (546) 를 통해 연소 공간 (516) 에 넣어진다. 연료가 연소기에서 공기의 상류측과 예비혼합될 수 있다. 공기 및/또는 연료용의 추가 입구가 벽부 (526), 입구 영역 (524) 에서 548 로 제공되어, 입구 (518) 를 통해 넣어진 기류의 주변(periphery)과 마주하기 바로 전에 재순환 와류의 메이크업을 변화시킨다. 연소기가 저온의 연소 온도에서 작업되게 설계된다면, 예컨대, 1000℃라면, 포트 (548) 를 통해 공기 및 연료를 부가하면 예컨대 1500℃까지 온도를 상승시키게 된다. 반대로, 연소기가 1500℃의 온도에서 작업되게 설계된다면, 낮은 온도 예컨대, 1000℃가 포트 (548) 를 통해 부가의 공기를 공급함으로써 얻어질 수 있다. 공기 및 연료가 제어된 양과 제어된 비율로 포트 (548) 를 통해 공급되어, 변동하는 부하 상태 (load condition) 하에서 일정한 셋포인트 근처로 연소기를 어떤 소망하는 온도에 유지할 수 있다. 연소기는 터빈 (540) 에서 사용하기 위해 출구 (520) 를 통해 배출되는 고온 가스의 유동으로부터 분리되는 연소 제품에 신선한 공기(예컨대, 산소) 를 부가하게 도시된 연소 가스 (550) 용의 다른 입구를 갖는다. 등가의 비율이 너무 낮다면, 배기 유동은 CO 산화를 위해 더 많은 산소를 필요로 한다. 아주 높은 등가의 비율로 연소기가 작동한다면, 배기 유동은 연료 성분의 불완전 산화의 생성물, CH 및 CO 를 포함하며, 이 경우에 신선한 공기의 추가는 산화 반응을 향상시키며 배기 가스 온도를 상승시킬 수 있다. 포트 (550) 를 통한 공기의 추가는 배기 유동을 교란시켜 CO 소모를 향상시킨다. 또한, 노즐 (541) 세트는 배기 유동을 교란시킨다. 당업자에게 잘 알려진 특별한 난류화기(turbulizer)가 연소 공간으로부터 출구의 하류측에 설치될 수 있다. 포트 (548) 를 통해 공기 및/또는 연료를 첨가하고, 포트 (550) 를 통해 공기를 첨가하는 전술한 단계는 부하 및/또는 온도 센서를 갖는 제어 시스템 및 적절한 제어 장치를 사용하여 이루어지며, 추가 공기의 턴온 또는 셧오프를 변화시키며, 연료가 당업자에게 잘 알려진 방법 및 장비를 사용하는 연소기에 공급된다.

도 15 는 본 발명에 따른 환형 연소기를 내장한 가스 터빈 엔진의 다른 실시예의 길이 방향 단면도를 나타낸다. 이 실시예는 케이싱 (615) 에 지지된 샤프트 (614) 에 장착된 공동 로터 디스크 (common rotor disk)(612) 상에 원심 압축기기 (600) 및 구심 터빈 (610) 을 사용한다. 본 발명에 따른 연소기 (616) 는 케이싱 (618) 및 라이너 (619) 를 가지며, 이는 압축기측에 입구 (622)와 터빈측에 출구 (624) 를 갖는 연소 공간 (620) 을 형성한다. 연소기는 점화기 (626) 를 구비한다. 압축기 (600) 와 터빈 (610) 사이의 분리 벽은 재순환 와류용 순환 면 (630) 을 가지며, 이 면은 연소 공간 (620) 의 출구 (624) 와 입구 (622) 에서의 분리 지점 (632) 사이를 연장한다. 도 16 (도 15의 화살표 XVI 를 따라 취한 도면)으로부터, 화살표 634 로 나타낸 O₂-O₂ 선을 따라 움직이는 연소 생성물의 일부에 의해 형성된 재순환 와류가, 도면에 도시된 바와 동일한 방향으로 경로 O₂-O₂ 를 따라 이동 하는 입구 유동 내측에 위치될 수 있음을 알 수 있다. 와류 터뷸런스 조건이 이전 실시예에서 전술된 것과 동일함으로써, 이 유동이 공기/연료 혼합물의 유동에 의해 제공된 " 기체 윤활제" 위를 움직여 유압 및 열적 손실의 양자를 감소시키는 것이 부가적인 이점이다. 도 17 에 도시된 바와 같이, 순환 면 (630) 이 베인 (636)(도 16 에 도시됨) 에 의해 세그먼트로 분할되며, 이 베인은 엔진의 길이방향 축 O₃-O₃ 을 중심으로 유체 유동의 원주 속도를 와류 속도 (V₂) 로 개질한다.

와류 속도에 대한 입구 유동의 속도비 (V₂/V₁) 는 배기 가스에서의 CO의 레벨에 영향을 미친다. 도 18 은 V₂/V₁ 비의 3개의 다른 값을 위한 CO 농도 대 잔류 시간(밀리초)을 나타낸다. 가장 좋은 해법으로는 가장 높은 속도비, 예컨대, 2.2 를 갖는 것이지만, 이 경우 최대로 도달할 수 있는 온도가 감소함을 알 수 있다. 이는 적용시, 연소기 출구에서 최고 온도가 요구됨을 의미하며, 속도비가 감소하고 그에 따라 CO 농도의 증가를 의미한다. 더 높은 CO 농도를 제어하기 위해 사용될 수 있는 방법은 이미 전술되었다. 프로토타입의 환형 연소기가 본 발명에 따라 제작되어 시험되었다. 연소기 #1 는, 용량이 760 ㎤ 이며, 최대 가능 속도 V₂ 로 연소가 이루어진다. 연소기의 최대 온도는 약 1650℃이다. 다른 연소기 #2 는, 용량이 690 ㎤ 이며, 바람직한 속도 V₂ 로 연소가 이루어지며, 약 1260℃ 의 최대 온도를 보장한다. 연소기는 다음과 같은 사양을 갖는다:

내경 : 100㎜

유동 : 0.06 kg/s

압력 : 1.2 kg/㎠

온도_출구 : 650 ~ 1260℃

천연 가스 연소시 처리된 시험은 다음과 같은 결과를 준다:

ㆍ연소기는 특별한 개시 연소 혼합 메이크업 없이 안정적인 점화를 보장하였다.

ㆍ연소기는 어떠한 예비적인 예열없이도 추운 곳에서 안정적인 시동을 보장하였다.

ㆍ연소기 내부의 금속은 약 500 번의 시동 사이클 후 파손의 어떠한 징후도 보이지 않았다.

ㆍ0.7 내지 0.17 의 등가비로 연소 조건의 전체 범위에 걸쳐 안정적인 연소.

ㆍ0.7 내지 0.17 의 등가의 비로 전체 시험 주기 동안 배기중에 어떠한 가시적인 특별한 물질이 관찰되지 않았다.

다수의 시험 결과에 대해 하기에 나타낸다.

표 1 -- 프로토타입 연소기 #1(760㎤) 의 배기 시험 결과

방출	연소기 출구 온도(℃)
방출	650	1,100	1,370	1,650
NO_X	0	2-3 ppm	4-5 ppm	10 ppm
CO	150	30 ppm	12 ppm	5 ppm

주: 표 1 내지 표 4 에서의 모든 데이터는 15% O₂ ref.

표 2 -- 프로토타입 연소기 #2(690㎤) 의 CO 배기 시험 결과

온도(℃)	1,005	1,090	1,145	1,175	1,190	1,220	1,220	1,245
CO 방출 (ppm)	449	263	93	53	38	15	7	0

표 3 -- 프로토타입 연소기 #2(690㎤) 의 NO_X 배기 시험(가스 분석기 400 HCLD)

온도(℃)	765	875	975	1,030	1,065	1,195	1,130	1,150	1,190	1,210
NO_X(ppm)	1.37	1.53	1.65	1.36	1.45	1.79	1.41	1.61	1.81	1.97
NO₂(ppm)	0.11	0.06	0.07	0.03	0.03	0.05	0.04	0.02	0.05	0.08

표 4 -- 연소기 #2(690㎤) 의 더욱 정확한 API 200A 가스 분석기를 사용한 NO_X 배기 시험 결과

온도(℃)	835	940	985	1,045	1,100	1,180	1,205	1,225
NO_X(ppm)	1.06	1.49	1.25	0.995	0.988	1.19	1.42	1.73

프로토타입 연소기는 다음과 같은 조성을 갖는 연료에 의해 테스트되었다:

메탄 15 ~ 22%

질소 10 ~ 30%

이산화탄소 20 ~ 25%

물(증기) 40%이하

다른 기체 7%이하

테스트 결과는 천연 가스 연료에 대해 전술한 결과와 동일하였다.

콘크리트 연소기 (예컨대, 도 22) 용 기준 등가비 (normal equivalent ratio) 를 사용하면, 스트레이트 연소 반응이 역반응이 우세하다. 그러나, 연료 개질의 역반응은 와류의 브랭킷 (blanket) 에서 발생하며, 이 경우, 와류의 온도 감소에 의한 처리가 동반되며, 그 결과 (가스 증기를 따라) 연소기 벽의 온도 감소가 유발된다(표 6 참조).

와류 및 연료와 공기 유동의 인터페이스 층에서의 CH₄ 및 O₂ 의 농도 변화는 열에너지 전달 과정뿐만 아니라 반응의 방향(직접 및 역)에 영향을 미친다. CH₄ 의 농도가 공연 혼합물에서 연소를 위한 것보다 평균 이상(설계 셋포인트 값에 비교된 등가 계수 증가) 이면, 연료 개질 처리가 계면 층에서 우세해지기 시작할 것이다. 와류로의 산소 공급의 비(specific)와 함께, 이는 와류 주위 온도 감소를 유발하고, 그 결과 와류의 중심 부분에 이르는 분자의 온도가 내려가게 된다. 동시에 발생하는 양자의 처리는 와류 온도의 서브 임계값으로의 감소를 유발하여 그 결과 플레임 아웃(flame out)된다. 이는 희박 혼합물의 안정적인 연소의 문제가, 이 경우 공기/연료 혼합물로의 열 에너지의 공급은 CO₂ 와 H₂O 공급(증강된 연료 개질의 결과)에서 동시적인 증가에 의해 수반되며, 와류와 공기/연료 혼합물의 온도 감소를 동반하기 때문에 이전에 행해진 바와 같은 와류 및 공기/연료 혼합물 유동의 단순한 기계적 혼합에 의해 해결될 수 없는 하나의 이유이다. 그러나, 본 발명의 경계 "계면"층에서 발생하는 반응 때문에, 본 발명에 따른 연소기는 이러한 조건 하에서 적절하게 작동될 수 있다(표 7 참조). 이러한 "개질 모드" 작동은 화염이 없을지라도 안정적이고 연속적으로 유도될 수도 있다.

표 5 및 표 6 : 금속 라이너를 갖는 연소기에 대한 연소#2(690㎤) 안정성 테스트 결과(테스트는 가스 연료에 의해 완료됨)

표 5

테스트 #	초기 연료 유동, sl/m (Φ=0.5)	안정적인 연소 연료 유동값, sl/m*					플레임 아웃 연료 유동
테스트 #	초기 연료 유동, sl/m (Φ=0.5)	안정적인 연소 연료 유동값, sl/m*					sl/m	t, ℃
1	60^**	50	45	40	35	30	26.9	32.5
2	52	45	41	36	30	27	23.1	323
3	45	40	32	28	25	23	19.1	325
4	40	33	29	25	21	19	16	330
5	35.5	30	26	22	20	18	15	331
6	30	29	23	19	18	16	13.2	330

* : 표준 리터/분. 등가비가 결정되지 않았다. 연료 유동만이 변화되었으며, 공기 유동은 변화되지 않고 유지되어 있었다.

** : 60 sl/m 은 690㎤ 연소기를 위한 연소의 바람직한 소비량이다.

표 6

지점 #	TIT(연소기 출구 온도, ℃)
지점 #	1000	1150	1200	1250	1270
1	600	612	619	630	635
2	610	618	622	639	655
3	576	582	617	625	649
4	551	560	585	610	645
5	527	536	559	583	620
6	503	510	535	560	590
7	471	479	509	537	547
8	452	458	475	491	520
9	442	447	456	473	495
10	436	441	448	469	487
11	620	625	631	648	663

주. 금속 온도는, 라이너가 냉각되지 않기 때문에, 외부 금속 표면에서 측정 되었다.

표 7

연료 유동 sl/m	CO₂, %	CO, %	HC, ppm	O₂, %	T3, ℃	슛(Shoot)
120	3,31	2,35	250	12,25	460	0

본 발명의 바람직한 실시예에 대해 전술하였다. 그러나, 첨부된 청구범위에서 한정된 본 발명의 정신 및 범위를 벋어나지 않는 본 발명의 다양한 변형 및 변경예가 가능하다는 것을 알 수 있다.

Claims

반응기,

상기 반응기에 유체의 주 유동이 들어가는 입구,

상기 반응기로부터 가열된 유체를 배출하는 출구를 구비하며,

상기 반응기는 상기 입구와 출구 사이에 위치되며, 주 유동의 대부분이 주 유동 경로를 따라 통과하는 주 유동 영역, 및 상기 주 유동의 적은 부분이 통과하는 재순환 영역을 구비하며,

상기 재순환 영역은 실질적으로 연속적인 방식으로 일방향으로 구부러진 내부면을 가지며 상기 출구에 가까운 분리점으로부터 상기 입구에 가까운 복귀점까지 형성된 벽에 의해 부분적으로 형성되며, 상기 내부면은 상기 주 유동 경로의 유체의 일부를 상기 분리점에서 전환시켜 상기 반응기의 작동중 상기 재순환 영역에서 재순환 와류를 형성하도록 상기 주 유동 경로에 대해 형성 및 위치되며,

상기 내부면에는 불연속적 부분이 없어서 상기 재순환 와류 유동의 주변을 따라 경계층이 실질적으로 교란되지 않고 운동하는 것을 특징으로 하는 연소기.
제 1 항에 있어서, 상기 재순환 영역의 용적은, 상기 반응기가 연소실로서 기능하는 작동 모드에서 상기 주 유동 영역의 용적 이상인 것을 특징으로 하는 연소기.
제 1 항에 있어서, 상기 재순환 영역의 용적은 상기 반응기가 개질기로서 기능하는 작동 모드에서 상기 주 유동 영역의 용적의 두 배 이상인 것을 특징으로 하는 연소기.
제 1 항에 있어서, 상기 출구에서 배출되는 유체에 대한 상기 재순환 영역에 들어가는 유체의 용적은 상기 반응기가 연소실로서 기능하는 작동 모드에서 7% 이상인 것을 특징으로 하는 연소기.
제 1 항에 있어서, 상기 출구에서 배출되는 유체에 대한 상기 재순환 영역에 들어가는 유체의 용적은 상기 반응기가 개질기로서 기능하는 작동 모드에서 10% 이상인 것을 특징으로 하는 연소기.
제 1 항에 있어서, 상기 경계층 내의 유체는 난류도가 0.2 미만인 것을 특징으로 하는 연소기.
제 6 항에 있어서, 상기 난류도는 0.008 ~ 0.01 인 것을 특징으로 하는 연소기.
제 1 항에 있어서, 상기 분리점에서 상기 재순환 유동의 방향은 상기 분리점에서 상기 주 유동 경로의 방향에 대해 15°~ 100°의 각을 이루는 것을 특징으로 하는 연소기.
제 1 항에 있어서, 상기 복귀점에서 상기 재순환 유동의 방향은 상기 복귀점에서 상기 주 유동 경로의 방향에 대해 85°~ 175°의 각을 이루는 것을 특징으로 하는 연소기.
제 1 항에 있어서, 상기 경계층의 외부에서 상기 입구에 가까운 영역에서의 상기 재순환 와류 유동의 속도와 상기 주 유동 영역에 들어가는 상기 주 유동의 속도의 비는, 상기 반응기가 연소실로서 기능하는 작동 모드에서 1.4 :1 이상인 것을 특징으로 하는 연소기.
제 1 항에 있어서, 상기 경계층의 외부에서 상기 입구에 가까운 영역에서의 상기 재순환 와류의 속도와 상기 주 유동 영역에 들어가는 상기 주 유동의 속도의 비는, 상기 반응기가 개질기로서 기능하는 작동 모드에서 2 :1 이상인 것을 특징으로 하는 연소기.
제 1 항에 있어서, 상기 가열된 유체의 온도가 상기 출구에서 대략 1100℃ 일 때, 상기 경계층은 대략 1㎜ 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 연소기.
제 1 항에 있어서, 상기 가열된 유체의 온도가 상기 출구에서 대략 800℃ 일 때, 상기 경계층은 대략 2㎜ 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 연소기.
제 1 항에 있어서, 상기 가열된 유체의 온도가 상기 출구에서 380 ~ 420℃ 일 때, 상기 경계층은 상기 재순환 와류 유동내 재순환 유체의 중심부의 직경 보다 큰 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 연소기.
제 1 항에 있어서, 상기 재순환 와류 유동내의 유체는 층으로 운동하며, 이 층들은 와류 내에서 실질적으로 방사상으로 혼합되지 않는 것을 특징으로 하는 연소기.
제 15 항에 있어서, 열에너지가 내층으로부터 외층으로 전달되는 것을 특징으로 하는 연소기.
제 1 항에 있어서, 상기 주변 와류 유동과 상기 입구를 통과하는 상기 주 유동 사이의 교차부에서 온도가 상기 반응기내 다른 지점의 온도보다 고온이며, 상기 주변 와류 유동은, 상기 주 유동이 상기 교차부를 통과한 후 상기 주 유동과 동일 방향으로 이동하며, 상기 주변 와류 유동과 상기 주 유동 사이에는 인터페이스(interface) 층이 형성되며, 열에너지가 상기 주변 와류 유동의 유체로부터 이 인터페이스 층을 통해 상기 주 유동 영역의 유체에 전달되는 것을 특징으로 하는 연소기.
제 17 항에 있어서, 상기 인터페이스 층에 가까운 상기 유체의 표면 영역에서 상기 입구를 통과하는 유체는, 이 인터페이스 층과의 접촉에 의해 점화되고, 연소기용 파일롯 화염으로서 작용하는 것을 특징으로 하는 연소기.
제 17 항에 있어서, 상기 주 유동의 유체와 상기 주변 와류 유동의 유체 사이에는 상당한 난류 혼합이 없는 것을 특징으로 하는 연소기.
제 17 항에 있어서, 상기 인터페이스 층은, 열 노즐(thermal nozzle)이 상기 주 유동 영역에서 만들어져 유지되게 하는 것을 특징으로 하는 연소기.
제 17 항에 있어서, 상기 주 유동과 상기 인터페이스 층이 만나는 인터페이스 층내에서 연소 및 연료 개질 모두가 일어나며, 연소와 개질의 상기 조합은 연소기의 작동중에 유지되는 것을 특징으로 하는 연소기.
제 20 항에 있어서, 상기 출구의 단면적은 상기 입구의 단면적의 2.2 배 이하인 것을 특징으로 하는 연소기.
제 1 항에 있어서, 상기 반응기가 개질기로서 기능하는 작동 모드로 전환시키기 위해서, 상기 입구 단면적은 상기 반응기가 연소실로서 작동하는 작동 모드에 서 채용된 상기 입구 단면적에 비해 감소되는 것을 특징으로 하는 연소기.
연소기에서 연료를 반응시키는 방법으로서, 상기 연소기는 반응기; 상기 반응기에 유체의 주 흐름이 통하는 입구; 상기 반응기로부터 가열된 유체를 배출하는 출구를 구비하며; 상기 반응기는 상기 입구와 출구 사이에 위치되며, 주 흐름 통로를 따라 대부분이 통과하는 주 흐름 영역, 상기 주 흐름의 적은 부분이 통과하는 재순환 영역을 구비하며, 상기 방법에 있어서,

상기 주 유동 영역을 따른 경로에서 상기 주 유동의 대부분을 통과시키는 단계,

상기 재순환 영역을 통과하는 경로에서 상기 주 유동의 적은 부분을 통과시켜, 상기 재순환 영역에 있는 유체의 일부를 상기 입구에 가까운 영역으로 복귀시키는 재순환 와류를 형성하는 단계,

실질적인 난류 없이 상기 재순환 영역의 내부벽면을 따라 재순환 유체의 경계층을 흐르게 하는 단계,

상기 재순환 와류 유동의 주변부분이 상기 입구에 가까운 영역에서 상기 주 유동과 교차시키는 단계로서, 상기 주변 유동은 상기 주 유동보다 높은 속도를 가지며, 교차부를 지나서 상기 주변 유동은 상기 주 유동과 대략 같은 방향으로 움직이는 상기 단계,

실질적인 기계적 혼합이 아니라 확산에 의해 상기 주변 유동과 상기 주 유동을 혼합하는 단계 및,

상기 주 유동과 주변 유동 사이에 인터페이스 층을 형성하여, 상기 주변 유동의 유체로부터 열에너지가 상기 인터페이스 층을 통해 상기 주 유동 영역내의 유체로 전달되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연소기에서 연료를 반응시키는 방법.
제 24 항에 있어서, 상기 출구에서 배출되는 유체에 대한 상기 재순환 영역에 들어가는 유체의 용적은 상기 반응기가 연소실로서 기능하는 작동 모드에서 7% 이상인 것을 특징으로 하는, 연소기에서 연료를 반응시키는 방법.
제 24 항에 있어서, 상기 출구에서 배출되는 유체에 대한 상기 재순환 영역에 들어가는 유체의 용적은 상기 반응기가 개질기로서 기능하는 작동 모드에서 10% 이상인 것을 특징으로 하는, 연소기에서 연료를 반응시키는 방법.
제 24 항에 있어서, 상기 재순환 영역의 상기 내부벽면을 따르는 재순환 유체 유동의 경계층은 난류도가 0.2 미만인 것을 특징으로 하는, 연소기에서 연료를 반응시키는 방법.
제 27 항에 있어서, 상기 재순환 영역의 상기 내부벽면을 따르는 재순환 유체 유동의 경계층은 난류도가 0.008 ~ 0.01 인 것을 특징으로 하는, 연소기에서 연료를 반응시키는 방법.
제 24 항에 있어서, 상기 주변 와류 유동의 높은 속도와 상기 주 유동 영역에 들어가는 상기 주 유동의 속도의 비는, 상기 반응기가 연소실로서 기능하는 작동 모드에서 1.4 :1 이상인 것을 특징으로 하는, 연소기에서 연료를 반응시키는 방법.
제 24 항에 있어서, 상기 주변 와류 유동의 높은 속도와 상기 주 유동 영역에 들어가는 상기 주 유동의 속도의 비는, 상기 반응기가 개질기로서 기능하는 작동 모드에서 2 :1 이상인 것을 특징으로 하는, 연소기에서 연료를 반응시키는 방법.
제 24 항에 있어서, 상기 재순환 와류 유동내의 유체가 층으로 운동하게 하는 단계를 더 포함하며, 이 층들은 와류 내에서 실질적으로 방사상으로 혼합되지 않는 것을 특징으로 하는, 연소기에서 연료를 반응시키는 방법.
제 24 항에 있어서, 열에너지가 내층으로부터 외층으로 전달되는 것을 특징으로 하는, 연소기에서 연료를 반응시키는 방법.
제 24 항에 있어서, 상기 인터페이스 층에 가까운 상기 유체의 표면 영역에서 상기 입구를 통해 들어오는 유체를, 상기 인터페이스 층과의 접촉에 의해 점화 시켜, 연소기용 파일롯 화염으로서 작용하게 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 연소기에서 연료를 반응시키는 방법.
제 24 항에 있어서, 상기 주 유동내의 유체와 상기 주변 와류 유동내의 유체 사이에서 상당한 난류 없이 혼합시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 연소기에서 연료를 반응시키는 방법.
제 24 항에 있어서, 열 노즐이 상기 주 유동 영역에서 발생하여 유지되게 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 연소기에서 연료를 반응시키는 방법.
제 24 항에 있어서, 상기 인터페이스 층 내에서 연소와 연료 개질 모두를 발생시키고 연소기의 작동중에 연소와 개질의 상기 조합을 유지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 연소기에서 연료를 반응시키는 방법.
제 24 항에 있어서, 입구의 단면적을 감소시켜서 상기 반응기가 연소실로서 기능하는 작동 모드를 상기 반응기가 개질기로서 기능하는 작동 모드로 전환시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 연소기에서 연료를 반응시키는 방법.