KR20070105868A - 초저 ＮＯｘ 버너 조립체 - Google Patents

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KR20070105868A
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에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
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Abstract

본 발명의 버너 조립체는, (a) 둘레부, 연소 영역에 인접한 배출 단부 및 상기 연소 영역으로 연장하는 축선을 갖는 세장형(細長型) 본체; (b) 상기 세장형 본체의 배출 단부에 배치되고, 연소 영역 내로 가스상 산화제를 배출하도록 되어 있는 하나 이상의 산화제 노즐; 및 (c) 상기 세장형 본체의 배출 단부에 배치되고, 연소 영역 내로 연료를 배출하도록 되어 있는 하나 이상의 연료 노즐을 포함한다. 산화제 및 연료 노즐 중 적어도 하나는, 배출 개구의 둘레 치수가 P, 배출 개구의 면적이 A라 할 때에 σ=P2/2A로 정의되는 무차원 매개변수인 형상 인자 σ가 약 10보다 크다는 것을 특징으로 한다.

Description

초저 ＮＯｘ 버너 조립체{ULTRA-LOW NOx BURNER ASSEMBLY}
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 버너 조립체의 축방향 단면도,
도 2는 상기 버너 조립체의 배출 단부를 도시하는 도 1의 실시형태의 정면도,
도 3은 본 발명의 대안적 실시형태에 따른 버너 조립체의 정면도,
도 4는 본 발명의 또 다른 대안적 실시형태에 따른 버너 조립체의 정면도,
도 5는 본 발명의 다양한 실시형태에서 사용되는 화염 안정장치의 축방향 단면도,
도 6은 본 발명의 다양한 실시형태에서 사용되는 노즐 조립체의 사시도,
도 7은 도 6의 노즐의 선 I-I에 따른 축방향 단면 사시도,
도 8(a)는 노즐 본체의 배출 단부 또는 노즐을 도시하는 도 6의 노즐 본체의 정면도,
도 8(b)는 도 8(a)의 선 II-II에 따른 단면도,
도 8(c)는 도 8(a)의 선 III-III에 따른 단면도,
도 8(d)는 노즐 본체의 입구 단부를 도시하는 도 6의 노즐 본체의 배면도,
도 9는 본 발명의 다양한 실시형태에서 사용되는 대안적 노즐 조립체의 사시도,
도 10(a)는 노즐 본체의 배출 단부 또는 노즐을 도시하는 도 9의 노즐 본체의 정면도,
도 10(b)는 도 10(a)의 선 IV-IV에 따른 단면도,
도 10(c)는 도 10(a)의 선 V-V에 따른 단면도,
도 11은 도 10(a), 도 10(b) 및 도 10(c)의 노즐 본체의 다양한 기하학적 설계 매개변수의 정의를 나타내는 도면,
도 12는 도 8(a), 도 8(b) 및 도 8(c)의 노즐 본체의 다양한 기하학적 설계 매개변수의 정의를 나타내는 도면,
도 13은 전형적인 연소 공정에 대한 산화제 내의 %산소 대 NOx 발생에 대한 그래프,
도 14는 실시예에 대한 vG=vNGvO2cos(a-b)/(vNGsina+vO2sinb)로 정의되는 기하학적 속도(geometric velocity) 대 NO2 배출물을 나타내는 그래프,
도 15는 실시예에 대한 열전달 효율 대 산소 부하를 나타내는 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
2: 산화 가스 도관 3: 산화제 파이프
4: 버너 타일 5: 매니폴드
6: 연료 랜스 8: 유동 분배기
10: 연료 파이프 11: 2차 산화 가스 파이프
15: 오리피스 18: 개시 랜스
20: 연소 영역 22: 버너 조립체의 축선
본 발명은 NOx의 배출 수준을 낮게 한 초저 NOx 버너에 관한 것이다.
질소 산화물(NOx)는 연소 과정에 의해 배출되는 주요 공기 오염물질 중 하나이다. 질소산화물은 스모그를 유발하는 유해한 대기 반응 생성물의 형성을 촉진하기 때문에, 대기로 배출될 수 있는 NOx의 양을 제한하기 위해 여러 정부 기관에 의해 대기 환경 기준(air quality standard)이 제시되어 왔다. 여러 국가에서의 환경 관련 법률의 증가 및 대기 오염에 대한 증가하는 세계적 자각의 결과로, 현대의 연소 기술은 여러 유형의 연소 장치로부터의 NOx의 배출을 억제하도록 개선되어 왔다. 현재까지의 대부분의 노력은 연소에 의해 형성되는 NOx의 대부분을 차지하는 열적 질소 산화물(thermal NOx)의 감소에 집중되어 왔다. 스테이징(staging)과 같은 종래 여러 NOx 감소 기술은 열적 NOx 형성을 억제하지만, 프롬프트 질소 산화물(prompt NOx)에 대해서는 효과적이지 않다. 연소 기술에 있어서의 진보는 열적 NOx 및 프롬프트 NOx 양자의 발생을 제어하여 공기 연료 연소에 따른 총 NOx 배출 수준을 10ppmv 이하로 줄이도록 요구되고 있다.
고철 산업(secondary metals industry)은 일반적으로 NOx 오염의 주요 원인인 것으로 간주되고 있으며, 따라서 NOx 배출에 대해 엄격한 규제를 받고 있다. 이와 같은 산업에 있어서, 연소 공정에 있어서 NOx 발생의 감소는 금속에 대한 수요는 증가되는 반면 NOx에 대한 환경 규제가 점점 엄격해짐에 따라 더욱 중요해 지고 있다. 이론적으로 완전 순 산소 연소(full oxy-fuel combustion)는 산화제 내의 질소의 부족으로 인해 NOx 배출량을 매우 낮게 발생시킬 수 있다. 그러나 재생 알루미늄(secondary aluminum)의 용해와 같은 일부 산업 공정은 노 내로 다량의 공기가 진입할 여지가 많으며, 이때에 순산소 연료 연소 화염의 매우 높은 화염 온도가 열적 NOx 형성을 증가시킨다. 또한, 철강 산업은 NOx 배출의 제어에 있어 유사한 과제에 직면해 있으며, 강철 재열 및 레들 예열(ladle preheating)과 같은 공정들은 공정 노 내로의 공기 누출로 인해 큰 NOx 발생원이 된다.
공기-연료 연소는 열 회수 방법 없이는 비효율적인 것으로 유명하다. 연소용 공기 대신에 산소 또는 산소 부화 공기(oxygen-enriched air)를 사용하면 화염 온도의 증가 및 이에 따른 장입물(load)로의 복사열 전달을 증가시키며, 또한 공기 내의 질소의 낭비적인 가열을 제거함으로써 연소 공정으로부터 유용한 프로세스 열의 양을 증가시킨다. 가장 좋은 예가 출역식 버너를 사용하는 것인 열 회수를 수반한 공기-연료 연소는 순 산소-연료 연소에 대한 대안예이다. 통상의 구성에 있어서, 축열식 버너는 하나의 버너가 점화되는 동안 다른 버너는 배연(flue gas)이 노로부터 배기되어 열 저장 물질의 베드를 통해 유동하는 배출관으로 작용하도록 노 내에 쌍으로 설치된다. 미리 설정된 간격으로, 2개의 버너는 역할을 전환하고, 연료 공기는 축열식 베드 위를 유동하여 예열된다. 이러한 축열식 공기-연료 버너의 대부분은 일반적으로 수백 ppmv 범위의 NOx 배출을 발생시킨다.
비교적 새로운 NOx 제어 기술은 연소용 반응물질이 혼합 및 반응하기 전에 고도로 희석되는 무화염 연소(flameless combustion)로서 당해 기술 분야에 알려져 있다. 반응물질은 일반적으로 연소 반응이 발생하기 전에 연소 생성물을 혼입(entraining)시킴으로써 희석된다. 연소의 이러한 유형은 통상적으로 산화 가스가 17% 산소 이하의 수준으로 희석되는 경우로, 화염 프런트(flame front)가 사라지고 연료가 무화염 형태로 산화되는 때에 발생한다. 이러한 기술의 핵심은 연료의 자동-점화 온도 이상으로 노 온도를 유지하는 것과 매우 견고한 화염 안정장치를 사용하는 것이다.
처리 산업(process industries), 특히 고철 산업에 있어서, NOx 형성을 감소하고 에너지 소비를 최적화하는 개선된 연소 기술에 대한 요구가 있다. 무화염 연소 공정에 대한 개선은 공기, 부화 공기, 순수 산소 및/또는 그들의 조합을 포함하는 다양한 산화제를 사용하는 여러 작동 모드에서 연소를 발생시킬 수 있으면서, 모든 작동 모드 중에 낮은 NOx 생성을 달성하는 버너에 대해 요구된다. 또한, 용해로 내의 원료 금속 장입물에 대해 열 분포를 균일하게 하는 개선된 무화염 연소 공정에 대한 요구가 있다.
이러한 요구는 이하 설명되고 첨부되는 특허청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 실시형태에 의해 실현된다.
본 발명의 일 실시형태는 (a) 주변부, 연소 영역에 인접한 배출 단부 및 상기 연소 영역으로 연장하는 축선을 갖는 세장형(細長型) 본체; (b) 상기 세장형 본 체의 배출 단부에 배치되고 연소 영역 내로 가스상 산화제를 배출하도록 된 하나 이상의 산화제 노즐; 및 (c) 상기 세장형 본체의 배출 단부에 배치되고 연소 영역 내로 연료를 배출하도록 된 하나 이상의 연료 노즐을 포함하는 버너 조립체에 관한 것이다. 산화제 및 연료 노즐 중 적어도 하나는, 배출 개구의 둘레 치수가 P, 배출 개구의 면적이 A라 할 때에 σ=P2/2A로 정의되는 무차원 매개변수인 형상 인자 σ가 약 10보다 크다는 것을 특징으로 한다.
하나 이상의 연료 노즐 중 적어도 하나와, 하나 이상의 산화제 노즐 중 적어도 하나는 상기 축선으로부터 반경 방향으로 동일한 거리에 위치할 수 있다. 하나 이상의 연료 노즐 모두 및 하나 이상의 산화제 노즐 모두가 상기 축선으로부터 반경 방향으로 동일한 거리에 위치할 수 있다. 상기 하나 이상의 연료 노즐 중 적어도 하나는 2개의 산화제 노즐 사이에 배치될 수 있다.
하나 이상의 연료 노즐 중 적어도 하나는 하나 이상의 산화제 노즐 중 적어도 하나의 상기 축선으로부터의 반경 방향 거리보다 먼, 상기 축선으로부터 반경 방향 거리에 위치할 수 있다. 하나 이상의 연료 노즐 모두가 하나 이상의 산화제 노즐 모두의 상기 축선으로부터의 반경 방향 거리보다 먼, 상기 축선으로부터 반경 방향 거리에 위치할 수 있다.
하나 이상의 산화제 노즐 중 적어도 하나는 하나 이상의 연료 노즐 중 적어도 하나의 상기 축선으로부터 반경 방향 거리보다 큰, 상기 축선으로부터 반경 방향 거리에 위치할 수 있다. 모든 산화제 노즐이 상기 축선으로부터 연료 노즐 모 두의 반경 방향 거리보다 먼, 상기 축선으로부터 반경 방향 거리에 위치할 수 있다.
버너 조립체의 세장형 본체는 상기 세장형 본체의 축선을 포함하는 수평면에 의해 분할될 수 있으며, 상기 평면 위에 배치되는 산화제 노즐의 개수는 상기 평면 아래 배치되는 산화제 노즐의 개수보다 많으며, 상기 평면 아래 배치되는 연료 노즐의 개수는 상기 평면 위에 배치되는 연료 노즐의 개수보다 많다. 산화제 노즐 모두는 상기 평면 위에 배치될 수 있고, 연료 노즐 모두는 상기 평면 아래에 배치될 수 있다.
대안적으로, 버너 조립체의 세장형 본체는 상기 세장형 본체의 축선을 포함하는 수평면에 의해 분할될 수 있으며, 상기 평면 아래 배치되는 산화제 노즐의 개수는 상기 평면 위에 배치되는 산화제 노즐의 개수보다 많으며, 상기 평면 위에 배치되는 연료 노즐의 개수는 상기 평면 아래에 배치되는 연료 노즐의 개수보다 많다.
버너 조립체는 세장형 본체의 둘레 내에 배치되는 적어도 하나의 화염 안정장치를 포함할 수 있다. 화염 안전장치는 하나 이상의 산화 가스로 화염 안정장치 연료를 연소시켜, 연소 생성물을 형성하고 이 연소 생성물을 연소 영역 내로 배출하도록 되어 있다. 화염 안전장치는 세장형 본체의 축선과 동축을 이루는 화염 안전장치 축선에 의해 특징지어질 수 있다.
버너 조립체는 세장형 본체의 주변부 내에 배치되고 연소 영역과 유통하는 통로를 포함하며, 이 통로는 연소 영역 내로 산소 함유 가스를 도입하고 연소 영역 으로부터 연소 생성물을 취출하도록 되어 있다. 상기 통로는 세장형 본체의 축선과 평행하거나 일치하는 축선에 의해 특징지어질 수 있는데, 여기서 하나 이상의 연료 노즐 및 하나 이상의 산화제 노즐은 상기 통로로부터 이격되어 상기 통로 주위에 배치된다. 버너 조립체는 상기 통로 내에 배치되는, 상기 통로의 축선에 평행하거나 일치하는 축선에 의해 특징지어지는 화염 안전장치를 포함할 수 있다. 버너 조립체는 상기 통로와 세장형 본체의 주변부 사이에 배치되는 화염 안전장치를 포함할 수 있다.
버너 조립체는 세장형 본체의 주변부 내에 배치되고, 20.9vol% 내지 99.5vol% 산소 이상의 범위 내의 조성을 갖는 산소 함유 가스로 연료를 연소시키고 연소 영역 내로 연소 생성물을 배출하도록 된 보조 버너를 포함할 수 있다. 보조 버너는 상기 축선으로부터 하나 이상의 연료 및 산화제 노즐의 반경 방향 거리보다 짧은, 세장형 본체의 축선으로부터의 반경 방향 거리에 배치될 수 있다.
버너 조립체에 있어서, 하나 이상의 연료 노즐 중 적어도 하나는 45°이하의 끼인각으로 세장형 본체의 축선을 포함하는 평면과 교차하는 방향으로 연료를 배출하도록 되어 있을 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 하나 이상의 연료 노즐 중 적어도 하나는 45°이하의 끼인각으로 세장형 본체의 축선을 포함하는 평면으로부터 발산하는 방향으로 연료를 배출하도록 되어 있을 수 있다.
하나 이상의 산화제 노즐 중 적어도 하나는 45°이하의 끼인각으로 세장형 본체의 축선을 포함하는 평면과 교차하는 방향으로 가스상 산화제를 배출하도록 되어 있을 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 하나 이상의 산화제 노즐 중 적어 도 하나는 45°이하의 끼인각으로 세장형 본체의 축선을 포함하는 평면으로부터 발산하는 방향으로 가스상 산화제를 배출하도록 되어 있을 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시형태는 (a) 주변부, 연소 영역에 인접한 배출 단부 및 상기 연소 영역으로 연장하는 축선을 갖는 세장형(細長型) 본체; (b) 상기 세장형 본체의 배출 단부에 배치되고 연소 영역 내로 연료를 배출하도록 된 하나 이상의 연료 노즐; 및 (c) 세장형 본체 내에 배치되어, 20.9vol% 내지 99.5vol% 산소 이상의 범위 내의 조성을 갖는 산소 함유 가스로 연료를 연소시키고, 연소 영역 내로 연소 생성물을 배출하도록 되어 있는 보조 버너를 구비하는 버너 조립체를 포함한다. 연료 노즐 중 적어도 하나는, 배출 개구의 둘레 치수가 P, 배출 개구의 면적이 A라 할 때에 σ=P2/2A로 정의되는 무차원 매개변수인 형상 인자 σ가 약 10보다 크다는 것을 특징으로 한다.
보조 버너는 상기 세장형 본체의 축선으로부터의 하나 이상의 연료 노즐의 거리보다 짧은, 상기 축선으로부터 반경 방향 거리에 배치될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시형태는, (a) 버너 조립체를 제공하는 단계로서, (1) 주변부, 연소 영역에 인접한 배출 단부 및 상기 연소 영역으로 연장하는 축선을 갖는 세장형(細長型) 본체; (2) 상기 세장형 본체의 배출 단부에 배치되고 연소 영역 내로 가스상 산화제를 배출하도록 된 하나 이상의 산화제 노즐; 및 (3) 상기 세장형 본체의 배출 단부에 배치되고 연소 영역 내로 연료를 배출하도록 된 하나 이상의 연료 노즐을 포함하며, 산화제 및 연료 노즐 중 적어도 하나는, 배출 개구의 둘 레 치수가 P, 배출 개구의 면적이 A라 할 때에 σ=P2/2A로 정의되는 무차원 매개변수인 형상 인자 σ가 약 10보다 크다는 것을 특징으로 하는 것인, 상기 버너 조립체를 제공하는 단계와,
(b) 가스상 산화제를 하나 이상의 산화제 노즐을 통해 연소 영역 내로 배출하는 단계와,
(c) 연료를 하나 이상의 연료 노즐을 통해 연소 영역 내로 배출하고, 상기 연소 영역 내에서 가스상 산화제로 상기 연료를 연소시키는 단계를 포함하는 연소 방법에 관한 것이다.
가스상 산화제는 산소를 20.9vol%보다 많이 함유할 수 있다. 연료는 세장형 본체의 축선을 포함하는 평면과 교차하는 방향으로 하나 이상의 연료 노즐 중 적어도 하나를 통해 배출될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 연료는 세장형 본체의 축선을 포함하는 평면과 교차하지 않는 방향으로 하나 이상의 연료 노즐 중 적어도 하나를 통해 배출될 수 있다.
상기 연소 방법은, 세장형 본체의 주변부 내에 배치되는 적어도 하나의 화염 안정장치를 제공하는 단계로서, 하나 이상의 산화 가스로 화염 안정장치 연료를 연소시켜, 연소 생성물을 형성하고 이 연소 생성물을 연소 영역 내로 배출하도록 되어 있는 상기 화염 안정장치를 제공하는 단계와, 하나 이상의 산화 가스로 화염 안정장치 연료를 연소시켜 연소 생성물을 형성하는 단계 및 상기 연소 생성물을 상기 연소 영역 내로 배출하는 단계를 더 포함할 수 있다. 가스상 산화제 중의 산소의 농도는 하나 이상의 산화 가스 중의 산소의 농도보다 클 수 있다.
본 발명에 따른 또 다른 실시형태는 (a) 버너 조립체를 제공하는 단계로서, (1) 주변부, 연소 영역에 인접한 배출 단부 및 상기 연소 영역으로 연장하는 축선을 갖는 세장형(細長型) 본체; (2) 상기 세장형 본체의 배출 단부에 배치되고 연소 영역 내로 가스상 산화제를 배출하도록 되어 있는 하나 이상의 산화제 노즐; (3) 상기 세장형 본체의 배출 단부에 배치되고 연소 영역 내로 연료를 배출하도록 되어 있는 하나 이상의 연료 노즐; 및 (4) 세장형 본체의 둘레 내에 배치되고 연소 영역과 유통하여, 산소 함유 가스를 연소 영역 내로 도입하고 연소 영역으로부터 연소 생성물을 취출하도록 된 통로를 포함하며, 상기 산화제 및 연료 노즐 중 적어도 하나는, 배출 개구의 둘레 치수가 P, 배출 개구의 면적이 A라 할 때에 σ=P2/2A로 정의되는 무차원 매개변수인 형상 인자 σ가 약 10보다 크다는 것을 특징으로 하는 인, 상기 버너 조립체를 제공하는 단계와,
(b) 제1 시기 동안, 산소 함유 가스를 상기 통로를 통해 연소 영역 내로 도입하고, 상기 가스상 산화제를 하나 이상의 산화제 노즐을 통해 연소 영역 내로 도입하며, 상기 연료를 하나 이상의 연료 노즐을 통해 연소 영역 내로 도입하여, 연소 영역 내에서 연료를 연소시켜 연소 생성물을 발생시키는 단계와,
(c) 제2시기 동안, 산소 함유 가스, 가스상 산화제 및 연료의 연소 영역 내로의 도입을 종료하고, 상기 연소 생성물 중 적어도 일부를 상기 통로를 통해 연소 영역으로부터 취출하는 단계를 갖는 연소 방법을 포함한다.
본 실시형태에서 가스상 산화제 중의 산소 농도는 산소 함유 가스 중의 산소 농도보다 클 수 있다.
본 발명의 실시형태는, 20.9vol%(공기)로부터 99.5vol%(고 순도 산소)보다 큰 범위에 이르는 산소 농도를 갖는 다양한 산소-함유 가스로 작동할 수 있는 초저 NOx 버너에 관한 것이다. 일 실시형태에서, 연료 및 가스상 산화제 각각의 흐름을 노(furnace) 또는 연소 영역 내로 분사하기 위한 다수의 노즐에 의해 둘러싸이는 중앙 화염 안정장치를 갖는 버너 조립체가 지속적 연소 작용을 위해 제공된다. 연료 노즐은 통상적으로 화염 안정장치 축선으로부터 가스상 산화제 노즐의 반경 방향 거리와 동일하거나 보다 큰, 화염 안정장치 축선으로부터의 반경 방향 거리에 위치한다. 노즐을 통해 분사되는 가스상 산화제는 산소를 65vol%보다 많이 함유할 수 있다. 중앙 화염 안정장치는 공기, 산소 부화 공기, 고 순도 산소 또는 이들의 조합 중 선택된 하나 이상의 산화 가스로 연료를 연소시킨다. 버너 조립체는 중앙 화염 안정장치 없이 작동될 수도 있으며, 이때 모든 연소는 노즐을 통해 도입된 가스상 산화제 및 연료 흐름에 의해 이루어진다.
또 다른 실시형태에서, 버너 조립체는 버너가 연소 단계 동안에는 산소 함유 가스(예를 들어, 공기)를 노 또는 연소 영역으로 도입하고 배출 단계 동안에는 상기 노로부터 연소 생성물을 취출하기 위한 중앙 도관을 구비하고 있는 축열식 연소에 사용하도록 마련된다. 한 쌍의 버너는 하나는 연소 단계로 연소를 행하며, 다른 하나는 배출 단계로 연소 생성물 취출을 행하면서 교대로 작동할 수 있다. 연 료 및 가스상 산화제는 연소 단계 동안에 중앙 도관을 둘러싸는 다수의 노즐을 통해 각각 도입되고, 적어도 하나의 화염 안정장치는 상기 중앙 도관의 내측 또는 외측 중 어느 하나에 제공될 수 있다. 연료 노즐은 통상적으로 중앙 도관 축선으로부터의 산화제 노즐의 반경 방향 거리와 동일하거나 그 거리보다 큰, 상기 중앙 도관 축선으로부터의 반경 방향 거리에 위치한다. 노즐을 통해 분사된 가스상 산화제는 산소를 65vol%보다 많이 함유할 수 있다. 화염 안정장치 각각은 공기, 산소 부화 공기, 고 순도 산소, 또는 이들의 조합으로부터 선택된 하나 이상의 산소 함유 가스로 연료를 연소시킨다.
본 명세서에서 설명하고 있는 버너 조립체는 화염 안정장치에 의해 안정화 광범위 또는 분포 연소 공정(spaceous or distributed combustion process)을 사용하여 노 또는 연소 영역 내의 장입물에 대한 균일 가열을 행함으로써 저 NOx 레벨을 생성한다. 당 기술분야에서 무화염 연소로서 알려진 광범위 분포된 연소는 연료 및 산화제가 노 내에서의 반응 이전에 급속도로 희석될 때 발생한다. 버너 조립체는 노 내에서의 여러 공정 요구 조건을 만족하도록 다양한 가열 모드에서 작동될 수 있다. 하나의 모드에서, 가용 열의 최고 복사 열전달 및 최대량은 산화제 노즐에 의해 분사된 가스상 산화제, 화염 안정장치로의 산화 가스(들), 및/또는 중앙 도관에서 99.5vol% 보다 큰 값에 이르는 산소 농도를 제공된다. 또 다른 모드에서, 대류 및 복사 열전달의 최적의 결합은 분사된 가스상 산화제가 65vol%에 이르는 산소를 포함하고 있는 부화 공기/연료 모드에서 버너를 작동시킴으로써 제공된다. 세번째 모드에서, 비용 효율적인 작동은 모든 가스상 산화제 및 산화 가스 를 공기로 하는 공기/연료 연소를 사용함으로써 공정 열 요구가 낮을 때 제공된다. 작동은 상이한 열전달 메커니즘 및 공정 열 요구 조건을 제공하도록 필요에 따라 전술한 3개의 모드 사이에서 필요에 따라 전환될 수 있다.
연료 및 가스상 산화제 분사 노즐은 이하에서 설명하는 바와 같이, 다량의 유체 혼입(fluid entrainment)을 생성하여, 연료 및 산화제 흐름이 반응하기 전에 분사된 연료 및 산화제 흐름이 노 연소 가스로 희석되는 배출 개구 구조를 가질 수 있다. 노즐은 배출 개구의 둘레 치수가 P, 배출 개구의 면적이 A라 할 때에 다음과 같이 정의되는 무차원 매개변수인 형상 인자 σ가 약 10보다 크다는 것을 특징으로 한다.
σ=P2/2A
둘레 치수는 노즐이 연소 영역 내로 배출하고 있는 노즐면의 평면에서 측정되는 배출 개구의 접수 가장자리(wetted edge)의 치수이다.
본 발명의 실시형태는 예를 들어, 재생 알루미늄 용융, 강철 재열 및 레들 예열과 같은 산업 분야에서 사용될 수 있다. 재생 알루미늄 융해기는 스크랩 재료를 용융시키고 다시 주조함으로써 재활용하는 것으로서, 이는 미국 내의 전체 1차 알루미늄 생산의 대략 33%를 차지한다. 이러한 산업에서는 특히 에너지 비용이 최근 들어 꾸준히 증가하고 있기 때문에 에너지 절약이 중요하다. 공정 최적화 및 열 회수는 모두 상당한 에너지 절감을 가져온다. 비록 알루미늄 용융을 위한 연소로에는 4개 또는 5개의 상이한 유형이 있지만, 가장 광범위하게 사용되는 2개의 유 형으로는 반사로와 회전로가 있다. 반사로는 벽 연소식(wall-fired) 버너를 갖춘 대형 탱크로서, 알루미늄 스크랩이 노 내에 장입되어 가열 용융되고, 액상 알루미늄이 반연속식으로 노로부터 출탕된다. 회전로는 축선을 중심으로 회전하며, 그 일단부의 도어 상에 버너가 설치되어 있는 내화재가 라이닝된 금속 실린더이다.
알루미늄 용융 공정은 충적물의 용융(pile melt-down), 배스 과열(bath superheating) 및 출탕(tapping)을 비롯한 여러 단계로 발생한다. 처음에 장입된 노는 간극 공간의 형태로 여유 부피를 갖는 스크랩 금속의 충적물(pile)로 충전된다. 충적물 내의 모든 금속 표면에 도달하기 위한 화염 복사선의 "가시 범위"의 부족으로 인해, 이 단계에서는 강제 대류가 열전달의 가장 효율적인 형태이다. 고체 알루미늄은 매우 높은 열전도도 및 열용량으로 인해 상당한 히트 싱크(heat sink)가 된다. 따라서, 이 단계는 열이 스크랩 금속 충적물 안으로 깊숙이 공급될 수 있게 하는 높은 유동 운동량(flow momentum)을 갖는 연소 가스를 제공하는 연소 공정을 요구한다. 이러한 가열 특성은 산소 부화 공기-연료 버너에 의해 가장 우수하게 제공되며, 이때 가스상 산화제는 35 내지 65vol% 산소를 함유한다.
일단 다량의 금속 충적물이 용융 배스로 용융되면, 노 내의 복사 시각 인자(radiation view factor)는 훨씬 개선되어, 복사가 잔존 고체를 용융하기 하고 요구되는 합금 및 주탕 온도(alloying and pouring temperature)까지 용융 배스를 과열하기 위한 우선적인 열전달 메커니즘이 된다. 용융 배스로의 복사는 화염, 내화재 및 연소 생성물 내의 삼원자 가스에 의해 제공된다. 이 단계에서는 가능한 최대 화염 온도를 제공하기 위해, 65vol% 내지 99.5vol% 이상의 산소를 포함하는 가스상 산화제를 사용하여 달성할 수 있는 순 산소 연소가 적합한 선택이다. 일단, 모든 고체가 용융되고, 상기 용융 배스가 과열되면, 액상 금속은 임의의 유지 기간 후에 출탕된다. 이 기간 동안에 가열 요구조건은 낮고, 열은 용융 배스의 온도를 유지하는 데에만 필요하다. 이 기간 동안, 가장 경제적인 가열은 가스상 산화제 및 산화 가스 모두를 공기로 하는 종래의 공기-연료 산화에 의해 제공된다.
따라서, 본 발명의 실시형태는 전술된 각각의 공정 단계 동안 가장 효율적인 열전달을 제공하도록 작동될 수 있는 유통성 있는 버너 조립체를 제공한다. 알루미늄 용융에 대해 전술되었지만, 이러한 실시형태는 강철 재열 및 레들 예열과 같은 다른 금속 공정에 적용될 수 있으며, 또한 유리 용융 분야에 적용될 수도 있다.
본 상세한 설명에 있어서, "버너 조립체" 및 "버너"라는 용어는 동일한 것으로서 산소 함유 가스로 제공된 산소와 연료의 연소를 위한 조립된 부품의 장치를 의미한다. "연소 영역"이라는 용어는 연소 반응이 발생하는 노와 같은 폐쇄체로서 정의되며, 연소 반응 중 적어도 하나는 탄소산화물 및/또는 물과 열을 형성하도록 탄소 및/또는 수소 함유 연료와 산소의 반응일 수 있다. 축방향 본체는 축선에 의해 기하학적으로 형성되고 상기 축방향에서 정해지는 하나의 치수 및 상기 축선에 직교하는 반경 방향에서 정해지는 또 다른 치수를 갖는 세장형 공간이다. 반경 방향의 치수는 임의의 축선 위치에서 일정할 것이며(즉, 실린더를 형성), 또는 축방향 위치에 따라 및/또는 축선을 중심으로 각도 위치에 따라 달리할 수 있다. 축방향 본체는 연소 영역에 인접하는 적어도 하나의 단부에 의해 특징지어진다.
화염 안정장치는 화염을 버너 조립체에 정착시켜, 화염 안정성을 제공함으로 써, 버너 조립체의 안정적인 작동을 보장하도록 작용하는 버너 조립체 내의 하나의 장치로서 정의된다. 화염 안정장치는 연속적으로 또는 단속적으로 작동될 수 있다.
화염 안정장치의 한가지 형태로는 하나 이상의 산화 가스로 제공된 산소와 연료를 연소시키기 위한 연소 장치이며, 여기서 산화 가스는 축방향으로 상기 화염 안정장치의 일부를 통해 유동한다. 화염 안정장치 내의 일부 지점에서, 산화 가스의 방향은 연료와 접촉 및 반응하기 전에 축방향으로부터 적어도 90°변경된다. 방향에 있어서의 변경은 산화 가스의 흐름 안으로 연장하는 블러프 부재(bluff body)에 의해 기계적으로 또는 다수의 유동하는 산화 가스 흐름 간의 속도차에 의해 유발되는 차압에 의해 유체적으로 달성될 수 있다. 이러한 형태의 유체식 화염 안정장치 또는 기계식 화염 안정장치는 연소 영역 내로 연소 생성물을 배출한다.
화염 안정장치의 또 다른 형태로는 다량의 열 에너지를 버너 조립체로 도입하여 화염 안정성을 보장하는 에너지 장치가 있다. 이러한 에너지 장치는 예를 들어, 공기 등의 산소 함유 가스와 연료를 함유한 예비 혼합 가스를 연소시키는 순 산소 연소 버너(oxy-fuel burner) 또는 파일럿 버너(pilot burner)일 수 있다. 보조 버너로서도 정의될 수 있는 파일럿 버너는 메인 버너 또는 버너 조립체를 점화시키는 데에 사용되는 화염을 생성하도록 메인 버너 또는 버너 조립체에 근접하여 설치되는 소형 버너이다. 보조 버너는 작동 전반에 걸쳐서 켜진 상태를 유지될 수 있나, 메인 버너 또는 버너 조립체가 켜진 경우에 꺼질 수 있다. 이와 달리, 화염 안정장치는 스파크 점화기 또는 플라즈마 발생기와 같은 비연소식 에너지 장치일 수도 있다.
노즐은 2차 유체 내로 1차 유체를 도입하여 두 유체의 효율적인 혼합을 촉진하기 위한 유체 분사 장치이다. 노즐은 1차 유체가 2차 유체 내로 배출되는 개구에 의해 형성된다. 노즐은 이 노즐에 1차 유체를 급송하기 위한 파이프, 매니폴드, 또는 기타 통로에 부착된 중공이며 통상 원통형의 본체에 부착될 수 있다. 이와 달리, 노즐은 매니폴드의 일체형 부품일 수 있으며, 이때 노즐을 형성하는 개구는 매니폴드의 외측벽에 직접 위치된다. 통상적으로, 1차 유체는 노즐을 통과할 때에 압력 강하를 겪게 된다.
본 명세서에서 가스상 산화제는 노즐을 통해 배출되는 산소 함유 가스로서 정의된다. 산화 가스는 화염 안정장치에 사용되는 산소 함유 가스로서 정의된다. 통상적으로, 가스상 산화제 중의 산소 농도는 산화 가스 중의 산소 농도보다 크다. "산소 부화(oxygen-enriched)"라는 용어는 공기의 농도보다 큰 산소 농도를 갖는 산소 함유 가스를 의미한다. "순 산소 연소(oxy-fuel)"라는 용어는 산소 부화 가스와 연료의 연소를 의미한다.
연료는 산소와 함께 연소하여 연소 생성물을 형성할 수 있는 원소 또는 화합물을 포함한다. "연소 생성물"이라는 용어는 탄소 산화물, 물, 미반응 연료, 미반응 산소, 질소 산화물, 황 산화물 및 질소와 아르곤을 비롯한 공기로부터의 불활성 성분 중 임의의 것을 포함하는 가스 혼합물을 의미한다. 통상적으로, 연료는 단상의 가스 또는 액체이지만, 대안적으로는 탄화수소 액체와 가연성 가스의 2상 혼합물과 같은 유동성 다상 유체, 액상 탄화수소와 물의 현탁액, 물 또는 공기 내의 고 상 탄소질 연료의 현탁물, 또는 액상 탄화수소 내의 고상 탄소질 연료의 현탁물일 수도 있다.
소정의 제1 및 제2 부재와 관련하여 적용되는 바와 같은 "유통"이라는 용어는 유체가 연결 파이프 및/또는 중간 부재를 통해 제1 부재로부터 제2 부재로, 그리고 제2 부재로부터 제1 부재로 유동할 수 있음을 의미한다. 제1 및 제2 부재에 적용될 때의 "연결되다"라는 용어는 유체가 연결 파이프를 통해 제1 부재로부터 제2 부재로, 그리고 제2 부재로부터 제1 부재로 유동할 수 있음을 의미한다.
본 명세서에 사용된 단수 명사는 상세한 설명 및 특허청구범위에 설명된 본 발명의 실시형태에서의 소정의 특징에 적용될 때 하나 또는 그 이상을 의미한다. 단수 명사의 사용은 특별히 한정하지 않는 한, 단일의 구성 요소로 그 의미가 제한되는 것은 아니다. 단수 또는 복수 명사 앞에 사용된 "상기"는 하나의 특정된 특징 또는 다수의 특정된 특징들을 의미하고, 그것이 사용된 문맥에 따라 단수 또는 복수의 의미를 갖는다. "임의의"라는 표현은 어떠한 양 중 무작위로 하나, 또는 일부 또는 그 모두를 의미한다. 제1 구성과 제2 구성 사이에 위치되는 "및/또는"이라는 표현은 (1) 제1 요소, (2) 제2 요소, 및 (3) 제1 및 제2 요소 중 어느 하나를 의미한다.
본 발명의 제1 실시형태는 도 1에 버너 조립체의 축방향 단면도로 도시되어 있다. 버너 조립체는 외측의 가스상 산화제 파이프(3)에 의해 둘러싸인 중앙 산화 가스 도관(2)을 포함한다. 유체계, 즉 유체식 화염 안정장치는 중앙 산화 가스 도관(2) 내부에 위치되며, 상기 화염 안정장치는 산화 가스 도관(2) 내부에서 안으로 들어가게 위치한 연료 파이프(10) 및 이 연료 파이프(10)의 내부에서 안으로 들어가에 위치한 2차 산화 가스 파이프(11)를 포함한다. 연료 파이프 내부에서, 스월 베인(swirl vane; 9)이 연료 흐름 내에 소용돌이를 분포 및 생성시키는 데에 사용될 수 있다. 산화 가스 파이프(11)의 상류 단부에서, 오리피스(15)가 중앙 산화 가스 도관(2) 내로 흐르는 산화 가스의 양에 대한 2차 산화 가스 파이프(11) 내로 흐르는 산화 가스의 양을 제어한다. 산화 가스는 공기일 수 있다. 연료 랜스(lance; 18)는 화염 안정장치의 중앙에 위치될 수 있으며, 냉각된 노를 가동시킬 때에 연료를 분사하는 데에 사용될 수 있다.
화염 안정장치의 연료는 연료 입구(14)를 통해 파이프(10, 11) 사이의 환형부로 공급되며, 연료는 화염 안정장치 내에서, (1) 파이프(10) 및 중앙 산화 가스 도관(2) 사이의 환형부에서 유동하는 1차 산화 가스 및 (2) 파이프(11, 18) 사이의 환형부에서 유동하는 2차 산화 가스에 의해 연소한다. 화염 안정장치는 가스상의 연료 또는 액상 연료, 예를 들어, 천연 가스, 에탄, 프로판, 디젤유, 정련 연료 가스, 수소 또는 이들의 조합일 수 있다. 화염 안정장치로부터의 연소 생성물은 연소 영역(20)으로 배출된다. 버너 조립체 및 화염 안정장치는 축선(22)에 의해 특징지어진다.
가스상 산화제는 산소 입구(13)로 유입되어, 임의의 유동 분배기(8)(예를 들면, 천공판)를 거쳐 중앙 공기 도관(2)과 외측의 가스상 산화제 파이프(3) 사이의 환형부를 통해 흘러, 복수의 산화제 노즐(17)을 통해 연소 영역(20) 내로 배출된다. 통상적으로 가스상 산화제는 산소 부화 상태이며, 20.9vol%보다 크며 99.5vol% 이상에 이르는 농도의 산소를 포함할 수 있다. 통상적으로, 산화제 노즐은 버너 조립체의 축선에 직교하는 중앙 공기 도관(2)의 출구면에 놓인다.
스테이징 연료(staging fuel)는 입구 파이프(12)를 통해 도입되고, 매니폴드(5)에 의해 반경 방향으로 분배되며, 복수의 스테이징 연료 랜스(6)를 통해 상기 랜스의 단부에서 복수의 스테이징 연료 노즐(16)로 유동한다. 스테이징 연료는 산화제 노즐(17)로부터 배출되는 가스상 산화제 및 화염 안정장치로부터의 연소 생성물을 향해 내향각으로 안내될 수 있으며, 이러한 구성에 있어서 임의의 노즐(16)로부터 배출되는 스테이징 연료는 버너 조립체의 축선(22)을 포함하는 평면과 교차한다. 연료 유동 방향 및 축선(22)을 포함하는 평면 사이의 끼인각은 45°에 이를 수 있다. 대안적으로, 스테이징 연료는 산화제 노즐(17)로부터의 가스상 산화제 및 화염 안정장치로부터의 연소 생성물에서 멀어지는 외향각으로 안내될 수 있으며, 이러한 구성에 있어서 임의의 노즐(16)로부터 배출되는 스테이징 연료의 유동 방향은 버너 조립체의 축선(22)을 포함하는 평면으로부터 45°에 이르는 각도만큼 발산하게 된다. 노즐로부터의 연료 유동의 방향은 노즐 간에 임의의 원하는 조합으로 변경될 수 있다.
스테이징 가스는 가스상의 연료 또는 액상 연료, 예를 들어 천연 가스, 에탄, 프로판, 디젤유, 정련 연료 가스, 수소 또는 이들의 조합일 수 있다. 스테이징 연료는 화염 안정장치 연료와 동일하거나 상이할 수 있다.
화염 안정장치 및 노즐의 예시적인 구성은 도 1의 버너 조립체를 정면에서 본 정면도인 도 2에 도시되어 있다. 버너 조립체는 버너 타일(4) 내부에 수용되 고, 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이 연소 영역(20) 내로 배출된다. 스테이징 연료 랜스(6)는 버너 조립체 축선을 중심으로 반경 방향으로 배향되어 버너 타일(4)에 이르며, 랜스 각각은 버너 타일(4)의 정면에 연료 노즐(16)을 갖고 있다. 산화제 노즐(17)은 본 실시형태에서, 산화제 노즐(17)이 연료 노즐 개구(16)보다 버너 조립체 축선으로부터 더 작은 반경 방향 거리에 위치되도록 중앙 산화 가스 도관(2)과 외측의 가스상 산화제 파이프(3) 사이의 환형부 내에 버너 조립체 축선을 중심으로 반경 방향으로 배향된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 가스상 산화제 노즐 및 연료 노즐의 각도 위치(즉, 원주 방향 위치)를 엇갈리게 배치하는 것이 바람직하다. 산화제 노즐로부터 배출되는 가스의 방향은 연료 노즐에 대해 전술된 것과 유사한 방식으로 변경될 수 있다.
2개의 임의의 순 산소 연소 화염 안정장치(19, 19a)는 버너 타일의 하부 절반부에 설치되어, 순 산소 연소 동안에 화염 안정성을 제공할 수 있다. 임의의 화염 안정장치 내의 산화 가스는 노즐(17)을 지나는 가스상 산화제와 동일하다. 이러한 산소 부화 작동 모드는 순 산소 연소로서 설명될 것이다. 순 산소 연소 화염 안정장치는 만약, 노 온도가 연료의 자동 점화 온도보다 낮은 경우, 완전 순 산소 연소 모드(즉, 산화 가스가 65vol%보다 많은 산소를 포함)에서 요구될 수 있다. 중앙 화염 안정장치는 통상적으로 공기-연료 작동과, 공기-연료에서부터 순 산소 연소로의 전이 기간 동안을 위해 사용될 것이다. 일단 순 산소 연소가 안정화되면, 공기-연료 중앙 화염 안정장치는 꺼질 것이다.
본 발명의 대안적 실시형태에 있어서, 중앙 화염 안정장치는 사용되지 않으 며, 그 대신에, 하나 이상의 소형 화염 안정장치(24, 26)가 도 3에 도시된 바와 같이 버너 타일(4) 내에 설치된다. 이러한 구성에서, 중앙 산화 가스 도관(2)은 연소 영역으로의 산소 함유 가스(공기 또는 산소 부화 공기)의 도입 및 연소 영역으로부터의 연소 생성물의 취출에 대해 방해되지 않는 통로로서 사용된다. 이러한 구성으로 인해, 버너 조립체는 일반적으로 연료 가스 내에서 손실되는 열이 회수되어 연료 공기를 예열하는 데에 사용되도록 주기적 축열 모드로 작동될 수 있다. 화염 안정장치(24, 26)는 화염 안정성을 보장하기 위해 사용되며, 도 2의 화염 안정장치(19, 19a)와 유사한 위치에 위치될 수 있다. 화염 안정장치(24)는 도 1의 화염 안정장치와 동일하게 대응하는 부품 즉, 연료 랜스(18a), 내부 산화 가스 파이프(11a), 연료 파이프(10a) 및 외측 산화 가스 도관(2a)을 갖는다. 유사하게, 화염 안정장치(26)도 동일하게 대응하는 부품을 갖는다. 이러한 경우에, 화염 안정장치(24) 내부의 연료 랜스(18a)가 냉각된 노의 시동 동안 사용될 수 있으며, 대안적으로, 화염 안정장치(24)에 가장 인접한 2개의 연료 랜스(6a, 6b)가 노 시동을 위해 사용될 수 있다. 통상적으로, 산화제 노즐(17)로부터의 가스상 산화제의 산소 농도는 도관(2) 내의 산소 부화 가스 내의 농도보다 높다.
도 3의 버너 조립체의 주기적 작동은 연소 및 배기의 기간을 번걸아 가면서 실행된다. 제1 기간(연소) 동안, 산화 가스(공기 또는 산소 부화 공기)는 중앙 산화 가스 도관(2)을 통해 연소 영역으로 도입되고, 65vol%보다 많이 산소를 함유하는 가스상 산화제는 하나 이상의 산화제 노즐(17)을 통해 연소 영역으로 도입되며, 연료는 하나 이상의 연료 노즐(16)을 통해 연소 영역으로 도입되어, 이 연료가 연 소 영역 내에서 연소되어 연소 생성물을 발생시킨다. 제1 기간 이후의 제2 기간(배기) 동안, 연료, 산화 가스 및 가스상 산화제의 연소 영역으로의 도입은 종료되고, 연소 영역으로부터의 연소 생성물 중 적어도 일부가 중앙 산화 가스 도관(2)을 통해 취출된다. 복수의 버너 조립체는 임의의 기간 동안에 조립체의 일부는 연소 모드로 작동하며, 그 나머지 조립체는 배기 모드로 작동되도록 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 대안적 실시형태가 도 4에 도시되는데, 여기서 연료 및 산화제 노즐은 버너 조립체 축선으로부터 동일한 반경 방향 거리에 위치된다. 이러한 구성은 적은 수의 노즐이 사용될 수 있을 때, 버너 조립체의 전체 크기를 감소시킬 수 있다. 연료 및 가스상 산화제 양자에 대한 노즐의 개수가 도 2 및 도 3의 실시형태에 도시된 개수보다 적을 때, 노즐로부터의 가스 배출 속도는 높아질 것이며, 이는 연료 및 가스상 산화제 흐름으로의 연소 생성물의 혼입에 유리하다. 도 4에 도시된 바와 같은 실시형태의 일 태양에 있어서, 가스상 산화제 노즐(28)은 버너 타일(4)의 상부 절반부에 설치되며, 연료 노즐(30)은 버너 타일(4)의 하부 절반부에 배치된다. 중앙 산화 가스 도관(2) 및 파이프(10, 11, 18)를 포함하는 중앙 화염 안정장치는 도 2의 실시형태와 유사하다.
도 4의 연료 및 가스상 산화제 분사 노즐의 구성은 산화성 금속 손실이 주요한 관심사인 재생 알루미늄 용융과 같은 공정에서 유리할 수 있다. 버너 조립체가 금속의 용융 부분의 표면 위에서 연소를 행하도록 배향된 경우, 연료는 가스상 산화제 중의 산소를 금속으로부터 분리시켜, 금속 주위의 환원 분위기를 유지하는 차단층(blanketing layer)을 제공한다. 이러한 구성에 있어서, 순 산소 연소 화염 안정장치(32, 34)의 사용이 바람직하다. 또 다른 수정된 구성에 있어서, 연료 및 산소 노즐은 버너 축선으로부터 동일한 반경 방향 거리에서 둘레에 걸쳐 번갈아 가며 배치될 수 있다. 이러한 수정된 구성은 소정의 적용예에 있어서, 도 4에 도시된 것보다 더 우수한 순 산소 연소 화염 안정장치를 제공할 수 있다.
도 1 내지 도 4에 도시된 예시적인 버너 조립체는 연료 및 산화제 노즐이 버너 축선을 중심으로 원형 배열로 위치되는 형상을 사용한다. 다른 실시형태에 있어서, 비원형 배열이 사용될 수도 있는데, 이때 상기 연료 노즐이 버너 축선으로부터 다양한 반경 방향 거리에 위치되고, 및/또는 산화제 노즐이 버너 축선으로부터 다양한 반경 방향 거리에 위치된다. 버너의 정면은 연료 및/또는 산화제 노즐이 정사각형, 직사각형 또는 그 밖의 다른 비원형 형상으로 축선을 중심으로 배열되는, 정사각형, 직사각형 또는 그 밖의 다른 비원형 형상을 가질 수 있다.
전술한 바와 같은 유체계, 즉 유체식 화염 안정장치는 블러프 부재 화염 홀더를 사용하는 기계식 화염 안정장치보다 낮은 NOx 형성을 제공한다. 기계적 화염 안정장치는 일반적으로 화염 홀더의 내부 기저부에 정착되는 연료 과잉 연소의 국부적 정체 영역에 의해 특징지어진다. 이러한 영역은 외부 공기 흐름에 의해 생성되는 압력 조건으로 인해, 인접한 공기 개구 사이의 고체 리지(ridge) 상에 위치된다. 공교롭게도, 화염 안정을 위해 화염 홀더 기저부에 요구되는 과잉 연료 또는 근사화학양론에 미달(sub-stoichiometric)하는 혼합물은 CH·+N2 → HCN+N·반응을 통해 -C=N 결합의 형성에 이상적이다. HCN의 후속적인 산화는 화염 홀더로부터 유 도된 프롬프트 NOx 형성을 유발한다. 또한, 기계식 화염 안정장치는 프롬프트 NOx의 제어에 바람직한 연료 부족 상태에서 제한된 화염 안정성으로 인해 손상을 받는다. 또한, 기계식 화염 안정장치는 고온 화염 정착, 국부적 환원 분위기 및 홀더 기저부 상의 스케일링(scaling)으로 인해 열적 산화 또는 과열에 민감하며, 노 복사 손상은 만약, 금속성 부품으로의 연소 공기 공급이 차단되면 발생할 수 있다.
통상적으로 전체 당량비(equivalence ratio)는 대부분의 기계적 화염 안정장치에 대해 0.2 내지 0.4의 범위 내에 있으며, 여기서 당량비는 화학양론적 연료/공기비에 대한 실제 연료/공기비의 비율로서 정의된다. 화학양론적 연소는 모든 산소가 반응에서 소모되고, 생성물 내에 산소 분자(O2)가 존재하지 않을 때 발생한다. 만약, 당량비가 1과 동일하게 되면, 연소는 화학량론적이게 된다.
적절하게 설계된 유체계 화염 안정장치는 전술한 모든 단점을 회피할 수 있다. 유체계 화염 안정장치의 유용한 형태는 예를 들어, 참조로서 본원에 인용되는 미국 특허 제6,752,620B2 호에 개시된다. 이러한 장치용 화염 안정화 메커니즘은 화염 안정장치 내의 연료와 산화제 가스 사이의 대형 와류(large scale vortice; LSV)의 생성을 이용한다. 이는 도 2 및 도 4를 참조하여 전술된 화염 안정장치의 축방향 확대 단면도인 도 5를 참조하여 설명된다. 상기 화염 안정장치는 중앙 산화 가스 도관(2), 상기 가스 도관(2) 내부에 안으로 들어가게 배치된 연료 파이프(10) 및 상기 연료 파이프(10) 내부에 안으로 들어가게 배치된 2차 산화 가스 파이프(11)를 포함한다. 중앙 산화 가스 도관(2), 2차 산화 가스 파이프(11) 및 연 료 파이프(10)의 외경은 각각 Dpa, Df 및 Dsa이다. 중앙 산화 가스 도관(2)의 선단으로부터 연료 파이프(10)의 선단까지의 축방향 거리는 Lf이며, 연료 파이프(10)의 선단으로부터 2차 산화 가스 파이프(11)의 선단까지의 축방향 거리는 Lsa이다.
1차 산화 가스(38; 통상적으로 공기)는 중앙 산화 가스 도관(2)과 연료 파이프(10) 사이의 환형부에서 상대적으로 높은 속도(Vpa)로 축방향으로 도입되며, 2차 산화 가스(36; 통상적으로 공기)는 상기 속도(Vpa)보다 낮은 적속도(Vsa)로 2차 산화 가스 파이프(11)를 통해 도입된다. 외측 환형부 내의 높은 속도와 중앙 파이프 내의 훨씬 낮은 속도로 인해, 압력 불균형이 중앙 산화 가스 제트 주위에 발달한다. 이로써, 1차 산화 가스(38)의 유동 방향이 축방향으로부터 적어도 90°변경되도록, 흐름 방향 와류(40)가 도 5에 도시되는 바와 같이 외측 산화 가스 파이프(2)에서 하류측에 발달하게 된다. 연료 파이프(10)와 2차 산화 가스 파이프(11) 사이의 환형부 내의 연료 속도(Vf)는 일반적으로 Vpa 및 Vsa보다 낮다.
표 1은 1차 산화 가스 파이프(2) 내에서 안정된 흐름 방향 와류(40)를 얻기 위한 특정 속도 범위 및 무차원 비율을 나타낸다. 바람직한 평균 속도 범위는 연료의 경우 약 2 내지 6ft/sec이며, 1차 산화 가스의 경우 30 내지 90ft/sec이고, 2차 산화 가스의 경우 15 내지 45ft/sec이다.
도 5의 화염 안정장치에 대한 속도 범위 및 무차원 비율
LSV 연소 속도 (MM Btu/Hr) 속도 범위(ft/sec) 비율
Vpa Vf Vsa Lf/Df Lf/Dpa Lsa/Dsa
0.25 내지 5 30 내지 90 2 내지 6 15 내지 45 1 내지 3 1 내지 3 1 내지 3
전술된 LSV 화염 안정장치는 0.05만큼 낮은 당량비의 매우 연료가 부족한 화염을 제공한다. 이러한 비율에 있어서, 연료 산화 가스(예를 들어, 공기) 흐름은 이론적으로 요구되는 산화 가스(예를 들어, 공기) 흐름보다 거의 20배 많다. 화염 안정성은 흐름 방향 와류(40)에 의해 유발되는 유체 흐름 역적에 의해 높은 과잉의 산화 가스(high excess oxidizing gas)(예를 들어, 공기) 흐름에서 유지되며, 이는 이어서 연소 영역으로부터의 연소 생성물의 내부적 재순환을 유발하고, 공기/연료 혼합물의 예열을 제공하며, 연료, 산화 가스(예를 들어, 공기) 및 연소 생성물의 격렬한 혼합을 발생시켜 화염 안정화를 위한 이상적인 조건을 생성한다. LSV 화염은 연료 파이프(11)의 선단부에 정착된다. 정상 작동하에서, 대부분의 LSV 내부 구성요소는 1000℉보다 낮은 온도로 유지된다. 흐름 방향 와류(stream-wise vortex) 원리를 근거로 한 LSV 화염 안정장치의 작동은 더 낮은 연소 속도 및 극도로 낮은 당량비에서 본질적으로 더욱 안정되도록 한다. 이는 더 낮은 피크 화염 온도를 유발하고, 열적 NOx 및/또는 프롬프트 NOx 형성을 감소시킨다. 낮은 연소 속도 및 극도의 연료 부족 화학량론에서, 극도로 낮은 피크 온도(예를 들어, 1600℉ 미만)를 갖는 화염이 생성되고, 2 내지 3ppmv보다 적은 NOx 배출이 실현된다.
주변 길이 대 면적의 비가 큰 형상의 개구를 사용하는 연료 및 가스상 산화제 노즐을 사용하는 것이 바람직하다. 도 2, 도 3 및 도 4의 하나 이상의 연료 노즐 중 적어도 하나 및 하나 이상의 가스상 산화제 노즐 중 적어도 하나의 배출 개구는, 배출 개구의 둘레 치수가 P, 배출 개구의 면적이 A라 할 때에 다음과 같이 정의되는 무차원 매개변수인 형상 인자 σ가 약 10보다 크다는 것을 특징으로 한다.
σ=P2/2A
상기 둘레 치수는 노즐이 연소 영역내로 배출하는 노즐면의 평면에서 측정되는 배출 개구의 접수 가장자리(wetted edge)의 치수이다. 이와 유사하게, 배출 개구의 면적은 노즐이 연소 영역 내로 배출하는 노즐면의 평면에서 측정된다.
노즐 디자인은 연료 및 가스상 산화제의 배출 제트에 의해 주위 연소 가스의 격렬한 혼입을 촉진해야 한다. 전술된 실시형태에서 사용하기에 적합한 노즐의 형상 및 디자인은 본원에 참조로 인용된 미국 특허 제6,866,503 B2호에 개시되어 있다. 이러한 노즐 중 하나가 도 6에 도시되어 있다. 노즐 조립체(601)는 노즐 입구 파이프(605)에 결합된 노즐 본체(603)를 포함한다. 수직 방향으로 지향되게 도시된 슬롯(607)은 슬롯(609, 611, 613, 615)에 의해 교차된다. 상기 슬롯은 노즐 본체(603)와 노즐 입구 파이프(605) 사이의 연결부에서 출구면(617)과 입구면(도시되지 않음) 사이에 배치된다. 가스상 산화제(619)는 노즐 입구 파이프(605) 및 슬롯(607, 609, 611, 613, 615)을 통해 유동하고, 그 후에 슬롯 출구 주위의 연소 생성물과 혼합된다. 슬롯(607, 609, 611, 613, 615)에 의해 형성되는 개구는 전술된 바와 같이 노즐을 형성한다.
도 6에 도시된 슬롯 패턴 외에도, 이하 설명되는 것과 같이 다른 슬롯 패턴도 가능하며, 그 노즐 조립체는 임의의 배향으로 사용될 수 있고, 도시된 대체로 수평한 배향에 한정되는 것은 아니다. 출구면(617)에 대해 수직 방향으로 보았을 때에, 예시적인 슬롯(609, 611, 613, 615)은 직각으로 슬롯(607)과 교차한다. 예시적인 슬롯(609, 611, 613, 615)과 슬롯(607) 사이의 또 다른 교차 각도가 가능하다. 출구면(617)에 대해 수직 방향으로 보았을 경우, 예시적인 슬롯(609, 611, 613, 615)은 서로 평행하지만, 다른 실시형태에서는 슬롯 중 하나 이상이 나머지 슬롯에 평행하지 않을 수도 있다.
본 명세서에 사용된 "슬롯"이라는 용어는 노즐 본체 또는 그 밖의 고체 물질을 통과하는 개구로서 형성되며, 임의의 슬롯 단면(즉, 이하 설명하는 유입 흐름의 축선에 대해 수직하는 단면)은 비원형이며, 장축과 단축에 의해 특징지어진다. 장축은 단축에 비해 길며, 이들 두축은 대체로 직교한다. 예를 들어, 도 6에서 임의의 슬롯의 단면 장축은 슬롯 단면의 양 단부 사이에서 연장하며, 단면 단축은 장축에 직교하여 슬롯 단면의 측면 사이에서 연장한다. 슬롯은 비원형의 단면을 가질 수 있으며, 각각의 단면은 통상의 기하학적 정의에 따른 중심점, 도심에 의해 특징지워 질 수 있다.
슬롯은 또한 모든 슬롯 단면의 도심을 연결하는 직선으로 정의되는 슬롯 축선에 의해 특징지어질 수 있다. 게다가, 슬롯은 모든 슬롯 단면의 단면 장축과 교차하는 중앙 평면에 의해 특징지어지거나 정의될 수 있다. 각각의 슬롯 단면은 상기 중앙 평면의 양측에서 수직 대칭을 이룰 수 있다. 중앙 평면은 상기 슬롯의 양단부를 지나게 연장하며, 이하 설명되는 바와 같이 노즐 본체의 유입 흐름 축선에 대해 슬롯의 배향을 정의하는 데에 사용될 수 있다.
도 6에 도시된 노즐의 선 I-I에 따른 축방향 단면도가 도 7에 제시되어 있다. 유입 흐름 축선(701)은 출구면(617), 입구면(703) 및 노즐 입구 파이프(605)의 중심을 통과한다. 본 실시형태에서, 슬롯(609, 611, 613, 615)의 중앙 평면은 가스상 산화제가 유입 흐름 축선(701)으로부터 발산하는 방향으로 출구면(617)의 슬롯으로부터 흐르도록 유입 흐름 축선(701)에 대해 소정 각도로 놓여 있다. 또한, 슬롯(607)의 중앙 평면(상기 슬롯의 일부분만이 도 7에 도시됨)도 입구 유동 축선(701)에 대해 소정 각도로 놓여 있다. 이하에서 확인할 수 있는 바와 같이, 이러한 예시적인 형상은 가스상 산화제를 입구 유동 축선(701)으로부터 발산하는 또 다른 방향으로 노즐 출구면으로부터 안내한다. 예시적인 실시형태에 있어서, 도 7의 축방향 단면에 수직인 방향으로 보았을 때에, 입구면(703)에서 슬롯(609, 611)은 예리한 에지(705)를 형성하도록 교차하고, 슬롯(611, 613)는 예리한 에지(707)를 형성하도록 교차하며, 슬롯(613, 615)은 예리한 에지(709)를 형성하도록 교차한다. 이러한 예리한 에지는 슬롯에 공기역학적 유동 분리를 제공하고, 블러프 부재와 연관된 압력 강하를 줄인다. 대안적으로, 이러한 슬롯은 입구면(703)과 출구면(617) 사이의 축방향 위치에서 교차하여, 예리한 에지가 노즐 본체(603) 내에서 형성될 수 있다. 대안적으로, 이러한 슬롯은 도 7의 축방향 단면에 수직인 방향으로 보았을 때에, 교차되지 않을 수 있어, 예리한 에지가 전혀 형성되지 않을 것이다.
본 명세서에서 사용된 “유입 흐름 축선”이라는 용어는 입구면에서 노즐로 진입하는 유체의 유동 방향에 의해 형성되는 축선으로서, 이 축선은 입구면 및 출구면을 통과한다. 통상적으로, 모든 경우에 적용되는 것은 아니지만, 유입 흐름 축선은 노즐 입구면(703) 및/또는 출구면(617)의 중앙에 대해 수직하여, 이들 면과 수직으로 만난다. 노즐 입구 파이프(605)가 도시된 바와 같이 통상의 원통형 도관일 때, 입구 유체 축선은 도관 축선과 평행하거나 일치될 수 있다.
축방향 슬롯 길이는 노즐 입구면과 출구면 사이에서의 슬롯 길이, 예를 들어 도 7의 입구면(703)과 출구면(617) 사이의 슬롯의 길이로서 정의된다. 슬롯 높이는 그 단면 단축 방향에서 슬롯 벽 사이의 수직 거리로 정의된다. 슬롯 높이에 대한 축방향 슬롯 길이의 비는 약 1 내지 약 20일 수 있다.
노즐 본체 내의 복수의 슬롯은 유입 흐름 축선에 수직인 평면에서 교차할 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이 슬롯(609, 611, 613, 615)은 직각으로 슬롯(607)과 교차한다. 필요하다면, 상기 슬롯은 직각 이외의 각도로 유입 흐름 축선에 수직인 평면과 교차할 수 있다. 또한, 유입 흐름 축선에 평행하는 평면, 즉 도 7의 단면에서 보았을 때에, 인접한 슬롯은 교차될 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시되는 바와 같이, 슬롯(609, 611)은 입구면(703)에서 교차하여, 전술한 바와 같이 예리한 에지(705)를 형성한다. 슬롯의 중앙 평면 간의 각도 관계 및 각각의 슬롯의 중앙 평면과 유입 흐름 축선 사이의 각도 관계는 필요에 따라 변경될 수 있다. 이는 가스상 산화제가 노즐 축선에 대한 임의의 선택된 방향으로 상기 노즐로부터 배출되도록 한다.
예시적인 노즐 본체(603)의 추가 도면이 도 8(a) 내지 도 8(d)에 주어진다. 도 8(a)는 노즐 본체의 정면도이며, 도 8(b)는 도 8(a)의 선 II-II에 따른 단면도로서, 슬롯의 중앙 평면과 유입 흐름 축선 사이에 형성되는 각도를 도시한다. 각도(α1)는 슬롯(615)의 중앙 평면과 유입 흐름 축선(701) 사이에 형성되고, 각도(α2)는 슬롯(609)의 중앙 평면과 유입 흐름 축선(701) 사이에 형성된다. 각도(α1, α2)는 동일할 수도, 상이할 수도 있으며, O°내지 약 30°범위일 수 있다. 각도(α3)는 슬롯(611)의 중앙 평면과 유입 흐름 축선(701) 사이에 형성되고, 각도(α4)는 슬롯(613)의 중앙 평면과 유입 흐름 축선(701) 사이에 형성된다. 각도(α3, α4)는 동일할 수도 상이할 수도 있으며, O°내지 약 30°범위일 수 있다. 2개의 인접한 서로 다른 슬롯의 중앙 평면은 O°내지 약 15°의 끼인각으로 교차할 수 있다.
도 8(c)는 슬롯(607)의 중앙 평면과 유입 흐름 축선(701) 사이에 형성되는 각도(β1)를 도시하는 도 8(a)의 선 III-III에 따른 단면도이다. 각도(β1)는 O°내지 약 30°범위일 수 있다. 슬롯(611)[및 슬롯(609, 613, 615)]의 외측 에지는 슬롯(607)의 중앙 평면에 평행일 수 있다.
도 8(d)는 슬롯(609, 611, 613, 615)의 교차에 의해 형성되는 예리한 에지(705, 707, 709)를 달리 본 것을 제시하는 도 6 및 도 7의 노즐 본체의 배면 사시도이다.
도 9에는 노즐 본체(901) 내의 슬롯이 2개의 십자형상(903, 905)으로 배치된 다른 유형의 노즐이 도시되어 있다. 도 10(a)에는 십자형상(903)이 슬롯(1007, 1009)에 의해 형성되고 십자형상(905)이 슬롯(1001, 1013)에 의해 형성되어 있는 노즐 본체의 정면 사시도가 도시되어 있다. 도 10(b)에 도시된 도 10(a)의 선 Ⅳ-Ⅳ에 따른 단면도에서는 각도(α5, α6)만큼 유입 흐름 축선(1015)으로부터 발산하고 있는 슬롯(1009, 1011)의 중앙 평면을 도시하고 있다. 각도(α5, α6)는 동일할 수도, 상이할 수도 있으며, O°내지 약 30°범위일 수 있다. 슬롯(1007)의 외측 에지는 슬롯(1009)의 중앙 평면에 평행할 수 있으며, 슬롯(1013)의 외측 에지는 슬롯(1011)의 중앙 평면에 평행할 수 있다. 본 실시형태에서, 슬롯(1007, 1011)은 서로 교차하여 예리한 에지(1012)를 형성한다.
도 10(a)의 선 Ⅴ-Ⅴ에 따른 단면도를 도시하고 있는 도 10(c)에서는 슬롯(1013)의 중앙 평면이 O°내지 약 30°범위일 수 있는 끼인각(β2)만큼 유입 흐름 축선(1015)으로부터 발산되고 있는 것을 도시하고 있다. 슬롯(1011)의 외측 에지는 슬롯(1013)의 중앙 평면에 평행할 수 있다.
전술한 바와 같이, 2가지의 구성 중 하나 또는 양자 모두에서 슬롯은 다른 슬롯과 교차할 수 있다. 먼저, 슬롯은 노즐 본체의 출구면에 대해 수직 방향으로 보았을 때(예를 들어, 도 8(a) 또는 도 10(a) 참조) 또는 슬롯 단면(즉, 입구면과 출구면 사이의 유입 흐름 축선에 수직인 단면)에서 보았을 때, 교차할 수 있다. 둘째로, 인접하는 슬롯은 유입 흐름 축선에 평행하게 취한 단면(예를 들어, 도 7, 도 8(b) 및 도 10(b) 참조)에서 보았을 때 교차할 수 있다. 정의에 따르면, 2개의 슬롯의 교차는 소정 슬롯의 벽에 접하는 평면이 인접하는 슬롯의 벽에 접하는 평면과 교차하여, 이들 2개의 평면의 교차부가 노즐 입구면과 출구면 사이에, 입구면에 및/또는 출구면에 놓이는 경우에 발생한다. 예를 들어, 도 7에서 슬롯(609)의 벽에 접하는 평면은 슬롯(607)의 벽에 접하는 평면과 교차하고, 이들 2개의 평면의 교차부가 입구면(703)과 출구면(617) 사이에 놓이게 된다. 슬롯(609)의 상부벽에 접하는 평면과 슬롯(611)의 하부벽에 접하는 평면은 입구면(703)에 위치한 에지(705)에서 교차한다. 또 다른 예로, 도 10(b)에서 슬롯(1013)의 상부벽에 접하는 평면과 슬롯(1007)의 하부벽에 접하는 평면은 노즐의 2개의 면 사이의 에지(1012)에서 교차한다.
전술한 예시적인 실시형태에서의 슬롯 각각은 대체로 평면의 평행한 내벽을 갖는다. 다른 실시형태에서는 슬롯의 평면벽이 유체 유동 방향으로 서로에 대해 수렴 또는 발산될 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 상기 슬롯벽은 평면이기보다 굴곡질 수 있다. 전술된 예시적인 실시형태의 슬롯 각각은 수직 측면 및 곡선형 단부를 갖는 대체로 직사각형 단면을 갖는다.
전술된 십자형 및 지퍼(zipper)형 노즐 양자는 전체 NOx 배출의 측면에 있어서 종래의 원형 노즐에 비해 개선된 성능을 제공한다. 이러한 개선은 상기와 같은 예시적인 노즐 형상을 사용한 결과로서, 개선된 노 가스 혼입에 직접 관련된다. 표 2에는 연소 공정에 있어서 NOx 형성을 감소시키는 분사된 연료 및 산화제 흐름 안으로의 연소 생성물의 현저한 혼입을 가져오는 데에 유용한 상기 노즐에 대한 기하학적 설계 매개변수의 전형적인 범위가 제시되어 있다. 이들 설계 매개변수는 도 11 및 도 12에서 정의되어 있다.
노즐 설계 매개변수에 대한 전형적인 범위(도 11 및 도 12 참조)
(H) (W) (R0/R1) (H/R0) (α, α1, α2) (β)
2차 연료 노즐 유형 ↓ 슬롯 높이 (인치) 슬롯 폭 (인치) 슬롯 단부 반경 대 중앙 반경 비 슬롯 높이 대 코너 반경 비 축방향 발산각 도 반경 방향 발산각, 도
십자형 노즐 (도 11) (1/32-1) (1/4-2) (1-3) (2-6) (0-30) (0-30)
지퍼형 노즐 (도 12) (1/32-1) (1/4-2) (1-3) (2-6) (0-30) (0-30)
도 6 내지 도 12에 도시된 노즐은 바람직하게는, 배출 개구의 둘레 치수가 P, 배출 개구의 면적이 A라 할 때에 다음과 같이 정의되는 무차원 매개변수인 형상 인자 σ가 약 10보다 크다는 것을 특징으로 한다.
σ=P2/2A
상기 둘레 치수는 노즐이 연소 영역내로 배출하는 노즐면의 평면에서 측정되는 배출 개구의 접수 가장자리의 치수이다. 이와 유사하게, 배출 개구의 면적은 노즐이 연소 영역 내로 배출하는 노즐면의 평면에서 측정된다.
초저 NOx 레벨은 열적 NOx 및 프롬프트 NOx 형성 양자의 급격한 감소에 의해서만 얻어질 수 있다. 단계식 연소 및 화염 안으로의 배연 재순환과 같은 종래의 기술에 의해서는 열적 NOx 형성을 억제하는 것은 상대적으로 용이하다. 그러나 이러한 방법은 화염 프런트에서 발생하는 프롬프트 NOx 형성을 감소하는데 유용하지 않다. 예를 들어, 열적 NOx의 최소화는 공기-연료 화염에 대해 약 50ppmv까지 전체 NOx 레벨을 저감시키며, 더 낮은 레벨을 얻기 위해서는 프롬프트 NOx 형성을 감소시켜야 한다. 이는 전술된 버너 조립체를 사용한 광범위 또는 분포 연소에 의해 달성될 수 있다. 또한 당해 기술분야에서 무화염 연소로서 잘 알려진 광범위 또는 분포 연소는 연료 및 산화제가 노 내에서 반응하기 전에 급속하게 희석될 때 발생한다. 광범위 연소에서 발생하는 고도의 희석으로 인해, 다환식 방향족 화합물의 형성이 억제되며, 프롬프트 NOx 형성은 현저하게 저감된다.
공기-연료 연소에 있어서, 연료 희석만으로, 노 연소 생성물의 20% 내지 30%를 연료-공기 혼합물 내로 혼입시키는 것이 충분하다. 그러나 고 순도 산소에 의한 연소의 경우, 혼입되는 유체의 체적이 산소의 유동 체적의 대략 4배에 이를 것이 요구된다. 따라서, 연료 및 산소 함유 흐름은 모두 부화 공기 및 완전 순 산소 연소 작동 동안에 노의 연소 생성물에 의해 희석되어야 한다. 이는 전술된 버너 조립체 및 노즐 디자인을 사용함으로써 효과적으로 얻어질 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시형태는 고 순도의 상업적으로 이용 가능한 산소 중 20.9vol%(공기) 내지 99.5vol% 이상의 범위의 산소 농도를 갖는 하나 이상의 산소 함유 가스와 연료의 연소를 제공할 수 있는 버너 조립체를 포함한다. 그러한 버너 조립체의 안정된 광범위 연소 상태에서의 작동을 통해, 공기-연료 점화에 있어서는 20ppmv 이하의, 그리고 순 산소 연소에 있어서는 1MMBtu 당 0.01 lb NO2 까지의 초저 레벨의 배연 중 NOx 배출을 달성할 수 있다. 많은 구조 변경이 특정 용례에 따라 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도 1 내지 도 3의 시스템은 버너의 최외측 링 상에 스테이징(staging)된 연료로 작동한다. 이러한 구성은 산화성 금속 손실이 비용 손실을 초래하게 되는 재생 알루미늄 용융과 같은 적용 분야에 바람직하다. 연료 층(예를 들어, 천연 가스)으로 산화제를 실질적으로 차폐함으로써, 높은 산화 환경에 금속의 국부적 노출은 현저하게 감소시킬 수 있다. 이는 임의의 산화종과의 접촉에 의해 용이하게 산화될 수 있는 매우 높은 온도의 용융 금속에 대해 특히 중요하다.
천연 가스의 차폐가 요구되지는 않지만, NOx 발생을 낮게 하는 것이 중요한용례(예를 들어, 강철 재열 및 레들 예열 등)에 있어서, 연료가 산소와 공기 분사 위치 사이의 위치에서 분사되도록 연료 및 산소 노즐을 위치시키는 것이 바람직하다. 연료 흐름에 의해 2개의 산화제 흐름을 분리하는 것은 부화 공기 연소 모드 동안에 보다 강건(robust)한 저 NOx 배출 성능을 제공할 것이다. 산소와 공기가 가까이 근접하는 경우, 2개의 흐름이 혼합하여 부화 산화제 흐름을 생성할 기회가 있는 데, 이는 높은 산소 함량에서의 상승된 화염 온도 및 부화 공기에서의 풍부한 질소 공급으로 인해 NOx 생성을 높게 하는 데에 이상적일 수 있다. 사실상, NOx 생성은 산소 함유 가스 중의 산소 함량이 약 50% O2에 이를 때까지 증가하게 된다. 부화 공기 흐름을 하나는 산소 농도가 높고 다른 하나는 산소 농도가 낮은 2개의 흐름으로 물리적으로 분리함으로써, 부화 공기 연소의 이점을 유지하면서 훨씬 낮은 NOx 배출을 달성할 수 있는 것이 확인되었다.
초저 NOx 생성에 더해, 전술된 버너는 모든 의도된 용례에서 바람직한 균일 열 방출을 제공한다. 이러한 균일한 가열은 광범위 연소의 결과이며, 이는 종래의 화염 영역을 훨썬 더 분포된 용적으로 확장시킨 것이며, 이에 의해 화염 온도를 낮추고 열전달의 공간적 균일성을 개선시키는 것으로 이해할 수 있다.
버너 조립체의 다양한 구조가 이하에 정리한 바와 같이 가능하다.
· 화염 안정장치 위치 : 중앙 또는 외측(도 2, 도 3 및 도 4).
· 화염 안정장치의 유형 : 공기-연료, 순 산소 연소, 노즐 혼합 또는 가스상 또는 액상 연료로 작동하는 예비 혼합 파일럿 버너, 유체식 또는 블러프 부재(bluff body)식 안정장치, 및 스파크 점화기 또는 플라즈마 건과 같은 그 밖의 다른 에너지식 장치.
· 연료 분사 위치 : 반경 방향 최외측 위치(도 2 및 도 3), 산소와 공기의 반경 방향 위치들 사이의 반경 방향 위치, 산소와 동일한 반경 방향 위치에서 산소 위치와 번갈아 가며 위치하는 위치, 또는 산소와 동일한 위치지만 무리지어진 반경 방향 위치(도 4).
· 작동 : 차가운 공기, 예열 공기 또는 축열식.
· 연료 유형 : 액체, 고체 또는 이들의 혼합물.
실시예
시제품 버너가 노즐을 화염 안정장치(32, 34)를 대신하여 설치한 점을 제외하고는 도 4에 도시되는 바와 같이 일반적인 구조로 구성되었다. 버너의 중앙은 도 5의 일반적인 구성을 갖는 유체식 화염 안정장치를 갖는다. 노즐은 중앙 화염 안정장치를 중심으로 동일한 반경으로 배치하고, 그 반경에서의 둘레 방향 길이에 걸쳐 연료용 5개, 산소용 5개의 총 10개의 노즐을 균일하게 분산 배치하였다. 본 실시예의 경우에는 천연 가스(NG)인 연료와 순수 산소는 교대로 배치된 노즐을 통해 도입되었다. 또한, 천연 가스는 화염 안정장치 내에서 사용된 연료였으며, 공기가 중앙 화염 안정장치 내에서 사용된 산화 가스였다. 따라서, 이러한 버너는 산소 노즐로의 흐름이 끊길 때, 공기-연료 연소 모드로 작동될 수 있으며, 중앙 화염 안정장치가 작동되지 않을 때, 순 산소 연소 모드로 작동될 수 있다. 버너는 산소가 산소 노즐을 통해 흐르는 경우 및 공기가 중앙 화염 안정장치 내에서 사용되는 경우에 대해 20.9vol% 내지 99.5vol% 사이의 임의의 총 산화제 농도로 작동될 수 있다.
본 실시예에서, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 버너의 중앙에 있는 화염 안정장치는 도관(11)의 경우 3인치 파이프, 도관(10)의 경우 6인치 파이프 및 도관(2)의 경우 8인치 파이프로 이루어진다. 개시 랜스(18)는 3/4”직경의 튜브이다. 연료 및 산소 노즐(28, 30)은 18.5인치 직경의 원 상에 위치된다. 본 실시예에서, NOx 배출 레벨 및 전체적인 열전달 효율에 의해 결정되는 바와 같이 최상의 버너 성능을 얻기 위해, 상이한 노즐 출구 면적 및 출구 방향이 연료 및 가스상 산화제 양자에 대해 조사된다. 테스트는 전체 산소 부화 레벨을 다양한 레벨로 하여, 즉 전체 산화제(vol%에 있어서) 중의 총 산소 농도가 35%, 50%, 65%, 80% 및 거의 100%가 되도록 산소와 공기의 다양한 흐름 조합으로 실시하였다. 표 3은 천연 가스 및 산소에 대한 노즐 선택과 관련한 테스트 조건을 나타내며, 여기서 음의 노즐 출구 각도는 노즐로부터 배출되는 유체가 중앙 화염 안정장치의 흐름 축선과 교차하는 것을 의미하고, 양의 노즐 출구 각도는 노즐로부터 배출되는 유체가 중앙 화염 안정장치의 흐름 축선으로부터 발산하는 것을 의미한다.
저 배출 및 고 열전달 효율을 위해 시제품 버너에서 테스트된 노즐 구성
테스트 1 테스트 2 테스트 3 테스트 4
NG 노즐각, 도 -4 +4 +7 +4
O2 노즐각, 도 -4 +4 +4 +4
NG 배출 속도, ft/sec 236 236 571 393
O2 배출 속도, ft/sec 159-291 159-291 337-662 264-484
산소로 연소 공기를 부화시키면 통상 NOx 배출 레벨의 급격한 증가를 동반하며, 이는 산화제 중에 약 45% 산소 농도에서 피크를 이룬 후에 감소한다. 산소 부화에 대한 NOx 변화는 산화제에서 산소가 더욱더 풍부해짐에 따른 화염 온도의 증가 및 질소 이용 가능성의 감소의 상충 효과로 인한 것이다[C.E. Baukal의 "산소 부화 연소(Oxygen-Enhanced Combustion)" 참조(C.E. Baukal, ed., CRC Press, Boca Raton, 1998)]. 이러한 현상은 도 13에 정성적으로 묘사되었으며, 이는 상기 문헌으로부터 인용된다. NOx 발생은 산화제 중에 산소 농도가 40vol% 내지 60vol% 범위에서 피크를 이루지만, 불행하게도 이는 산소의 가격과 산소 부화의 공정상 이점 간에 최적의 균형을 도출해 내는 산소 농도 범위와 일치한다.
적합한 노즐 구조를 사용하여, 본 실시예의 버너는 산화제 중의 산소 농도가 40% 내지 60%인 바람직한 작동 범위에서 NOx 발생을 저감시킬 수 있다. 모든 상이한 노즐 구성에 대한 데이터를 평가하기 위해, 속도의 차원을 갖는 집중 변수(lumped parameter)가 NOx 배출을 상관(correlation)시키는 데에 사용되었다. 기하학적 속도(vG)로 지칭되는 매개변수는 다음과 같이 정의된다.
vG = vNGvO2cos(a-b)/(vNGsina+vO2sinb)
여기서, vNG 및 vO2는 ft/sec 단위의 천연 가스 및 산소의 노즐 배출 속도이고, a 및 b는 버너 중앙 축선에 대한 도(deg.)로 나타낸 천연 가스 및 산소의 노즐 배출 각도이며, 여기서 수렴 각도의 경우 음이며, 발산 각도의 경우 양이다. 이러한 매개변수는 천연 가스와 산소 제트 사이의 정렬 및 배출 제트의 방향성을 정량화하기 위해 사용된다. NOx 배출을 도 14에 도시된 바와 같이 기하학적 속도에 대해 그래프로 나타낸 경우, 어떤 경향이 드러나는 것이 확인되었다. 모든 데이터는 노즐 배출 속도가 높을수록 더 낮은 NOx 배출을 가져옴을 나타내는 단일 곡선으로 그 상관 관계를 나타낼 수 있다. 또 다른 주목할 점은 일군의 점들이 노즐 구성은 동일하지만 상이한 산소 부화 레벨에 대한 실험 데이터를 나타내고 있다는 점이다. NOx 대 산소 부화의 특성 곡선이 각 데이터 세트에서 명백히 드러난다. NOx의 크기는 부화 수준에 따라 증가하지만, 버너에서 신중한 노즐 선택을 통한 NOx를 감소시키는 것보다는 훨씬 적다. 이는 부화에 따른 NOx 증가는 이러한 버너 구조에 의해 용이하게 제어될 수 있음을 의미한다. 배출 속도를 높게 하는 것 외에도, 그러한 결과는 또한 외향 노즐 각도 및 연료/산소 제트 정렬이 모두 NOx 형성을 감소시키는데 도움이 된다는 것을 의미한다. NOx 배출을 낮추는 것 외에, 외향 노즐 각도는 또한 본 실시예의 버너가 테스트된 노인 싱글 패스 노 구조에 있어서의 연료 효율을 개선시키는 데에 도움이 될 수 있다. 그 결과가 도 15에 도시되어 있다.
실제 치수로 형상 인자(σ=P2/2A)를 나타내기 위해, 본 실시예에서 사용된 노즐의 하나를 고려하였다. 노즐은 도 6에 도시된 바와 같이 4개 슬롯의 지퍼형 노즐이다. 슬롯(607)의 길이는 0.824 인치이며, 슬롯(609, 611, 613, 615)의 길이는 모두 0.48 인치이다. 모든 슬롯의 단부에서 반원은 0.034 인치의 반경을 갖는다. 4개의 수평 슬롯 사이의 중심 대 중심 간격은 0.165 인치이며, 2개의 최외측 수평 슬롯 각각의 중심으로부터 수직 슬롯의 가장 근접한 단부까지의 거리는 0.165 인치이다. 이러한 노즐 개구의 접수 길이(wetted perimeter)는 4.78 인치이고, 면적은 0.28 제곱 인치이다. 이러한 노즐에 대한 형상 인자는 약 40인 것으로 계산된다. 매우 구불구불한 주변부를 갖는 그러한 노즐은 원형 개구를 갖는 간단한 노즐에 비해 더 높은 유체 혼입율을 실험적으로 보여준다.
본 발명에 따르면, 공기, 부화 공기, 순수 산소 및/또는 그들의 조합을 포함하는 다양한 산화제를 사용하는 여러 작동 모드에서 연소를 발생시킬 수 있으면서 모든 작동 모드 중에 낮은 NOx 생성을 달성하는 버너를 제공하여, NOx 형성을 감소시키고 에너지 소비를 최적화하는 개선된 연소 기술을 제공할 수 있다.

Claims (34)

  1. (a) 주변부, 연소 영역에 인접한 배출 단부 및 상기 연소 영역 내로 연장하는 축선을 갖는 세장형(細長型) 본체와,
    (b) 상기 세장형 본체의 배출 단부에 배치되고, 상기 연소 영역 내로 가스상 산화제를 배출하도록 되어 있는 하나 이상의 산화제 노즐과,
    (c) 상기 세장형 본체의 배출 단부에 배치되고, 상기 연소 영역 내로 연료를 배출하도록 되어 있는 하나 이상의 연료 노즐
    을 포함하며, 상기 산화제 노즐 및 상기 연료 노즐 중 적어도 하나는, 배출 개구의 둘레 치수가 P, 배출 개구의 면적이 A라 할 때에 σ=P2/2A로 정의되는 무차원 매개변수인 형상 인자 σ가 약 10보다 크다는 것을 특징으로 하는 것인 버너 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 연료 노즐 중 적어도 하나 및 상기 하나 이상의 산화제 노즐 중 적어도 하나는 상기 축선으로부터 동일한 반경 방향 거리에 위치하는 것인 버너 조립체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 하나 이상의 연료 노즐 전체 및 상기 하나 이상의 산화제 노즐 전체는 상기 축선으로부터 동일한 반경 방향 거리에 위치하는 것인 버너 조립체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 하나 이상의 연료 노즐 중 적어도 하나는 2개의 산화제 노즐 사이에 배치되는 것인 버너 조립체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 연료 노즐 중 적어도 하나는 상기 하나 이상의 산화제 노즐 중 적어도 하나의 상기 축선으로부터의 반경 방향 거리보다 먼, 상기 축선으로부터의 반경 방향 거리에 위치하는 것인 버너 조립체.
  6. 제5항에 있어서, 상기 하나 이상의 연료 노즐 전체는 상기 하나 이상의 산화제 노즐 전체의 상기 축선으로부터의 반경 방향 거리보다 먼, 상기 축선으로부터의 반경 방향 거리에 위치하는 것인 버너 조립체.
  7. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 산화제 노즐 중 적어도 하나는 상기 하나 이상의 연료 노즐 중 적어도 하나의 상기 축선으로부터의 반경 방향 거리보다 먼, 상기 축선으로부터의 반경 방향 거리에 위치하는 것인 버너 조립체.
  8. 제7항에 있어서, 상기 산화제 노즐 전체는 상기 축선으로부터의 상기 연료 노즐 전체의 반경 방향 거리보다 먼, 상기 축선으로부터의 반경 방향 거리에 위치하는 것인 버너 조립체.
  9. 제1항에 있어서, 상기 세장형 본체는 세장형 본체의 축선을 포함하는 수평면에 의해 분할되며, 상기 수평면 위에 배치되는 산화제 노즐의 개수는 상기 수평면 아래에 배치되는 산화제 노즐의 개수보다 많으며, 상기 수평면 아래에 배치되는 연료 노즐의 개수는 상기 수평면 위에 배치되는 연료 노즐의 개수보다 많은 것인 버너 조립체.
  10. 제9항에 있어서, 상기 산화제 노즐 전체는 상기 수평면 위에 배치되고, 상기 연료 노즐 전체는 상기 수평면 아래에 배치되는 것인 버너 조립체.
  11. 제1항에 있어서, 상기 세장형 본체는 세장형 본체의 축선을 포함하는 수평면에 의해 분할되며, 상기 수평면 아래에 배치되는 산화제 노즐의 개수는 상기 수평면 위에 배치되는 산화제 노즐의 개수보다 많으며, 상기 수평면 위에 배치되는 연료 노즐의 개수는 상기 수평면 아래에 배치되는 연료 노즐의 개수보다 많은 것인 버너 조립체.
  12. 제1항에 있어서, 상기 세장형 본체의 주변부에 배치되는 적어도 하나의 화염 안정장치를 포함하는 버너 조립체.
  13. 제12항에 있어서, 상기 화염 안정장치는 하나 이상의 산화 가스로 화염 안정 장치 연료를 연소시켜, 연소 생성물을 형성하고 이 연소 생성물을 상기 연소 영역으로 배출하도록 되어 있는 것인 버너 조립체.
  14. 제13항에 있어서, 화염 안정장치의 축선이 상기 세장형 본체의 축선과 동축인 것에 특징이 있는 화염 안정장치를 구비하는 것인 버너 조립체.
  15. 제1항에 있어서, 상기 세장형 본체의 주변부 내에 배치되고 상기 연소 영역과 유통하여, 산소 함유 가스를 상기 연소 영역 내로 도입하고 연소 생성물을 상기 연소 영역으로부터 취출하도록 되어 있는 통로를 포함하는 버너 조립체.
  16. 제15항에 있어서, 상기 통로는 상기 세장형 본체의 축선과 평행하거나 동일한 축선을 갖는 데에 특징이 있으며, 상기 하나 이상의 연료 노즐 및 하나 이상의 산화제 노즐은 상기 통로로부터 이격되어 상기 통로 주위에 배치되는 것인 버너 조립체.
  17. 제16항에 있어서, 상기 통로 내에 화염 안정장치가 배치되며, 이 화염 안정장치는 상기 통로의 축선과 평행하거나 동일한 축선을 갖는 데에 특징이 있는 것인 버너 조립체.
  18. 제17항에 있어서, 상기 세장형 본체의 주변부와 상기 통로 사이에 화염 안정 장치가 배치되는 것인 버너 조립체.
  19. 제1항에 있어서, 상기 세장형 본체의 둘레 내에 배치되고, 20.9vol% 내지 99.5vol% 산소 이상의 범위의 조성 갖는 산소 함유 가스로 연료를 연소시켜, 그 연소 생성물을 상기 연소 영역 내로 배출하도록 된 보조 버너를 포함하는 버너 조립체.
  20. 제19항에 있어서, 상기 보조 버너는 상기 세장형 본체의 축선으로부터 상기 하나 이상의 연료 노즐 및 산화제 노즐의 반경 방향 거리보다 짧은, 상기 세장형 본체의 축선으로부터의 반경 방향 거리에 배치되는 것인 버너 조립체.
  21. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 연료 노즐 중 적어도 하나는 45°이하의 끼인각으로 상기 세장형 본체의 축선을 포함하는 평면과 교차하는 방향으로 연료를 배출하도록 된 것인 버너 조립체.
  22. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 연료 노즐 중 적어도 하나는 45°이하의 끼인각으로 상기 세장형 본체의 축선을 포함하는 평면으로부터 발산하는 방향으로 연료를 배출하도록 된 것인 버너 조립체.
  23. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 산화제 노즐 중 적어도 하나는 45°이하 의 끼인각으로 상기 세장형 본체의 축선을 포함하는 평면과 교차하는 방향으로 상기 가스상 산화제를 배출하도록 된 것인 버너 조립체.
  24. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 산화제 노즐 중 적어도 하나는 45°이하의 끼인각으로 상기 세장형 본체의 축선을 포함하는 평면으로부터 발산하는 방향으로 상기 가스상 산화제를 배출하도록 된 것인 버너 조립체.
  25. (a) 주변부, 연소 영역에 인접한 배출 단부 및 상기 연소 영역 내로 연장하는 축선을 갖는 세장형 본체와,
    (b) 상기 세장형 본체의 배출 단부에 배치되고, 상기 연소 영역 내로 연료를 배출하도록 되어 있는 하나 이상의 연료 노즐과,
    (c) 상기 세장형 본체 내에 배치되고, 20.9vol% 내지 99.5vol% 산소 이상의 범위의 조성을 갖는 산소 함유 가스로 연료를 연소시켜 그 연소 생성물을 상기 연소 영역 내로 배출하도록 되어 있는 보조 버너
    를 포함하며, 상기 연료 노즐 중 적어도 하나는, 배출 개구의 둘레 치수가 P, 배출 개구의 면적이 A라 할 때에 σ=P2/2A로 정의되는 무차원 매개변수인 형상 인자 σ가 약 10보다 크다는 것을 특징으로 하는 것인 버너 조립체.
  26. 제25항에 있어서, 상기 보조 버너는 상기 세장형 본체의 축선으로부터의 하 나 이상의 연료 노즐의 반경 방향 거리보다 짧은, 상기 세장형 본체의 축선으로부터의 반경 방향 거리에 배치되는 것인 버너 조립체.
  27. (a) 버너 조렙체를 제공하는 단계로서,
    (1) 주변부, 연소 영역에 인접한 배출 단부 및 상기 연소 영역 내로 연장하는 축선을 갖는 세장형 본체와,
    (2) 상기 세장형 본체의 배출 단부에 배치되고, 상기 연소 영역으로 가스상 산화제를 배출하도록 되어 있는 하나 이상의 산화제 노즐과,
    (3) 상기 세장형 본체의 배출 단부에 배치되고, 연료를 상기 연소 영역 내로 배출하도록 되어 있는 하나 이상의 연료 노즐
    을 포함하며, 상기 산화제 노즐 및 연료 노즐 중 적어도 하나는, 배출 개구의 둘레 치수가 P, 배출 개구의 면적이 A라 할 때에 σ=P2/2A로 정의되는 무차원 매개변수인 형상 인자 σ가 약 10보다 크다는 것을 특징으로 하는 것인, 버너 조립체를 제공하는 단계와;
    (b) 상기 하나 이상의 산화제 노즐을 통해 상기 가스상 산화제를 상기 연소 영역 내로 배출하는 단계와;
    (c) 상기 하나 이상의 연료 노즐을 통해 상기 연료를 상기 연소 영역 내로 배출하고, 그 연료를 상기 연소 영역에서 가스상 산화제로 연소시키는 단계
    를 포함하는 연소 방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 가스상 산화제는 산소를 20.9vol% 보다 많이 함유하는 것인 연소 방법.
  29. 제27항에 있어서, 상기 연료는 상기 세장형 본체의 축선을 포함하는 평면과 교차하는 방향으로 상기 하나 이상의 연료 노즐 중 적어도 하나를 통해 배출되는 것인 연소 방법.
  30. 제27항에 있어서, 상기 연료는 상기 세장형 본체의 축선을 포함하는 평면과 교차하지 않는 방향으로 상기 하나 이상의 연료 노즐 중 적어도 하나를 통해 배출되는 것인 연소 방법.
  31. 제27항에 있어서, 세장형 본체의 주변부 내에 배치되는 적어도 하나의 화염 안정장치를 제공하는 단계로서, 하나 이상의 산화 가스로 화염 안정장치 연료를 연소시켜, 연소 생성물을 형성하고 이 연소 생성물을 연소 영역 내로 배출하도록 되어 있는 상기 화염 안정장치를 제공하는 단계와; 하나 이상의 산화 가스로 화염 안정장치 연료를 연소시켜 연소 생성물을 형성하는 단계; 및 상기 연소 생성물을 상기 연소 영역 내로 배출하는 단계를 더 포함하는 연소 방법.
  32. 제31항에 있어서, 상기 가스상 산화제 중의 산소의 농도는 상기 하나 이상의 산화 가스 중의 산소의 농도보다 큰 것인 연소 방법.
  33. (a) 버너 조립체를 제공하는 단계로서,
    (1) 주변부, 연소 영역에 인접한 배출 단부 및 상기 연소 영역 내로 연장하는 축선을 갖는 세장형 본체와,
    (2) 상기 세장형 본체의 배출 단부에 배치되고, 상기 연소 영역으로 가스상 산화제를 배출하도록 되어 있는 하나 이상의 산화제 노즐과,
    (3) 상기 세장형 본체의 배출 단부에 배치되고, 연료를 상기 연소 영역 내로 배출하도록 되어 있는 하나 이상의 연료 노즐과,
    (4) 상기 세장형 본체의 주변부 내에 배치되고, 상기 연소 영역과 유통하여 산소 함유 가스를 상기 연소 영역 내로 도입하고 연소 생성물을 상기 연소 영역으로부터 취출하도록 되어 있는 통로
    를 포함하며, 상기 산화제 노즐 및 연료 노즐 중 적어도 하나는,배출 개구의 둘레 치수가 P, 배출 개구의 면적이 A라 할 때에 σ=P2/2A로 정의되는 무차원 매개변수인 형상 인자 σ가 약 10보다 크다는 것을 특징으로 하는 것인 버너 조립체를 제공하는 단계와;
    (b) 제1 기간 동안, 상기 산소 함유 가스를 상기 통로를 통해 상기 연소 영역 내로 도입하고, 상기 가스상 산화제를 상기 하나 이상의 산화제 노즐을 통해 상기 연소 영역 내로 도입하며, 상기 연료를 상기 하나 이상의 연료 노즐을 통해 상 기 연소 영역 내로 도입하여, 상기 연소 영역 내에 연소 생성물을 발생시키도록 상기 연료를 연소시키는 단계와,
    (c) 제2 기간 동안, 상기 산소 함유 가스, 상기 가스상 산화제 및 상기 연료의 상기 연소 영역으로의 도입을 종료하고, 상기 연소 영역으로부터 상기 통로를 통해 상기 연소 생성물의 적어도 일부를 취출하는 단계
    를 포함하는 연소 방법.
  34. 제33항에 있어서, 상기 가스상 산화제 중의 산소의 농도는 상기 산소 함유 가스 중의 산소의 농도보다 큰 것인 연소 방법.
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