KR20080029901A - Partial pre-mix flare burner and method - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 플래어 장치와 인화성 폐가스(flammable waste gas) 및 전환된 연료 원료(diverted fuel stock)의 플래어링(flaring) 방법에 관한 것이다. 일실시예에서, 본 발명은 그라운드 플래어 버너, 그라운드 플래어 및 이와 연관된 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a flaring apparatus and a method of flaring flammable waste gas and diverted fuel stock. In one embodiment, the present invention relates to a ground flare burner, a ground flare and a method associated therewith.
플래어 장치와 방법은 다양한 용례에서 인화성 폐가스와 전환된 연료 원료를 연소 및 처분하기 위해 이용된다. 예컨대, 플래어는 버려진 인화성 폐가스 및/또는 통기, 운전 정지, 업셋 혹은 비상 상태 동안 전환되는 연료 원료 스트림의 처분을 위한 생산 설비, 정련소, 공정 플랜트 등에 통상적으로 배치된다. 연기를 발생시키지 않는, 인화성 폐가스와 전환된 연료 원료(이하에서 "연료"라고 칭함)의 플래어링은 일반적으로 바람직하거나 또는 실로 필수적이다. 무연(smokeless) 플래어링은 산화되지 않은 그을음이 화염을 떠나기에 충분한 양으로 형성되지 않는 것을 보장함으로써 달성된다. 이것은 혼합물이 너무 연료 농후하게 되어 효과적이지 않은 상태가 되는 것을 방지하기 위해 충분한 양의 산소가 연료와 혼합되는 것을 보장함으로써 달성된다. Flare devices and methods are used to burn and dispose of flammable waste gases and converted fuel raw materials in various applications. For example, flares are typically placed in production facilities, refineries, process plants, etc., for disposal of abandoned flammable waste gases and / or fuel feed streams that are diverted during aeration, shutdown, upset or emergency conditions. Flaring of the flammable waste gas and the converted fuel raw material (hereinafter referred to as "fuel"), which does not generate smoke, is generally preferred or indeed essential. Smokeless flaring is achieved by ensuring that unoxidized soot is not formed in an amount sufficient to leave the flame. This is accomplished by ensuring that a sufficient amount of oxygen is mixed with the fuel to prevent the mixture from becoming too fuel rich and ineffective.
많은 용례에서, 플래어에 의해 생성된 화염 엔벨로프(flame envelope)의 길이는 또한 중요하다. 상대적으로 짧은 화염 엔벨로프가 바람직한 플래어 타입의 예로는 플로팅 생산 설비 상의 피트 타입의 엔클로즈드 플래어(pit-type enclosed flare), 그라운드 플래어 및 고압 플래어 등과 같은 미적인 플래어를 포함한다. 이러한 플래어에 있어서, 화염이 주변의 단체의 눈에 띄지 못하게 하는 것이 종종 필요하다. 다른 한편으로, 이러한 플래어는 임의의 주어진 시간에 큰 체적의 연료를 연소시킬 능력을 가질 필요가 있다. 화염 엔벨로프의 길이는 타오르게 될 연료의 체적이 증가함에 따라 길어지는 경향이 있다. In many applications, the length of the flame envelope generated by the flares is also important. Examples of flare types for which a relatively short flame envelope is preferred include aesthetic flares such as pit-type enclosed flares, ground flares and high pressure flares on floating production equipment. In such flares, it is often necessary to make the flame invisible to the surrounding organizations. On the other hand, such flares need to have the ability to burn large volumes of fuel at any given time. The length of the flame envelope tends to increase as the volume of fuel to be burned increases.
다점 플래어(multi-point flare)라고도 일컬어지는 그라운드 플래어는 주어진 시간에 타오르게 될 연료의 양이 상대적으로 작은 체적에서 매우 큰 체적(예컨대, 시간당 1,000,000파운드 이상)으로 변할 수 있는 용례에 통상적으로 사용된다. 연료 체적의 변화를 수용하고 무연 방식으로 연료가 연소되도록 해주기 위해, 다단계 버너(multiple stage burner)가 이용된다. 버너의 각 단으로의 유동은, 타오르게 될 연료의 압력과 체적에 따라 응답하는 제어 시스템에 의해 안내된다. 이러한 방법에 있어서, 적절한 양의 공기가 비말 동반되고 공기와 연료가 충분히 혼합되어 응용 범위 내에서 확실한 무연 연소가 발생되도록 보장하기 위해, 각각의 버너는 작동시에 충분한 압력을 이용할 수 있다.Ground flares, also known as multi-point flares, are commonly used in applications where the amount of fuel to be burned at any given time can vary from a relatively small volume to a very large volume (eg, over 1,000,000 pounds per hour). . Multiple stage burners are used to accommodate changes in fuel volume and allow fuel to be burned in a lead-free manner. The flow to each stage of the burner is guided by a control system that responds to the pressure and volume of fuel to be burned. In this way, each burner can utilize sufficient pressure in operation to ensure that an adequate amount of air is entrained and that the air and fuel are sufficiently mixed to ensure reliable lead-free combustion within the scope of application.
그라운드 플래어 시스템은 통상적으로 큰 영역, 예컨대 3 에이크에 걸쳐 펼쳐져 있고, 큰 펜스 혹은 다른 엔클로저(enclosure)에 의해 에워싸여 있다. 이 엔 클로저는 화염 영역으로부터 인간과 동물을 배척하고 주변 지역으로의 복사선, 시계(視界) 및 소음을 최소화시키는 기능을 한다. 상기 엔클로저는 통상 금속 혹은 다른 내열성 재료로 구성되고, 높이는 20 내지 60 피트이다. 그 결과, 엔클로저의 제작 및 유지를 위해 비용이 많이 들 수 있다.Ground flare systems are typically spread over large areas, such as three acres, and surrounded by large fences or other enclosures. The enclosure functions to reject humans and animals from the flame zone and to minimize radiation, visibility, and noise into the surrounding area. The enclosure typically consists of a metal or other heat resistant material and is 20 to 60 feet in height. As a result, it can be costly to manufacture and maintain the enclosure.
그라운드 플래어 시스템에서 버너의 공간과 연료의 유량이 또한 중요하다. 버너는 크로스 라이팅(cross-lighting)이 발생하도록 서로에 대해 충분히 근접할 필요가 있고 상기 시스템과 주변의 엔클로저 전체의 크기를 줄이기 위해 일반적으로 충분히 근접하게 패킹될 필요가 있다. 비용 측면에서, 점화 파일럿의 수를 최소로 하는 것이 바람직하다. 통상의 유닛은 버너의 각 열의 단부에 있는 단일의 파일럿을 포함한다. 다른 한편으로, 버너는 공기 흐름을 제한하고 무연 연소를 방해하거나 또는 화염이 엔클로저의 높이를 초과하는 화구(ball of fire)로 합체될 정도로 서로 근접해서는 안 된다. 또한, 연료의 유량은 개개의 화염의 높이가 엔클로저 높이를 초과하지 않도록 제어되어야 한다. In the ground flare system, the burner space and fuel flow rate are also important. The burners need to be close enough to each other so that cross-lighting can occur and generally need to be packed close enough to reduce the size of the system and the surrounding enclosure as a whole. In terms of cost, it is desirable to minimize the number of ignition pilots. A typical unit includes a single pilot at the end of each row of burners. On the other hand, the burners should not be so close to each other that they limit air flow and hinder smokeless combustion or that the flames coalesce into a ball of fire that exceeds the height of the enclosure. In addition, the flow rate of the fuel must be controlled so that the height of the individual flame does not exceed the enclosure height.
지금까지 사용되어 온 그라운드 플래어 버너 중 한 가지 타입은 연료를 분배하고 연소에 요구되는 공기를 흡인하기 위해 복수 개의 확산 제트를 포함한다. 이 확산 제트는 연소 공기를 그 제트 속으로 흡인하기 위해 충분한 속도로 대기에 분사된다. 연료가 점화되면, 주변의 환경으로부터의 공기는 연료의 배출 지점 위로부터 측방향으로 비말 동반된다. 스트림의 속도가 감소함에 따라, 고온 가스의 부력 효과(buoyancy effect)는 연료와 공기의 전체 혼합 방식에 영향을 미쳐 나머지 연료의 연소가 완료되도록 한다. One type of ground flare burner that has been used so far includes a plurality of diffusion jets for distributing fuel and drawing in the air required for combustion. This diffusion jet is injected into the atmosphere at a sufficient speed to draw combustion air into the jet. When the fuel is ignited, air from the surrounding environment is entrained laterally from above the discharge point of the fuel. As the speed of the stream decreases, the buoyancy effect of the hot gas affects the overall mix of fuel and air, allowing the combustion of the remaining fuel to complete.
연료를 분산시키고 연소에 필요한 공기를 측방향으로 비말 동반시키도록 단지 확산 제트를 이용함으로써 생성된 전체 화염 엔벨로프는 연료가 농후한 중심 코어를 포함한다. 이러한 연료의 중심 코어는 화염 엔벨로프의 외측 부분이 타버리기 시작할 때까지 본래대로 남게 된다. 화염 엔벨로프의 외측 부분이 연소함에 따라, 공기는 산화 과정을 완료하기 위해 화염 엔벨로프의 내측 경계로 유입될 수 있다. 불행하게도, 개개의 연료 제트의 상호 작용으로 인해, 화염 엔벨로프의 중심에 형성된 농후한 연료 코어는 화염 엔벨로프의 길이 증가 및/또는 연기의 발생 없이 연료의 유량을 증가시켜 큰 용량을 지원하는 것을 어렵게 만든다. 화염 엔벨로프의 길이의 증가로 인해 종종 그라운드 플래어 주위를 에워싸는 엔클로저의 높이를 더 높게 만들어야 하며, 이는 엔클로저의 비용을 현저하게 증가시킬 수 있다. The entire flame envelope produced by using only a diffusion jet to disperse the fuel and entrain it in a lateral splash of the air needed for combustion comprises a central fuel-rich core. The central core of this fuel remains intact until the outer portion of the flame envelope begins to burn. As the outer portion of the flame envelope burns, air may enter the inner boundary of the flame envelope to complete the oxidation process. Unfortunately, due to the interaction of the individual fuel jets, the rich fuel core formed in the center of the flame envelope makes it difficult to support large capacity by increasing the flow rate of the fuel without increasing the length of the flame envelope and / or generating smoke. . Increasing the length of the flame envelope often results in higher enclosure heights surrounding the ground flare, which can significantly increase the cost of the enclosure.
본 발명에 의하면, 그라운드 플래어, 고압 플래어 및 다른 타입의 플래어와 관련된 유용한 플래어 버너가 제공된다. 예컨대, 본 발명의 플래어 버너는 지금까지 사용하여 온 그라운드 플래어 버너와 관련된 문제점을 해소한다. 본 발명은 또한 그라운드 플래어 장치와 플래어 버너에서의 연료 플래어링 방법을 제공한다.According to the present invention, useful flare burners are provided in connection with ground flares, high pressure flares and other types of flares. For example, the flare burners of the present invention solve the problems associated with on-ground flare burners that have been used so far. The present invention also provides a fuel flaring method in a ground flare device and a flare burner.
본 발명에 따르면, 상대적으로 짧은 화염 엔벨로프를 이용하여 큰 체적의 연료를 연소시킬 수 있는 플래어 버너가 제공된다. 화염 엔벨로프의 길이가 감소하면 많은 장점이 생긴다. 예컨대, 그라운드 플래어를 에워싸는 엔클로저의 높이가 낮아질 수 있거나 혹은 기존의 엔클로저 높이를 이용하여 태울 수 있는 연료의 체적이 증가할 수 있다. According to the present invention, there is provided a flare burner capable of burning a large volume of fuel using a relatively short flame envelope. Reducing the length of the flame envelope has many advantages. For example, the height of the enclosure surrounding the ground flare may be lowered or the volume of fuel burnable using existing enclosure height may be increased.
본 발명의 플래어 버너는 프리믹스 챔버를 포함하는 프리믹스 영역과, 프리믹스 영역으로 연료를 분사하기 위한 보조 연료 입구와, 그리고 주요 연료 출구를 포함한다. 양호하게는, 본 발명의 플래어 버너는 보조 연료 입구 및 주요 연료 출구와 유체 연통 상태로 있는 연료 급송 도관을 더 포함한다.The flare burner of the present invention includes a premix region comprising a premix chamber, an auxiliary fuel inlet for injecting fuel into the premix region, and a main fuel outlet. Preferably, the flare burner of the present invention further comprises a fuel feed conduit in fluid communication with the auxiliary fuel inlet and the main fuel outlet.
상기 프리믹스 챔버는 상부, 하부, 상부를 상기 하부에 연결하는 측벽을 포함한다. 측벽은 내측면과 외측면을 포함한다. 공기 입구는 하부와 측벽 중 하나에 배치되어 있고, 공기/연료 출구는 상부에 배치되어 있다. The premix chamber includes sidewalls connecting the upper, lower and upper portions to the lower portion. The side wall includes an inner side and an outer side. The air inlet is arranged at one of the bottom and side walls, and the air / fuel outlet is arranged at the top.
상기 보조 연료 입구는 이 보조 연료 입구로부터 프리믹스 영역으로 연료를 분사하면 프리믹스 영역으로 공기가 비말 동반되도록 프리믹스 영역에 대한 소정의 위치에 배치되며, 이에 따라 연료와 공기의 혼합물이 프리믹스 영역 내에서 형성되고 프리믹스 챔버의 상기 공기/연료 출구로 배출되도록 해준다. The auxiliary fuel inlet is disposed at a predetermined position with respect to the premix zone such that when air is injected from the auxiliary fuel inlet into the premix zone, air is splashed into the premix zone, whereby a mixture of fuel and air is formed in the premix zone. To the air / fuel outlet of the premix chamber.
상기 주요 연료 출구는 연료가 주요 연료 출구로부터 프리믹스 챔버의 공기/연료 출구의 주계(周界) 둘레에서 분사될 수 있도록 프리믹스 챔버의 상부에 대한 소정의 위치에 배치되어 있다. 일실시예에 있어서, 상기 주요 연료 출구는 프리믹스 챔버 측벽의 외측면과 주요 연료 출구 사이에 공간을 마련하기 위해 프리믹스 챔버로부터 외측으로 이격되어 있다. 후술하는 바와 같이, 이러한 공간은 신선한 공기가 버너 아래로부터 주요 연료 출구의 내측부에 배치된 연료 포트에 인접하는 지점까지 비말 동반될 수 있도록 해준다. 이러한 비말 동반에 의해 향상된 혼합은 분자량이 큰 탄화수소 혹은 불포화 연료를 태울 때와 같은 특정 용례에서 중요할 수 있다. The main fuel outlet is arranged at a predetermined position relative to the top of the premix chamber such that fuel can be injected from the main fuel outlet around the main system of the air / fuel outlet of the premix chamber. In one embodiment, the main fuel outlet is spaced outward from the premix chamber to provide a space between the outer surface of the premix chamber sidewall and the main fuel outlet. As described below, this space allows fresh air to be entrained from below the burner to a point adjacent to the fuel port disposed inside the main fuel outlet. Improved mixing by this droplet entrainment may be important in certain applications, such as when burning high molecular weight hydrocarbons or unsaturated fuels.
연료 급송 도관은 연료를 보조 연료 가스 입구와 주요 연료 가스 출구로 안내한다. 연료는 용례에 따라 동일한 압력 혹은 상이한 압력으로 보조 연료 입구 및 주요 연료 출구에 공급될 수 있다.The fuel supply conduit directs fuel to the auxiliary fuel gas inlet and to the main fuel gas outlet. Fuel may be supplied to the auxiliary fuel inlet and main fuel outlet at the same or different pressures, depending on the application.
본 발명의 플래어 버너는 프리믹스 챔버의 외측 주계 둘레에 배치된 연료 막을 더 포함할 수 있다. 이 연료 막은 연료 입구를 포함하고 주요 연료 출구와 유체 연통 상태로 있다. 일부 실시예에 있어서, 연료 막은 또한 보조 연료 입구와 유체 연통 상태로 있다. 전술한 공기 비말 동반 공간을 제공하기 위해, 연료 막은 프리믹스 챔버의 측벽의 외측면으로부터 이격될 수 있다. The flare burner of the present invention may further comprise a fuel membrane disposed around the outer perimeter of the premix chamber. This fuel membrane includes a fuel inlet and is in fluid communication with the main fuel outlet. In some embodiments, the fuel membrane is also in fluid communication with the auxiliary fuel inlet. To provide the aforementioned air droplet entrainment space, the fuel membrane may be spaced apart from the outer side of the sidewall of the premix chamber.
본 발명의 플래어 버너의 특별한 구성에 따라, 프리믹스 영역은 프리믹스 챔버 단독으로 구성될 수 있거나 혹은 실제 프리믹스 챔버 아래 및/또는 위에 있는 영역과 함께 프리믹스 챔버를 포함할 수 있다. 예컨대, 프리믹스 챔버의 공기 입구가 프리믹스 챔버의 하부에 있고 보조 연료 입구가 공기 입구 아래에 이격되어 있을 때, 연료와 공기는 공기 입구와 프리믹스 챔버 아래에서 혼합되기 시작한다. 또한, 연료와 공기는 통상적으로 연소 영역에서의 점화와 연소 이전에 프리믹스 챔버의 상부에 배치된 공기/연료 출구 위에서 계속 혼합된다. Depending on the particular configuration of the flare burners of the present invention, the premix region may consist of the premix chamber alone or may comprise a premix chamber with regions below and / or above the actual premix chamber. For example, when the air inlet of the premix chamber is at the bottom of the premix chamber and the auxiliary fuel inlet is spaced below the air inlet, fuel and air begin to mix below the air inlet and the premix chamber. In addition, fuel and air typically continue to mix above the air / fuel outlet disposed above the premix chamber prior to ignition and combustion in the combustion zone.
프리믹스 챔버와 연료 막은 다양한 형상과 크기로 형성될 수 있다. 일실시예에 따르면, 프리믹스 챔버와 연료 막은 둥근 단면을 갖는다. 다른 실시예에 있어서, 프리믹스 챔버와 연료 막은 직사각형의 단면을 갖는다. The premix chamber and fuel membrane can be formed in a variety of shapes and sizes. According to one embodiment, the premix chamber and fuel membrane have a round cross section. In another embodiment, the premix chamber and fuel membrane have a rectangular cross section.
보조 연료 입구를 통해 프리믹스 영역으로 연료를 분사함으로써 초래되는 공기의 비말 동반을 향상시키기 위해, 프리믹스 챔버의 내측면은 코안다 표면(Coanda surface)인 부분을 포함할 수 있다. 상기 보조 연료 입구는 연료가 보조 연료 입구로부터 코안다 표면 상으로 분사될 수 있도록 프리믹스 챔버에 대한 소정의 위치에 배치된다. 연료는 코안다 표면의 경로를 유지하며 그것을 따라가는 경향이 있고, 더 많은 공기가 프리믹스 챔버로 비말 동반되도록, 그리고 연료와 공기가 프리믹스 챔버 내에서 더 양호하게 혼합되도록 상대적으로 얇은 막을 형성할 수 있다. In order to enhance the droplet entrainment of the air resulting from injecting fuel through the auxiliary fuel inlet into the premix region, the inner surface of the premix chamber may include a portion that is a Coanda surface. The auxiliary fuel inlet is positioned at a location relative to the premix chamber such that fuel can be injected from the auxiliary fuel inlet onto the coanda surface. The fuel tends to follow and maintain the path of the Coanda surface, and can form a relatively thin film to allow more air to be entrained in the premix chamber and for better mixing of the fuel and air within the premix chamber.
상기 프리믹스 챔버는 약 0.25:1 내지 약 4:1의 범위의 길이 대 내측 수력 직경의 비율을 가질 수 있다. 4:1 보다 큰 길이 대 내측 수력 직경의 비율을 갖는 프리믹스 챔버를 구비하는 유닛은 추가적인 장점을 갖도록 기능하지만 일반적으로 비용 측면에서 제한이 따른다. 일실시예에 있어서, 프리믹스 챔버는 약 1:1 내지 약 3:1의 범위의 길이 대 내측 수력 직경의 비율을 갖는다. 다른 실시예에 있어서, 프리믹스 챔버는 약 1:1 이하의 길이 대 내측 수력 직경의 비율을 갖는다. 상대적으로 짧은 길이의 프리믹스 챔버는 그라운드 플래어와, 버너의 길이(혹은 높이)가 중요한 다른 플래어 용례, 혹은 반응성이 큰 연료가 내부 연소를 하게 되는 용례에 유리할 수 있다. 또한 몇몇 구성에서, 연료는 심지어 프리믹스 챔버가 매우 작은 길이 대 내측 수력 직경의 비율을 가질 때라도 공기와 연료의 균일한 혼합의 달성을 허용하는 조건 하에서(예컨대, 복수 개의 작은 제트 또는 고압) 보조 연료 입구로부터 분사된다. The premix chamber may have a ratio of length to inner hydraulic diameter in the range of about 0.25: 1 to about 4: 1. Units with premix chambers having a ratio of length to inner hydraulic diameter greater than 4: 1 function to have additional advantages but are generally limited in terms of cost. In one embodiment, the premix chamber has a ratio of length to inner hydraulic diameter in the range of about 1: 1 to about 3: 1. In another embodiment, the premix chamber has a ratio of length to inner hydraulic diameter of about 1: 1 or less. Relatively short length premix chambers may be advantageous for ground flares, other flare applications where the length (or height) of the burners is important, or where highly reactive fuels will internally burn. Also in some configurations, the fuel has a secondary fuel inlet (e.g., a plurality of small jets or high pressures) under conditions that allow the attainment of uniform mixing of air and fuel even when the premix chamber has a very small length to inner hydraulic diameter ratio. Sprayed from.
본 발명의 그라운드 플래어는 복수 개의 플래어 버너, 플래어 버너 둘레로 연장되는 펜스 혹은 다른 엔클로저 및 연료를 플래어 버너로 공급하기 위한 연료 공급관을 포함한다. 상기 플래어 버너들 중 하나 이상은 전술한 본 발명의 플래어 버너이다.The ground flare of the present invention includes a plurality of flare burners, a fence or other enclosure extending around the flare burners, and a fuel supply line for supplying fuel to the flare burners. At least one of the flare burners is the flare burner of the present invention described above.
본 발명은 또한 플래어 버너를 이용한 연료 플래어링 방법을 포함하며, 여기서 타게 될 연료는 버너의 연료 출구를 통해 연소 영역으로 분사되고, 화염 엔벨로프를 생성하고 연료를 연소시키기 위해 점화된다. 본 발명의 방법에 따르면, 연소할 연료의 일부는, 공기를 프리믹스 영역으로 비말 동반시키고 공기와 연료의 혼합물을 프리믹스 영역 내에 생성하는 방식으로 플래어 버너의 프리믹스 영역으로 주입된다. 공기와 연료의 혼합물은 프리믹스 영역으로부터 화염 엔벨로프의 중심 부분으로 분사된다. The present invention also includes a fuel flaring method using a flare burner, wherein the fuel to be burned is injected through the fuel outlet of the burner into the combustion zone and ignited to produce a flame envelope and burn the fuel. According to the method of the present invention, a portion of the fuel to be burned is injected into the premix region of the flare burner in such a manner as to entrain air into the premix region and produce a mixture of air and fuel in the premix region. The mixture of air and fuel is injected from the premix zone into the central portion of the flame envelope.
상기 프리믹스 영역으로 비말 동반되고 화염 엔벨로프의 중심 부분으로 분사된 공기의 양은, 프리믹스 영역으로 주입되는 연료의 연소를 지원하는 데 요구되는 공기의 화학량론적 양의 약 15% 이상인 것이 바람직하다. 몇몇 용례에 있어서는, 화염 엔벨로프의 중심 부분으로 "연료 농후한" 연료와 공기의 혼합물(즉, 프리믹스 영역으로 주입되는 연료의 연소를 지원하는 데 요구되는 공기의 화학량론적 양의 100% 미만을 갖는 혼합물)을 분사하는 것이 적절하다. 그러나, 대부분의 용례에 있어서, 화염 엔벨로프의 중심 부분으로 "연료 희박한" 연료와 공기의 혼합물(즉, 프리믹스 영역으로 주입되는 연료의 연소를 지원하는 데 요구되는 공기의 화학량론적 양의 100%를 초과하는 혼합물)을 분사하는 것이 바람직하다. 대부분의 용례에 있어서, 프리믹스 영역으로 비말 동반되고 화염 엔벨로프의 중심 부분으로 분사되는 공기의 양은, 프리믹스 영역으로 주입되는 연료의 연소를 지원하는 데 요구되는 공기의 화학량론적 양의 약 125% 내지 약 300%의 범위에 속한다. The amount of air entrained in the premix zone and injected into the central portion of the flame envelope is preferably at least about 15% of the stoichiometric amount of air required to support combustion of fuel injected into the premix zone. In some applications, a mixture of “fuel-rich” fuel and air into the central portion of the flame envelope (ie, a mixture having less than 100% of the stoichiometric amount of air required to support combustion of fuel injected into the premix zone). Spraying) is appropriate. However, in most applications, more than 100% of the stoichiometric amount of air required to support combustion of a mixture of “fuel lean” fuel and air into the central portion of the flame envelope (ie, fuel injected into the premix zone). It is preferable to spray the mixture). In most applications, the amount of air splashed into the premix zone and injected into the central portion of the flame envelope is from about 125% to about 300 of the stoichiometric amount of air required to support combustion of fuel injected into the premix zone. Belongs to the range of%.
상기 프리믹스 영역으로 주입된 연료의 양은 플래어 버너에 의해 타게 될 연료 총량의 약 5% 내지 약 50%의 범위에 속하는 것이 바람직하다. 본 발명의 방법에 따라 화염 엔벨로프의 중심 부분으로 프리믹스 연료 스트림을 분사시킴으로써, 화염 엔벨로프는 그 외측면에서 뿐만 아니라 그 중심에서의 연소를 포함한다. 그 결과로 생긴 원환(toroidal) 화염은 추가적인 혼합 및 더 균일하고 신속한 화염 엔벨로프의 연소를 초래하는 난류를 생성하게 된다. 그 결과, 화염 엔벨로프의 높이가 낮아질 수 있거나 또는 주어진 화염 엔벨로프를 이용하여 태울 수 있는 연료의 체적이 증가할 수 있다. 다른 장점들은 본 발명의 플래어 버너와 플래어링 방법에 의해 달성된다. The amount of fuel injected into the premix zone is preferably in the range of about 5% to about 50% of the total amount of fuel to be burned by the flare burner. By injecting the premix fuel stream into the central portion of the flame envelope according to the method of the invention, the flame envelope comprises combustion at its center as well as at its outer side. The resulting toroidal flame creates turbulence that results in additional mixing and combustion of a more uniform and rapid flame envelope. As a result, the height of the flame envelope can be lowered or the volume of fuel burnable using a given flame envelope can be increased. Other advantages are achieved by the flare burner and flaring method of the present invention.
따라서, 본 발명의 일반적인 목적은, 대량의 연료를 상대적으로 짧으면서 균일한 화염 엔벨로프 내에서 연소시킬 수 있는 플래어 버너와 그것과 관련된 방법을 제공하는 데 있다. It is therefore a general object of the present invention to provide a flare burner and a method associated therewith which are capable of burning a large amount of fuel in a relatively short and uniform flame envelope.
본 발명에 따른 플래어 버너는 상대적으로 짧은 화염 엔벨로프를 이용하여 큰 체적의 연료를 연소시킬 수 있다. 프리믹스 연료 스트림을 화염 엔벨로프의 중심 부분으로 분사시킴으로써, 화염 엔벨로프는 그 외측면에서 뿐만 아니라 그 중심에서도 연소하기 때문에, 원환의 화염이 생겨 추가적인 혼합, 그리고 더 균일하고 신속한 화연 엔벨로프의 연소를 초래하는 난류를 생성하게 된다. 따라서, 화염 엔벨로프의 높이를 낮출 수 있고 나아가 주어진 화염 엔벨로프의 길이에 대해 태울 수 있는 연료의 체적을 증가시킬 수 있다.The flare burner according to the present invention can burn large volumes of fuel using a relatively short flame envelope. By injecting the premix fuel stream into the central portion of the flame envelope, since the flame envelope burns not only at its outer side but also at its center, turbulent flows occur, resulting in further mixing and combustion of the more uniform and faster flame envelope. Will generate Thus, it is possible to lower the height of the flame envelope and further increase the volume of fuel that can be burned for the length of a given flame envelope.
본 발명의 다른 추가적인 목적 및 장점들은 첨부 도면을 참조하여 이하에 기재되어 있는 양호한 실시예의 설명을 읽음으로써 당업자들에게 더욱 명백해질 것이다.Other additional objects and advantages of the present invention will become more apparent to those skilled in the art upon reading the description of the preferred embodiment described below with reference to the accompanying drawings.
도면, 특히 도 1 내지 도 3을 참조하면, 종래 기술의 그라운드 플래어 버너(ground flare burner)가 대체로 도시되어 있으며 도면 부호 10으로 표시되어 있다. 종래 기술의 버너(10)는 버너 라이저(14)에 부착된 버너 캐스팅(12)을 포함한다. 버너 캐스팅(12)은 중앙부(15)와, 이 중앙부 및 라이저(14)의 상부 둘레에 동 심으로 배치된 복수 개의 연료 출구 아암(16)을 포함한다. 각각의 연료 출구 아암(16)은 하나 이상의 연료 포트(18)를 포함한다. 연료는 연료 포트(18)로 직접 공급된다, 즉 연료는 애초에는 공기와 프리믹스 되지 않는다. 그 결과, 연료 포트(18)에 의해 생성된 연료 제트는 확산 연료 제트가 된다.With reference to the drawings, in particular FIGS. 1 to 3, a ground flare burner of the prior art is generally shown and indicated by the
도 3에는 일반적으로 버너(10)에 의해 생성되는 화염 엔벨로프(20)가 도시되어 있다. 연료(일반적으로 검정색 화살표로 표시됨)는 연료 포트(18)를 통해 고속으로 연소 영역(22)으로 주입되며, 이는 공기를 연료 제트 내부로 끌어들인다. 주변 환경으로부터의 공기는 연료의 배출 지점 위로부터 측방향으로 비말 동반된다. 스트림의 속도가 감소할수록, 고온 가스의 부력 효과는 이후 연료의 전체 혼합 방식에 영향을 미치며, 완전 연소가 이루어지게 해준다. 화염 엔벨로프(20) 전체는 소정의 길이(23)를 지니며 연료가 농후한 중심 코어(24)를 포함한다. 연료의 중심 코어(24)는 화염(22)의 외측 부분(26)이 타기 시작할 때까지 산화되지 않은 상태로 남게 된다. 비록 화염 엔벨로프의 중심 부분은 약간의 공기 포켓(air pocket)(28)을 포함할 수 있지만, 공기 포켓 내의 공기의 양은 연료의 중심 코어(24)의 균질 연소를 지원하기에는 불충분하다. 상기 연료가 농후한 중심 코어(24)는 일반적으로, 연료의 외측 부분(26)이 충분히 약화되어 충분한 양의 공기가 화염 엔벨로프의 내측 범위로 들어가게 해주고 또한 산화 과정이 완료되도록 할 때까지 본래 상태를 유지한다. 불행하게도, 화염 엔벨로프(20)의 중심에 있는 연료가 농후한 중심 코어(24)는, 화염의 길이를 증가시키지 않고도 및/또는 연기를 발생시키지 않고도 큰 화염을 지원하기 위해 연료의 유량을 증가시키는 것을 어렵게 만든다. 3 shows a
본 발명의 Of the present invention 플래어Flare 버너 burner
도 4 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 플래어 버너의 일실시예는 도면 부호 30으로 병기하여 표시되어 있다. 상기 플래어 버너(30)는 프리믹스 챔버(32)를 포함하는 프리믹스 영역(31)과, 프리믹스 영역으로 연료를 주입하기 위한 보조 연료 입구(34), 주요 연료 출구(36) 및 연료 급송 도관(38)을 포함한다. 본 명세서 및 첨부된 청구 범위에서 사용된 바와 같이, "연료(fuel)"는 본 발명의 플래어 버너, 플래어 장치(예컨대, 본 발명의 그라운드 플래어 장치) 및 방법에 의해 타오르게 될 폐가스(waste gas), 전용 연료의 원료 및/또는 다른 가스 혹은 액체를 의미한다. 액체는, 예컨대 분자량이 큰 불포화 혹은 포화 연료의 부분 압력이 표준 상태일 때 혹은 표준 상태 미만일 때 형성될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 파일럿(40)은 버너에 의해 방출되는 연료와 공기의 혼합물을 초기에 점화시키기 위해 버너(30)[또한, 후술하는 버너(130, 230 및 330) 포함]와 결합될 수 있다.4 to 8, one embodiment of the flare burner of the present invention is indicated in parallel with
도 4 내지 도 8에 도시된 실시예에 있어서, 플래어 버너(30)의 프리믹스 챔버(32)는 프리믹스 영역(31)의 상당 부분을 차지한다. 연료와 공기의 혼합물(양호하게는, 실질적인 균질 혼합물)은 프리믹스 챔버(32)를 포함하는 프리믹스 영역(31) 내에 형성될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 프리믹스 영역(31) 내에서 형성된 혼합물은 연료가 농후하거나 혹은 연료가 희박한 혼합물일 수 있다. 프리믹스 챔버(32)는 단면이 둥글고 원통형의 형상을 지닌다. 프리믹스 챔버는 상부(42), 하부(44), 상부를 하부에 연결하는 측벽(46), 하부(44)에 배치된 공기 입구(48), 상부(42)에 배치된 공기/연료 출구(50)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 상부(42)와 하부(44)는 개방되어 공기 입구(48)와 공기/연료 출구(50)를 형성한다. 그 결과, 공기 입구(48)와 공기/연료 출구(50) 각각은 또한 둥근 단면을 갖게 된다. 프리믹스 챔버(32)의 하측 부분(52)은 유입되는 연료와 공기의 유량을 증가시키기 위해 하측 부분이 (매우 둥근) 종 모양을 갖도록 외측으로 벌어져 있다. 대안으로, 프리믹스 챔버(32)의 하측 부분(52)은 외측으로 벌어지지 않게 되는데, 다시 말해서 전체의 프리믹스 챔버는 균일한 원통형의 형상을 지닌다. 도 5에 가장 잘 도시된 바와 같이, 프리믹스 영역(31)은 프리믹스 챔버(32) 아래의 프리믹스 공간(31a)[보조 연료 입구(34)와 바닥(44) 사이, 그리고 보조 연료 입구와 프리믹스 챔버의 공기 입구(48) 사이]과, 프리믹스 챔버의 내부(31b)와, 그리고 프리믹스 챔버의 상부(42)와 공기/연료 출구(50) 바로 위의 프리믹스 공간(31c)을 포함한다. 도 4 내지 도 9에 도시된 실시예에서, 프리믹스 공기와 연료의 주된 혼합은 프리믹스 챔버(32)의 내부(31b)와 프리믹스 공간(31c) 내에서 일어난다. In the embodiment shown in FIGS. 4-8, the
상기 프리믹스 챔버(32)는 약 0.25:1 내지 약 4:1, 양호하게는 약 1:1 내지 약 3:1의 범위의 길이(혹은 높이) 대 내측 수력 직경의 비율을 갖는다. 상기 프리믹스 챔버(32)의 길이(혹은 높이) 대 내측 수력 직경의 정확한 비율은, 부분적으로 타오르게 될 연료의 타입과 비말 동반 및 혼합에 이용할 수 있는 압력에 따라 좌우될 것이다. 일반적으로, 긴 프리믹스 챔버는 그 내부에서 연료와 공기의 더 양호한 혼합을 초래할 수 있지만, 이러한 장점은 비용과 다른 고려 사항들에 의해 균형을 이루게 된다. 양호한 실시예에서 상기 프리믹스 챔버(32)의 길이(혹은 높이) 대 내측 수력 직경의 비율은 약 1.5:1이다. 본 명세서와 첨부된 청구범위에서 사 용된 바와 같이, "내측 수력 직경(inside hydraulic diameter)"은 프리믹스 챔버의 측벽의 내측면의 주계로 나눈 프리믹스 챔버 내부 면적의 4배를 의미한다.The
상기 보조 연료 입구(34)는 프리믹스 영역(31)에 대한 소정의 위치에 배치되어 보조 연료 입구로부터 프리믹스 영역으로 연료가 분사되면 프리믹스 공간(31a)으로 그리고 공기 입구(48)를 통과하여 프리믹스 챔버(32)로 공기가 비말 동반되며, 이에 따라 연료와 공기의 혼합물, 양호하게는 실질적인 균질 혼합물이 프리믹스 영역 내에서 형성되고 프리믹스 챔버의 상부(42)의 공기/연료 출구(50)로 배출되도록 해준다. 연료와 공기는 프리믹스 공간(31c)에서 계속 혼합된다. 연료와 공기의 혼합물은 통상 이 혼합물이 공기/연료 출구(50)를 빠져나갈 때까지, 즉 일반적으로 공기/연료 출구로부터의 이격 거리를 빠져나갈 때까지 연소되지 않는다. 연소가 이루어지는, 공기/연료 출구(50)로부터의 이격 거리는 혼합물 내의 공기의 양과 공기/연료 출구로부터 배출되는 혼합물의 속도에 따라 변한다. 일부의 경우, 짧은 제거 단계(de-stage)의 타이밍 시퀀스로 인해, 연소는 프리믹스 영역에서 (예컨대, 짧은 지속 기간 동안, 매우 낮은 압력의 계획안에 따라) 발생될 수 있다. 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 보조 연료 입구(34)는, 내부에 하나 이상의 연료 포트(58)가 구비되어 있는 중앙 연료 인젝터(54)를 포함한다.The
환상의 연료 막(fuel membrane)(60)은 프리믹스 챔버(32)의 외주부 둘레에 배치되어 있다. 연료 막(60)은 연료 급송 도관(38)에 연결되어 주요 연료 출구(36)와 유체 연통되어 있다. 연료 막(60)은 개방된 상부(62), 하부(64) 및 상부를 하부에 연결하는 내측 측벽(67)과 외측 측벽(66)을 포함한다. 도 4 내지 도 8 에 도시된 실시예에서, 상기 연료 막(60)의 내측 측벽(67)은 또한 프리믹스 챔버(32)의 측벽(46)이 된다. 환상의 시일(68)은 연료 막(60)의 하부(64)에 고착되어 있으며, 막의 완전성을 확보하기 위해 프리믹스 챔버(32)의 측벽(46) 둘레로 연장된다. 변형례에 있어서, 도 25 내지 도 28에 예시되고 후술하는 바와 같이, 연료 막(60)은 측벽(46)의 외측면과 주요 연료 출구(36) 사이에 환상의 공간을 마련하기 위해 프리믹스 챔버(32)의 측벽(46)으로부터 외측으로 이격될 수 있다. 상기 환상의 공간은 공기가 버너 아래에서부터 주요 연료 출구(36)의 내측부에 배치된 연료 포트(74)에 인접한 지점까지 비말 동반되도록 해준다. 이러한 실시예에서, 상기 연료 막(60)의 내측 측벽(67)은 프리믹스 챔버(32)의 측벽(46)과 구분된다.An
상기 주요 연료 출구(36)는 연료가 주요 연료 출구(36)로부터 프리믹스 챔버의 공기/연료 출구(50)의 주계(69) 둘레에서 분사될 수 있도록 프리믹스 챔버의 상부(42)에 대한 소정의 위치에 배치되어 있다. 도 6에 가장 잘 도시된 바와 같이, 주요 연료 출구(36)는, 내부에 복수 개의 연료 포트(74)가 구비되어 있는 평탄한, 환상의 연료 인젝터 본체(70)를 포함한다. 연료 포트(74)에 의해 생성된 연료 제트는 확산 연료 제트이다. 환상의 연료 인젝터 본체(70)는 연료 포트(74)가 프리믹스 챔버의 공기/연료 출구(50)의 주계(69) 둘레에 배치되도록 환상의 막(60)의 개방된 상부(62)에 고착된다. 상기 환상의 막(60)과 환상의 연료 인젝터 본체(70)의 내경과 외경은 대략 동일하다. 연료는 주요 연료 출구(36)[즉, 환상의 연료 인젝터 본체(70)]로부터 공기/연료 출구(50)의 주계(69) 둘레에서 환상으로 분사될 수 있다. 상기 연료 포트(74)는 포트로부터 연료가 분사되는 방식(예컨대, 방향 및 속도)을 제어하도록 그 크기가 정해지고 이격될 수 있다. 공기/연료 출구(50)를 통과하는 연료와 공기의 흐름과 관련된 이러한 특징은 화염 엔벨로프 전체의 형상과 길이가 제어될 수 있도록 해준다.The
도 7에 도시된 바와 같이, 필요에 따라, 확산 연료 포트(74)는 복수 개의 대응하는 짧은 가스 라이저 혹은 팁 연장부(76)에 의해 연료 인젝터 본체(70)로부터 이격될 수 있다. 상기 라이저(76)를 이용하여 연료 인젝터 본체(70)로부터 연료 포트(74)를 이격시키는 것은 몇몇 용례에서 더 양호한 공기의 측방향 비말 동반을 초래할 수 있다. 상기 라이저는 또한 포트의 형상과 이에 따른 연료 흐름 특성을 필요에 따라 기계적으로 변화시킬 수 있도록 해준다.As shown in FIG. 7, the
환상의 연료 인젝터 본체(70)의 변형례가 도 8에 도시되어 있다. 이러한 변형례에 있어서, 복수 개의 연료 포트(74)는 연료 인젝터 본체(70)의 외측, 내측 및 중앙 둘레에 전략적으로 이격되어 있다. 이러한 방식으로 연료 인젝터 본체(70) 둘레에서 연료 포트(74)를 이격시키는 것은, 상기 제트들 사이의 비말 동반 통로가 더 양호한 혼합과 비말 동반을 위해 이용될 수 있도록 해준다. 당업자들이 이해할 수 있는 바와 같이, 인젝터 본체(70)는 다양하게 반복되는 연료 포트(74)를 포함할 수 있다. 이용된 특정의 포트 형상은 타오르게 될 연료의 타입(분자량, 발열량, 화학량론 및 스트림의 온도 포함) 및 그것과 관련하여 이용 가능한 압력을 포함한 다양한 요인에 따라 좌우될 것이다. A variant of the annular
연료 급송 도관(38)은, 보조 연료 입구(34) 및 주요 연료 출구로 연료를 안내하기 위해 보조 연료 입구 및 주요 연료 출구(36)와 유체 연통 상태로 되어 있 다. 연료 급송 도관(38)은 제1 단부(82)와 제2 단부(84)를 구비하는 주요 분기부(80)를 포함한다. 제1 단부(82)는 제1 단부를 연료의 공급원에 연결하기 위한 플랜지(86)를 포함한다(당업자들이 이해하는 바와 같이, 이러한 타입의 연결부는 보다 일반적으로 파이프 섹션들을 직접 서로 용접하여 제작되거나 혹은 개스킷을 필요로 하지 않는 몇몇 다른 기계적 연결부로 제작되며, 예컨대 대응하는 플랜지들 사이의 개스킷은 일반적으로 주변의 환경에서의 복사 열을 견딜 수 없음). 상기 제2 단부(84)는 연료 막(60)의 외측 측벽(66)에서 대응하는 입구(88)에 연결되어 있다. 연료 급송 도관(38)은 또한 이 연료 급송 도관을 보조 연료 입구(34)에 연결시키는 보조 분기부(90)를 포함한다. 보조 분기부(90)는 제1 단부(92)와 제2 단부(94)를 포함한다. 제1 단부(92)는 연료 급송 도관(38)의 주요 분기부(90)에 연결되어 있다. 커플링(96)은 제2 단부(94)를 보조 연료 입구(34)에 연결시킨다. 대안으로, 별도의 연료 급송 도관 혹은 라이저는 [단일의 일체형 도관 혹은 라이저(38)와는 대조적으로] 보조 연료 입구(34)와 주요 연료 출구(36)로 연료를 안내할 수 있다. 별도의 도관 혹은 라이저는 전형적으로 공동의 연료 헤더로부터 연장된다.The
도 5를 참조하여 플래어 버너(30)의 작동을 설명한다. 타오르게 될 연료의 일부(대개 검정색 화살표로 표시)는 연료 급송 도관(38)의 주요 분기부(80)를 통해 연료 막(60)까지 그리고 주요 연료 출구(36)까지 안내된다. 타오르게 될 연료의 일부는 또한 연료 급송 도관(38)의 보조 분기부(90)를 통해 이 보조 분기부로부터 보조 연료 입구(34)까지 안내된다. 보조 연료 입구(34)로부터 프리믹스 영역(31) 과 프리믹스 챔버(32)로 연료를 분사하면 프리믹스 공간(31a)으로 그리고 공기 입구(48)를 통해 프리믹스 챔버의 내부(31b)로 공기가 비말 동반되며, 이에 따라 연료와 공기의 혼합물(양호하게는 실질적인 균질 혼합물)이 프리믹스 영역에서 형성되고 공기/연료 출구(50)를 빠져나가도록 해준다. 연료와 공기는 공기/연료 출구(50) 위로 단거리에 걸쳐 계속 혼합된다. 타오르게 될 나머지 연료는 주요 연료 출구(36)로부터 프리믹스 챔버의 공기/연료 출구(50)의 주계(69) 둘레에서, 나아가 프리믹스 챔버의 공기/연료 출구로 방출되는 공기/연료 혼합물 둘레에서 환상으로 분사된다. 상기 버너는, 프리믹스 챔버(32)를 포함하는 프리믹스 영역(31)으로 비말 동반된 공기의 양이 프리믹스 영역으로 분사된 연료를 연소시키기 위해 요구되는 공기의 화학량론적 양을 초과하도록 하는 방식으로 설계 및 작동되는 것이 바람직하다. 과잉의 공기는 화염 엔벨로프의 내부에서 연료가 연소되도록 화염 엔벨로프의 중심으로 공급된다. 그러나, 후술하는 바와 같이, 몇몇 용례에서, 버너는 프리믹스 챔버(32)를 포함하는 프리믹스 영역(31)으로 비말 동반된 공기의 양이 프리믹스 영역으로 분사된 연료를 연소시키기 위해 필요한 공기의 화학량론적 양 이하(연료는 여전히 타오를 수 있음)가 되도록 하는 방식으로 설계 및 작동된다. 몇몇 용례에서는, "연료가 농후한" 연료와 공기의 혼합물(즉, 프리믹스 영역으로 주입된 연료의 연소를 지원하는 데 요구되는 공기의 화학량론적 양 미만을 갖는 혼합물)을 화염 엔벨로프의 중심 부분으로 분사하는 것이 바람직하다. The operation of the
도 24에는 플래어 버너(30)[후술하는 버너(130, 230 및 330) 포함]에 의해 생성된 화염 엔벨로프(100)가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 과잉의 공기가 프리믹스 챔버(32)로부터 화염 엔벨로프(100)의 중심 부분(102)으로 분사된다. 도 24에서 공기 포켓(103)으로 표시된 과잉의 공기는 화염 엔벨로프(100)의 중심 부분(102)에서 연료와 혼합되어 2개의 초기 인화 가능 영역 즉, 영역들(104a 및 104b)을 효과적으로 형성한다. 그렇지 않은 경우, 화염의 중심 부분(102)의 연료는 화염 엔벨로프의 외측 부분(105)이 연소되기 시작하여 다음 연료 층이 공기와 접촉할 수 있게 될 때까지, 산화제(공기)와 접촉하지 못한다. 화염 엔벨로프(100)의 중심 부분(102)으로 공기를 공급하는 것은 인화 가능한 중심 영역을 생성할 뿐만 아니라 내측 연소 영역이 연소 열로 인해 팽창할 때 화염을 흩어지게 한다. 큰 주요 화염 내에 별개의 연소 화염이 더해지면 혼합을 향상시키는 난류가 현저히 증가되어 연료의 중심 코어를 파괴한다. 그 결과, 더 균일하면서 신속한 화염 엔벨로프의 연소가 발생하여 화염의 전체 길이를 단축시키거나 또는 동일한 화염 길이에서 현저하게 더 많은 연료가 타오르도록 해준다. 화염 엔벨로프(100)의 중심 부분(102)으로 공급된 과잉의 공기량이 증가함에 따라, 화염의 길이가 감소하거나 주어진 화염 높이에서 타오를 수 있는 연료의 체적이 증가하게 된다. 예컨대, 도 24에 도시된 바와 같이, 화염 엔벨로프(100)는 동일한 양의 연료에서 도 3에 도시된 종래 기술의 화염 엔벨로프(20)의 길이(23)보다 현저하게 짧은 길이(106)를 갖게 된다.FIG. 24 shows the
도 9 내지 도 12를 참조하면, 본 발명의 플래어 버너의 제2 실시예가 도면 부호 130으로 병기하여 표시되어 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 플래어 버너와 마찬가지로, 플래어 버너(130)는 프리믹스 챔버(132)를 포함하는 프리믹스 영 역(131)과, 프리믹스 영역으로 연료를 주입하기 위한 보조 연료 입구(134), 주요 연료 출구(136) 및 연료 급송 도관(138)을 포함한다. (도 4에 도시된 것과 같은) 파일럿은 버너에 의해 방출되는 연료와 공기의 혼합물을 초기에 점화시키기 위해 버너(130)에 결합될 수 있다.9 to 12, a second embodiment of the flare burner of the present invention is indicated in parallel with
도 9 내지 도 12에 도시된 실시예에 있어서, 플래어 버너(130)의 프리믹스 챔버(132)는 프리믹스 영역(131)의 상당 부분을 차지한다. 연료와 공기의 혼합물(양호하게는, 실질적인 균질 혼합물)은 프리믹스 챔버(132)를 포함하는 프리믹스 영역(131) 내에 형성될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 프리믹스 영역(131) 내에서 형성된 혼합물은 연료가 농후하거나 혹은 연료가 희박한 혼합물일 수 있다. 프리믹스 챔버(132)는 단면이 둥글고 원통형의 형상을 지닌다. 프리믹스 챔버는 상부(142), 하부(144), 상부를 하부에 연결하는 측벽(146), 하부(144)에 배치된 공기 입구(148) 및 상부에 배치된 공기/연료 출구(150)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 상부(142)와 하부(144)는 개방되어 공기 입구(148)와 공기/연료 출구(150)를 형성한다. 그 결과, 공기 입구(148)와 공기/연료 출구(150) 각각은 또한 둥근 단면을 갖게 된다. In the embodiment shown in FIGS. 9-12, the
도 10에 가장 잘 도시된 바와 같이, 프리믹스 영역(131)은 프리믹스 챔버(132) 아래의 프리믹스 공간(131a)[보조 연료 입구(134)와 바닥(144) 사이, 그리고 보조 연료 입구와 프리믹스 챔버의 공기 입구(148) 사이]과, 프리믹스 챔버의 내부(131b)와, 그리고 프리믹스 챔버의 상부(142)와 공기/연료 출구(150) 바로 위의 프리믹스 공간(131c)을 포함한다. 도 9 내지 도 12에 도시된 실시예에서, 공기 와 연료의 주된 혼합은 프리믹스 챔버(132)의 내부(131b)와 프리믹스 공간(131c) 내에서 일어난다. 프리믹스 챔버(132)의 측벽(146)은 내측면(154)과 외측면(156)을 포함한다. 측벽(146)의 하측 부분(158)은 측벽의 내측면(154)에 환상의 코안다 표면(160)을 부여하기 위해 외팔보 형태로 외측으로 벌어져 있다.As best shown in FIG. 10, the
상기 프리믹스 챔버(132)는 약 0.25:1 내지 약 4:1, 양호하게는 약 1:1 내지 약 3:1의 범위의 길이(혹은 높이) 대 내측 수력 직경의 비율을 갖는다. 상기 프리믹스 챔버(132)의 길이(혹은 높이) 대 내측 수력 직경의 정확한 비율은 부분적으로 타오르게 될 연료의 타입과 비말 동반 및 혼합에 이용할 수 있는 압력에 따라 좌우될 것이다. 일반적으로, 긴 프리믹스 챔버는 그 내부에서 연료와 공기의 더 양호한 혼합을 초래할 수 있지만, 이러한 장점은 비용과 다른 고려 사항들에 의해 균형을 이루게 된다. 양호한 실시예에서, 상기 프리믹스 챔버(132)의 길이(혹은 높이) 대 내측 수력 직경의 비율은 약 1.5:1이다. The
상기 보조 연료 입구(134)는 프리믹스 영역(131)에 대한 소정의 위치에 배치되어 보조 연료 입구로부터 프리믹스 영역으로 연료를 분사하면 프리믹스 공간(131a)으로, 그리고 공기 입구(148)를 통과하여 프리믹스 챔버로 공기가 비말 동반되며, 이에 따라 연료와 공기의 혼합물, 양호하게는 실질적인 균질 혼합물이 프리믹스 영역 내에서 형성되고 프리믹스 챔버의 상부(142)의 공기/연료 출구(150)로 배출되도록 해준다. 연료와 공기는 프리믹스 공간(131c)에서 계속 혼합된다. 연료와 공기의 혼합물은 통상 이 혼합물이 공기/연료 출구(150)를 빠져나갈 때까지, 즉 일반적으로 공기/연료 출구로부터의 이격 거리를 빠져나갈 때까지 연소되지 않 는다. 연소가 발생하는, 공기/연료 출구(150)로부터의 이격 거리는 혼합물 내의 공기의 양과 공기/연료 출구로부터 배출되는 혼합물의 속도에 따라 변한다. 몇몇 경우, 짧은 제거 단계의 타이밍 시퀀스로 인해, 연소는 프리믹스 영역에서 (예컨대, 짧은 지속 기간 동안, 매우 낮은 압력의 계획안에 따라) 발생할 수 있다. 도 10 및 도 12에 도시된 바와 같이, 보조 연료 가스 입구(134)는, 내부에 하나 이상의 연료 포트(166)가 구비되어 있는 환상의 분배 매니폴드(164)를 포함한다. 상기 연료 포트(166)는 실질적으로 둥근 구멍이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 환상의 분배 매니폴드(164)는 연료가 매니폴드(164)로부터 환상의 코안다 표면(160)으로 환상으로 분사될 수 있도록 프리맥스 챔버(132)에 대한 소정의 위치에 배치되어 있다.The
도 10a에는 환상의 분배 매니폴드(164)의 변형례가 도시되어 있다. 이 변형례에 있어서, 연료 포트(166)는 가늘고 긴 구멍 혹은 슬롯이다. 연료 포트(166)에 형성된 슬롯은, 코안다 표면에 의해 발생되는 비말 동반과 혼합 효과를 향상시키는 역할을 하고, 연료가 매니폴드(164)로부터 더 빠른 속도로 분사되도록 하는 시트 모양의 패턴으로서 환상의 코안다 표면(160) 위로 연료가 분사되도록 하는 형상을 갖는다. 슬롯(166)은 필요에 따라 분배 매니폴드(164)에 연속된 가늘고 긴 구멍 혹은 슬롯을 형성하도록 연결될 수 있다.10A shows a variation of the
환상의 연료 막(170)은 프리믹스 챔버(132)의 외주부 둘레에 배치되어 있다. 연료 막(170)은 연료 급송 도관(138)에 연결되어 주요 연료 출구(136) 및 보조 연료 입구(134) 양자와 유체 연통되어 있다. 연료 막(170)은 개방된 상부(172), 하 부(174) 및 상부를 하부에 연결하는 내측 측벽(177)과 외측 측벽(176)을 포함한다. 도 9 내지 도 12에 도시된 실시예에서, 상기 내측 측벽(177)은 또한 프리믹스 챔버의 측벽(146)이다. 환상의 시일(178)은 연료 막(170)의 하부(174)에 고착되어 있으며, 막의 완전성을 확보하기 위해 프리믹스 챔버(132)의 측벽(146) 둘레로 연장된다. 변형례에 있어서, 도 25 내지 도 28에 예시되고 후술하는 바와 같이, 연료 막(170)은 측벽(146)의 외측면과 주요 연료 출구(136) 사이에 환상의 공간을 마련하기 위해 프리믹스 챔버(132)의 측벽(146)으로부터 외측을 향해 이격될 수 있다. 상기 환상의 공간은 공기가 버너 아래에서부터 주요 연료 출구(136)의 내측부에 배치된 연료 포트(192)에 인접한 지점까지 비말 동반되도록 해준다. 이러한 실시예에서는, 상기 연료 막(170)의 내측 측벽(177)은 프리믹스 챔버(132)의 측벽(146)과 구분된다.The
보조 연료 급송 도관(180a, 180b, 180c 및 180d)은 연료를 연료 막(170)으로부터 보조 연료 입구(134)[즉, 매니폴드(164)]로 운반하기 위해 환상의 연료 막(170)으로부터 보조 연료 입구(134)[즉, 환상의 분배 매니폴드(164)]까지 연장된다. 각각의 보조 연료 급송 도관(180a, 180b, 180c 및 180d)은 연료 막(170)에 고착된 제1 단부(182)와 입구(134)[즉, 매니폴드(164)]에 고착된 제2 단부(184)를 포함한다.Auxiliary fuel feed conduits 180a, 180b, 180c, and 180d may be assisted from
상기 주요 연료 출구(136)는 연료가 주요 연료 출구로부터 프리믹스 챔버의 공기/연료 출구(150)의 주계(186) 둘레에서 분사될 수 있도록 프리믹스 챔버(132)의 상부(142)에 대한 소정의 위치에 배치되어 있다. 도 11에 가장 잘 도시된 바와 같이, 주요 연료 출구(136)는, 내부에 복수 개의 연료 포트(192)가 구비되어 있는 평탄한, 환상의 연료 인젝터 본체(188)를 포함한다. 포트(192)에 의해 생성된 연료 제트는 확산 연료 제트이다. 환상의 연료 인젝터 본체(188)는 연료 포트(192)가 프리믹스 챔버(132)의 공기/연료 출구(150)의 주계(186) 둘레에 배치되도록 환상의 막(170)의 개방된 상부(172)에 고착된다. 상기 환상의 막(170)과 환상의 연료 인젝터 본체(188)의 내경과 외경은 대략 동일하다. 연료는 주요 연료 출구(136)[즉, 환상의 연료 인젝터 본체(188)]로부터 공기/연료 출구(150)의 주계(186) 둘레에서 환상으로 분사될 수 있다. 상기 포트(192)는 이 포트로부터 연료가 분사되는 방식(예컨대, 방향 및 속도)을 제어하도록 그 크기가 정해지고 이격될 수 있다. 공기/연료 출구(150)를 통과하는 연료와 공기의 흐름과 관련된 이러한 특징은 화염 엔벨로프 전체의 형상과 길이가 제어될 수 있도록 해준다.The
도 7에 도시된 바와 같이, 필요에 따라, 확산 연료 포트(192)는 복수 개의 대응하는 짧은 가스 라이저 혹은 팁 연장부(196)에 의해 연료 인젝터 본체(188)로부터 이격될 수 있다. 상기 라이저(196)를 이용하여 연료 인젝터 본체(188)로부터 포트(192)를 이격시키는 것은 몇몇 용례에서 더 양호한 공기의 측방향 비말 동반을 초래할 수 있다. 상기 라이저는 또한 포트의 형상과 그 결과로 생긴 연료 흐름 특성이 필요에 따라 기계적으로 변화되도록 해준다. 도 8에 도시된 연료 인젝터 본체(70)의 변형례는 또한 환상의 연료 인젝터 본체(188) 대신에 사용될 수 있다. 당업자들이 이해할 수 있는 바와 같이, 인젝터 본체(188)는 다양하게 반복되는 포트(192)를 포함할 수 있다. 이용된 특정의 포트 형상은 타오르게 될 연료의 타입 (분자량, 발열량, 화학량론 및 스트림의 온도 포함) 및 그것과 관련하여 이용 가능한 압력을 포함한 다양한 요인에 따라 좌우될 것이다. As shown in FIG. 7, the
연료 급송 도관(138)은 보조 연료 입구(134) 및 주요 연료 출구로 연료를 안내하기 위해 보조 연료 입구 및 주요 연료 출구(136)와 유체 연통 상태로 되어 있다. 연료 급송 도관(138)은 제1 단부(200)와 제2 단부(202)를 구비한다. 제1 단부(200)는 제1 단부를 연료의 공급원에 연결하기 위한 플랜지(204)를 포함한다(이러한 타입의 연결부는 용접에 의해 보다 전형적으로 제작될 수 있음). 상기 제2 단부(202)는 환상의 가스 막(170)의 외측 측벽(176)에서 대응하는 입구(206)에 연결되어 있다. 대안으로, 별도의 연료 급송 도관 혹은 라이저는 [단일의 일체형 도관 혹은 라이저(138)와는 대조적으로] 보조 연료 입구(134)와 주요 연료 출구(136)로 연료를 안내할 수 있다. 별도의 도관 혹은 라이저는 전형적으로 공동의 연료 헤더로부터 연장된다.The
도 10을 참조하여 버너(130)의 작동을 설명한다. 타오르게 될 연료(대개 검정색 화살표로 표시)는 연료 급송 도관(138)을 통해 환상의 연료 막(170)까지 안내된다. 상기 연료의 일부는 연료 막(170)에 의해 주요 연료 출구(136)[즉, 환상의 인젝터 본체(188)]로 안내된다. 나머지 연료는 연료 막(170)에 의해 연료 급송 도관(180a, 180b, 180c 및 180d)을 통과하여 보조 연료 입구(134)[즉, 환상의 분배 매니폴드(164)]까지 안내된다. 연료는 환상의 분배 매니폴드(164)의 연료 포트(166)로부터 프리믹스 공간(131a)을 통해 프리믹스 챔버(132)의 내측면(154) 상의 환상의 코안다 표면(160) 위로 분사된다. 가스 포트(166)로부터 프리믹스 영 역(131)과 프리믹스 챔버(132)로 연료를 분사하면 프리믹스 공간(131a)으로, 그리고 공기 입구(148)를 통해 프리믹스 챔버의 내부(131b)로 공기가 비말 동반되며, 이에 따라 연료와 공기의 혼합물(양호하게는 실질적인 균질 혼합물)이 프리믹스 영역에서 형성되고 공기/연료 출구(150)를 빠져나가도록 해준다. 연료와 공기는 공기/연료 출구(150) 위에서 단거리에 걸쳐 계속 혼합된다. 연료 포트(166)로부터 코안다 표면(160) 상으로 연료를 분사하면 연료가 코안다 표면의 경로를 유지하며 그 경로를 따르게 되고, 비교적 얇은 막으로 형성되어 더 효율적인 공기의 비말 동반 및 연료와 공기의 혼합을 초래한다. 타오르게 될 연료는 주요 연료 출구(136)[환상의 인젝터 본체(188)]로부터 프리믹스 챔버(132)의 공기/연료 출구(150)의 주계(186) 둘레에서, 나아가 프리믹스 챔버의 공기/연료 출구(150)를 빠져나가는 공기/연료 혼합물 둘레에서 분사된다. 상기 플래어 버너(130)는, 프리믹스 챔버(132)를 포함하는 프리믹스 영역(131)으로 비말 동반된 공기의 양이 프리믹스 영역으로 분사된 연료를 연소시키기 위해 요구되는 공기의 화학량론적 양을 초과하도록 하는 방식으로 설계 및 작동되는 것이 바람직하다. 과잉의 공기는, 화염 엔벨로프의 내부에서 연료가 연소되도록 화염 엔벨로프의 중심으로 공급된다. 그러나, 후술하는 바와 같이, 몇몇 용례에서, 버너는 프리믹스 챔버(132)를 포함하는 프리믹스 영역(131)으로 비말 동반된 공기의 양이 프리믹스 영역으로 분사된 연료를 연소시키기 위해 요구되는 공기의 화학량론적 양 이하가 되도록 하는 방식으로 설계 및 작동된다. "연료가 농후한" 연료와 공기의 혼합물(즉, 프리믹스 영역으로 주입된 연료의 연소를 지원하는 데 요구되는 공기의 화학량론적 양 미만을 갖는 혼합 물)을 화염 엔벨로프의 중심 부분으로 분사하는 것은 몇몇 용례에서 바람직하다.An operation of the
상기 플래어 버너(130)는 전술한 플래어 버너(30)로부터 얻을 수 있는 장점과 동일한 장점을 갖는다. 도 24에 대략적으로 표시된 화염 엔벨로프(100)는 또한 플래어 버너(130)에 의해서도 생성된다.The
도 13 내지 도 18을 참조하면, 본 발명의 플래어 버너의 제3 실시예가 도면 부호 230으로 병기하여 표시되어 있다. 본 발명의 플래어 버너의 다른 실시예들과 마찬가지로, 상기 플래어 버너(230)는 프리믹스 챔버(232)를 포함하는 프리믹스 영역(231)과, 프리믹스 영역으로 연료를 분사하기 위한 보조 연료 입구(234), 주요 연료 출구(236) 및 연료 급송 도관(238)을 포함한다. (도 4에 도시된 바와 같은) 파일럿은 버너에 의해 방출되는 연료와 공기의 혼합물을 초기에 점화시키기 위해 버너(230)와 결합될 수 있다.13 to 18, a third embodiment of the flare burner of the present invention is indicated in parallel with
도 13 내지 도 18에 도시된 실시예에 있어서, 플래어 버너(230)의 프리믹스 챔버(232)는 프리믹스 영역(231)의 상당 부분을 차지한다. 연료와 공기의 혼합물(양호하게는, 실질적인 균질 혼합물)은 프리믹스 챔버(232)를 포함하는 프리믹스 영역(231) 내에 형성될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 프리믹스 영역(231) 내에서 형성된 혼합물은 연료가 농후하거나 혹은 연료가 희박한 혼합물일 수 있다. 프리믹스 챔버(232)는 단면이 직사각형이고 직사각형의 형상을 지닌다. 프리믹스 챔버는 상부(242), 하부(244), 상부를 하부에 연결하는 측벽(246), 하부(244)에 배치된 공기 입구(248), 상부에 배치된 공기/연료 출구(250)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 상부(242)와 하부(244)는 개방되어 공기 입구(248)와 공기/연료 출구(250)를 형성한다. 그 결과, 공기 입구(248)와 공기/연료 출구(250) 각각은 또한 직사각형 단면을 갖게 된다. In the embodiment shown in FIGS. 13-18, the
도 14에 가장 잘 도시된 바와 같이, 프리믹스 영역(231)은 프리믹스 챔버(232) 아래의 프리믹스 공간(231a)[보조 연료 입구(234)와 바닥(244) 사이, 그리고 보조 연료 입구와 프리믹스 챔버의 공기 입구(248) 사이]과, 프리믹스 챔버의 내부(231b)와, 그리고 프리믹스 챔버의 상부(242)와 공기/연료 출구(250) 바로 위의 프리믹스 공간(231c)을 포함한다. 도 13 내지 도 18에 도시된 실시예에서, 공기와 연료의 주된 혼합은 프리믹스 챔버(232)의 내부(231b)와 프리믹스 공간(231c) 내에서 일어난다. As best shown in FIG. 14, the
프리믹스 챔버(232)의 측벽(246)은 4개의 측면(246a, 246b, 246c 및 246d)을 포함한다. 각각의 측면(246a, 246b, 246c 및 246d)들은 내측면(254)과 외측면(256)을 포함한다. 각각의 측면(246a, 246b, 246c 및 246d)의 하측 부분(258)은 측면의 내측면(254)에 환상의 코안다 표면(260)을 부여하기 위해 외팔보 형태로 외측으로 벌어져 있다. 상기 프리믹스 챔버(232)는 약 0.25:1 내지 약 4:1, 양호하게는 약 1:1 내지 약 3:1의 범위의 길이(혹은 높이) 대 내측 수력 직경의 비율을 갖는다. 상기 프리믹스 챔버(232)의 길이(혹은 높이) 대 내측 수력 직경의 정확한 비율은 부분적으로 타오르게 될 연료의 타입과 비말 동반 및 혼합에 이용할 수 있는 압력에 따라 좌우될 것이다. 일반적으로, 긴 프리믹스 챔버는 그 내부에서 연료와 공기의 더 양호한 혼합을 초래할 수 있지만, 이러한 장점은 비용과 다른 고려 사항들에 의해 균형을 이루게 된다. 양호한 실시예에서, 상기 프리믹스 챔버(232) 의 길이(혹은 높이) 대 내측 수력 직경의 비율은 약 1.5:1이다.
상기 보조 연료 입구(234)는 프리믹스 영역(231)에 대한 소정의 위치에 배치되기 때문에 보조 연료 입구로부터 프리믹스 영역으로 연료를 분사하면 프리믹스 공간(231a)으로, 그리고 공기 입구(248)를 통해 프리믹스 챔버(232)로 공기가 비말 동반되며, 이에 따라 연료와 공기의 혼합물, 양호하게는 실질적인 균질 혼합물이 프리믹스 영역 내에서 형성되고 프리믹스 챔버의 상부(242)의 공기/연료 출구(250)를 빠져나가도록 해준다. 연료와 공기의 혼합물은 통상 이 혼합물이 공기/연료 출구(250)를 빠져나갈 때까지, 즉 일반적으로 공기/연료 출구로부터의 이격 거리를 빠져나갈 때까지 연소되지 않는다. 연소가 발생하는, 공기/연료 출구(250)로부터의 이격 거리는 혼합물 내의 공기의 양과 공기/연료 출구로부터 배출되는 혼합물의 속도에 따라 변한다. 몇몇 경우, 짧은 제거 단계의 타이밍 시퀀스로 인해, 연소는 프리믹스 영역에서 (예컨대, 짧은 지속 기간 동안, 매우 낮은 압력의 계획안에 따라) 발생할 수 있다. Since the
도 18에 도시된 바와 같이, 보조 연료 입구(234)는, 각각의 내부에 복수 개의 연료 포트(266)가 구비되어 있는 2개의 관상 분배 매니폴드(264a 및 264b)를 포함한다. 상기 연료 포트(266)는 실질적으로 둥근 구멍이다. 분배 매니폴드(264a)는 연료가 매니폴드(264a)로부터 측부(246a)의 내측면(254) 상의 코안다 표면(260) 상으로 분사될 수 있도록 프리맥스 챔버(232)에 대한 소정의 위치에 배치되어 있다. 이와 유사하게, 분배 매니폴드(264b)는 연료가 매니폴드(264b)로부터 대향 측부(246c)의 내측면(254) 상의 코안다 표면(260) 상으로 분사될 수 있도록 프리믹스 챔버(232)에 대한 소정의 위치에 배치되어 있다. 당업자들이 이해할 수 있는 바와 같이, 이러한 실시예에서 코안다 표면 상으로 연료를 분사하기 위해 다양한 형상의 연료 포트와 제트가 사용될 수 있다. 연료 포트의 수와 간격은, 예컨대 코안다 표면 상에 생성될 막의 요구되는 두께에 따라 변경될 수 있다. As shown in FIG. 18, the
도 17a에는 관상 분배 매니폴드(264a 및 264b) 각각의 변형례가 도시되어 있다. 이 변형례에 있어서, 연료 포트(266)는 가늘고 긴 구멍 혹은 슬롯이다. 연료 포트(266)에 형성된 슬롯은 코안다 표면에 의해 생성된 비말 동반과 혼합 효과를 향상시키는 역할을 하고, 더 큰 체적의 가스가 타오르도록 하는 시트 모양의 패턴으로서 환상의 코안다 표면(260) 위로 연료가 분사되도록 해주는 형상이다. 슬롯(266)은 필요에 따라 분배 매니폴드(264a 및 264b)에 연속된 가늘고 긴 구멍 혹은 슬롯을 형성하도록 연결될 수 있다. 둥근 구멍과 슬롯 이외에도, 연료 포트(266)는 특정 용례에 따라 좌우되는 다른 형상으로도 형성될 수 있다. 다른 형상의 예에는 가늘고 긴 타원과 직사각형의 슬롯이 포함된다. A variation of each of the tubular distribution manifolds 264a and 264b is shown in FIG. 17A. In this variant, the
직사각형의 연료 막(270)은 프리믹스 챔버(232)의 외주부 둘레에 배치되어 있다. 연료 막(270)은 연료 급송 도관(238)에 연결되어 주요 연료 출구(236) 및 보조 연료 입구(234) 양자와 유체 연통되어 있다. 연료 막(270)은 개방된 상부(272), 하부(274) 및 상부를 하부에 연결하는 내측 측벽(277)과 외측 측벽(276)을 포함한다. 도 13 내지 도 18에 도시된 실시예에서, 상기 내측 측벽(277)은 또한 프리믹스 챔버의 측벽(246)이다. 상응하는 시일 메커니즘(278)은 연료 막(270)의 하부(274)에 고착되어 있으며, 막의 완전성을 확보하기 위해 프리믹스 챔 버(232)의 측벽(246) 둘레로 연장된다. 변형례에 있어서, 도 25 내지 도 28에 예시되고 후술하는 바와 같이, 연료 막(270)은 측벽(246)의 외측면과 주요 연료 출구(236) 사이에 환상의 공간을 마련하기 위해 프리믹스 챔버(232)의 측벽(246)의 측부(246a, 246b, 246c 및 246d)의 외측면(256)으로부터 외측을 향해 이격될 수 있다. 상기 환상의 공간은 버너 아래에서부터 주요 연료 출구(236)의 내측부에 배치된 연료 포트(292)에 인접한 지점까지 공기가 비말 동반되도록 해준다. 이러한 실시예에서, 상기 연료 막(270)의 내측 측벽(277)은 프리믹스 챔버(232)의 측벽(246)과 구분된다. The
보조 연료 급송 도관(280a, 280b, 280c 및 280d)은 연료를 연료 막으로부터 보조 연료 입구까지 운반하기 위해 연료 막(270)으로부터 보조 연료 입구(234), 즉 관상의 분배 매니폴드(264a 및 264b)까지 연장된다. 각각의 보조 연료 급송 도관(280a, 280b, 280c 및 280d)은 연료 막(270)에 고착된 제1 단부(282)와, 제2 단부(284)를 포함한다. 상기 도관(280a 및 280d)의 제2 단부(284)는 관상 분배 매니폴드(264a)의 대향하는 양단부에 고착되어 있다. 도관(280b 및 280c)의 제2 단부(284)는 관상 분배 매니폴드(264b)의 대향하는 양단부에 고착되어 있다. Auxiliary fuel feed conduits 280a, 280b, 280c, and 280d provide
상기 주요 연료 출구(236)는 연료가 주요 연료 출구로부터 프리믹스 챔버의 공기/연료 출구(250)의 주계(286) 둘레에서 분사될 수 있도록 프리믹스 챔버(232)의 상부(242)에 대한 소정의 위치에 배치되어 있다. 도 15에 가장 잘 도시된 바와 같이, 주요 연료 출구(236)는, 내부에 복수 개의 확산 연료 포트(292)가 구비되어 있는 평탄한, 직사각형의 연료 인젝터 본체(288)를 포함한다. 포트(292)에 의해 생성된 연료 제트는 확산 연료 제트이다. 연료 인젝터 본체(288)는 확산 연료 포트(292)가 프리믹스 챔버(232)의 공기/연료 출구(250)의 주계(286) 둘레에 배치되도록 연료 막(270)의 개방된 상부(272)에 고착된다. 상기 막(270)과 연료 인젝터 본체(288)의 내경과 외경은 대략 동일하다. 연료는 공기/연료 출구(250)의 주계(286) 둘레에서 주요 연료 출구(236)[즉, 연료 인젝터 본체(288)]로부터 분사될 수 있다. 상기 포트(292)는 포트로부터 연료가 분사되는 방식(예컨대, 방향 및 속도)을 제어하도록 그 크기가 정해지고 이격될 수 있다. 공기/연료 출구(250)를 통과하는 연료와 공기의 흐름과 관련된 이러한 특징은 화염 엔벨로프 전체의 형상과 길이를 제어할 수 있도록 해준다.The
도 16에 도시된 바와 같이, 필요에 따라, 확산 연료 포트(292)는 복수 개의 대응하는 짧은 가스 라이저 혹은 팁 연장부(296)에 의해 연료 인젝터 본체(288)로부터 이격될 수 있다. 상기 라이저(296)를 이용하여 연료 인젝터 본체(288)로부터 포트(292)를 이격시키는 것은 몇몇 용례에서 더 양호한 공기의 측방향 비말 동반을 초래할 수 있다. 상기 라이저는 또한 포트의 형상과 그 결과로 생긴 연료 흐름 특성이 필요에 따라 기계적으로 변화되도록 해준다. 당업자들이 이해할 수 있는 바와 같이, 인젝터 본체(288)는 다양하게 반복되는 포트(292)를 포함할 수 있다. 이용된 특정의 포트 형상은 타오르게 될 연료의 타입(분자량, 발열량, 화학량론 및 스트림의 온도 포함) 및 그것과 관련하여 이용 가능한 압력을 포함한 다양한 요인에 따라 좌우된다. As shown in FIG. 16, the
연료 급송 도관(238)은 보조 연료 입구(234) 및 주요 연료 출구로 연료 가스 를 안내하기 위해 보조 연료 입구 및 주요 연료 출구(236)와 유체 연통 상태로 되어 있다. 연료 급송 도관(238)은 제1 단부(300)와 제2 단부(302)를 구비한다. 도시된 바와 같이, 제1 단부(300)는 제1 단부를 연료의 공급원에 연결하기 위한 플랜지(304)를 포함한다(역시, 이러한 타입의 연결부는 용접에 의해 제작되는 것이 보다 일반적임). 상기 제2 단부(302)는 환상의 연료 막(270)의 외측 측벽(276)에서 대응하는 입구(306)에 연결되어 있다. 대안으로, 별도의 연료 급송 도관 혹은 라이저는 [단일의 일체형 도관 혹은 라이저(238)와는 대조적으로] 보조 연료 입구(234)와 주요 연료 출구(236)로 연료를 안내할 수 있다. 별도의 도관 혹은 라이저는 전형적으로 공동의 연료 헤더로부터 연장된다.The
도 14를 참조하면, 버너(230)의 작동에 있어서, 타오르게 될 연료(대개 검정색 화살표로 표시)는 연료 급송 도관(238)을 통해 연료 막(270)으로 안내된다. 상기 연료의 일부는 연료 막(270)에 의해 주요 연료 출구(236)[그리고, 환상의 인젝터 본체(288)]로 안내된다. 나머지 연료는 연료 막(270)에 의해 연료 급송 도관(280a, 280b, 280c 및 280d)을 통해 보조 연료 입구(234)[그리고, 관상의 분배 매니폴드(264a 및 264b)]로 안내된다. 연료는 분배 매니폴드(264a, 264b)의 연료 포트(266)로부터 프리믹스 챔버(232)의 측부(246a, 246b)의 내측면(254) 상의 코안다 표면(260) 위로 분사된다. 연료 포트(266)로부터 프리믹스 영역(231)과 프리믹스 챔버(232)로 연료를 분사하면 프리믹스 공간(231a)으로, 그리고 공기 입구(248)를 통해 프리믹스 챔버의 내부(231b)로 공기가 비말 동반되며, 이에 따라 연료와 공기의 혼합물(양호하게는 실질적인 균질 혼합물)이 프리믹스 영역에서 형성되고 공기/연료 출구(250)를 빠져나가도록 해준다. 연료와 공기는 공기/연료 출구(250) 위에서 단거리에 걸쳐 계속 혼합된다. 연료 포트(266)로부터 코안다 표면(260) 상으로 측부(246a 및 246b)의 내측면(254) 상에서 연료를 분사하면 연료가 코안다 표면의 경로를 유지하며 그 경로를 따르게 되고, 비교적 얇은 막으로 형성되어 더 효율적인 공기의 비말 동반 및 연료와 공기의 혼합을 초래한다. 타오르게 될 연료는 주요 연료 출구(236)[그리고 관상의 연료 인젝터 본체(288)]로부터 프리믹스 챔버(232)의 공기/연료 출구(250)의 주계(286) 둘레에서, 나아가 프리믹스 챔버의 공기/연료 출구(250)를 빠져나오는 공기/연료 혼합물 둘레에서 분사된다. 상기 플래어 버너(230)는 프리믹스 챔버(232)를 포함하는 프리믹스 영역(231)으로 비말 동반된 공기의 양이 프리믹스 영역으로 분사된 연료를 연소시키기 위해 요구되는 공기의 화학량론적 양을 초과하도록 설계 및 작동되는 것이 바람직하다. 과잉의 공기는 화염 엔벨로프의 내부에서 연료가 연소되도록 화염 엔벨로프의 중심으로 공급된다. 그러나, 후술하는 바와 같이 몇몇 용례에서, 버너(230)는 프리믹스 챔버(232)를 포함하는 프리믹스 영역(231)으로 비말 동반된 공기의 양이 프리믹스 영역으로 분사된 연료를 연소시키기 위해 요구되는 공기의 화학량론적 양 이하가 되도록 하는 방식으로 설계 및 작동된다. "연료가 농후한" 연료와 공기의 혼합물(즉, 프리믹스 영역으로 주입된 연료의 연소를 지원하는 데 요구되는 공기의 화학량론적 양 미만을 갖는 혼합물)을 화염 엔벨로프의 중심 부분으로 분사하는 것은 몇몇 용례에서 바람직하다.Referring to FIG. 14, in operation of
플래어 버너(230)는 플래어 버너(30 및 130)로부터 얻을 수 있는 장점과 동 일한 장점을 갖는다. 도 24에 대략적으로 표시된 화염 엔벨로프(100)는 또한 플래어 버너(230)에 의해서도 생성된다.
플래어 버너(230)의 다각형 형상(도시된 실시예의 경우 직사각형)은 그라운드 플래어 용례에 있어서 플래어 버너의 간격 형성에 더 큰 신축성을 부여하도록 해줄 수 있다. 또한, 이러한 형상은, 기하학적 형상이 상호 작용 영역을 변화시키기 위해 회전할 수 있다는 사실에 기인하여 확산 가스 포트(292)로부터 어떻게 연료가 배향되는가에 더 큰 신축성을 부여하도록 해줄 수 있다.The polygonal shape of the flare burner 230 (rectangle in the illustrated embodiment) may allow greater flexibility in forming gaps in the flare burner in ground flare applications. This shape can also allow greater flexibility in how fuel is oriented from the
도 19 내지 도 23을 참조하면, 본 발명의 플래어 버너의 제4 실시예가 도면 부호 330으로 병기하여 표시되어 있다. 본 발명의 플래어 버너의 다른 실시예와 마찬가지로, 상기 플래어 버너(330)는 프리믹스 챔버(332)를 포함하는 프리믹스 영역(331)과, 프리믹스 영역으로 연료를 분사하기 위한 보조 연료 입구(334), 주요 연료 출구(336) 및 연료 급송 도관(338)을 포함한다. (도 4에 도시된 바와 같은) 파일럿(40)은 버너에 의해 방출되는 연료와 공기의 혼합물을 초기에 점화시키기 위해 버너(330)에 결합될 수 있다.19 to 23, a fourth embodiment of the flare burner of the present invention is indicated in parallel with
연료와 공기의 혼합물(양호하게는, 실질적인 균질 혼합물)은 프리믹스 챔버(332)를 포함하는 프리믹스 영역(331) 내에 형성될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 프리믹스 영역(331) 내에서 형성된 혼합물은 연료가 농후하거나 혹은 연료가 희박한 혼합물일 수 있다. 프리믹스 챔버(332)는 단면이 둥글고 원통형의 형상을 지닌다. 프리믹스 챔버는 상부(342), 하부(344), 상부를 하부에 연결하는 측벽(346), 하부(344)에 배치된 공기 입구(348) 및 상부(342)에 배치된 공기/연료 출 구(350)를 포함한다. 측벽(346)은 내측면(347)과 외측면(349)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 상부(342)와 하부(344)는 개방되어 공기 입구(348)와 공기/연료 출구(350)를 형성한다. 그 결과, 공기 입구(348)와 공기/연료 출구(350) 각각은 또한 둥근 단면을 갖게 된다. 상기 프리믹스 챔버(332)는 약 0.25:1 내지 약 4:1의 범위의 길이(혹은 높이) 대 내측 수력 직경의 비율을 갖는다. A mixture of fuel and air (preferably a substantially homogeneous mixture) may be formed in the
도 19, 도 20, 도 22 및 도 23에 도시된 실시예[후술하는 연장 실린더(400)를 불포함]에 있어서, 상기 프리믹스 챔버(332)의 길이(혹은 높이) 대 내측 수력 직경의 비율은 약 1:1 이하이다. 양호하게는, 도 19, 도 20, 도 22 및 도 23에 도시된 실시예[후술하는 연장 실린더(400)를 불포함]에 있어서, 상기 프리믹스 챔버(332)의 길이(혹은 높이) 대 내측 수력 직경의 비율은 약 0.25:1 내지 약 1:1의 범위이다. 전술한 바와 같이, 긴 프리믹스 챔버는 일반적으로 프리믹스 챔버에서 연료와 공기의 더 양호한 혼합이 일어나도록 해준다. 그러나, 도 19 및 도 20에 도시된 실시예에서 프리믹스 챔버(332)의 길이(혹은 높이)는, 화염 전파 속도를 조절함으로써 점화 지연이 유지되는 한 양호한 혼합을 위해 여전히 충분하다는 것이 밝혀졌다. 도 20에 가장 잘 도시된 바와 같이, 특정의 실시예[후술하는 연장 실린더(400)를 불포함]에서의 프리믹스 영역(331)은 프리믹스 챔버(332) 아래의 상당한 프리믹스 공간(331a)[보조 연료 입구(334)와 바닥(344) 사이, 그리고 보조 연료 입구와 프리믹스 챔버의 공기 입구(348) 사이]과, 프리믹스 챔버의 내부(331b)와, 그리고 프리믹스 챔버의 상부(342)와 공기/연료 출구(350) 바로 위의 프리믹스 공간(331c)을 포함한다. 이러한 실시예에서, 공기와 연료의 혼합은 프리믹스 영 역(331)의 3개의 부분 모두에서 일어난다. In the embodiments shown in FIGS. 19, 20, 22 and 23 (without the
상기 보조 연료 입구(334)는 프리믹스 영역(331)에 대한 소정의 위치에 배치되어 보조 연료 입구로부터 프리믹스 영역으로 연료를 분사하면 프리믹스 공간(331a)으로, 그리고 공기 입구(348)를 통과하여 프리믹스 챔버(332)로 공기가 비말 동반되며, 이에 따라 연료 가스와 공기의 혼합물, 양호하게는 실질적인 균질 혼합물이 프리믹스 영역 내에서 형성되고 프리믹스 챔버의 상부(342)의 공기/연료 출구(350)를 빠져나오도록 해준다. 연료와 공기의 혼합물은 통상 이 혼합물이 공기/연료 출구(350)를 빠져나올 때까지, 일반적으로 공기/연료 출구로부터의 이격 거리를 빠져나갈 때까지 연소되지 않는다. 연소가 발생하는, 공기/연료 출구(350)로부터의 이격 거리는 혼합물 내의 공기의 양 및 공기/연료 출구로부터 배출되는 혼합물의 속도에 따라 변한다. 몇몇 경우, 짧은 제거 단계의 타이밍 시퀀스로 인해, 연소는 프리믹스 영역에서 (예컨대, 짧은 지속 기간 동안, 매우 낮은 압력의 계획안에 따라) 발생될 수 있다. The
도 19 및 도 22에 도시된 바와 같이, 보조 연료 입구(334)는 불 노즈(bull nose; 353)와 이 불 노즈 둘레에 동심으로 배열되고 프리믹스 챔버(332)의 공기 입구(348) 아래에 중심을 둔 복수 개의 연료 출구 아암(354)을 구비하는 버너 캐스팅(burner casting)(352)을 포함한다. 상기 보조 연료 입구(334)는 공기 입구(348) 및 프리믹스 챔버(332)와 동심을 이루고 있다. 도 19 및 도 20에 도시된 실시예에서, 보조 연료 입구(334)는 프리믹스 챔버(332)의 공기 입구(348) 아래에 이격되어 있다. 보조 연료 입구(334)는 공기 입구(348) 아래에서 0 내지 2인치 범 위에 있을 수 있고, 양호하게는 공기 입구 아래로 약 1인치에 있을 수 있다. 정확한 거리는 특정의 용례에서 타오르게 될 연료의 타입과 허용된 화염 엔벨로프의 길이 및 다른 요인에 따라 변할 수 있다.As shown in FIGS. 19 and 22, the
각각의 연료 출구 아암(354)과 불 노즈(353)는 복수 개의 연료 포트(356)를 포함한다. 이 포트(356)는 각각의 연료 출구 아암(354)의 종축을 따라 직선으로 배열되어 있다. 도 23에는 보조 연료 입구(334)의 변형례가 도시되어 있다. 이 변형례에 있어서, 각각의 가스 출구 아암(354)은 2열의 확산 연료 포트(356)를 포함하며, 각 열의 각 포트는 인접하는 열의 포트와 직접 교차하지 않도록 정렬되어 있다. 연료 출구 아암(354)을 포함하는 보조 연료 입구(334)는 방출된 연료와 비말 동반된 공기 간에 가능한 한 큰 상호 작용을 허용하도록 의도적으로 작게 되어 있다. 보조 연료 입구(334)의 크기와 형상에 의해 생성된 "블러프 바디(bluff body)" 효과는 최소화되어 방출된 연료에 공기의 완전한 접근 상태를 만든다.Each
환상의 연료 막(360)은 프리믹스 챔버(332)의 외주부 둘레에 배치되어 있다. 연료 막(360)은 연료 급송 도관(338)에 연결되어 주요 연료 출구(336)와 유체 연통되어 있다. 연료 막(360)은 개방된 상부(362), 하부(364) 및 상부를 하부에 연결하는 내측 측벽(367)과 외측 측벽(366)을 포함한다. 양호한 실시예에서, 외측 측벽(366)은 내측 측벽(367)로부터 약 3인치 이격되어 있다(이러한 거리는 연료의 특성과 버너의 전체 형상에 따라 좌우됨). 도 19, 도 20, 도 22 및 도 23에 도시된 실시예에서, 상기 연료 막(360)의 내측 측벽(367)은 또한 프리믹스 챔버(332)의 측벽(346)의 외측 표면(349)이다. 도 25 내지 도 28에 예시되고 후술되는 변형례에 따르면, 연료 막(360)은 측벽(346)의 외측면(349)과 주요 연료 출구(336) 사이에 환상의 공간을 제공하도록 프리믹스 챔버(332)의 측벽(346)의 외측면(349)으로부터 외측을 향해 이격될 수 있다. 상기 환상의 공간은 공기가 버너 아래에서부터 주요 연료 출구(336)의 내측부에 배치된 연료 포트(374)에 인접한 지점까지 비말 동반되도록 해준다. 이러한 실시예에서, 상기 연료 막(360)의 내측 측벽(367)은 프리믹스 챔버(332)의 측벽(346)과 구분된다. The
상기 주요 연료 출구(336)는 연료가 주요 연료 출구(336)로부터 프리믹스 챔버의 공기/연료 출구(350)의 주계(368) 둘레에서 분사될 수 있도록 프리믹스 챔버(232)의 상부(342)에 대한 소정의 위치에 배치되어 있다. 도 22에 가장 잘 도시된 바와 같이, 주요 연료 출구(336)는, 내부에 복수 개의 연료 포트(372)가 구비되어 있는 평탄한, 환상의 연료 인젝터 본체(370)를 포함한다. 포트(374)에 의해 생성된 연료 제트는 확산 연료 제트이다. 간격 설정은 특정의 용례에 따라 좌우될 수 있지만, 상기 포트(374)들은 6도씩 증가하도록 이격되는 것이 바람직하다. 환상의 연료 인젝터 본체(370)는 연료 포트(374)가 프리믹스 챔버의 공기/연료 출구(350)의 주계(368) 둘레에 배치되도록 환상의 막(360)의 개방된 상부(362)에 고착된다. 상기 환상의 막(360)과 연료 인젝터 본체(370)의 내경과 외경은 대략 동일하다. 연료는 공기/연료 출구(350)의 주계(368) 둘레에서 주요 연료 출구(336)[즉, 연료 인젝터 본체(370)]로부터 환상으로 분사될 수 있다. 상기 포트(374)는 이 포트로부터 연료가 분사되는 방식(예컨대, 방향 및 속도)을 제어하도록 그 크기가 정해지고 이격될 수 있다. 공기/연료 출구(350)를 통한 연료와 공기 의 흐름과 관련된 이러한 특징은 화염 엔벨로프 전체의 형상과 길이가 제어될 수 있도록 해준다.The
도 7에 도시된 바와 같이, 필요에 따라, 확산 연료 포트(374)는 복수 개의 대응하는 짧은 가스 라이저 혹은 팁 연장부(376)에 의해 연료 인젝터 본체(370)로부터 이격될 수 있다. 상기 라이저(376)를 이용하여 연료 인젝터 본체(370)로부터 포트(374)를 이격시키는 것은 몇몇 용례에서 더 양호한 공기의 측방향 비말 동반을 초래할 수 있다. 상기 라이저는 또한 포트의 형상과 그 결과로 생긴 연료 흐름 특성이 필요에 따라 기계적으로 변화되도록 해준다. 당업자들이 이해할 수 있는 바와 같이, 연료 인젝터 본체(370)는 다양하게 반복되는 포트(374)를 포함할 수 있다. 이용된 특정의 포트 형상은 타오르게 될 연료의 타입(분자량, 발열량, 화학량론 및 스트림의 온도 포함) 및 그것과 관련하여 이용 가능한 압력을 포함한 다양한 요인에 따라 좌우될 것이다. As shown in FIG. 7, the
연료 급송 도관(338)은 보조 연료 입구(334)와 주요 연료 출구로 연료를 안내하기 위해 보조 연료 입구 및 주요 연료 출구(336)와 유체 연통 상태로 되어 있다. 연료 급송 도관(338)은 제1 단부(382)와 제2 단부(384)를 구비한 주요 분기부(380)를 포함한다. 제1 단부(382)는 제1 단부를 연료의 공급원에 연결하기 위한 플랜지(386)를 포함한다(역시, 이러한 타입의 연결부는 용접에 의해 제작되는 것이 보다 일반적임). 상기 제2 단부(384)는 연료 막(360)의 외측 측벽(366)에서 대응하는 입구(388)에 연결되어 있다. 연료 급송 도관(338)은 또한 연료 급송 도관을 보조 연료 입구(334)에 연결시키는 보조 분기부(390)를 포함한다. 이 보조 분기 부(390)는 제1 단부(392)와 제2 단부(394)를 포함한다. 제1 단부(392)는 연료 급송 도관(338)의 주요 분기부(380)에 연결되어 있다. 제2 단부(394)는 보조 연료 입구(334)[구체적으로 캐스팅(352)]에 연결되어 있다. 대안으로, 별도의 연료 급송 도관 혹은 라이저는 [단일의 일체형 도관 혹은 라이저(338)와는 대조적으로] 보조 연료 입구(334)와 주요 연료 출구(336)로 연료를 안내할 수 있다. 별도의 도관 혹은 라이저는 전형적으로 공동의 연료 헤더로부터 연장된다.The
도 21을 참조하면, 플래어 버너(330)의 변형례가 도시되어 있다. 이 실시예는 또한 프리믹스 챔버 연장 실린더(400)를 포함하는 것만 제외하고 전술한 버너(330)의 실시예와 동일하다. 프리믹스 챔버 연장 실린더(400)는 프리믹스 챔버(332)의 길이를 따라 연장된다. 이 실시예에서, 프리믹스 챔버는 약 1:1 내지 약 4:1, 양호하게는 약 1:1 내지 약 3:1의 범위의 길이(혹은 높이) 대 내측 수력 직경의 비율을 갖는다. 가장 양호하게는, 이러한 실시예에서, 프리믹스 챔버는 약 1.5:1 범위의 길이(혹은 높이) 대 내측 수력 직경의 비율을 갖는다. 실린더(400)는 상측 부분(402), 하측 부분(404) 및 상측 부분과 하측 부분을 서로 연결하는 중간 부분(406)을 포함한다. 중간 부분(406)은 환상의 연료 막(360)의 내측 측벽(367)에 고착되어 있다. Referring to FIG. 21, a modification of the
프리믹스 챔버 연장 실린더(400)로 인해, 프리믹스 챔버(332)의 상부(342) 및 공기/연료 출구(350)는 주요 연료 출구(336) 위로 이격되어 있다. 프리믹스 챔버(332)의 상부(342) 및 공기/연료 출구(350)는 주요 연료 출구(336) 위로 약 0.5인치 내지 약 10인치의 범위, 양호하게는 약 6인치 내지 약 8인치 범위에 있다. 정확한 간격은 타오르게 될 연료의 타입, 특정 용례, 허용된 화염 엔벨로프의 길이 및 다른 요인들에 따라 변할 수 있다. 프리믹스 챔버(332)의 하부(344)는 보조 연료 입구(334)와 대략 같은 높이로 혹은 약 1인치 높게 위치한다. 도 21에 도시된 바와 같이, 특정의 실시예[연장 실린더(400)를 포함]에서의 프리믹스 영역(331)은 프리믹스 챔버(332) 아래의 프리믹스 공간(331a)[보조 연료 입구(334)와 바닥(344) 사이, 그리고 보조 연료 입구와 프리믹스 챔버의 공기 입구(348) 사이]과, 프리믹스 챔버의 내부(331b)와, 그리고 프리믹스 챔버의 상부(342)와 공기/연료 출구(350) 바로 위의 프리믹스 공간(331c)을 포함한다. 이러한 실시예에서, 공기와 연료의 주된 혼합은 프리믹스 챔버(332)[프리믹스 영역(331b)] 내에서 일어난다.Due to the premix
프리믹스 챔버 연장 실린더(400)의 상측 부분(402)은 점화를 지연시키기 위한 물리적인 장벽뿐만 아니라 윈드 실드로서의 역할을 한다. 구체적으로 말하면, 상측 부분(402)은 프리믹스 챔버의 직경 내측에서 화염을 강제하여 플래어 버너의 무연 능력(smokeless capacity)을 방해할 수 있는 유해한 교차 흐름 공기의 효과를 상쇄시킨다. 상기 상측 부분(402)은 또한 프리믹스 연료 스트림을 확산 화염 점화와 격리시키는 역할을 한다. 이와 유사하게, 실린더(400)의 하측 부분(404)은 하측 윈드 실드로서의 역할을 하며, 화염이 되돌아가서 조기에 점화되지 못하도록 돕는다. 다시, 연장 실린더(400)에 의해 증가된 프리믹스 챔버(332)의 길이는 프리믹스 챔버 내에서의 연료와 공기의 혼합을 향상시킨다. 연장 실린더는 모든 용례에서 반드시 필요한 것은 아닌데, 예컨대 교차 흐름 효과가 문제가 되지 않을 때 혹은 저분자량의 연료가 타오르게 될 때 필요하지 않을 수 있다. 상기 실드를 포 함하거나 혹은 포함하지 않는 것은 타게 될 연료의 분자량 및 발열량, 연료가 포화 혹은 불포화 탄화수소를 포함하는가의 여부, 관련된 온도와 압력 및 다른 인자에 따라 좌우될 것이다.The
도 21에 도시된 실시예에서, 막(360)의 내측 측벽(367)은 연장 실린더(400)의 중간 부분(406)에 고착되어 있다. 변형례에서, 도 25 내지 도 28에 예시되고 후술하는 바와 같이, 연료 막(360)은 연장 실린더의 외측면과 주요 연료 출구(336) 사이에 환상의 공간을 마련하기 위해 연장 실린더(400)[나아가 프리믹스 챔버(332)의 외측면]로부터 외측으로 이격될 수 있다. 상기 공간은 공기가 버너 아래에서부터 주요 연료 출구(336)의 내측부에 배치된 연료 포트(374)에 인접한 지점까지 비말 동반되도록 해준다.In the embodiment shown in FIG. 21, the
도 20 및 도 21을 참조하여 플래어 버너(330)의 작동을 설명한다. 타오르게 될 연료의 일부(대개 검정색 화살표로 표시)는 연료 급송 도관(338)의 주요 분기부(380)를 통해 연료 막(360)과 주요 연료 출구(336)로 안내된다. 타오르게 될 연료의 일부는 또한 연료 급송 도관(338)의 보조 분기부(390)를 통해 보조 분기부로부터 보조 연료 입구(334)로 안내된다. 보조 연료 입구(334)로부터 프리믹스 영역(331)과 프리믹스 챔버(332)로 연료를 분사하면 프리믹스 공간(331a)으로, 그리고 공기 입구(348)를 통해 프리믹스 챔버로 공기가 비말 동반되며, 이에 따라 연료와 공기의 혼합물(양호하게는 실질적인 균질 혼합물)은 프리믹스 영역에서 형성되고 공기/연료 출구(350)를 빠져나오도록 해준다. 연료와 공기는 공기/연료 출구(350) 위에서 단거리에 걸쳐 계속 혼합된다. 타오르게 될 나머지 연료는 주요 연료 출구(336)로부터 프리믹스 챔버의 공기/연료 출구(350)의 주계(368) 둘레에서, 나아가 프리믹스 챔버의 공기/연료 출구를 빠져나오는 공기/연료 혼합물 둘레에서 분사된다. 다시, 연장 실린더(400)가 설치될 때, 추가의 혼합이 얻어지고 공기/연료 출구(350)를 빠져나오는 프리믹스 스트림은 주요 연료 출구(336)로부터 연료가 방출하자마자 형성된 확산 화염과 상호 작용함으로써 조기 점화로부터 격리된다. 연장 실린더(400)를 사용하면 프리믹스 스트림의 사용에 의해 생성된 전체 효과를 향상시키는 역할을 한다. 플래어 버너(330)는 프리믹스 챔버(332)를 포함하는 프리믹스 영역(331)으로 비말 동반된 공기의 양이 프리믹스 영역으로 분사된 연료를 연소시키기 위해 요구되는 공기의 화학량론적 양을 초과하도록 하는 방식으로 설계 및 작동되는 것이 바람직하다. 과잉의 공기는 화염 엔벨로프의 내부에서 연료가 연소되도록 화염 엔벨로프의 중심으로 공급된다. 그러나, 후술하는 바와 같이, 몇몇 용례에서, 버너(330)는 프리믹스 챔버(332)를 포함하는 프리믹스 영역(331)으로 비말 동반된 공기의 양이 프리믹스 영역으로 분사된 연료를 연소시키기 위해 요구되는 공기의 화학량론적 양 이하가 되도록 하는 방식으로 설계 및 작동된다. "연료가 농후한" 연료와 공기의 혼합물(즉, 프리믹스 영역으로 주입된 연료의 연소를 지원하는 데 요구되는 공기의 화학량론적 양 미만을 지닌 혼합물)을 화염 엔벨로프의 중심 부분으로 분사하는 것은 몇몇 용례에서 바람직할 수 있다.An operation of the
상기 플래어 버너(330)는 전술한 플래어 버너(30, 130 및 230)로부터 얻을 수 있는 장점과 동일한 장점을 갖는다. 도 24에 대체적으로 표시된 화염 엔벨로프(100)는 또한 플래어 버너(330)에 의해서도 생성된다.The
도 25 내지 도 28을 참조하면, 전술한 본 발명의 플래어 버너의 제4 실시예(도 19 내지 도 23에 도시된 실시예)에 대해 행할 수 있는 변형이 도시되어 있다. 전술한 본 발명의 플래어 버너의 제1, 제2 및 제3 실시예에 대해서도 동일한 변형이 적용될 수 있다.25 to 28, there is shown a modification that can be made to the fourth embodiment of the flared burner of the present invention (the embodiment shown in Figs. 19 to 23) described above. The same modification can be applied to the above-described first, second and third embodiments of the flare burners of the present invention.
이러한 실시예에서, 플래어 버너(330)는 프리믹스 챔버 연장 실린더(400)를 포함한다. 그러나 연료 막(360)에 직접 고착되는 대신 연장 실린더(400)[나아가 프리믹스 챔버(332)]는 연장 실린더와 연료 막 사이에 공기 통로를 제공하여 공기가 주요 연료 출구(336)의 내측부에 배치된 연료 포트(374)에 효율적으로 도달하도록 연료 막으로부터 내측으로 이격되어 있다. 연장 실린더(400)[나아가 프리믹스 챔버(332)]의 직경은 연료 막(360)의 내경보다 현저하게 더 작다. 이러한 실시예에서, 프리믹스 챔버는 약 0.5:1 내지 약 4:1, 양호하게는 약 1:1 내지 약 3:1의 범위의 길이(혹은 높이) 대 내측 수력 직경의 비율을 갖는다. 가장 양호하게는, 프리믹스 챔버는 약 1.5:1 범위의 길이(혹은 높이) 대 내측 수력 직경의 비율을 갖는다.In this embodiment, the
연장 실린더(400)의 작은 직경으로 인해, 연료 막(360)의 내측 측벽(367)과 연장 실린더(400)의 외측 표면[이 표면은 또한 프리믹스 챔버(332)의 측벽(346)의 외측면(349)이기도 함] 사이에 환상의 공간(430)이 존재한다. 복수 개의 얇은 직사각형의 거싯(gusset) 플레이트(432)는 연장 실린더(400)[나아가 프리믹스 챔버(332)]를 연료 막(360) 내부에서 중심을 잡아 유지하기 위해 사용된다. 도시된 바와 같이, 4개의 플레이트(432)는 환상의 공간(430) 내에서 90°만큼 이격되도록 배치되어 있다. 각 플레이트(432)의 일단부는 연료 막(360)의 내측 측벽(367)에 고착되어 있다. 각 플레이트(432)의 타단부는 연장 실린더(400)의 외측면[이 표면은 또한 프리믹스 챔버(332)의 측벽(346)의 외측면(349)이기도 함]에 고착되어 있다. 전술한 이상의 변형 이외에, 도 25 내지 도 28에 도시된 버너(330)는 모든 측면에서 도 19 내지 도 23에 도시된 전술한 실시예와 동일하다. Due to the small diameter of the
주요 연료 출구(336)는 연료가 프리믹스 챔버의 공기/연료 출구(350)의 주계(368) 둘레에 주요 연료 출구(336)로부터 분사될 수 있도록 프리믹스 챔버의 상부(342)에 대한 소정의 위치에 여전히 배치되어 있다. 환상의 공간(430)은 단지 연장 실린더와 연료 막 사이에 공기 통로를 제공하여 신선한 산화제가 주요 연료 출구(336)의 내측부에 배치된 연료 포트(374)에 효과적으로 도달할 수 있도록 해준다. 버너(330)의 작동은, 신선한 공기가 환상의 공간(430)을 통해 연료 포트(374)의 내측 열의 운동력에 의해 버너 아래로부터 비말 동반되는 것을 제외하고는 여전히 동일하게 남아 있다. 비말 동반된 공기는 주요 연료 출구(336) 상에서 연료 포트(374)의 내측 열에 의해 방출될 연료와 매우 근접한 상태로 되어 연료와 혼합된다. 예컨대, 환상의 공간(430)에 의해 제공된 향상된 혼합 방법은 보다 쉽게 연기가 발생하는 경향이 있는 상대적으로 무겁고 불포화된 연료 원료가 타오를 때 유용하다. 그것은 버너가 그을음이 없는 연소를 위해 최적이 되도록 해준다. The
당업자들에 의해 잘 이해되는 바와 같이, 전술한 본 발명의 플래어 버너의 다른 3개의 실시예에도 동일한 변형이 또한 이루어질 수 있다. 예컨대, 도 4 내지 도 8에 도시된 실시예의 변형에 있어서, 프리믹스 챔버(32)의 단면 직경이 감소하 고 프리믹스 챔버(32)는 연료 막(60)으로부터 내측으로 이격되어 있다. 환상의 연료 막(60)의 내측 측벽(67) 혹은 프리믹스 챔버(32)의 측벽(46) 중 하나가 추가된다(도시된 바와 같이, 상기 막의 내측 측벽과 프리믹스 챔버의 측벽은 동일함). 환상의 시일(68)은 생략되어 있다. 연료 막(60)으로부터 내측으로 프리믹스 챔버(32)를 이격시키는 것은 프리믹스 챔버와 연료 막 사이에 공기 공간을 제공한다. 그 다음, 신선한 공기는 버너 아래로부터 주요 연료 출구(36)의 내측부의 연료 포트(74)로부터 배출되는 연료에 매우 근접한 지점까지 비말 동반될 수 있다. 프리믹스 챔버(32)는 도 25 내지 도 28에 도시된 바와 같은 복수 개의 거싯을 이용하여 연료 막(60) 내부에 중심을 두고 연료 막에 부착될 수 있다. As will be appreciated by those skilled in the art, the same modifications may also be made to the other three embodiments of the flare burners of the present invention described above. For example, in a variation of the embodiment shown in FIGS. 4-8, the cross sectional diameter of the
도 28에는, 도 25 내지 도 27에 도시된 변형된 플래어 버너(330)[동일한 방식으로 변형될 경우 버너(130, 230 및 330) 포함]에 의해 생성된 화염 엔벨로프(100)가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 과잉의 공기가 프리믹스 챔버(332)로부터 화염 엔벨로프(100)의 중심 부분(102)으로 분사된다. 도 28에서 공기 포켓(103)으로 표시된 과잉의 공기는 화염 엔벨로프(100)의 중심 부분(102)에서 연료와 혼합되어 2개의 초기 인화 가능 영역 즉, 영역들(104a 및 104b)을 효과적으로 형성한다. 공기는 또한 버너(330) 아래로부터 환상의 공간(430)을 통해 주요 연료 출구(336)의 연료 포트(374)의 내측 열로부터 배출되는 연료에 매우 근접한 지점까지 비말 동반된다. 환상의 공간(430)을 통해 비말 동반된 공기는 혼합 방식을 향상시키며 전체의 화염 엔벨로프(100) 내에서 더 신속하고 더 균일한 연소를 생성한다. 도 28에 도시된 바와 같이, 화염 엔벨로프(100)는 동일한 연료량에 대해 도 3 에 도시된 종래의 화염 엔벨로프(20)의 길이(23)보다 실질적으로 더 작은 길이(106)를 갖는다. FIG. 28 shows the
일반 정보General information
본 발명의 부분 프리믹스 접근법(partial pre-mix approach)은 연료가 타오를 때 2개의 화염 영역이 동일한 화염 엔벨로프 내에서 초기화되도록 해준다. 외측 화염 영역은 지금까지 사용된 타입 즉, 확산 혼합만을 이용하는 타입의 버너에서 일반적으로 관측되는 전형적인 영역이다. 가스의 외층은 반복되는 확산과 후속연소에 있어서 연속된 가스층을 노출시키기 위해 잘게 나뉘어져 있다. 제2 화염 영역은 주요 화염 엔벨로프의 내측에 연소 가능한 혼합물을 운반하는 버너의 프리믹스 영역에 의해 생성된다. 이러한 연소 유동장은, 정상적인 확산 화염에서는 비전형적인 화염 코어에 상당한 난류 영역을 생성하는 역할을 한다. 프리믹스 영역에서 연료가 더 희박할수록, 화염은 화염 코어로 운반된 추가적인 산화제로 인해 더 짧아질 것이다. 과잉의 공기는 나머지 화염 연무(cloud)에 의해 이용되고 이산화질소 및 일산화탄소와 같은 배출물을 줄이기 위해 냉각 메커니즘으로서도 추가적인 역할을 하면서 화염을 단축시키는 기능(혹은 질량 유동이 증가하도록 하는 기능)을 한다. 과잉의 공기는 또한 그을음의 형성을 줄이고 모든 미연 탄화수소가 연소되도록 한다. The partial pre-mix approach of the present invention allows two flame zones to be initialized within the same flame envelope as the fuel burns. The outer flame zone is a typical zone generally observed in burners of the type used so far, ie only using diffusion mixing. The outer layer of gas is finely divided to expose the continuous gas layer in repeated diffusion and subsequent combustion. The second flame zone is created by the premix zone of the burner carrying the combustible mixture inside the main flame envelope. This combustion flow field serves to create significant turbulent regions in the atypical flame core in normal diffusion flames. The thinner the fuel in the premix zone, the shorter the flame will be due to the additional oxidant carried to the flame core. Excess air is used by the rest of the flame cloud and also serves as a cooling mechanism to reduce emissions such as nitrogen dioxide and carbon monoxide, shortening the flame (or allowing mass flow to increase). Excess air also reduces the formation of soot and allows all unburned hydrocarbons to burn.
각각의 플래어 버너(30, 130, 230 및 330)는, 프리믹스 영역으로 비말 동반되어 화염 엔벨로프의 중심 부분에 분사된 공기의 양이 프리믹스 영역으로 주입되는 연료의 연소를 지원하는 데 요구되는 공기의 화학량론적 양의 약 15% 내지 약 300% 범위에 속하도록 설계 및 작동되는 것이 바람직하다. 따라서, 연료 농후 접근법(프리믹스 영역으로 주입되는 연료의 연소를 지원하는 데 요구되는 공기의 화학량론적 양의 약 100% 미만인 연료와 공기의 혼합물을 화염 엔벨로프의 중심 부분으로 분사하는 방법)과 연료 희박 접근법(프리믹스 영역으로 주입되는 연료의 연소를 지원하는 데 요구되는 공기의 화학량론적 양의 약 100%를 초과하는 연료와 공기의 혼합물을 화염 엔벨로프의 중심 부분으로 분사하는 방법) 양자가 이용될 수 있다. 각각의 접근법은 지금까지 이용된 통상의 확산 제트/프리 제트 구동식 연소 방법에 비해 고유의 장점을 갖는다. 이용된 특정의 접근법은 타오르게 될 연료의 타입과 이용할 수 있는 압력을 포함하는 특정의 용례에 따라 좌우될 것이다. 이 접근법은 통상적인 포트 설정(porting) 및 연료 운반 메커니즘에 의해 변형될 수 있다.Each
연료 농후 접근법을 사용할 때, 화염 엔벨로프의 중심으로 분사된 연료의 일부는 화염의 코어에서 연소하는 작은 화염 엔벨로프를 초기화시킬 것이며, 이는 화염 엔벨로프의 중심에 추가적인 난류 연소 영역을 또한 생성하면서 화염을 단축시키는 역할을 한다. 연료 희박 접근법을 사용할 때, 더 많은 양의 프리믹스된 연료가 화염 코어에서 연소하기 때문에 화염 엔벨로프는 상당히 짧아질 것이다. 그 다음, 프리믹스 흐름 방법에 의해 운반된 과잉의 공기는 추가로 나머지 화염 엔벨로프의 중심에 대한 연소를 초기화하는 역할을 한다. 그 다음, 연소 중에 화염의 중심에서 팽창하는 연료에 의해 생성된 추가적인 난류는 농후한 연료 코어를 세분하고 그것을 외측 화염 경계로 밀어냄으로써 나머지 연료에 대한 혼합 방식을 증가시 키는 역할을 한다. When using a fuel rich approach, some of the fuel injected into the center of the flame envelope will initiate a small flame envelope that burns at the core of the flame, which shortens the flame while also creating additional turbulent combustion zones in the center of the flame envelope. Play a role. When using a fuel lean approach, the flame envelope will be considerably shorter as more premixed fuel burns in the flame core. The excess air carried by the premix flow method then serves to further initiate combustion for the center of the remaining flame envelope. The additional turbulence generated by the fuel expanding at the center of the flame during combustion then increases the mix of the remaining fuel by subdividing the rich fuel core and pushing it to the outer flame boundary.
연료 농후 접근법을 사용할 때, 화염 엔벨로프의 중심으로 운반된 프리믹스 스트림이 연소 가능 범위 내에 남아 있도록 하는 것이 중요하다. 그렇지 않을 경우 화염 엔벨로프 중심에서 혼합 및 연소가 증가되지 않을 수 있다. 향상된 혼합은, 화염의 코어에서 개시되고 상당한 속도로 팽창하여 화염의 코어에서 상당한 난류를 형성하는 프리믹스 화염에 의해 이득을 볼 것이다. When using a fuel rich approach, it is important to ensure that the premix stream carried to the center of the flame envelope remains within the combustible range. Otherwise mixing and combustion may not be increased at the flame envelope center. Improved mixing will benefit from premix flames that initiate at the core of the flame and expand at a significant rate to form significant turbulence in the core of the flame.
그러나, 대부분의 용례에 있어서, 화염 엔벨로프의 중심 부분으로 연료와 공기의 "희박한" 혼합물(즉, 프리믹스 영역으로 주입되는 연료의 연소를 지원하는 데 요구되는 공기의 화학량론적 양의 약 100%를 초과하는 혼합물)을 분사하는 것이 바람직하다. 대부분의 용례에서, 프리믹스 영역으로 비말 동반되고 화염 엔벨로프의 중심 부분으로 분사된 공기의 양은 프리믹스 영역으로 주입되는 연료의 연소를 지원하는 데 요구되는 공기의 화학량론적 양의 약 125% 내지 약 300%의 범위에 속한다. 양호하게는, 프리믹스 영역으로 비말 동반된 공기의 양은 프리믹스 영역으로 분사된 연료의 연소를 지원하는 데 요구되는 공기의 화학량론적 양의 약 150% 내지 약 300%, 보다 양호하게는 약 175% 내지 약 300%의 범위에 속한다. 프리믹스 영역으로 비말 동반된 과잉의 공기의 양이 증가함에 따라(즉, 프리믹스 영역으로 주입되는 연료의 연소를 지원하는 데 요구되는 공기의 화학량론적 양을 초과하여 프리믹스 영역으로 비말 동반되는 공기의 양이 증가함에 따라), 화염 길이 및 배출물과 관련된 이득이 또한 증가한다. 프리믹스 영역으로 분사된 연료의 연소를 지원하는 데 요구되는 공기의 화학량론적 양의 300%를 초과하는 양의 공기가 프리믹스 영역 으로 비말 동반되는 것이 유리하지만, (스트림 분사와 같이) 비말 동반되는 공기의 외부 공급원 혹은 가능한 다른 변형을 필요로 하며, 이에 따라 엄청난 비용의 상승을 초래한다. However, in most applications, more than about 100% of the stoichiometric amount of air required to support combustion of a “lean” mixture of fuel and air (ie, fuel injected into the premix zone) into the central portion of the flame envelope. It is preferable to spray the mixture). In most applications, the amount of air entrained in the premix zone and injected into the central portion of the flame envelope is about 125% to about 300% of the stoichiometric amount of air required to support combustion of fuel injected into the premix area. Belongs to the range. Preferably, the amount of air entrained into the premix region is from about 150% to about 300%, more preferably from about 175% to about 300% of the stoichiometric amount of air required to support combustion of fuel injected into the premix region. It belongs to the range of 300%. As the amount of excess air entrained into the premix zone increases (i.e., the amount of air entrained into the premix zone exceeds the stoichiometric amount of air required to support combustion of fuel injected into the premix zone). As increases), the benefits associated with flame length and emissions also increase. Although an amount of air in excess of 300% of the stoichiometric amount of air required to support the combustion of fuel injected into the premix zone is advantageously entrained in the premix zone, External sources or other possible modifications are required, which leads to enormous cost increases.
각각의 버너(30, 130, 230 및 330)의 프리믹스 영역으로 비말 동반된 공기의 양은 보조 연료 입구로부터 분사된 연료의 압력과 질량 유동, 타오르게 될 연료의 타입, 내부의 포트 개수와 크기를 포함하는 보조 연료 입구의 구성, 공기 입구에 대한 프리믹스 챔버로의 보조 연료 입구의 대체 및 공기 입구의 크기에 따라 크게 좌우된다. 대부분의 용례에 있어서, 궁극적인 목표는 매우 희박하고, 양호하게는 인화성이 있는 연료와 공기의 혼합물을 얻는 것이다. 인화성이 있으며 희박한 혼합물은, 화염 엔벨로프의 코어 내에서 다시 인화 가능하게 되기 위해 필요한 연료를 신속하게 받아들일 것이다. 인화 가능한 혼합물을 얻으면, 공기와 가스는 그 다음 화염 엔벨로프의 내측부에 큰 화염 영역을 생성할 것이며, 이는 화염 영역의 외측 표면 상에서의 확산 혼합을 증가시키기 위해 상당한 난류를 또한 생성하면서 연료가 산화되는 속도를 현저하게 증가시킬 것이다. 화염 엔벨로프의 중심으로 전달된 추가 질량은 또한 이산화질소 및 일산화탄소과 같은 배출물의 생성을 줄이기 위해 냉각 메커니즘으로서의 역할을 한다. 2개의 화염 정면(flame front)을 유지하면서 연소가 일어나는 증가된 속도는 또한 일산화탄소와 그을음의 생성을 줄이는 역할을 하며, 미연 탄화수소의 배출도 감소시킨다.The amount of air entrained into the premix area of each
연료는 공기를 방사상으로 비말 동반하기에 충분한 모멘텀을 가지며, 버너 아래에서부터 연료의 제트(들)와 프리믹스 영역으로 분사된다. 연료의 분자량과 비말 동반에 이용할 수 있는 운반 압력에 따라, 버너는 보조 연료 입구 아래의 2 피트 이내에서부터 공기를 비말 동반할 수 있다.The fuel has enough momentum to radially entrain air and is injected from below the burner into the jet (s) and premix area of the fuel. Depending on the molecular weight of the fuel and the transport pressure available for splash entrainment, the burner can entrain air from within 2 feet below the auxiliary fuel inlet.
양호하게는, 각각의 버너(30, 130, 230 및 330)의 프리믹스 영역으로 주입된 연료의 양은 플래어 버너에 의해 타오르게 될 연료의 총량의 약 5% 내지 약 50%의 범위, 보다 양호하게는 약 10% 내지 약 30%의 범위이다. 가장 양호하게는, 프리믹스 챔버로 주입된 연료의 양은 플래어 버너에 의해 타오르게 될 연료의 총량의 약 10% 내지 약 25%의 범위이다. 연료 포트의 직경과 연료의 압력을 조절함으로써 프리믹스 영역으로 주입된 연료의 양을 제어할 수 있다.Preferably, the amount of fuel injected into the premix area of each
프리믹스 영역으로 주입되는 연료의 비율이 더 클수록, 화염은 더 짧아지고 버너의 무연 능력은 더 높아진다. 그러나, 프리믹스 영역으로 분사된 연료의 비율과 프리믹스 영역으로 비말 동반될 수 있는 공기의 양 사이의 적절한 균형은 반드시 이루어져야 한다. 연료 희박 접근법이 사용될 때, 프리믹스 영역으로 비말 동반되는 공기의 양이 프리믹스 영역으로 분사된 연료의 연소를 지원하는 데 요구되는 공기의 화학량론적 양의 적어도 약 125%가 되도록 하는 것이 일반적으로 중요하다. 공기의 양이 이보다 적으면 버너가 최대 속도에서 번 백(burn-back) 혹은 플래시백(flashback)되기 쉽게 만들 수 있는 매우 높은 반응성(연소성)의 혼합물을 생성할 수 있다. 비말 동반된 공기의 양이 많을수록 냉각 효과가 더 높아지고 연료의 화염 속도는 더 낮아진다. 이러한 조건은, 프리믹스 스트림의 점화점이 최대 이득을 위해 연소 이전에 화염의 코어에 대해 국부적으로 되는 것을 보장하기 위해, 프리믹스 스트림의 점화 지연을 증가시키는 데 있어서 이상적이다. The larger the proportion of fuel injected into the premix zone, the shorter the flame and the higher the lead-free capability of the burner. However, a proper balance must be made between the proportion of fuel injected into the premix zone and the amount of air that can be splashed into the premix zone. When a fuel lean approach is used, it is generally important to ensure that the amount of air entrained into the premix region is at least about 125% of the stoichiometric amount of air required to support combustion of fuel injected into the premix region. Lower amounts of air can produce a very reactive (combustible) mixture that can make the burner burn-back or flashback at full speed. The greater the amount of entrained air, the higher the cooling effect and the lower the flame speed of the fuel. This condition is ideal for increasing the ignition delay of the premix stream to ensure that the ignition point of the premix stream is local to the core of the flame prior to combustion for maximum gain.
충분히 희박한 공기와 연료의 스트림은 공기와 연료의 혼합물이 공기/연료 출구를 빠져나와 화염 엔벨로프의 중심에 도달할 때까지 그 혼합물이 점화되지 않는 것을 보장할 것이다. 연료와 공기의 혼합물이 공기/연료 출구를 빠져나와 화염 엔벨로프로 유입되면, 혼합물은 이후에 연료가 주요 화염 엔벨로프 내에서 점화되는 시기에 연소 가능한 혼합물이 되도록 충분한 추가 연료를 받아들인다. 이러한 유동 방식은 두 가지의 개개의 화염 정면에서 연소하는 화염 혹은 원환 화염의 기하학 형상 내에서 화염을 생성한다. 그 다음, 연소 중에 화염의 중심에서 팽창하는 가스에 의해 생성된 추가적인 난류는, 농후한 연료 코어를 세분하고 그것을 외측 화염 경계로 밀어냄으로써 나머지 연료를 위한 혼합 방식을 증가시키는 역할을 한다. 이러한 접근법은 화염의 높이와 연기 발생 능력을 줄이는 반면에 또한 혼합의 증가로 인해 전체 연소 효율을 증가시킨다. A sufficiently thin stream of air and fuel will ensure that the mixture does not ignite until the mixture of air and fuel exits the air / fuel outlet and reaches the center of the flame envelope. When a mixture of fuel and air exits the air / fuel outlet and enters the flame envelope, the mixture then receives sufficient additional fuel to be a combustible mixture when the fuel is ignited within the main flame envelope. This flow creates flame within the geometry of the flame or toric flame that burns in front of the two individual flames. The additional turbulence generated by the gas expanding at the center of the flame during combustion then serves to increase the mode of mixing for the remaining fuel by subdividing the rich fuel core and pushing it to the outer flame boundary. This approach reduces the height of the flame and the ability to produce smoke, while also increasing the overall combustion efficiency due to the increased mixing.
각각의 버너(30, 130, 230 및 330)에 있어서 프리믹스 영역의 공기/연료 혼합물은 프리믹스 영역의 공기/연료 출구를 빠져나갈 때까지 연소하지 않는 것이 중요하다. 프리믹스 챔버 내의 연소는, 예컨대 프리믹스 챔버의 압력을 지지하고 프리믹스 챔버로 비말 동반되는 공기의 양을 크게 줄인다.For each
각각의 버너(30, 130, 230 및 330)의 프리믹스 영역으로 타오르게 될 연료의 단지 일부만을 운반함으로써, 버너의 전체 단면 크기는 비교적 작게 된다. 전체 프리믹스 접근법(total premix approach)에서 요구되는 공기의 100%를 공급할 수 있는 버너를 설계 및 제작하기 위해서는 크기에 제한이 따르게 된다. 이러한 버너의 벤츄리 혹은 믹서 부분은 반드시 현저하게 커지게 되며, 낮은 연료 압력을 수용 하는 능력이 부족하게 된다.By carrying only a portion of the fuel that will be burned into the premix area of each
본 발명에 따른 각각의 버너(30, 130, 230 및 330)의 프리믹스 챔버는 상대적으로 작지만, 이 장치는 현저한 양의 비말 동반된 과잉의 공기를 이용하여 공기와 연료의 프리믹스 스트림을 생성하기에 충분한 공기와 연료를 공급할 수 있다. 그 결과, 전체 연료의 흐름에 있어서의 현저한 증가는 대등한 화염 높이와 직경에서 구현될 수 있다. 타오르게 될 연료의 타입에 따라, 본 발명의 버너는 지금까지 이용해 온 확산 제트 타입의 버너에 의해 통상적으로 얻을 수 있는 속도의 1.4배를 넘는 속도로 연료를 운반하기 위해 설계된 연료 유량을 용이하게 수용할 수 있다. 대부분의 경우, 이것은 또한 동일한 화염 길이와 직경을 대략적으로 유지하면서 달성할 수 있다. 큰 화염 높이가 허용되는 경우, 지금까지 이용해 온 확산 제트 타입의 버너와 비교하면 유량에 있어서 현저하게 큰 연료 유량을 얻을 수 있다. 추가적으로, 본 발명의 버너의 각 실시예와 관련하여 점화 공간 배치와 부하 조정 능력(turn-down capabilities)은 연료 유량이 증가하는 동안에 유지될 수 있다. 분자량이 낮은 연료와 관련해서, 화염 중 밝은 부분도 화염의 경감과 함께 또한 어느 정도 감소하여 전체 화염 온도를 낮출 수 있다. 몇몇 경우, 이것은 연료 유량이 증가하더라도 버너가 버너들 사이의 간격 및 펜싱(fencing) 사이의 간격을 유지 혹은 단지 최소한으로 증가시킬 수 있도록 해준다. 화염의 중심으로 운반된 과잉의 공기는 화염의 중심으로 공기를 공급할 뿐만 아니라 그 결과로 생긴 연료 연무가 버너의 팁을 빠져나가자마자 산화되도록 맞춰진 속도를 감소시키는 역할을 한다. 이것은 주어진 열 방출 동안 비례적으로 더 짧아지고, 더 깨끗한 무연 화염을 형성 한다. 화염의 희석 및 후속 냉각의 효과는 또한 질소 산화물과 일산화탄소 배출물을 감소시키는 역할을 한다. 프리믹스 챔버를 통한 연료와 공기의 흐름은 또한 버너 조립체의 냉각을 돕는다. The premix chamber of each
이상에서 보조 연료 입구의 다양한 구성에 관하여 설명하였다. 이용 가능한 연료 압력의 관점에서 공기의 비말 동반과 혼합을 최대화하기 위해 천공된 다점 인젝터 본체 혹은 헤더를 포함한 추가적인 구조가 또한 가능하다. 전술한 각각의 실시예의 하측 부분은 코안다 표면을 포함할 수 있거나 또는 곧은 부분일 수 있다. 코안다 표면을 이용할 경우, 보조 연료 입구의 포트는 둥근 오리피스(제트) 혹은 슬롯일 수 있다. 코안다 기술에 추가하여, 연료는 화염 엔벨로프의 중심으로 분사될 수 있는 연료와 공기의 혼합물을 신속하게 얻기 위해 보조 연료 입구로부터 상대적으로 빠른 속도로 분사될 수 있다. 프리믹스 챔버와 연료 막의 치수를 포함하여 본 발명의 플래어 버너의 각종 구성의 치수는 변할 수 있다. 더욱이, 주요 연료 출구와 보조 연료 입구와 관련하여 포트의 다채로운 형상(예컨대, 포트의 크기, 포트들 사이의 간격)을 채택할 수 있다. 이용되는 특정의 치수와 형상은 연료의 타입, 분자량, 온도, 발열량, 연료의 반응성, 작동 변수(예컨대, 이용 가능한 압력) 및 다른 인자에 따라 좌우될 수 있다.The various configurations of the auxiliary fuel inlet have been described above. Additional constructions are also possible, including perforated multi-point injector bodies or headers to maximize splash entrainment and mixing of air in terms of available fuel pressure. The lower portion of each embodiment described above may comprise a Coanda surface or may be a straight portion. When using a Coanda surface, the port of the auxiliary fuel inlet can be a round orifice (jet) or slot. In addition to Coanda technology, fuel can be injected at a relatively high speed from the auxiliary fuel inlet to quickly obtain a mixture of fuel and air that can be injected into the center of the flame envelope. The dimensions of the various configurations of the flare burners of the present invention, including the dimensions of the premix chamber and fuel membrane, can vary. Moreover, it is possible to adopt various shapes of the ports (eg the size of the ports, the spacing between the ports) in relation to the main fuel outlet and the auxiliary fuel inlet. The specific dimensions and shapes used may depend on the type of fuel, molecular weight, temperature, calorific value, fuel reactivity, operating parameters (eg, available pressure) and other factors.
일반적으로 필수적인 것은 아니지만, 제3의 불활성 유체는 프리믹스 영역으로의 공기의 비말 동반을 향상시키기 위해 본 발명의 플래어 버너(모든 실시예의 플래어 버너)의 프리믹스 영역으로 분사될 수 있다. 사용 가능한 제3의 불활성 유체의 예에는 증기, 공기 및 질소가 포함된다. 이들 중 증기가 바람직하다. Although not generally necessary, a third inert fluid may be injected into the premix region of the flare burners (flare burners of all embodiments) of the present invention to enhance the entrainment of air to the premix region. Examples of third inert fluids that can be used include steam, air and nitrogen. Of these, steam is preferred.
첨부 도면에는 본 발명의 플래어 버너 중 둥근 형상인 실시예와 직사각형(다각형)인 실시예가 도시되어 있다. 본 발명의 플래어 버너의 각 실시예는 또한 다른 기하학 형상으로 형성될 수 있다. 예컨대, 둥근 형상 및 직사각형 형상에 추가하여, 타원형, 삼각형, 정사각형, 오각형, 팔각형 및 다른 다각형을 채택할 수 있다. 이러한 다른 기하학적 형상은 비용과 제작 관점에서 이로운 것으로 입증될 수 있다. 최적의 접근법은 프리믹스 챔버로부터 화염의 주요 부분의 중심으로 운반될 수 있는 희박한 과잉의 공기 스트림을 생성하는 것이다. 그러나, 연료 농후 스트림은 본 발명의 버너에 의해 혼합이 향상되기 때문에 지금까지 이용해 온 확산만을 이용한 타입의 버너에 대해 여전히 이득을 제공한다.In the accompanying drawings, there are shown embodiments of round shape and rectangular (polygon) of the flare burners of the present invention. Each embodiment of the flare burner of the present invention may also be formed in other geometric shapes. For example, ovals, triangles, squares, pentagons, octagons and other polygons may be employed in addition to round and rectangular shapes. Such other geometries can prove beneficial in terms of cost and fabrication. The optimal approach is to create a sparse excess air stream that can be transported from the premix chamber to the center of the main portion of the flame. However, fuel rich streams still provide a benefit for burners of the type using only diffusion that has been used so far since the mixing is improved by the burners of the present invention.
본 발명의 그라운드 Ground of the present invention 플래어Flare
도 29를 참조하면, 본 발명의 그라운드 플래어는 도면 부호 420으로 표시하여 개략적으로 도시되어 있다. 그라운드 플래어(420)는 복수 개의 플래어 버너(422), 플래어 버너 둘레로 연장되는 엔클로저(424) 및 연료를 플래어 버너로 공급하기 위한 연료 공급관(426)을 포함한다. Referring to FIG. 29, the ground flare of the present invention is schematically shown at 420. The
플래어 버너는 열(430a 내지 430f)과 열(432a 내지 432e)로 배열된다. 열(430a 내지 430f)은 플래어 버너(422)의 제1 스테이지(434)를 형성하는 반면에 열(432a 내지 432e)은 플래어 버너의 제2 스테이지(436)를 형성한다. 플래어 버너(422) 중 하나 이상은 전술한 본 발명의 플래어 버너의 실시예들 중 하나이다. 양호하게는, 플래어 버너(422)(상대적으로 많은 체적의 연료가 타오르게 할 필요가 있을 때 이용되는 버너)의 제2 스테이지(436)에 있는 각각의 플래어 버너(422)는 전술한 본 발명의 플래어 버너의 실시예들 중 하나이다. 필요에 따라, 버너의 제1 스테이지(434)와 버너의 제2 스테이지(436) 양자에 있는 플래어 버너(422) 각각은 전술한 본 발명의 플래어 버너의 실시예들 중 하나이다.The flare burners are arranged in rows 430a through 430f and rows 432a through 432e. Rows 430a-430f form the
연료 공급 라인(426)은 분배 매니폴드(442)에서 종결되는 주요 라인(440)을 포함한다. 제1 스테이지 공급관(444)과 제2 스테이지 공급관(446)은 분배 매니폴드(442)와 유체 연통 상태로 고착되어 있다. 개개의 제1 스테이지 공급관(450a 내지 450f)은 제1 스테이지 연료 공급관(444)으로부터 대응하는 버너 열(430a 내지 430f)로 연장되어 있다. 이와 유사하게, 개개의 제2 스테이지 공급관(452a 내지 452e)은 제2 스테이지 연료 공급관(446)으로부터 대응하는 버너 열(432a 내지 432e)로 연장되어 있다. 예컨대, 본 발명의 플래어 버너(330)의 연료 급송 도관(338)의 주요 분기부(380)의 제1 단부(382)는 개개의 공급관(450a 내지 450f 혹은 452a 내지 452e)들 중 하나에 고착된다. 또한 다른 타입의 플래어 버너가 그라운드 플래어(420)에서 사용될 경우, 이러한 버너의 연료 급송 도관은 적절하게 개개의 공급관(450a 내지 450f 혹은 452a 내지 452e)들 중 하나에 고착된다.
일련의 파일럿(460a 내지 460f)은 제1 스테이지 공급관(444)과 유체 연통 상태로 되어 있으며, 적절한 버너 및 점화 이전의 연료 분리부와 위치 설정된다. 파일럿은 대응하는 열(430a 내지 430f)에서 통상적으로 제1 플래어 버너(422)에 인접하게 배치되어 있다. 이와 유사하게, 일련의 파일럿(462a 내지 462e)은 제2 스테이지 공급관(446)과 유체 연통 상태로 되어 대응하는 열(432a 내지 432e)에서 제1 플래어 버너(422)에 인접하게 위치한다.The series of pilots 460a-460f is in fluid communication with the first
상기 엔클로저(424)는 플래어 버너(422)를 에워싸고 복수 개의 포스트(470)와 이들 포스트 사이에 연결된 펜스 부분(472)을 포함한다. 엔클로저 혹은 펜스의 높이는 약 30 피트 내지 약 60 피트의 범위이다. 엔클로저(424)는 공기가 엔클로저를 통해 흡인될 수 있도록, 그리고 엔클로저 아래에서 그라운드 플래어로 흡인될 수 있도록 설계되어 있다. The
본 발명의 그라운드 플래어(420)의 작동에 있어서, 타오르게 될 연료는 주요 라인(440)을 통해 분배 매니폴드(442)로 안내된다. 밸브 제어 시스템(도시 생략)은 제1 스테이지 연료 공급관(444) 또는 제1 스테이지 연료 공급관(444)과 제2 스테이지 연료 공급관(446) 양자 중 어느 하나에 연료를 분배하는 기능을 한다. 상대적으로 작은 체적의 연료가 분배 매니폴드(442)로 안내될 경우, 밸브 시스템은 연료를 제1 스테이지 연료 공급관(444)으로만 향하도록 한다. 분배 매니폴드(442)로 안내된 연료 가스의 체적이 상대적으로 클 경우, 연료는 제1 스테이지 연료 공급관(444)과 제2 스테이지 연료 공급관(446) 양자로 안내된다. 또한, 추가의 스테이지 작업은 필요에 따라 사이클 인(cycle in)과 사이클 아웃(cycle out)을 위해 합체될 수 있다. 연료는 연료의 체적에 따라 연료 공급관(444 및 446) 중 하나 또는 양자로부터 대응하는 개개의 공급관(450a 내지 450f 및/또는 452a 내지 452e)으로 안내된다. 연료는 대응하는 열(430a 내지 430f 및/또는 432a 내지 432e)에서 개개의 공급관(450a 내지 450f 및/또는 452a 내지 452e)으로부터 플래어 버너(422)로 안내된다.In the operation of the
필요에 따라, 파일럿(460a 내지 460f 및 462a 내지 462e)은 각각의 열에서 대응하는 제1 버너(422)로부터 방출된 연료를 점화시킨다. 그 다음 각각의 열에서 제1 버너(422)로부터 점화된 연료는 인접한 버너로부터 방출되는 연료를 점화시킨 후, 그 열에서 각각의 버너로부터 방출되는 연료가 점화될 때까지, 그 열 등에서 다음 버너로부터 방출되는 연료를 점화시킨다. 연소에 필요한 공기는 엔클로저(424)의 벽을 통해 및/또는 그 하부를 통해 흡인된다. 버너(422) 혹은 그라운드 플래어에 공기를 별도로 공급할 필요는 없다. If necessary, pilots 460a through 460f and 462a through 462e ignite the fuel discharged from the corresponding
본 발명의 그라운드 플래어는 상대적으로 작은 체적의 연료(예컨대, 시간당 3,000 파운드 이하)로부터 상당히 큰 체적의 연료 가스(예컨대, 타오르게 될 연료의 분자량, 이용 가능한 압력, 온도 및 다른 인자에 따라 시간당 10,000 내지 15,000 파운드)까지를 연소시키기 위해 사용될 수 있다. 심지어 매우 큰 유량(예컨대, 시간당 10,000 파운드)의 경우, 본 발명의 그라운드 플래어 버너에 의해 생성된 화염 엔벨로프는 통상의 그라운드 플래어 엔클로저에 수용될 수 있다. 본 발명의 플래어 버너의 구조로 인해, 그라운드 플래어에 의해 생성된 화염 엔벨로프의 높이를 현저하게 증가시키지 않고도 더 큰 체적의 연료가 더 작은 포트와 더 높은 압력에서 타오를 수 있다. 대안으로, 화염 높이는 엔클로저(424)의 높이가 감소되도록 하기 위해 낮아질 수 있다. 본 발명의 버너는 버너 아래로부터 공기를 펌핑하여 버너가 그라운드에 더 근접하게 배치되는 것을 허용하고, 요구되는 엔클로저(424)의 높이는 역시 결과적으로 낮아지게 된다. 버너 및 이와 관련된 부품의 수가 줄어듦에 따라 더 적은 지면을 필요로 할 수 있다.The ground flares of the present invention range from relatively small volumes of fuel (eg, up to 3,000 pounds per hour) to significantly larger volumes of fuel gas (eg, from 10,000 to an hour per hour depending on the molecular weight of the fuel to be burned, available pressure, temperature and other factors). Up to 15,000 pounds). Even for very large flow rates (eg 10,000 pounds per hour), the flame envelope produced by the ground flare burners of the present invention can be accommodated in conventional ground flare enclosures. The construction of the flare burner of the present invention allows larger volumes of fuel to burn at smaller ports and at higher pressures without significantly increasing the height of the flame envelope produced by the ground flare. Alternatively, the flame height can be lowered so that the height of the
많은 경우, 기존의 그라운드 플래어는, 화염 엔벨로프의 높이가 그라운드 플 래어를 에워싸는 엔클로저의 높이보다 현저하게 초과되도록 하지 않으면서 더 많은 연료가 타오르도록 본 발명의 플래어 버너(422)로 개장(改裝)될 수 있다. 또한, 버너의 구조로 인해, 주어진 플래어 팁에 대한 무연 비율은 한계 내에서 현저하게 커질 수 있다. 처리량의 증가를 구현함에 따라, 개개의 헤더당 더 많은 가스가 운반될 수 있다. 이것은 가스 제어 밸브, 차단 밸브, 레귤레이터 및 물리적 배관과 같은 소수의 제어 메커니즘과 결합되는 헤더의 수를 더 작게 만들 수 있다. 보다 소수의 헤더를 이용한 용량의 증가는 또한 엔클로저(434)를 더 작게 만들 수 있도록 해준다.In many cases, existing ground flares are retrofitted with
본 발명의 그라운드 플래어는 다양한 타입의 연료 가스를 태우기 위해 사용될 수 있다. 그 예로는 수소, 수증기 및/또는 질소, 탄소, 일산화물, 아르곤 등의 불활성 가스를 포함하거나 포함하지 않은 프로판, 프로필렌 및 이들의 혼합물 등인 포화 및 불포화 탄화수소가 포함될 수 있다.The ground flares of the present invention can be used to burn various types of fuel gases. Examples may include saturated and unsaturated hydrocarbons, such as propane, propylene and mixtures thereof, with or without hydrogen, water vapor and / or inert gases such as nitrogen, carbon, monoxide, argon, and the like.
본 발명의 그라운드 플래어의 전술한 설명은 그라운드 플래어를 예시하며, 특히 본 발명의 플래어 버너를 그것과 함께 어떻게 사용할 것인가를 예시하는 것이다. 당업자들이 이해할 수 있는 바와 같이, 그라운드 플래어 설비는 이것의 구성 방법, 즉 버너의 개수와 타입, 헤더, 유동 시스템, 제어 밸브 및 이와 관련된 부품, 설비를 에워싸는 엔클로저의 타입과 높이 및 다른 많은 방법에 따라 광범위하게 변형될 수 있다. 본 발명의 그라운드 플래어는 본 발명의 플래어 버너를 이용하고 있는 임의의 그라운드 플래어 설비를 포함할 수 있다. The foregoing description of the ground flare of the present invention illustrates the ground flare, and in particular, how to use the flare burner of the present invention with it. As will be appreciated by those skilled in the art, the ground flare installation depends on how it is constructed: the number and type of burners, headers, flow systems, control valves and related components, the type and height of the enclosure surrounding the installation, and many other methods. It can be varied widely. The ground flare of the present invention may include any ground flare facility utilizing the flare burner of the present invention.
본 발명의 방법Method of the invention
본 발명의 방법에 따르면, 본 발명의 플래어 버너(30, 130, 230 및 330)들 중 하나에서 연료를 태운다. 도 24를 참조하면, 연료는 연료 인젝터 본체[즉, 주요 연료 출구(36, 136, 236 및 336)]를 통해 연소 영역(101)으로 분사되며, 화염 엔벨로프(100)를 생성하고 연료를 연소하기 위해 점화된다. 연소될 연료의 일부는 공기를 프리믹스 영역으로 비말 동반시키고 공기와 연료의 혼합물(양호하게는, 실질적인 균질 혼합물)을 프리믹스 영역 내부에 생성하는 방식으로 버너의 프리믹스 챔버[즉, 프리믹스 챔버(32, 132, 232 또는 332)]를 포함하는 프리믹스 영역으로 주입된다. 그 다음 공기와 연료의 혼합물은 프리믹스 챔버로부터 화염 엔벨로프의 중심 부분(104)으로 분사된다. 다시, 전술한 바와 같이, 프리믹스 영역으로 비말 동반되어 화염 엔벨로프의 중심 부분으로 분사되는 공기의 양은, 연료가 농후하지만 연소 가능한 혼합물에서부터 연소에 필요한 화학량론적 양을 초과하는 비말 동반된 공기를 지닌 혼합물까지의 범위일 수 있다. 화염 엔벨로프의 중심으로 분사된 이러한 연료와 공기의 프리믹스 스트림은 제2 화염 영역을 개시하여 원환 형상의 화염 엔벨로프를 생성한다. 전체적인 결과로 전체 화염 엔벨로프는 더 신속하고 더 균일하게 연소되며, 이에 따라 본 발명의 플래어 버너와 관련된 전술한 장점을 얻게 된다.According to the method of the present invention, fuel is burned in one of the
전술한 바와 같이, 프리믹스 영역으로 비말 동반되고 화염 엔벨로프의 중심 부분으로 분사된 공기의 양은 프리믹스 영역으로 주입된 연료의 연소를 지원하는 데 요구되는 공기의 화학량론적 양의 적어도 약 15%이다. "연료가 농후한" 연료와 공기의 혼합물(즉, 프리믹스 영역으로 주입된 연료의 연소를 지원하는 데 요구되는 공기의 화학량론적 양의 100% 미만을 지닌 혼합물)을 화염 엔벨로프의 중심 부분으로 분사하는 것은 몇몇 용례에서 바람직하다. 그러나, 대부분의 용례에 있어서, "연료가 희박한" 연료와 공기의 혼합물(즉, 프리믹스 영역으로 주입되는 연료의 연소를 지원하는 데 요구되는 공기의 화학당론적 양의 100%를 초과하는 혼합물)을 화염 엔벨로프의 중심 부분으로 분사하는 것이 바람직하다. 대부분의 용례에 있어서, 프리믹스 영역으로 비말 동반되어 화염 엔벨로프의 중심 부분으로 분사되는 공기의 양은 프리믹스 영역으로 주입된 연료의 연소를 지원하는 데 요구되는 공기의 화학량론적 양의 약 125% 내지 약 300%의 범위에 속한다.As noted above, the amount of air entrained into the premix zone and injected into the central portion of the flame envelope is at least about 15% of the stoichiometric amount of air required to support combustion of fuel injected into the premix zone. Injecting a mixture of "fuel-rich" fuel and air (i.e., a mixture with less than 100% of the stoichiometric amount of air required to support combustion of fuel injected into the premix zone) into the central portion of the flame envelope. Is preferred in some applications. However, in most applications, a mixture of "fuel-lean" fuel and air (i.e., mixtures in excess of 100% of the chemopolitan amount of air required to support combustion of fuel injected into the premix zone) is used. It is preferred to spray into the central portion of the flame envelope. In most applications, the amount of air entrained in the premix zone and injected into the central portion of the flame envelope is about 125% to about 300% of the stoichiometric amount of air required to support combustion of fuel injected into the premix zone. Belongs to the scope of.
프리믹스 영역과 프리믹스 챔버[즉, 프리믹스 챔버(32, 132, 232 또는 332)]로 주입된 연료의 양은 플래어 버너에 의해 타오르게 될 연료의 총량의 약 5% 내지 약 50%, 보다 양호하게는 약 10% 내지 약 30%, 가장 양호하게는 약 10% 내지 약 25%이다. The amount of fuel injected into the premix zone and the premix chamber (ie,
본 발명을 보다 구체적으로 예시하기 위한 아래의 예들을 참조하기 바란다.Please refer to the examples below to illustrate the invention in more detail.
예 1Example 1
본 발명의 플래어 버너의 제1 실시예에 따른 플래어 버너(30)를 종래의 고성능 확산 타입의 그라운드 플래어 버너 즉, 도 1 및 도 2에 도시된 버너와 비교하였다. 각각 약 30 인치와 약 16 인치의 길이를 갖는 본 발명의 플래어 버너 2개를 시험하였다. 본 발명의 플래어 버너는 종래의 플래어 버너에 포함된 3 제곱인치의 유동 영역에 상응하는 포트를 구비하도록 하였다.The
본 발명의 플래어 버너를 먼저 단독으로 시험하였다. 시험은 프로판과 프로 필렌을 사용하여 행하였다. 약 20%의 연료가 본 발명의 플래어 버너 각각의 프리믹스 챔버 내부에서 분사되었다. 그 다음, 나머지 연료는 프리믹스 챔버로부터 배출된 공기/연료 혼합물의 주계 둘레로 분사되었다. 본 발명의 플래어 버너 각각은 2가지 타입의 연료를 이용하여 무연 화염을 발생시키는 동안 상당한 연료 흐름을 유지할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 각 버너로부터 나온 화염 엔벨로프는 매우 안정적이면서 현저한 부하 조정비(turndown ratio)가 가능하였고 또 연소에 의한 열 방출의 전체 범위에 걸쳐서 매우 대칭적이라는 것이 밝혀졌다. 각각의 버너로부터 나온 화염 엔벨로프는 길이가 매우 짧고 직경이 작은 것으로 관측되었다. The flare burners of the present invention were first tested alone. The test was done using propane and propylene. About 20% of fuel was injected inside the premix chamber of each of the flare burners of the present invention. The remaining fuel was then injected around the main system of the air / fuel mixture withdrawn from the premix chamber. It has been found that each of the flare burners of the present invention can maintain significant fuel flow while generating unleaded flames using two types of fuel. The flame envelope from each burner was found to be very stable, with a significant turndown ratio and very symmetrical over the entire range of heat dissipation by combustion. The flame envelope from each burner was observed to be very short in length and small in diameter.
그 다음, 약 30 인치의 길이를 지닌 본 발명의 플래어 버너를 종래의 버너와 비교하였다. 2개의 플래어 버너를 나란히 시험하였다. 동일한 체적의 연료가 각 버너에 공급되도록 버너를 동일한 헤더에 고착시켰다.Then, the flare burner of the present invention having a length of about 30 inches was compared with a conventional burner. Two flare burners were tested side by side. The burners were fixed to the same header so that the same volume of fuel was supplied to each burner.
본 발명의 플래어 버너는 관측한 대부분의 테스트 포인트에서 짧은 화염 엔벨로프를 생성한다는 것을 관측하였다. 본 발명의 플래어 버너는 부하 조정 동안 낮은 압력에서 점화된 상태로 유지되었고, 이는 조작 범위가 어느 정도 확장하였다는 것을 나타낸다. 최대의 연료 유량에서, 본 발명의 플래어 버너에 의해 발생된 화염 엔벨로프는 종래의 고성능 확산 타입의 그라운드 플래어 버너에 비해 전체 길이가 더 짧았다. 그러나, 이러한 계획안에 따라, 종래의 플래어 버너에 의해 생성된 화염 엔벨로프의 수직 단면(폭)은, 본 발명의 플래어 버너에 의해 생성된 화염 엔벨로프보다 더 컸다. 압력이 현저하게 1 psig 미만으로 될 때까지 본 발명의 플래어 버너에서는 번 백(burn-back)이 관측되지 않았다. 본 발명의 플래어 버너에 의해 발생된 화염 엔벨로프로부터의 복사선은 종래의 플래어 버너에 의해 생성된 화염 엔벨로프에 의해 발생되는 복사선과 동등하거나 또는 그것보다 약간 약한 것으로 나타났다. 부하 조정 상태 동안, 종래의 플래어 버너는 본 발명의 플래어 버너와 대략 동일한 비율로 연기를 발생시켰다. 연무의 트레일링(trailing)은 통상적으로 대략 동일한 유량과 압력에서 양자의 버너로부터 알아차릴 수 있었다. 그러나. 본 발명의 플래어 버너는 초기 시험 동안 확산 타입의 버너 팁보다 낮은 압력에서 덜 농후한 연무 트레일(trail)을 유지하는 것을 보여주었다. 종래의 버너는 압력이 감소될 때 더 심한 연기 생성으로 천이되었다. The flare burners of the present invention have been observed to produce a short flame envelope at most of the test points observed. The flare burner of the present invention remained ignited at low pressure during load regulation, indicating that the operating range was somewhat extended. At maximum fuel flow rate, the flame envelope generated by the flare burners of the present invention was shorter in total length than conventional high performance diffusion type ground flare burners. However, according to this scheme, the vertical cross section (width) of the flame envelope produced by the conventional flare burner was larger than the flame envelope produced by the flare burner of the present invention. No burn-back was observed in the flare burners of the present invention until the pressure was significantly below 1 psig. Radiation from the flame envelope generated by the flare burners of the present invention has been shown to be equivalent to or slightly weaker than radiation generated by the flame envelope generated by conventional flare burners. During the load regulation state, conventional flare burners generated smoke at approximately the same rate as the flare burners of the present invention. The trailing of the mist was typically noticeable from both burners at approximately the same flow rate and pressure. But. The flare burners of the present invention have been shown to maintain a less dense haze trail at lower pressures than diffusion type burner tips during initial testing. Conventional burners have transitioned to more smoke generation when the pressure is reduced.
예 2Example 2
또한 본 발명의 플래어 버너의 제3 실시예에 따른 플래어 버너(230)를 시험하여 전술한 종래의 플래어 버너와 비교하였다. 본 발명의 플래어 버너의 제3 실시예의 성능은 종래 기술의 버너와 적어도 동등한 것으로 나타났다. 그러나, 본 발명의 버너는 예 1에서 설명한 본 발명의 플래어 버너의 제1 실시예보다 낮은 압력에서 더 많은 연기를 생성하였다. 무연 작동 범위는 종래의 플래어 버너의 무연 성능에 필적하였다.In addition, the
이러한 시험에서, 본 발명의 플래어 버너 중 프리믹스 챔버의 코너는 시각적으로 프리믹스 챔버에서의 혼합 방식을 어느 정도 억제하는 것으로 보이는 복잡한 유동 패턴을 생성하였다. 그 결과, 의사층을 이룬(spurious stratified) 연료 농후 영역이 프리믹스 배출 영역의 코너에 형성되는 것으로 관측되었으며, 이는 화염 영역의 전체 표면에 걸쳐 눈에 보이는 크기의 층이 관찰되도록 만들었다. 다른 한 편으로, 시험한 본 발명의 플래어 버너는 종래 플래어 버너에 의해 취급할 수 있던 연료의 양보다 거의 3배를 취급할 수 있었다. In this test, the corners of the premix chamber in the flare burners of the present invention produced a complex flow pattern that visually appeared to somewhat inhibit the mode of mixing in the premix chamber. As a result, spurious stratified fuel rich areas were observed to form at the corners of the premix discharge area, which resulted in visible visible layers over the entire surface of the flame area. On the other hand, the flared burner of the present invention tested was able to handle almost three times the amount of fuel that could be handled by conventional flare burners.
이러한 예에서 기술된 본 발명의 플래어 버너의 시험 유닛을 조립하는 데 사용된 용접은 불완전하며 (단지 적절한 시험을 수행한 후) 결국 파손된다. 문제의 용접은 단지 테스트 유닛(탄소강으로 제작됨)을 위해서만 사용되었고, 용접의 파손은 설계의 문제로 인한 것은 아니며, 실제 버너의 작동 혹은 성능과는 관련이 없다. 시험에 의하면, 어떤 경우에도 플래어 버너(230)는 연무 문제를 최소로 하면서 다량의 연료 흐름을 취급할 수 있다는 것을 보여주었다. The welding used to assemble the test unit of the flare burner of the invention described in this example is incomplete (only after performing the appropriate tests) and eventually breaks. The weld in question was used only for the test unit (made of carbon steel), and the breakage of the weld was not due to design issues and was not related to the actual burner operation or performance. Tests have shown that in any
따라서, 본 발명은 본 발명의 목적을 수행하는 데 매우 적합하고, 전술한 목적과 장점뿐만 아니라 그 고유의 목적을 달성한다. 당업자들에 의해 수많은 변형이 이루어질 수 있지만, 이러한 변형은 첨부된 청구범위에 의해 한정된 바와 같은 본 발명의 사상에 포함된다.Accordingly, the present invention is very suitable for carrying out the objects of the present invention, and achieves the objects and advantages as well as the inherent objects thereof. Numerous variations can be made by those skilled in the art, but such variations are included in the spirit of the present invention as defined by the appended claims.
도 1은 종래 기술의 그라운드 플래어 버너를 도시한 정면 입면도이다. 1 is a front elevational view showing a ground flare burner of the prior art.
도 2는 도 1에 도시된 플래어 버너의 평면도이다.FIG. 2 is a plan view of the flare burner shown in FIG. 1. FIG.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 종래 기술의 플래어 버너에 의해 생성된 화염 엔벨로프의 일반적인 모양을 도시한 도면이다. FIG. 3 shows the general shape of the flame envelope produced by the prior art flare burners shown in FIGS. 1 and 2.
도 4는 본 발명의 그라운드 플래어 버너의 제1 실시예의 사시도이다.4 is a perspective view of a first embodiment of a ground flare burner of the present invention.
도 5는 도 4의 선 5-5를 따라 절취한 단면도이다. 5 is a cross-sectional view taken along line 5-5 of FIG. 4.
도 6은 도 4 및 도 5에 도시된 버너의 평면도이다. 6 is a plan view of the burner shown in FIGS. 4 and 5.
도 7은 도 6의 선 7-7을 따라 절취한 단면도로서, 선택적인 라이저 혹은 팁 연장부를 도시한 도면이다.FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line 7-7 of FIG. 6 showing an optional riser or tip extension.
도 8은 본 발명의 플래어 버너의 제1, 제2 및 제4 실시예와 관련하여 이용될 수 있는 환상의 연료 인젝터 본체의 변형례를 도시한 도면이다. FIG. 8 shows a variant of an annular fuel injector body that can be used in connection with the first, second and fourth embodiments of the flare burners of the present invention.
도 9는 본 발명의 플래어 버너의 제2 실시예의 사시도이다.9 is a perspective view of a second embodiment of the flare burner of the present invention.
도 10은 도 11의 선 10-10을 따라 절취한 단면도이다.FIG. 10 is a cross-sectional view taken along the line 10-10 of FIG. 11.
도 10a는 제2 실시예와 관련하여 사용된 환상의 분배 매니폴드의 변형례를 도시한 도면이다. 10A is a diagram showing a modification of the annular distribution manifold used in connection with the second embodiment.
도 11은 도 9 및 도 10에 도시된 플래어 버너의 평면도이다. FIG. 11 is a plan view of the flare burner shown in FIGS. 9 and 10.
도 12는 도 10의 선 12-12를 따라 절취한 단면도이다. 12 is a cross-sectional view taken along line 12-12 of FIG. 10.
도 13은 본 발명의 플래어 버너의 제3 실시예의 사시도이다.Figure 13 is a perspective view of a third embodiment of the flare burner of the present invention.
도 14는 도 13의 선 14-14를 따라 절취한 단면도이다.14 is a cross-sectional view taken along line 14-14 of FIG. 13.
도 15는 도 13 및 도 14에 도시된 플래어 버너의 평면도이다.FIG. 15 is a plan view of the flare burner shown in FIGS. 13 and 14.
도 16은 도 13의 선 16-16을 따라 절취한 단면도로서, 선택적인 라이저 혹은 팁 연장부를 도시한 도면이다.16 is a cross-sectional view taken along line 16-16 of FIG. 13 showing an optional riser or tip extension.
도 17은 도 15의 선 17-17을 따라 절취한 단면도이다. FIG. 17 is a cross-sectional view taken along the line 17-17 of FIG. 15.
도 17a는 제3 실시예와 관련하여 사용된 관상의 분배 매니폴드의 변형례를 도시한 도면이다. FIG. 17A shows a variation of the tubular distribution manifold used in connection with the third embodiment.
도 18은 도 14의 선 18-18을 따라 절취한 단면도이다. 18 is a cross-sectional view taken along line 18-18 of FIG. 14.
도 19는 본 발명의 플래어 버너의 제4 실시예의 사시도이다. 19 is a perspective view of a fourth embodiment of the flare burner of the present invention.
도 20은 도 19의 선 20-20을 따라 절취한 단면도이다. 20 is a cross-sectional view taken along line 20-20 of FIG. 19.
도 21은 도 22의 선 21-21을 따라 절취한 단면도로서, 버너의 선택적인 구성요소를 도시한 도면이다. FIG. 21 is a cross-sectional view taken along the line 21-21 of FIG. 22, showing optional components of the burner.
도 22는 도 19 내지 도 21에 도시된 버너의 평면도이다.22 is a plan view of the burner shown in FIGS. 19 to 21.
도 23은 도 19 내지 도 22에 도시된 버너의 보조 연료 입구의 변형례를 도시한 도면이다.FIG. 23 is a view showing a modification of the auxiliary fuel inlet of the burners shown in FIGS. 19 to 22.
도 24는 본 발명의 플래어 버너의 각 실시예에 의해 생성된 화염 엔벨로프의 일반적인 모양을 도시한 도면이다. FIG. 24 is a view showing a general shape of the flame envelope generated by each embodiment of the flare burner of the present invention.
도 25는 본 발명의 플래어 버너의 각 실시예에 행할 수 있는 변형을 도시한 사시도이다. Fig. 25 is a perspective view showing modifications that can be made to each embodiment of the flare burner of the present invention.
도 26은 도 27의 선 26-26을 따라 절취한 단면도이다. FIG. 26 is a cross-sectional view taken along the line 26-26 of FIG. 27.
도 27은 도 25 및 도 26에 도시된 버너의 평면도이다. FIG. 27 is a plan view of the burner shown in FIGS. 25 and 26.
도 28은 도 25 내지 도 27에 도시된 방식으로 개량했을 때 본 발명의 플래어 버너의 각 실시예에 의해 생성되는 화염 엔벨로프의 일반적인 모양을 도시한 도면이다. FIG. 28 shows the general shape of the flame envelope produced by each embodiment of the flare burner of the present invention when improved in the manner shown in FIGS. 25-27.
도 29는 본 발명의 그라운드 플래어의 일실시예를 개략적으로 도시한 도면이다. 29 is a view schematically showing an embodiment of the ground flare of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
30, 130, 230, 330 : 플래어 버너30, 130, 230, 330: flare burner
31, 131, 231, 331 : 프리믹스 영역31, 131, 231, 331: premix area
31a, 131a, 231a, 331a : 프리믹스 공간31a, 131a, 231a, 331a: premix space
31b, 131b, 231b, 331b : 내부31b, 131b, 231b, 331b: internal
31c, 131c, 231c, 331c : 프리믹스 공간31c, 131c, 231c, 331c: premix space
32, 132, 232, 332 : 프리믹스 챔버32, 132, 232, 332 premix chamber
34, 134, 234, 334 : 보조 연료 입구34, 134, 234, 334: auxiliary fuel inlet
36, 136, 236, 336 : 주요 연료 출구36, 136, 236, 336: main fuel outlet
38, 138, 238, 338 : 연료 급송 도관38, 138, 238, 338: fuel feeding conduits
40 : 파일럿40: pilot
48, 148, 248, 348 : 공기 입구48, 148, 248, 348: air inlet
50, 150, 250, 350 : 공기/연료 출구50, 150, 250, 350: air / fuel outlet
54 : 연료 인젝터54: fuel injector
58 : 연료 포트58: fuel port
60 : 연료 막60: fuel membrane
68 : 시일68: seal
70, 188 : 연료 인젝터 본체70, 188: fuel injector body
74, 192 : 연료 포트74, 192: fuel port
76, 196, 296, 376 : 가스 라이저 혹은 팁 연장부76, 196, 296, 376: gas riser or tip extension
100 : 화염 엔벨로프100: flame envelope
164, 264 : 분배 매니폴드164, 264: distribution manifold
166, 266 : 연료 포트166, 266: fuel port
170, 270, 360 : 연료 막170, 270, 360: fuel membrane
400 : 프리믹스 챔버 연장 실린더400: Premix Chamber Extension Cylinder
420 : 그라운드 플래어420: Ground Flare
422 : 플래어 버너422: Flare Burner
424 : 엔클로저424: Enclosure
426 : 연료 공급관426: fuel supply pipe
434 : 제1 스테이지434: first stage
436 : 제2 스테이지436 second stage
442 : 분배 매니폴드442: Distribution Manifold
444 : 제1 스테이지 공급관444: first stage supply pipe
446 : 제2 스테이지 공급관446 second stage supply pipe
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