KR20100018606A - 고점도 저발열량 액체 연료의 연소 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 글리세롤과 같은 고점도 액체 연료의 간편한 청정 연소 방법 및 이러한 방법을 수행하는데 유용한 장치에 관한 것이다. 임의의 구현예에 있어서, 본 발명은 글리세롤 연소 방법으로서, 반사가열을 조장하는 글리세롤 연소실을 가진 연소 장치를 제공하고, 점도가 감소된 글리세롤을 분무하고, 글리세롤 연소실에서 분무화된 글리세롤과 공기를 조합하여 글리세롤을 완전히 연소하는 단계를 포함한다. 일 구현예에서, 압력 분무 노즐을 이용하는 것과 같은 경우에, 본 발명의 방법은 글리세롤의 점도를 줄이기 위해 글리세롤을 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.

Description

고점도 저발열량 액체 연료의 연소 방법{PROCESS FOR COMBUSTION OF HIGH VISCOSITY LOW HEATING VALUE LIQUID FUELS}

본 발명은 고점도 액체 연료의 연소 방법데 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 글리세롤의 효율적인 청정 연소 방법에 관한 것이다.

글리세롤은 하기 식으로 표시되는 구조를 가지는 오래 전부터 공지되어 있는 화학적 화합물이다.

글리세린 또는 프로판-1,2,3-트리올로도 알려져 있는 글리세롤은 일반적인 부류의 폴리올 화합물(즉, 복수개의 하이드록실기를 가진 화합물)에 속하며, 많은 분야에서 이용되고 있다. 예를 들어, 글리세롤은 수많은 의료용, 약제용, 개인위생용 제품에, 윤활제, 보습제, 유기 합성 빌딩블록, 식품 첨가제(예: 보습제, 용제, 감미료, 유연제, 충전재 또는 증점제), 동물 사료 성분, 플라스틱 및 셀로판의 가소제 및 유연제, 및 첨가제로서, 또는 니트로글리세린, 실(yarn), 직물, 세제, 보존제, 부동액 및 담배 제품과 같은 여러 가지 제품의 제조에 이용된다.

가장 많이 인지될 수 있는 유도체 중에서, 글리세롤은 글리세롤과 지방산의 에스테르인 트리글리세라이드의 골격(backbone)을 형성한다. 그러므로, 지방원(예: 식물성 오일 및 동물성 지방)은 글리세롤의 즉시 이용가능한 소스(ready source)를 제시하며, 이것은 비누화(예: 비누 제조공정) 또는 트랜스에스테르화 반응(예: 바이오연료의 생산공정)을 통해 제조될 수 있다.

전술한 여러 가지 가능한 용도로부터 알 수 있는 바와 같이, 글리세롤은 매매가능한 상품이지만, 바이오연료의 생산공정에서와 같이, 최근 폐글리세롤(waste glycerol)의 생산 증가는, 그러한 용도에 바로 이용될 수 있는 순수한 형태가 아닌 크루드 글리세롤(crude glycerol)의 공급의 지속적인 증가를 초래하게 되었다. 크루드 글리세롤은, 시장성을 위한 충분한 순도를 가진 글리세롤을 제공하기 위해서는, 정류 및 그 밖의 정제 단계를 거쳐야 하며, 그러한 필요한 처리는 일반적으로 비용으로 인해 실시가 어려운 것으로 밝혀졌다. 그 결과, 현재 생산되고 있는 대부분의 크루드 글리세롤은 폐기물로서 처분되고 있을 뿐이다.

바이오연료는, 특히 원유 및 원유를 기재로 하는 연료 제품(예: 가솔린, 디젤 및 젯트 연료)의 가격 상승을 고려할 때, 석유계 연료의 대체물로서 그 인기가 점점 더 높아지고 있다. 바이오디젤은 석유계 연료의 대체물로서 인기를 얻은 최초의 바이오연료 중의 하나이다. 평지, 대두 및 팜 오일과 같은 식물성 오일의 트랜스에스테르화 반응을 통해 바이오디젤을 제조하는 과정에서, 글리세롤이 부산물로서 생산된다. 예를 들어, 트리글리세라이드(예: 식물성 오일 또는 동물성 지방 유래)의 트랜스에스테르화 반응은 전형적으로 하기 반응식에 따라 진행된다.

상기 반응식에서, 각각의 R은 탄화수소(예: 장쇄 지방산)을 나타내고, FAME는 지방산 메틸에스테르(즉, 바이오디젤 분자)를 나타낸다. 공통적인 염 촉매는 수산화칼륨 및 수산화나트륨이다. 이러한 반응에 따르면, 바이오디젤 1톤이 생산될 때 약 100 kg의 글리세롤이 만들어진다. 대규모 바이오디젤 공장에서는, 크루드 글리세롤 생산이 연간 수백만 갤런 단위로 제조될 수 있다. 바이오디젤은 환경적인 잇점 및 경제적인 잇점 때문에 각광을 받고 있지만, 글리세롤 부산물의 처리문제가 점점 더 근심거리가 되고 있다. 게다가, 산업화된 국가에서는 화석 연료로부터 보다 지속성 있는 환경친화적 대체물로 옮겨가려고 하기 때문에, 크루드 글리세롤은 전세계적으로 점점 더 과잉이 되고 있다.

2007년에 추정된 바로는, 미국에서의 글리세롤 생산이 연평균 350,000톤을 초과하며, 유럽에서의 글리세롤 생산은 연간 약 600,000톤이다. 이러한 글리세롤 공급은, 유럽에서 연료 공급업자들에게 바이오연료 도입 최소치를 강제적으로 부과하는 법안에 따라 지속적으로 증가될 것으로 예상된다. EU 법안 2003/30/EC는 예를 들어 5.75%의 바이오디젤 도입율을 2010년까지 달성할 것을 목표로 하고 있다. 이와 같이 점점 더 증가되는 글리세롤 공급을 고려할 때, 그 처리와 관련하여 부가가치를 높일 수 있는 대안을 찾아야 할 필요성이 있다.

특히 바이오연료 생산과 관련하여, 그 처리방법에 대한 대안 중의 하나는 바이오연료 생산 공정 자체의 열원으로서 글리세롤 연소를 이용하는 것이다. 글리세롤의 연소는, 충분히 이루어지기만 한다면, 폐글리세롤 생산에 대한 훌륭한 해결책으로서 기술되어 왔다. 폐글리세롤을 난방 연료로서 사용하기 위한 이전의 시도들은 그 성공이 제한적이었고 비용상의 실질적인 잇점이 부족했다. 예를 들어, 글리세롤의 연소는 아주 고온에서 실행되지 않는 한 독성의 아크롤레인 개스를 방출하는, 오랫동안 해결되지 않은 문제가 있었다. 게다가, 이 분야의 학자들은 글리세롤 부산물의 완전한 청정 연소는 1,000℃보다 높은 연소온도를 필요로 하며, 연소실에서 상대적으로 장시간의 체류 시간을 필요로 한다는 것을 이론화하였다. 그렇지 않은 경우에는, 글리세롤의 효과적인 연소에는 일반적으로, 연소가능한 용기(예: 빈 우유팩)에 장작이나 톱밥을 넣는 것과 같은, 다른 연료원과의 조합이 필요하다. 글리세롤만을 연소하고자 하는 이전의 시도들은 안전 및 기술적인 문제들을 극복할 수 없었다.

전술한 사항을 고려해볼 때, 바이오연료 생산공정으로부터의 글리세롤 부산물과 같은 폐글리세롤의 처리에 대한 현실성 있는 대안의 필요성이 당해 기술분야에 여전히 남아 있다. 본 발명은 이러한 문제를 해결하고자 하는 것이다.

본 발명은 글리세롤과 같은 고점도 저발열량 액체 연료의 효율적인 청정 연소 방법을 제공한다. 특히, 본 발명은 글리세롤의 연소 방법, 이러한 연소를 위한 장치, 및 별개의 공정으로부터의 폐스트림인 글리세롤을 재순환하여 글리세롤의 연소로부터 에너지를 생산하는 글리세롤의 재순환 방법을 제공한다. 생산된 에너지는 글리세롤을 생산하는 원래의 공정으로 다시 재순환되거나 또는 전력의 생산과 같은 2차적인 목적을 위해 사용될 수 있다.

따라서, 일면에 있어서, 본 발명은 고점도 저발열량 액체 연료의 연소 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 사용가능한 연료원이 될 수 있을 정도로 충분히 높은 발열량을 가진 임의의 액체에도 이용될 수 있다. 특히, 본 발명의 방법은 공지의 액체 연료 버너에서의 연소를 방해할 정도로 충분히 높은 점도와 충분히 낮은 발열량을 가진 임의의 액체 연료에도 이용될 수 있다. 글리세롤은, 글리세롤 스트림을 지속가능하게 연소하는데 있어서의 본질적인 어려움, 글리세롤 연소와 관련하여 당해 기술분야에서 공지된 한계, 및 특히 바이오연료의 생산 증가로 인한 폐글리세롤의 공급 증가와 같은 문제점으로 인해, 본 발명에 따른 연소 방법에 특히 적합한 후보물질이다.

일 구현예에 있어서, 글리세롤과 같은 고점도 저발열량 액체 연료의 지속적인 연소 방법은 하기 단계를 포함한다: 1) 연소실을 구비한 연소 장치를 제공하는 단계; 2) 고점도 저발열량 액체 연료를 상기 연소실에 도입하기 이전에 온도가 약 370℃ 이상이 되도록 상기 연소실을 가열하는 단계; 3) 상기 연소실로 도입하기 위한 고점도 저발열량 액체 연료를 제공하는 단계; 4) 선택적으로, 상기 고점도 저발열량 액체 연료의 점도를 낮추기 위해 상기 액체 연료를 처리하는 단계; 5) 상기 연소실로 도입하기 위한 상기 고점도 저발열량 액체 연료를 분무화하는 단계; 6) 상기 연소실 내에서 재순환 구역(recirculation zone)을 만드는 소용돌이 속도 프로파일을 가진 공기와, 분무화된 상기 고점도 저발열량 액체 연료를 상기 연소실에서 연소시키는 단계.

글리세롤과 같은 고점도 저발열량 액체 연료의 효율적이고 지속가능한 연소에 있어서의 본질적인 한계로 인해, 연소 장치의 선택이 특히 중요하다. 예를 들어, 이러한 장치는 극히 높은 온도(예: 최대 약 1200℃)에서 지속적으로 사용될 수 있는 것이 바람직하다. 또한, 복사 및 대류 피드백 가열(즉, 가동 온도를 신뢰성있게 유지할 수 있음)을 제공하는 연소실을 포함하는 장치가 바람직하다.

또한, 글리세롤 (및 유사한 액체)의 연소시 본질적인 한계로 인해, 연소기의 글리세롤 연소실을 예비가열하는 단계가 특히 중요할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 연소실을 예비가열하는 것은 예비가열 연료원을 연소시키는 것을 포함한다. 이러한 예비가열 연료원으로는, 연소실을 효과적으로 가열할 수 있고 예비가열 연료원으로부터 고점도 저발열량 액체 연료원으로의 용이한 전이를 제공할 수 있는 연료원이라면, 어느 것이라도 무방하다. 이러한 연료의 비제한적인 예로서는, 케로센, 메탄, 및 프로판 등이 있다. 대안적인 구현예에 있어서, 연소실은 예를 들어 전기저항에 의한 가열 등의 다른 방법을 이용하여 예비가열될 수 있다. 글리세롤 연소 장치의 초기 가동시에는 예비가열 연료원만 사용될 필요가 있는 것이 유리하다. 필요한 연소실 온도에 도달하게 되면, 글리세롤 연료원으로의 전이가 가능하게 된다. 본 발명의 일부 구현예에서는, 연소 방법이 연속적일 수 있으며, 유지 관리를 위해 주기적으로 중단되기도 한다. 그러므로, 본 발명에 따르면, 단지 제한된 양의 예비가열 연료가 필요할 수 있다. 예비가열은, 고점도 저발열량 액체 연료의 자가 점화 온도와 적어도 동일한 온도로 연소실을 가열하기에 충분한 시간동안만 실시되는 것이 바람직하다. 그러나, 일부 구현예에서는 초기 연소실 온도가 600℃이상, 800℃ 이상 또는 심지어 1000℃까지 도달하도록 예비가열이 실시될 수 있다. 필요한 온도에 도달한 후, 예비가열 연료의 도입이 중단되고, 고점도 저발열량 액체 연료로 완전히 대치될 수 있다. 예비가열 연료와 고점도 저발열량 사이의 전이는 점진적일 수도 있고 뚜렷하게 구분적일 수도 있다.

일부 구현예에 있어서, 본 발명의 방법은 고점도 저발열량 액체 연료를 처리하여 그 점도를 감소시키는 단계를 포함하며, 이러한 단계는 상기 액체 연료의 점도를 정해진 점도보다 낮게 감소시키는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 글리세롤의 점도를 약 20 cSt보다 낮게 감소시키는 것이 유용할 수 있다. 일부 구현예에서, 액체 연료를 처리하는 단계는 가열하는 것을 포함한다. 다시, 예를 들어 글리세롤을 사용하는 경우, 글리세롤은 적어도 약 91℃의 온도까지 가열될 수 있으며, 이것은 글리세롤의 점도를 약 20 cSt 보다 낮게 감소시키는데 유리하다. 다른 구현예에서, 상기 처리 단계는 고점도 저발열량 액체 연료와, 바람직하기로는 마찬가지로 연소가능한 점도-저하용 액체를 조합하는 것을 포함한다.

글리세롤과 같은 고점도 저발열량 액체 연료의 효율적이고 지속가능한 연소의 달성 여부는 특히 연소실에 특별한 공기 흐름 특성을 제공하는 것에 의해 좌우된다. 따라서, 일부 구현예에서, 본 발명의 방법의 조합 단계는 분무화된 고점도 저발열량 액체 연료가 정해진 흐름 패턴과 공기 혼합물로 연소실에 도입되도록 공기역학적으로 제한된 공기 흐름을 제공하는 것을 포함한다. 일부 구현예에서, 이와 같은 공기역학적으로 제한된 공기 흐름은 소용돌이 성분에 의해 제공된다. 예를 들어, 이는 고점도 저발열량 액체 연료의 흐름에 대해 축방향 및 접선방향의 공기 흐름을 제공함으로써 달성될 수 있다. 일부 구현예에서, 공기 흐름은 약 5 이상의 계산가능한 소용돌이수를 가지도록 특별하게 제어될 수 있다.

본 발명의 방법에서는 특히 글리세롤과 같은 고점도 저발열량 액체 연료의 지속가능하고 효율적인 연소를 달성하기 위해 충족되어야 하는 정확한 연소 조건을 인식하고 있다. 이를 위해서는, 연소 장치가 연소실 내에 열을 보존하고 연소실 내에 입자 보존을 최대화하기 위한 특성을 가져야 하고, 지속가능한 연소를 위한 연소실의 정확한 예비가열과 연소를 더욱 지속적으로 유지하기 위한 공기 흐름 및 연료 흐름의 정확한 제어가 필요하다. 본 발명에서는 글리세롤과 같은 고점도 저발열량 액체 연료의 효율적이고 지속가능한 연소를 달성하기 위한 전술한 변수 및 기타 필요한 조건의 정확한 제어에 대해 인식하고 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명은 고점도 저발열량 액체 연료의 연소에 특히 적합한 연소 장치를 제공한다. 특히, 이러한 장치는 15 cSt보다 높은 주위 점도와 약 10 MJ/Kg 내지 약 75 MJ/Kg 범위의 발열량을 가진 액체 연료의 연소에 유용하다.

일 구현예에 있어서, 본 발명에 따른 장치는 하기 구성 요소를 포함한다: 1) 전체 연소 장치의 외형 치수를 정하는 외부 쉘(outer shell); 2) 특히 약 600℃ 내지 약 1200℃의 연소 온도에서, 복사 및 대류 피드백 가열을 제공하는 내표면을 가진 연소실; 3) 고점도 저발열량 액체 연료를 연소실로 도입하기 위한 중앙 연료관으로서, 바람직하기로는 정해진 온도에서 상기 중앙 연료관 내에 액체 연료를 가열 또는 유지하기 위한 하나 이상의 부재를 포함하는 중앙 연료관; 4) 연소실로의 도입 이전에 상기 고점도 저발열량 액체 연료를 분무화하기 위해 상기 중앙 연료관에 부착된 분무화기; 5) 상기 중앙 연료관을 통해 흐르는 액체 연료의 흐름에 대해 축방향 및 접선 방향 중 어느 한 방향 이상으로 공기 흐름을 상기 연소실에 제공하기 위해 상기 쉘에 위치하는 복수개의 공기 포트.

또 다른 구현예에서, 본 발명의 장치에 추가적인 구성요소를 포함하는 것이 유용할 수 있을 것이다. 예를 들어, 상기 장치는 연소실의 배기를 위한 배기부를 더 포함할 수 있다. 그러한 구현예에서, 상기 배기부는, 상기 연소실로부터의 열흐름, 공기 흐름 또는 열 및 공기 흐름을 제한하기 위한 하나 이상의 부재를 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 일부 구현예에서, 배기부는 상기 배기부의 외주 둘레에만 개구부를 제공하도록 상기 배기부의 중앙에 위치하는 캡을 포함할 수 있다.

또 다른 구현예에서, 상기 장치는 연소실 내, 배기부 내, 또는 이들 모두에, 연소실 측으로부터의 열흐름, 공기 흐름 또는 열 및 공기 흐름을 다시 연소실의 중앙 부분 쪽으로 편향시키기에 유용한 추가 부재를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 구현예에서, 상기 장치는 하나 이상의 공기 배플을 포함하는데, 이 공기 배플은 연소실 또는 배기부의 벽으로부터 수평방향으로 연장된 금속판으로 되어 있을 수 있다. 하나의 배플이 상기 장치의 내부 원주 주위로 전체적으로 연장될 수 있다.

본 발명의 장치는 특히 연소실로의 필요한 공기 흐름을 증가시키고 연소실 내의 적절한 열 및 공기 순환을 유지하는데 이용되는 다양한 부재를 특징으로 한다. 예를 들어, 상기 장치는 상기 분무화기 하류에 확장 구역(expansion zone)을 형성하도록 상기 장치의 내부 구조를 변형시키는 하나 이상의 구역 제한부재(zonal restrictor)를 포함할 수 있다. 이러한 확장 구역은 특히 글리세롤 연료의 화염의 지속성을 증가시키는데 유용할 수 있다. 전술한 부재쪽으로의 모든 공기 흐름은 분무화기 노즐 위와 연소실 내에 재순환 구역을 형성하는데 특히 유리할 수 있으며, 재순환 구역은 모든 연료 입자의 완전 연소를 향상시키고 배기부를 통해 손실되는 연료 입자를 최소화시키기 위해 상기 연소실 내에서 분무화된 액체 연료 입자를 재순환시킨다.

본 발명의 장치는 특히 고점도 저발열량 액체 연료의 흐름의 개시 이전에 연소실을 예비가열하는데 이용되는 예비가열 연료를 상기 장치에 도입하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 예를 들어, 예비가열 연료는 상기 고점도 저발열량 액체 연료용 라인과 동일한 라인을 통해 제공될 수 있다. 대안으로서는, 상기 장치는 상기 고점도 저발열량 액체 연료의 공급관과는 별도로 예비가열 연료를 제공하기 위한 제2 연료관을 포함할 수 있다. 이는, 특히 예비가열 연료가 케로센과 같은 액체인 경우에 유용하다. 또 다른 구현예에서, 상기 장치는 예비가열 연료를 제공하기 위해 상기 쉘 상에 위치하는 하나 이상의 포트를 포함할 수 있다. 특히 예비가열 연료 포트는 분무화기의 상류에 위치할 수 있다. 이러한 구조는 예비가열 연료가 프로판과 같은 개스인 경우에 특히 유리하다.

상기 장치가 고점도 저발열량 액체 연료를 연소실로 안내하는 수단을 포함하는 것도 특히 이로울 것이다. 특히, 그러한 수단은 균일한 액적 크기의 아주 미세한 미스트(mist)로 액체를 제공하기에 유용한 것이어야 한다. 바람직한 구현예에서, 상기 장치는 보다 점도가 높은 액체 취급용으로 특히 설계된 분무장치를 포함한다. 일 구현예에서, 분무장치는 사이폰형 공기 분무노즐이다.

분무화에 앞서 점도의 감소를 위해 고점도 저발열량 액체 연료를 추가적으로 가열하는 것이 이로울 수도 있다. 예를 들어, 본 발명의 장치는 중앙 연료관으로의 도입 이전에 상기 고점도 저발열량 액체 연료를 가열하기 위한 별도의 가열장치를 포함할 수 있다. 마찬가지로, 상기 장치는 상기 중앙 연료관을 통해 고점도 저발열량 액체 연료를 펌핑하기 위해 펌프를 더 포함할 수 있다. 일반적으로, 본 발명에 따른 장치는 본 발명에 따른 방법을 성공적으로 수행하는데 필요한 다양한 부재를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 측면에 있어서, 본 발명은 열 생산을 위해 폐글리세롤을 재순환하는 방법을 제공한다. 폐글리세롤은 공업적인 공정(예: 바이오연료 생산 공정)과 같은 임의의 소스로부터 얻을 수 있다. 마찬가지로, 본 발명의 방법으로 생산된 에너지는 어떠한 목적을 위해서라도 이용될 수 있다. 본 발명의 이러한 측면은, 재순환 공정이 폐스트림으로서 글리세롤을 만들어내는 별개의 공정과 직접 연결될 수 있다는 점에서 특히 이롭다. 글리세롤 폐스트림은 본 발명의 글리세롤 재순환 공정으로 안내되고 연소되어 에너지를 생산할 수 있으며, 이 에너지는 필요한 공정 가열의 형태 등으로 원래의 공정으로 다시 안내될 수 있다. 예를 들어, 일부 바이오연료 생산 공정에는 여러 가지 반응이 용이하게 일어나도록 하기 위해 열의 투입이 필요하다. 글리세롤은 많은 바이오연료 생산 공정의 부산물이기 때문에, 본 발명에 따르면 폐글리세롤의 생산의 단점을 완전히 역전시킬 수 있다. 특히, 바이오연료 제조사들은 폐글리세롤의 폐기를 위한 비용을 발생시키키 보다는, 본 발명의 방법을 이용하여 폐글리세롤을 재순환시켜 바이오연료 생산 공정을 가동하는데 필요한 열을 생산할 수 있다. 그러므로, 바이오연료 제조사들은 폐기 비용을 발생시키기 보다는 생산 공정의 효율성을 증가시키고 바이오연료의 전체적인 제조비용을 낮출 수 있다. 게다가, 폐글리세롤이 바이오연료 생산 공정으로부터 폐스트림으로서 계속적으로 제거되어, 글리세롤 연소 공정으로 직접 이송되고, 생산된 에너지는 다시 바이오연료 생산 공정으로 반송될 수 있기 때문에, 상기 공정은 연속 공정으로 간주될 수 있다. 글리세롤 연소 공정이 온-라인으로 이루어질 때, 연속적으로 제공되는 글리세롤 폐스트림의 재순환에 있어서 통상적으로 이용되는 글리세롤 연소 방법에서는 요구되지 않는, 연소 장치의 예비가열과 같은 추가 단계가 공정의 초기 개시 과정에서 필요할 수 있는 것으로 이해된다.

일 구현예에 있어서, 폐글리세롤을 재순환시키는 방법은 하기 단계를 포함한다: 글리세롤 스트림을 반응 부산물로서 형성하는 공정을 수행하는 단계; 본 명세서에 개시된 글리세롤 연소 공정에서 글리세롤 소스로서 이용될 글리세롤 스트림을 인출하는 단계; 및 글리세롤을 연소하여 에너지(예: 열)를 생산하는 단계. 글리세롤을 연소시킴으로써 생산되는 에너지는 회수되어 다양한 목적으로 사용될 수 있다. 어떤 구현예에서는, 상기 방법은 글리세롤 연소에 의해 생산되는 에너지를 이용하여 별도의 공정을 수행하는데 필요한 반응 에너지의 적어도 일부를 제공하는 것을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 부산물 글리세롤 스트림을 생산하는 공정은 바이오연료 생산 공정을 포함한다. 다른 구현예에 있어서, 생산된 에너지가 사용되는 별도의 공정은 바이오연료 생산 공정이다. 예를 들어, 바이오연료 생산 공정은 가열 반응 단계를 필요로 할 수 있으며, 글리세롤 연소로부터의 에너지를 이용하는 단계는 생산된 에너지를 바이오연료 생산 공정에서 이용하는 것을 포함할 수 있다. 또 다른 구현예에서, 글리세롤 연소에 의해 생산되는 에너지를 이용하는 단계는 글리세롤 연소로부터 발생된 열을 이용하여 전기를 생산하는 것을 포함한다.

본 발명에 따른 글리세롤 연소 장치는 바이오연료 생산 장치에 통합될 수 있으며, 바이오 생산 공정에서 생성된 폐글리세롤은 바이오 생산 공정에서 직접 인출되어 본 발명의 글리세롤 연소 공정을 실시하기 위한 장치에 도입될 수 있다. 글리세롤 연소시에 생성되는 열은 다시 바이오연료 생산 공정으로 반송되어 열원으로서 사용될 수 있으며, 전기 생산과 같은 다른 용도로도 사용될 수도 있다.

이상, 일반적인 용어를 사용하여 본 발명을 설명하였으므로, 이제 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 도면은 정확한 축척으로 작성된 것은 아니다.
도 1a는 본 발명의 일 구현예에 따른 연소 장치의 측단면도이다.
도 1b는 본 발명의 다른 구현예에 따른 연소 장치의 측단면도이다.
도 1c는 본 발명에 따른 연소 장치의 연소실의 상세한 도면으로서 재순환을 조장하는 구역 제한부재를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 연소 장치의 상부 단면도로서, 사이드 포트를 통해 제공되는 접선 공기 흐름을 구체적으로 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따라 유용하게 사용되는 분무 노즐의 측단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 구현예에 따른 연소 장치의 측단면도로서, 연소실의 상세도를 보여준다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따라, 연소를 위해 액체 연료를 연소 장치에 공급하는데 유용한 추가적인 부재를 포함하는 연소 장치의 개략도이다.

이하, 다양한 구현예를 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다. 이러한 구현예는 본 발명의 개시를 보다 완전하고 철저하게 하는 한편, 본 발명의 범위를 당해 기술분야의 당업자들에게 완전하게 전달하기 위한 목적으로 제공된다. 실로, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 본 명세서에 기재된 구현예만으로 제한되는 것으로 보아서는 아니된다: 이러한 구현예들은 본 발명의 개시가 적용가능한 법적 요건을 충족시키기 위해 제공된다. 본 발명의 상세한 설명 및 첨부된 청구범위에서, 임의의 부재와 관련하여 단수 형태의 관형사들은 문맥상 명확하게 모순되지 않는 한 복수의 부재도 포함한다.

많은 공업적인 공정들은 다양한 반응을 수행하기 위해 열의 부가를 필요로 하며, 이러한 열원을 제공해야 할 필요성이 생기면, 이러한 필요성만 아니라면 경제적일 수 있는 공정의 비용을 상승시키는 경우가 흔하다. 그러므로, 많은 유용한 제품의 생산은 단지 반응을 추진하기 위한 가열과 같은, 관련된 처리비용 때문에 경제적으로 채택될 수가 없게 된다. 마찬가지로, 원하는 생성물 외에도, 많은 공업 공정들은 상당한 양의 반응 부산물을 생성하는 경우가 흔하다. 일부 반응에서는, 유용한 부산물이 생성되지만, 그 외의 반응에서는 부산물이 대체 용도를 가지고 있지 않거나 또는 유해하거나 독성을 가진 것일 수 있다. 반응 부산물이 유용한 경우라고 해도 부산물은 시장에 진입하기 위해서는 막대한 처리 또는 정제를 필요로 할 수 있으며, 따라서 부산물의 진정한 시장성을 떨어뜨리게 된다. 바이오연료의 생산을 위한 많은 공정들은 전술한 해결 과제들의 복합적인 면을 제시한다.

앞서 지적한 바와 같이, 바이오디젤을 제조하기 위한 식물성 오일(순수 오일 및 폐오일 모두)의 트랜스에스테르화 반응은 전형적으로 비교적 대량의 폐글리세롤을 생성한다. 또한, 이러한 제조공정은 일반적으로 식물성 오일의 적어도 마일드한 가열(약 40℃ 이상의 온도로의 가열)을 필요로 하며, 바이오연료 생산 공정을 수행하는데 필요한 열은 전형적으로 공정의 규모가 증가할수록 증가한다.

마찬가지로, 동물성 지방으로부터 바이오연료를 생산하기 위한 공정에도 가열이 필요하며, 반응 부산물로서 글리세롤이 생성된다. 바이오매스 연료원(예: 동물성 지방)으로부터 바이오연료(예: 제트연료, 디젤 및 가솔린)를 생산하는 공정은 바이오매스 연료원 중의 트리글리세라이드를 부분적으로 가수분해하여 유리 지방산으로 전환시키는 것을 포함한다. 예를 들어, DEVERSIFIED ENERGY^® Corporation의 CENTIA^TM 공정은 바이오매스 공급원료로부터 연료를 제조하기 위한 공정으로서 글리세롤을 부산물로서 생성한다. 바이오매스 공급원료의 전환은 물의 존재하에서 약 250℃로 가열하여 지방산 사슬과 글리세롤 골격 사이의 트리글리세라이드 분자 내 결합을 절단하는 것을 포함하며, 이 과정에서 일반적으로 유리 지방산과 글리세롤의 혼합 생성물이 만들어진다.

경제적으로 보다 유리하고 재생가능한 연료원에 대한 필요성이 계속적으로 높아지는 것을 고려할 때, 글리세롤 부산물의 처리 뿐만 아니라 가열 반응에 유용한 저렴하고 효율적인 연료원을 제공하는 것을 포함하여, 전술한 바이오연료 제조 공정과 관련된 제조상의 해결과제를 극복한다면 매우 유익할 것이다. 그러나, 본 발명 이전까지는 에너지원을 저렴하게 효율적으로 공급하면서 폐글리세롤을 동시에 처리하는 방법이 알려져 있지 않았다.

본 발명은 또한 바이오연료 생산 이외의 응용분야에서 연료원으로서의 글리세롤의 용도를 제공한다. 순수 글리세롤 또는 폐글리세롤은 에너지 발생이 유용한 모든 반응에서 연료원으로서 이용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 임의의 공업 공정의 반응에 에너지를 제공하는 방법을 제공한다. 게다가, 본 발명의 방법에 따라 생성된 에너지는 전기 생산의 대체 에너지원으로서 이용될 수 있다. 예를 들어, 글리세롤 연소는 전기를 생산하는데 있어서 열엔진을 구동하는데 이용될 수 있다.

공업 공정에서 반응의 가열은 전형적으로 표준 연료 오일 버너에서와 같이 연료 연소에 의해 제공된다. 바람직한 가열용 연료는 경제적이면서도 적절한 연소열 또는 엔탈피를 제공하는 것이다. 반응 공정의 부산물로서 생산되는 폐글리세롤은 여러 가지 이유로 경제적인 열 연료원일 수 있다: a) 글리세롤은 사용되는 지점에서 폐기물로서 생성되므로, "공짜" 연료원으로 볼 수 있으며 연료를 산업 현장까지 수송할 필요가 없다; b) 연료로서 부산물 글리세롤을 이용하게 되면 폐기물 처리의 필요성이 해결된다; 및 c) 글리세롤은 반응의 가열에 이용하기에 적합한 연소열을 가지고 있다. 지금까지, 글리세롤은 부산물로서 생성되는 경우에도 글리세롤이 쉽게 연소될 수 없기 때문에 공업적인 공정의 연료원으로서 실현가능한 대안이 아니었다. 본 발명은 이러한 문제를 해결하고 있다.

글리세롤의 연소는 일반적으로 하기 반응식에 따라 진행된다.

C₃H₅(OH)₃ + 3.5O₂ → 3CO₂ + 4 H₂O + 열

이 반응의 연소열은 약 16 MJ/kg(글리세롤) 이다. 그러므로, 글리세롤의 연소에는 연소를 지속시킬 수 있는 양의 산소(주로 주위 공기로부터 공급됨) 뿐만 아니라 글리세롤 자체의 공급이 필요하다. 그러나, 지금까지의 종래 기술에서는 글리세롤의 효율적인 청정 연소를 달성하기 위해 확립되어야 하는 변수의 조합을 인식하지 못함으로써, 공업 공정의 사이드 스트림으로서 글리세롤을 직접 인출하는 한편 열을 생성하기 위한 연료원으로서 글리세롤 부산물을 이용할 수 있는 능력을 제공하지 못했다.

케로센 히터와 같은 표준 연료 연소 장치를 이용한 글리세롤의 연소가 시도되었으나, 연속 스파크 점화 소스를 이용하여 글리세롤을 연소하려고 하는 경우에도, 성공적이지 못한 것으로 증명되었다. 사실상, 글리세롤은 지속적인 화염의 존재하에서도 균일하게 효율적으로 연소되지 못한다. 프로판에 의한 화염의 바로 근방에 있는 글리세롤은 연소되지만, 전체 글리세롤 스프레이의 불완전한 연소가 있을 뿐이고 프로판 공급 토치를 제거하면 글리세롤 연소는 자기 지속적으로 이루어지지 않는다. 이와 같은 글리세롤 연소 방법은, 글리세롤이 글리세롤의 열분해온도보다 높고 자가 점화 온도보다 낮은 상황에 처한 경우에 글리세롤 플로우필드의 국소적인 변동으로 인해 잠재적으로는 유해하기도 하다. 이러한 환경은 아크롤레인과 같은 바람직하지 않은 종의 형성을 초래할 수 있다.

아크롤레인은 글리세롤이 280℃ 보다 높은 온도로 가열될 때 글리세롤의 열분해산물이다. 아크롤레인은 매우 낮은 농도(예: 약 2 ppm)에서도 독성을 보이며, 몇몇 연구에 의하면 0.09 ppm 정도로 낮은 농도에서도 사람의 건강에 유해한 것으로 보고되었다. 아크롤레인은 이와 같이 저농도에서도 위험하기 때문에 대부분의 바이오디젤 제조사들은 글리세롤의 연소를 시도하지 말도록 권고 받았다. 그러나, 아크롤레인은 고온에서는 더욱 불안정하며, 그 화합물 자체가 가연성이 매우 높다. 따라서, 본 발명에 따른 방법과 같이 글리세롤의 효율적인 연소는 연소 개스가 환경으로 배출되기 전에 생성될 수 있는 아크롤레인을 실제로 모두 소모할 수 있다.

일반적으로, 표준 연료 오일 버너는 글리세롤의 높은 점도 때문에 글리세롤을 쉽게 연소시킬 수 없다. 마찬가지로, 글리세롤의 상대적으로 높은 자가 점화 온도도 글리세롤의 표준 오일 버너에서의 연소성을 감소시킨다. 글리세롤을 연소시키고자 하는 이전의 시도들은 서로 관련된 어려움을 가지고 있었다. 예를 들어, 많은 버너들이 충분히 고온에서 연소를 유지할 정도로 연소시키지 못하고, 이는 버너를 막히게 하여 연소를 자기 소화(self-extinguishing)시키는 끈적거리는 잔류물의 형성을 초래한다.

이러한 문제들은, 높아가는 연료 비용을 상쇄시키고 연료 원료로서 재생가능한 자원의 이용을 촉진하고자 바이오디젤을 개별적으로 생산하고자 했던 수많은 사람들에 의해 반복적으로 인식되었다. 높아지는 바이오디젤 소비운동은 폐글리세롤을 처리하는 것이 특히 문제가 될 수 있다는 것을 인식하게 되었다. 단지 바이오디젤 웹 포름만 찾아보아도 수많은 사람들이 폐글리세롤을 연소시키고자 하는 과정에서 직면하게 되는 어려운 점들을 알게 될 것이다. 글리세롤 연소 시도에 대한 보고서에 따르면, 글리세롤을 연소시키기가 극히 어려우며, 버너에 고무상 물질을 잔류시키며, 바이오디젤의 1차 연소로부터의 열에 의존하는 2차 연소에서 연소될 수 있을 뿐인 것으로 나타났다. 다시 말하면, 지금까지는 자기 지속적인 연료원으로서 글리세롤을 연소시키는 것은 불가능하였다.

폐글리세롤의 처리와 관련한 기술분야에서 알려져 있는 문제점들에 반하여, 본 발명은 지속가능하고 청정하고 효율적인 글리세롤 연소를 위한 적절한 방법을 제공한다. 특히, 본 발명에 따른 글리세롤 연소는 글리세롤의 청정하고도 효율적인 연소를 달성하는데 필요한 여러 가지 변수들을 정확하게 제어하는 것에 대해 인식하였는데, 이는 하기 사항을 포함한다:

1) 적절한 글리세롤 연소실을 포함하는 장치의 이용;

2) 글리세롤 연소와 지속적인 연소가 가능하도록 연소실의 적절한 가열;

3) 글리세롤의 연소성을 최대화하도록 설계된 상태에서 연소실로의 글리세롤의 도입; 및

4) 글리세롤의 연소성을 최대화하도록 설계된 루트를 통한 공기의 공급.

물질을 연소시키는 것이 표면상으로는 단순한 문제인 것처럼 보이겠지만, 본 발명은, 어떤 물질이 충부하게 존재하고 바람직한 연료원이라고 하더라도 그 물질을 자기-지속형 연료원으로서 실제로 이용하는 것은 그 물질을 화염 - 심지어 매우 뜨거운 화염 근처에 단순히 위치시키는 것 이상이라는 것을, 인식하는데서 출발한다. 지속적인 방식으로 글리세롤을 청정하고도 효율적으로 연소시키는 것은 광범위한 개발과 전술한 수많은 변수의 정확한 제어를 필요로 한다는 것이 입증되었다.

특히, 공지 기술에서는 인식 또는 해결하지 못한 글리세롤의 지속적인 연소를 달성하는데 장애가 되는 사항이 3 가지가 있다: 1) 글리세롤은 발열량이 낮다; 2) 글리세롤은 점성이 높다; 및 3) 글리세롤은 자가 점화 온도가 매우 높다. 본 발명에 의해서만, 상기 각각의 문제점들을 해소하고 극복하기 위한 방법의 조합을 얻게 된다. 구체적으로는, 높은 자가 점화 온도 문제는 글리세롤의 도입에 앞서 연소 장치를 적절히 가열함으로써 극복된다. 높은 점도 문제는 점도를 충분히 낮추는 적절한 수단을 이용하거나 또는 고점성 물질의 필요한 분무화를 제공하기 위한 적절한 설비를 이용함으로써 극복될 수 있다. 저발열량 문제는 연소 장치 내에 복잡한 플로우 필드와 열 피드백 조건을 조성함으로써 극복될 수 있다. 후술하는 부분은 글리세롤과 같은 고점도 액체 연료원의 지속적이고 효율적인 연소를 달성하는데 필요한 특별한 조건들에 대해 보다 구체적으로 기재하고 있다.

본 발명은 특히 글리세롤과 관련하여 설명될 수 있다. 그러나, 본 발명이 그것으로만 제한되는 것으로 이해되어서는 아니된다. 본 발명의 방법 및 장치는, 본 발명의 상세한 설명 부분에 보다 상세하게 기재되어 있는 바와 같이, 연료원으로서 적합한 연소열을 가지고 있지만 한 가지 이상의 물리적인 성질로 인한 제한된 연소성을 가지는 것을 특징으로 하는 또 다른 여러 가지 물질(예: 높은 점성, 높은 자가 점화 온도 또는 낮은 연소열 중 한 가지 이상의 성질을 나타내는 연료)에까지 확장될 수 있다. 예를 들어, 다른 폴리올도 마찬가지로 본 발명에 따라 이용될 수 있다. 글리세롤은 단지 바람직한 예로서 기술된다. 어떤 구현예에서는, 본 발명은 주위 점도가 다음과 같은 값을 가진 임의의 액체 연료에 관한 것임을 특징으로 할 수 있다: 15 cSt보다 크거나, 20 cSt보다 크거나, 30 cSt보다 크거나, 40 cSt보다 크거나, 50 cSt보다 크거나, 60 cSt보다 크거나, 70 cSt보다 크거나, 80 cSt보다 크거나, 90 cSt보다 크거나, 100 cSt보다 크거나, 125 cSt보다 크거나, 150 cSt보다 크거나, 175 cSt보다 크거나, 200 cSt보다 크거나, 250 cSt보다 크거나, 300 cSt보다 크거나, 350 cSt보다 크거나, 400 cSt보다 크거나, 450 cSt보다 크거나, 또는 500 cSt보다 큰 주위 점도.

다른 구현예에 있어서, 본 발명의 방법은 저발열량을 가지는 것을 특징으로 하는 임의의 액체 연료에 이용될 수 있다. 특히, 본 발명의 방법은 발열량이 다음과 같은 범위인 임의의 액체 연료에 이용될 수 있다: 약 10 MJ/kg 내지 약 75 MJ/kg, 약 12 MJ/kg 내지 약 60 MJ/kg, 약t 15 MJ/kg 내지 약 50 MJ/kg, 약 12 MJ/kg 내지 약 50 MJ/kg, 약 12 MJ/kg 내지 약 40 MJ/kg, 또는 약 12 MJ/kg 내지 약 30 MJ/kg.

연소 환경의 개시 및 적절한 가열의 유지

많은 액체 연료 버너들은, 산소의 존재하에 점화기(예: 화염 또는 스파킹 수단) 구역에서 연소 구역(combustion zone)으로 연료(예: 케로센)의 미세한 미스트를 분사함으로써 작동한다. 그러나, 산소의 존재하에 연소 구역으로 단순히 분사된 글리세롤은 점화되지 않는다. 글리세롤 스프레이의 중간 부분에 블로우토치(blowtorch) 플레임이 바로 위치하는 경우에도, 글리세롤은 연기만 발생시키고 지속가능한 화염으로 점화되지는 않는다. 글리세롤은 자가 점화 온도가 약 370℃(698℉) 이다. 대조적으로, 통상적인 연료의 자가 점화 온도는 다음과 같다: 가솔린 (280℃); 케로센 (210℃); 및 표준 연료 오일 (약 210℃ 내지 약 260℃). 이론에 의해 구속되고자 하는 것은 아니지만, (공지의 연료와 비교하여) 글리세롤의 높은 자가 점화 온도 문제는 글리세롤의 낮은 발열량 문제와 함께 조합되어 일반적인 수단에 의해서는 글리세롤 화염을 점화 및 지속시킬 수 없게 하는 것으로 여겨진다.

전술한 사항으로부터, 글리세롤을 "차가운" 버너에 도입하는 것은 효과적이지 않으며, 글리세롤은 연소되지 않을 것이라는 것이 분명하다. 그러나, 본 발명에 따르면, 주위 조건 보다 좋은 조건으로 가열된 연소실로 글리세롤을 도입하는 것에 의해 글리세롤 연소가 매우 용이하게 이루어질 수 있는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 어떤 구현예에서는 액체 연료의 연소에 사용되는 장치의 연소실을 예비가열하는 것이 유용하다.

글리세롤 연소실의 예비가열은 지속가능하고 청정하며 효율적인 글리세롤 연소에 유리한 온도를 달성할 수 있는 임의의 수단을 이용하여 이루어질 수 있다. 일 구현예에 있어서, 쉽게 연소가능한 것으로 인식되는 예비가열 연료원을 도입하는 것에 의해 예비가열이 이루어질 수 있다. 바람직하기로는, 예비가열 연료원은 글리세롤 부존재하에 도입된다. 예를 들어, 예비가열은, 케로센, 프로판, 메탄을 포함하는 예비가열 연료 또는 그 이외의 종래의 탄화수소 연료를 글리세롤 연소실에 도입함으로써, 이루어질 수 있다. 바람직한 구현예에서, 예비가열 연료는 주위 조건에서 기체인 연료를 포함한다. 이러한 물질은 연소 장치의 흡입구(throat)에 직접 주입될 수 있기 때문에 유리하다. 그러나, 액체 연료는 특히 입수가능성이 더 크다는 점에서 유리하다. 액체 예비가열 연료는 글리세롤과 동일한 노즐을 통해 펌핑될 수 있다. 예를 들어, 예비가열 연료와 글리세롤 모두 분무화 노즐로 흐르도록 할 수 있는 적절한 배관을 이용할 수 있다.

글리세롤 연소실의 예비가열은 바람직하기로는 이 연소실의 온도가 지속가능하고, 청정하며 효율적인 글리세롤 연소에 적합한 온도에 도달할 때까지 계속된다. 바람직하기로는, 예비가열은 연소실의 온도가 사용되는 액체 연료의 자가 점화 온도에 도달할 때까지 실시된다. 어떤 구현예에서, 예비가열은 연소실이 약 370℃ 이상의 온도에 도달할 때까지 실시된다. 바람직하기로는, 예비가열은 약 400℃ 이상, 약 450℃ 이상, 약 500℃ 이상, 약 550℃ 이상, 약 600℃ 이상, 약 650℃ 이상, 약 700℃ 이상, 약 750℃ 이상, 약 800℃ 이상, 약 850℃ 이상, 약 900℃ 이상, 또는 약 950℃ 이상의 온도에 도달할 때까지 실시된다. 상기 온도들은 주위 압력에서의 연소를 기준으로 한 것이며, 상기 온도들은 연소 조건이 주위 압력 보다 높은 압력으로 달라지면 감소될 수 있다.

전술한 바와 같이, 글리세롤 연소는 글리세롤의 자가 점화 온도보다 낮은 온도에서는 지속될 수 없다. 이것은 일반적으로 임의의 연료/산화제 혼합물의 연소시에는 사실이다. 글리세롤 연소는 전형적인 탄화수소 연료의 발열량의 1/3 정도로 원천적으로 낮은 발열량(약 16 MJ/kg)으로 인해 더욱 지장을 받는다. 연료의 발열량은 전형적으로, 정해진 양의 물질이 연소되고 그 연소 생성물이 그것의 베이스 온도(일반적으로 25℃)로 돌아간 후, 정해진 양의 물질에 의해 방출되는 열의 양으로서 정의된다. 천연 가스와 프로판은 각각 약 42 MJ/kg과 약 48 MJ/kg의 발열량을 가지고 있다. 이러한 물질은, 이들 물질의 연소에 의해 연소 구역 주위의 온도를 이 물질의 자가 점화 온도보다 높은 온도로 쉽게 유지하기에 충분한 양의 열이 방출되기 때문에, 양호한 자기 지속성 연소가능한 연료이다. 그러나, 글리세롤의 상대적으로 낮은 발열량 때문에, 연소 구역의 온도가 글리세롤의 자가 점화 온도에 근접하다면, 이러한 연소는 연소를 유지하기에 충분한 열을 공급할 수 없을 것이다. 그러므로, 글리세롤 연소를 유지하기 위해서는 커다란 열 저장소를 가지는 것이 매우 바람직할 것이다. 바람직하기로는, 글리세롤 연소 열 저장소는 글리세롤의 연소를 유지하기 위해 글리세롤의 자가 점화 온도보다 높은 온도에서 유지된다. 전형적으로는, 연소실 내의 온도가 높을수록 글리세롤 연소가 더욱 청정하고 효율적으로 이루어진다. 특히, 열 저장소의 온도가 높을수록 유량의 변동이나 그외에 연소와 관련된 장애요인에 대한 연소 화염의 내성도 높아지며, 이에 대해서는 후술하는 부분에서 상세히 설명하기로 한다. 이것은, 본 발명에 따라 사용될 수 있는 임의의 고점도 액체 연료를 사용하는 경우에 사실일 수 있다. 일 구현예에 있어서, 고점성 액체 연료의 자가 점화 온도를 약 50℃ 이상, 약 100℃ 이상, 약 200℃ 이상, 약 300℃ 이상, 약 400℃ 이상, 또는 약 500℃ 이상 초과하는 온도로 연소실을 예비가열하는 것이 유용할 수 있다.

연소실 내에 적절한 온도가 달성되면, 예비가열 연료원으로부터 글리세롤로 스윗칭하는 것이 가능하다. 연료원 사이의 이러한 전환은 점진적으로 이루어지거나 또는 뚜렷하게 구분적으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 글리세롤 연소실이 최종의 원하는 온도에 도달할 때까지 예비가열 연료원이 사용될 수 있고, 그 시점에서 예비가열 연료원의 흐름이 중단되고 글리세롤 소스의 흐름이 시작된다. 물론, 연료원의 도입에는 충분한 중복기간이 있어서 글리세롤 연소실에서의 연소가 중단되지 않도록 해야 한다. 또 다른 구현예에서, 이러한 전이는 보다 점진적으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 예비가열 연료원의 흐름은 점진적으로 감소되고, 반면 글리세롤 소스의 흐름은 점진적으로 증가되어, 정해진 기간 동안에 연료원이 예비가열 연료원과 글리세롤 연료원을 모두 포함하도록 하여 예비가열 연료의 함량은 점진적으로 줄어들게 하면서 글리세롤 연료원의 함량은 점진적으로 증가되도록 한다. 이러한 구현예에서, 글리세롤 연소실이 보다 낮은 온도에 있는 동안 글리세롤 연료원의 도입을 시작할 수 있으며, 예비가열 연료원이 지속적으로 존재하면 예비가열 연료원의 공급을 완전히 중단하기 전에 글리세롤 연소실의 지속적인 예비가열이 가능하다.

예비가열 연료가 글리세롤 연소실의 예비가열을 위해 사용되는 경우에, 예비가열 연료와 글리세롤의 흐름과 타이밍에 대해 정확하게 제어하는 것이 바람직하다. 몇몇 구현예에서, 예비가열 연료와 글리세롤이 동일한 노즐을 통해 제공될 수 있다. 예를 들어, 후술하는 부분에서 보다 상세히 설명되어 있는 바와 같은 분무기 노즐을 사용하는 경우에, 글리세롤은 중앙 라인을 통해 공급되고, 예비가열 연료는 축방향의 공기 흐름 라인을 통해 제공될 수 있다. 충분한 예비가열이 이루어지면, 예비가열 연료는 공기 흐름만으로 대체될 수 있다. 특정 구현예에서, 예비가열 연료는 글리세롤 공급과는 독립적으로 제어되며, 이들 두 가지 연료가 모두 버너로의 연료도입을 위한 전용 포트를 가지고 있는 것이 바람직하다. 예를 들어, 2개의 중앙 라인이 제공될 수 있으며, 그 중 하나는 글리세롤용이고, 다른 하나는 예비가열 연료용이다. 게다가, 예비가열 연료의 공급방식은 사용되는 연료의 종류에 따라 달라질 수 있다. 일부 구현예에서, 예비가열 연료는 연소 장치의 측면, 바람직하기로는 연소실로부터 상류의 지점 및/또는 글리세롤이 연소실로 분무되어 들어가는 노즐로부터 상류의 지점에 형성된 포트를 통해 공급될 수 있다.

다른 구현예에서, 글리세롤 연소실의 예비가열은 다른 가열 방법을 이용하여 이루어질 수 있다. 사실상, 연소실을 소정의 온도로 가열하는데 유용한 방법으로서 공지기술에서 알려진 임의의 방법이 이용될 수 있다. 예를 들어, 일 구현예에서, 예비가열은 전기 저항에 의한 가열을 이용하여 이루어질 수 있는데, 이 방법에 따르면 다양한 응용예에서 정확한 제어 및 직접 가열이 가능하다. 임의의 전기 전도성 물질을 가열하기 위해서는 직접 저항 가열법이 이용될 수 있다. 또한, 고체이든 액체이든, 임의의 물질이 저항 가열기(encased resistance heater)를 이용하여 가열될 수 있다. 이러한 저항 가열기는 전형적으로 외부 엔빌로프에 밀봉된 전기 절연체에 의해 싸여 있는 전기 저항 요소를 포함한다. 이러한 외부 엔빌로프는 기계적 및 화학적 보호작용을 제공한다. 이러한 가열기는 가열될 고체, 액체 또는 기체 상에 또는 그 내부에 위치하며, 저항 요소를 통해 흐르는 전류에 의해 발생되는 열이 대류와 전도에 의해 작업편(workpeice)으로 전달된다.

전기 유도 가열법도 이용될 수 있다. 이 방법에서는, 하우징 주위를 감고 있는 코일에서 고주파 전류가 철제 하우징에 에디 전류를 유도하여 급속한 가열이 이루어지도록 한다.

어떤 구현예에서, 지속적인 글리세롤 연소에 유리한 연소실 온도는 약 600℃ 내지 약 1,200℃, 약 650 ℃ 내지 약 1,150℃, 약 700℃ 내지 약 1,100 ℃, 약 750℃ 내지 약 1,050℃, 약 800℃ 내지 약 1,000℃ 범위이다. 따라서, 전술한 바와 같이 연소실을 예비가열하는 것이 바람직할 뿐만 아니라, 예비가열을 종료한 후 상기 연소실 온도가 유지되도록 열저장소를 유지하는 것이 바람직하다. 본 발명에 따르면, 글리세롤(또는 상대적으로 저발열량을 가진 기타 액체 연료)의 자가 점화 온도를 초과하는 매우 큰 열저장소를 가지는 연소실 온도를 확립함으로써, 글리세롤 연소에 의해 생성된 열이 과도한 열 저장소를 유지하기에 충분하기 때문에 글리세롤의 연소가 더욱 신뢰성있게 유지될 수 있다. 따라서, 전술한 바와 같은 범위로 제공되는 연소실 온도 범위가 글리세롤의 자기지속가능한 연소를 제공하는데 필요한 연소실 온도로서 지칭된다(즉, 글리세롤 자기 지속성 연소 온도범위). 물론, 아래에서 더욱 상세히 기재하겠지만, 이러한 온도범위를 달성하는 것은 본 발명에 따른 진정한 지속성 글리세롤 연소를 달성하는데 있어 단지 하나의 요소가 될 수 있다.

연소실이 글리세롤 자기 지속형 연소 온도범위로 유지되도록 하기 위해서는, 예비가열 연료와 글리세롤 간의 전이가 비교적 중단 없이 균일하게 되는 것이 유리하다. 다시 말해서, 예비가열 연료의 중단과 글리세롤 흐름의 개시 사이에는 연소실이 냉각되도록 할 수 있는 시간적 갭이 거의 없거나 전혀 없어야 한다. 그러므로, 연소실에 대해 소정의 필요한 예비가열이 이루어지면, 글리세롤 흐름이 연소실로 곧바로 분사되도록 하는 것이 유리하다.

전술한 사항 외에도, 본 발명에 따르면 지속적인 글리세롤 연소를 최대화하는 구조로 설계된 글리세롤 연소실을 가진 버너를 제공하는 것이 특히 바람직할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따르면, 글리세롤 연소실의 초기 예비가열 후에도 연료원으로서 글리세롤을 도입하면 연소실 온도가 실제로 더 낮아질 수 있는 것으로 나타났다. 하나의 테스트에서, 연통 파이프(chimney pipe)로 형성된 연소실을 케로센을 이용하여 약 800℃ 내지 약 1000℃ 사이의 온도로 예비가열한다. 그러나, 글리세롤이 연소실 화염 속으로 분사되기 시작하면, 연소실의 온도(열전쌍에 의해 모니터링됨)가 떨어지기 시작하고, 온도가 약 600℃ 아래로 떨어지면 연소가 중단된다. 그러므로, 글리세롤 연소를 돕기 위해서는 예비가열 환경을 제공하는 것이 유리하지만, 글리세롤 액적의 증발 및 점화가 실제로 전체 시스템으로부터 에너지를 제거한다는 점은 명백했다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 지속적인 글리세롤 연소가 한 가지 이상의 열 지속 방법 또는 구조물을 이용하는 경우에 특히 유리하다는 것을 밝혀내었다. 예를 들어, 글리세롤은 절연 금속 연통에서 실시될 수 있는데, 이는 복사 및 대류 피드백 가열을 제공한다. 다른 종류의 버너 구조도 이러한 가열을 제공하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 글리세롤 연소실로의 복사열 피드백을 증가시키기 위해 세라믹 라이닝이 이용될 수 있다. 또 다른 예에서는, 연소실의 내표면에 반사 물질을 이용하여 버너 벽과 반응물 간의 복사열 전달을 용이하게 할 수도 있다.

또 다른 구현예에서, 연소실의 배기 개구부를 부분적으로 덮어주는 것 등에 의해 연소실로부터의 배기를 적어도 부분적으로 제한하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 화염 구역을 적어도 부분적으로 포위하고 연소실 내에서 열, 공기, 및 연소물(예: 연료 입자)의 재순환을 증진시키기 위해 배기 개구부에 금속판을 이용할 수 있다. 연소실의 가장 고온 부분 내에 각각의 연료 입자의 체류 시간을 증가시키기 위해서는 임의의 종류의 흐름 방해물이 이용될 수 있다. 이러한 방해물은, 각각의 연료 입자가 완전히 연소되어, 열이 연소실로부터 배기되기 전에 유입되어 증발하는 글리세롤로 다시 전달되는 기회를 증가시킨다. 아래에서 보다 상세하게 설명되어 있는 바와 같이, 본 발명의 장치는 연소실 내에서 열, 공기 및 연소물의 재순환을 위한 수많은 공기 흐름 안내부재를 채용함으로써, 연소실 내에서 필요한 모든 연소 성분의 체류 시간을 최대화하는 바람직한 재순환 구역을 연소실 내에 형성할 수 있다.

또한, 도입되는 공기의 존재하에서 연소가 이루어지므로, 글리세롤 연소실로의 대류열 피드백을 최대화하도록 연소실을 형성하고 배치하는 것이 바람직하다. 그러므로, 공기 도입 지점으로부터 배기 지점 또는 통풍 지점으로 버너를 통한 공기흐름이 직선형으로 되는 구조는 바람직하지 않다. 버너가 공기와 같은 열 전달매체의 재순환을 제공하도록 하는 것이 바람직하다.

아래에서 보다 상세히 설명되어 있는 바와 같이, 연소실 내의 공기 소용돌이를 최대화하도록 연소 장치를 설계하는 것이 특히 유용하다. 이론에 의해 구속되고자 하는 것은 아니지만, 연소실 내에서 확장에 의한 축방향의 소용돌이 운동으로의 전환면에서 적절한 소용돌이 유도가 중요한 역할을 하는 것으로 여겨진다. 이러한 축방향의 소용돌이 운동은 연소실 내에서 글리세롤의 체류 시간을 크게 증가시켜 고온 생성물과 라디칼을 1차 연소 구역으로 반송시킴으로써 그와 같은 저발열량 연료의 완전한 연소를 가능하게 한다.

배기를 통한 열 손실을 최소화하면 글리세롤 연소실 내에 유지되는 열이 최대화되고, 이는 글리세롤 연소실 내의 온도를 글리세롤의 자가 점화 온도보다 높은 온도로 유지할 수 있게 된다. 또한, 높아진 온도를 유지하면 글리세롤의 보다 "청정한" 연소가 가능하게 되어 버너의 코크스화를 피할 수 있고 또한 궁극적으로는 버너를 막히게 하여 그 세정을 위해 시스템의 중단을 야기하는 물질의 생성도 피할 수 있다. 연소실 내의 반응물의 체류 시간을 증가시키고 열 피드백을 증가시키기 위해 연소 장치 내에 다양한 공기역학적인 방해물을 설치함으로써 글리세롤의 완전 연소가 보장된다. 그러므로, 본 발명의 장치는 배기 캡, 에어배플 및 구역 제한부재와 같은 수많은 공기흐름 안내부재를 포함할 수 있다. 또한, 연소 장치의 쉘은 열과 공기 흐름을 유리하게 안내하는 구조로 성형될 수 있다. 열 피드백을 최대화하는 방법은 연소실로의 공기 도입 방법을 포함할 수 있으며, 이에 대해서는 아래에서 보다 상세히 설명하기로 한다.

바람직하기로는, 글리세롤 연소를 재개하려면 그 전에 버너를 다시 예비가열해야 하므로 글리세롤 연소를 불연속적으로 하는 것은 피하는 것이 바람직하다. 본 발명은 특히, 바이오연료 생산 라인과 같은 연속 공정으로 이용하는 것이 특히 유리하다는 것을 특징으로 한다. 따라서, 일 구현예에서, 전체 바이오연료 생산 공정에 글리세롤 연소 공정을 직접 삽입함으로써 폐글리세롤이 바이오연료 생산 라인에서 직접 인출되어 글리세롤 연소 장치로 보내져서, 글리세롤 연소 장치에서 연소되어 열을 생산하고, 이 열이 바이오연료 생산 공정에서의 반응을 조장하는데 이용된다. 글리세롤 버너가 먼저 예비가열되고 나면, 이 버너는 연료원으로서 글리세롤에만 의존해서 가동될 수 있다. 그러므로, 예비가열은 단지 공정의 시작 시점에서 실시될 뿐인, 본 발명의 방법의 초기 단계일 뿐이다. 물론, 필요하다면, 다른 원료가 글리세롤 연소 과정의 임의의 시점에서 글리세롤과 혼합될 수 있다. 그러나, 본 발명은 글리세롤 자체가 자기 지속성 연소의 유일한 연료원으로서 사용될 수 있다는 점에서 특히 바람직하다.

연소용 액체 연료의 제조

본 발명에 따른 글리세롤 연소 방법은 글리세롤을 연소실에 도입하기 전에 하나 또는 2 이상의 단계들을 수행하는 것을 포함할 수 있다. 특히, 상기 방법은 연소용 글리세롤을 제조하기 위한 몇 가지 방법으로 글리세롤을 처리하는 것을 포함할 수 있다.

효율적이고 지속가능한 글리세롤 연소는 상기 물질의 높은 점도로 인해 특히 지장을 받는다. 특정 물질의 효과적인 연소는, 전형적으로 스프레이(spray) 또는 미스트(mist)를 형성하기 위한 상기 물질의 분무화(atomization)를 필요로 한다. 압력-분무화(pressure-atomization) 노즐과 같은 종래의 분무화 장치들은 분무화될 물질의 점도에 의해 제한된다. 순수한(100%) 글리세롤은 20℃에서 약 650 센티스톡스(cSt: centistokes), 그리고 38℃에서 약 175 cSt의 점도를 가진다. 비교해 보면, 케로신(kerosene)은 20℃에서 약 2.7 cSt, 물은 약 1cSt, 그리고 가솔린은 약 0.4 내지 0.9 cSt을 가진다. 따라서, 글리세롤의 고점도는 효율적인 연소에 적절한 분무화된 상태(즉, 작고 균일한 액적 상태의 미세 분무)로 연소실 내로 글리세롤을 도입하기 어렵게 한다. 따라서, 본 발명은 그 점도를 감소시키기 위해 글리세롤(또는 다른 고점도 액체 연료)을 처리하는 것을 포함할 수 있다.

특정 구현예에서, 글리세롤은 종래의 분무화 장치를 사용하여 글리세롤의 분무화를 허용하는 지점까지 그 점도를 감소시키기 위해 처리될 수 있다. 특히, 글리세롤은 그 점도가 약 60 cSt, 미만, 약 50cSt 미만, 약 40 cSt 미만, 약 30 cSt 미만, 약 25 cSt 미만, 또는 약 20 cSt 미만까지 감소하도록 처리될 수 있다. 표준 압력-분무화 노즐을 사용하면, 글리세롤의 점도는 약 20 cSt, 약 16 cSt, 또는 약 14 cSt 미만까지 감소되도록 하는 것이 특히 바람직하다.

글리세롤의 점도를 충분히 감소시키기에 유용한 임의의 처리를 본 발명의 이들 구현예에 따라 사용할 수 있다. 예를 들어, 글리세롤은 글리세롤의 연소성을 방해하지 않고 전체 혼합물의 점도를 감소시키기에 유용한 추가의 액체와 조합하여 사용될 수 있을 것이다. 바람직하게, 글리세롤과의 혼합을 위한 액체는 또한 글리세롤의 연소성을 증가시키기에 유용하다. 특정 구현예에서, 혼합용 액체는 본래 극성인 물질을 포함할 수 있다. 한 구현예에서, 글리세롤은 메탄올, 에탄올, 또는 다른 알콜류와 같은 화합물들과 혼합될 수 있다. 혼합이 전형적인 탄화수소 연료와 같은 비극성 물질과 이루어진다면, 계면활성제 또는 극성 및 비극성 물질들의 혼합을 용이하게 하는 다른 물질을 더 포함하는 것이 유용할 수 있다. 그러한 혼합물은, 또한 글리세롤이 (바이오연료 생산과 같은) 산업 공정의 부생성물로서 생성되되 그 부생성물인 글리세롤의 양이 상기 산업 공정의 모든 가열 요구량을 충족하기에 부족하게 생산되는 경우에 또한 유용할 수 있다. 추가의 물질은, 연료 지점까지 적절한 분무화를 허용하도록 글리세롤의 점도를 충분히 감소시키는 한편, 산업 공정의 가열 요구량을 충족하기에 충분한 양으로 글리세롤의 공급량을 늘리기 위해서도 글리세롤에 추가될 수 있을 것이다.

놀랍게도, 본 발명에서는 글리세롤이 상당량의 물과 조합되는 경우에조차 효율적이고도 지속적으로 연소될 수 있음을 발견하였다. 바이오연료 생산 공정으로부터의 폐기물인 글리세롤은 종종 일정량의 물을 함유한다. 그 물은 글리세롤로부터 분리될 수도 있지만, 본 발명에 따르면, 그 물은 글리세롤 내에 잔류하여 점도 감소제로서 작용할 수도 있다. 더욱이, 물은 글리세롤을 처리하여 그 점도를 효과적으로 감소시키기 위해 글리세롤에 첨가될 수도 있다. 본 발명에 따른 시험은, 연소에 영향을 미치지 않고, 약 30 부피%까지의 농도로 글리세롤에 물을 혼합할 수 있음을 보인다. 따라서, 본 발명은 약 99.9/0.1 부피비 내지 약 70/30 부피비, 약 99/1 내지 약 75/25의 부피비, 약 98/2 내지 약 80/20의 부피비, 약 95/5 내지 약 80/20의 부피비, 또는 약 90/10 내지 약 85/15의 부피비로 글리세롤/물 조합의 사용을 포함한다. 글리세롤을 물과 조합하는 것은 실질적으로 배기가스의 배출을 감소시키는 데에도 유용할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 시험은, 80/20 v/v(부피/부피)의 글리세롤과 물의 혼합물의 연소가 CO 및 CO₂의 배출량에 있어 84%의 감소를 나타냄을 보인다. 다른 구현예에서, 물은 글리세롤의 분무화 이전 또는 분무화와 동시에(예를 들어, 연료 챔버 내로 물 미스트를 제공하는 2차 노즐의 사용 등에 의해) 글리세롤과 조합될 수 있다.

또 다른 구현예에서는, 글리세롤의 점도는 분무화 전에 글리세롤을 가열함으로써 감소된다. 글리세롤은 상온에서는 비교적 높은 점도를 가지지만, 가열하면 점도가 상당히 감소된다. 특히, 순수한 글리세롤의 점도는 약 91℃까지 가열함으로써 약 16 cSt 미만까지 감소된다. 이 점도는 종래의 장치를 이용한 효과적인 분무화를 허용하는 점도의 상한을 나타내는 것으로 생각된다. 글리세롤의 가열은 글리세롤의 분무화 전 임의의 지점에서 액체를 가열하기에 유용한 임의의 수단에 의해 이루어질 수 있다. 예를 들어, 글리세롤은 적절한 열교환 유닛(heat exchange unit)을 통과하여 흐를 수 있다. 또는, 코일(구리관과 같은)을 글리세롤 공급 라인 주변으로 감아서, 상기 코일을, 바람직하게 약 100℃의 온도까지 (또는 약 91℃를 초과하는 임의의 온도까지) 글리세롤을 가열하기 위한 가열된 액체로 통과시킬 수 있다. 가열된 (및 점도-감소된) 글리세롤은 그 후 공급 라인을 통해 곧장 연소실 내로 이동할 수 있다. 바람직한 구현예에서, 공급 라인은 글리세롤의 증가된 온도(및 감소된 점도)를 유지하기 위해 절연된다. 특히 바람직한 구현예에서, 공급 라인은 분무화 노즐에 도달하기 전에 글리세롤의 온도가 현저히 낮아지지 않도록, 추가 가열된다. 예를 들어, 글리세롤 공급 라인은, 바람직하게 세라믹 단열체와 같은 절연 물질로 감싸진 전기 가열 저항선을 이용해 가열할 수 있다. 물론, 공급 지점으로부터 분무화 지점까지 글리세롤을 가열하기 위한 하나의 가열 방법을 사용할 수 있음도 알 수 있다.

한 구현예에서는, 외부 가열원의 추가 없이 글리세롤의 예비가열을 달성할 수 있다. 대신, 예비가열은 생산 가스들로부터의 재생 열교환기를 사용하여 이루어질 수 있다. 예를 들어, 글리세롤 공급 라인을 연소장치(특히 연소실) 주위로 감아서, 연소로부터의 열을 연료원(fuel source)을 가열하기 위해 사용할 수 있을 것이다. 물론, 요구되는 온도까지만(예를 들어, 약 100℃ 미만)의 가열을 보장하기 위한 적합한 장치가 사용될 수도 있을 것이다.

또 하나의 구현예에서는, 특히 글리세롤이 산업 공정의 부생성물인 경우, 글리세롤은 생산 공정의 결과물로서 이미 가열되어 (따라서 감소된 점도를 가지고) 있을 수 있다. 예를 들어, 트리글리세라이드(triglycerides)를 바이오디젤(biodiesel)로 트랜스에스테르화(transesterification)하는 공정에 있어서는, 물, 알콜, 및 글리세롤의 혼합물을 플래쉬 증발기(flash evaporator) 내에 넣어 약 100℃까지 가열하고, 글리세롤로부터 물과 알콜을 분리하기 위해 대기압 미만의 압력으로 플래쉬 처리할 수 있다. 알콜은 응축되어 트랜스에스테르화 공정에서 재사용되고, 물은 폐기물로서 제거된다. 글리세롤 또한 전형적으로는 폐기물로서 제거되지만, 본 발명에 따르면, (플래쉬 공정으로부터 이미 가열된) 글리세롤은 본 발명의 연소 공정에서 바로 사용될 수 있다. 또한, 상기 기술한 바와 같이, 물은 글리세롤 내에 잔류하도록 허용되어 점도 감소 처리로서 추가 작용할 수도 있다. 나아가, 연소 장치 전체를 통해 남아 있는 저질(low-quality) 열(heat)은 종래의 분무화기(atomizer)가 사용될 때 적절한 분무화를 위해 요구되는 온도까지 글리세롤을 가열하는데 사용될 수 있을 것이다.

글리세롤 처리의 조합 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 바이오연료 생산 공정으로부터의 가열된 글리세롤과 물의 스트림(stream)은, 상기 기술한 바와 같은 것을 포함하는, 임의의 공지된 가열 수단에 의해 가열 및/또는 단열 공급 라인을 통해 글리세롤 연소실 내로 옮겨질 수 있다.

바람직하게, 글리세롤은, 상기 기술한 바와 같은, 점도를 낮추기 위해 유용한 온도까지, 가장 바람직하게는 약 20 cSt, 또는 그 미만까지 글리세롤의 점도를 낮추기 위해 유용한 온도까지 가열된다. 한 특정 구현예에서는, 감소된 점도는 적어도 약 91℃의 온도까지 글리세롤을 가열함으로써 달성된다. 이 온도에서 글리세롤의 점도는 약 20 cSt 미만까지 감소되어야 하며, 뜨거운 글리세롤을 연소실 내로 분무하기 위해 전통적인 압력-분무화 노즐을 사용할 수 있다. 특정 구현예에서, 분무화 전에 글리세롤을 처리하는 것은 적어도 약 60℃, 적어도 약 65℃, 적어도 약 70℃, 적어도 약 75℃, 적어도 약 80℃, 적어도 약 85℃, 적어도 약 90℃, 적어도 약 95℃, 또는 적어도 약 100℃의 온도까지 글리세롤을 가열하는 것을 포함한다.

그러한 온도로 가열하는 것은 또한 전반적으로 연소 공정에 유리한데, 이는 이것이 연료를 기화시키고 산화시키는데 요구되는 엔탈피(enthalpy)를 감소시키기 때문이다. 물론, 소망하는 점도를 달성하기 위해 글리세롤이 가열되는 온도는 글리세롤 내에 존재하는 임의의 불순물의 종류 및 양에 따라 낮추어질 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 상기에서 기술한 바이오연료의 예에서, 글리세롤은 알콜 분획을 포함한다. 글리세롤 내에 그러한 알콜 분획을 잔류시킴으로써, 글리세롤의 점도가 감소될 수 있고, 원하는 점도를 달성하기 위해 필요한 온도도 현저히 감소될 수 있다.

연소 공정의 효율을 위하여, 연료와 산화제 성분들은 가스상(gas phase)으로 있는 동안 혼합되는 것이 필수적이다. 특히, 액체 연료는 산화가 시작될 수 있기 전에 기화(vaporized)되어야만 하며, 따라서 액체 연료들은 기화 시간을 최소화하기 위해 매우 작은 액적들로 통상 분무화된다. 매우 고효율의 글리세롤 연소를 얻기 위해서는, 작고 균일한 크기의 액적들을 가지는 분무를 생산하는 것이 유용하다. 따라서, 연소 전 글리세롤의 처리는 또한 미세 분무 또는 미스트를 형성하기 위한 글리세롤 액체의 적절한 분무화를 포함할 수 있다. 액적 형성을 위한 일정한 특정의 구현예가 여기서 설명된다. 물론, 그러한 액적들을 형성할 수 있는 임의의 방법을 본 발명에 따라 사용할 수 있다.

연료 오일 버너들은 일반적으로 건(gun)-타입 (분무화) 버너, 팟(pot)-타입 (기화) 버너, 또는 로터리(rotary)-타입 버너들로 분류할 수 있다. 건-타입 버너는 전형적으로 연료 오일을 노즐을 통해 밀어 넣고 그것을 건(gun)과 같은 공기 흐름(airflow) 노즐 내로 분무함으로써 연료 오일을 분무화한다. 액체는 연소실에서 점화되기 전에 잘 혼합되고 부분적으로 기화된 소구체(globules) 또는 미세 입자들을 형성한다. 팟-타입 버너에서는 연료가 연소 대기 내로 증발하며, 그러한 버너들은 일반적으로 천연 드래프트(draft) 버너, 강제 드래프트(forced draft) 버너, 및 슬리브(sleeve) 버너들을 포함한다. 로터리 버너들은 연료 오일이 탑재되는 디스크를 채용하며, 상기 디스크의 회전이 연료 오일을 미세 분무로서 뿜어낸다. 본 발명에 따라 상기 버너 중 임의의 것을 사용할 수 있지만, 건-타입 버너가 특히 바람직하다. 글리세롤의 매우 낮은 증기압(25℃에서 약 0.001 mmHg)으로 인해 기화-타입 버너들은 부적합하며, 상기한 높은 점도로 인해 글리세롤은 로터리 버너에도 덜 적합한데, 이는 효율적인 연소를 극대화하기 위해서는 글리세롤의 매우 미세한 미스트가 요구되기 때문이다.

본 발명에 따라, 연료의 분무화를 사용하는 버너들이 특히 바람직하다. 따라서, 임의의 공지된 분무화 장치들을 본 발명에 따라 사용할 수도 있을 것이다. 예로서, 원용에 의해 본원에 포함되는 미국 특허 제4,783,008호를 참고한다. 종래의 분무화 장치들이 사용될 때, 액체 연료의 점도를 감소시키기 위해 상기 기술한 바와 같은 추가의 처리를 사용해야 함에 주목해야 한다. 본 명세서에 기술된 바로부터, 당업자는 사용되는 분무화 장치의 관점에서, 점도 감소 단계가 필요한지 여부를 평가할 수 있을 것이다.

바람직한 구현예에서는, 적절한 분무화 장치의 선택에 의해, 원한다면, 임의의 점도 감소 처리를 생략할 수도 있다. 예를 들어, 한 구현예에서, 기폭(air blast) 노즐을 사용할 수 있을 것이다. 그러한 노즐은 특히, 액체 공급 라인 주위의 환상(annular) 부분에서 압축 공기 또는 가스상 연료를 공급함으로써 고점도 액체를 분무하도록 설계되어, 상기 압축 공기 또는 가스상 연료가 분출되기 직전에 노즐 끝단에서 액체 연료 공급과 만나도록 이루어져 있다. 상기 공기 또는 가스상 연료의 압력은 액체 연료를 압박하여 액체 연료의 미세 분무화를 형성한다. 본 발명에 따라 기폭 노즐이 사용되면, 분무화를 개시하기 위해 노즐에 의한 별도의 공기 공급이 요구된다. 예를 들어, 압축된 공기는 적어도 약 5-10 psig, 바람직하게는 약 10-20 psig의 압력, 및 적어도 약 10 SLPM, 바람직하게는 약 10-30 SLPM의 속도로 제공될 수 있을 것이다. 기폭 노즐의 사용은 공급 글리세롤의 점도를 일차적으로 감소시킬 필요성을 감소시키거나 제거하기에 유리할 수 있다. 그러나, 특히 바람직한 한 구현예에서는, 글리세롤은 적어도 부분적으로 점도를 감소시키기 위해 가열되고 또한 기폭 노즐 내에서 분무화될 수 있다. 이것은 최적화된 분무화 및 연소 특성을 제공함에 있어 특히 유용하다.

하나의 바람직한 구현예에서, 분무화는 DELAVAN^® 쉬폰(shiphon) 타입 SNA 에어 에터마이징(air atomizing) 노즐(NC Charlotte, Goodrich Coporation 으로부터 구입 가능)을 통해 이루어진다. 그러한 노즐들은 액체 글리세롤 연료를 분무화하기 위한 압축 공기를 사용하며, 초기 점도 감소 처리 없이 고점도 글리세롤을 적절히 분무화할 수 있는 분무화 장치로서 특히 유용할 수 있다(즉, 상기 글리세롤은 "찬(cold)" 상태에서 분무화될 수 있다). 케로신(kerosene)과 같은 종래의 연료를 사용하는 경우, 상기 노즐들은 낮은 공기압(예를 들어 약 3-5 psi)을 요하며 연료 펌프를 요하지 않는다(압축 공기가 액체 연료 내에서 이동하기 때문에). 글리세롤의 높은 점도의 관점에서, 분무화 노즐을 통해 글리세롤을 이동시키기 위한 별도의 펌프를 사용하는 것이 유리할 수 있다. 상기한 바와 같은 공기 흐름 압력 및 속도를 사용할 수 있을 것이다.

연소실 공기 흐름 조절

본 발명의 일부 구현예에서는, 글리세롤 연소를 도모하는 방식으로 공기 흐름(예를 들어 산소원)을 조절하는 것이 유용하다. 또한, 적절한 공기 흐름 조절은 글리세롤 연소실 내에서 지속되는 작동 온도를 개선하기 위해 특히 유리할 수 있다. 입력 구역으로부터 배기구까지 일반적으로 일직선으로 향하는 공기 흐름은 연소실 내에서 연소 가능한 물질의 체류 시간 및 연소실 내의 보다 낮은 열 유지를 제한할 수 있다. 본 발명에 따르면, 효율적이고 지속되는 글리세롤 연소를 도모하는 한 요소가, 완전한 산화를 보장하기 위해 연소실 내에서 글리세롤 액적들이 최대 체류 시간을 보내도록 보장하는 것이라는 사실을 발견하였다. 따라서, 순수하게 축 방향의 공기 흐름에 의존하기보다는, 기체역학적으로 제한된(aerodynamically restricted) 공기 흐름을 제공함으로써, 분무화된 글리세롤이 정해진 유동 패턴 및 공기 혼합물과 함께 글리세롤 연소실 내로 도입되도록 하는 것이 바람직하다.

기체역학적으로 제한된 공기 흐름의 한 예는 소용돌이(swirl) 버너의 사용을 포함한다. 소용돌이 제트류(제트의 축 주위로 소용돌이치는 것)는 상기 소용돌이에 의해 제공되는 부가의 불꽃(flame) 안정성으로 인해, 연료/공기 혼합에 대한 바람직한 수단이다. 향상된 연료/공기 혼합은 보다 낮은 오염물 방출 및 보다 높은 효율을 이끌 수 있다. 나아가, 적절한 혼합은 또한 보다 안정된 연소를 제공하기에 유리할 수 있다. 소용돌이를 이용하는 또다른 이점은 연소 불꽃의 전체 길이의 감소이다. 불꽃 길이의 감소는 그것이 보다 작은 연소실를 허용한다는 점에서 특히 유용한데, 이것은 결국 연소 장치의 설비 및 유지에 보다 적은 비용이 들게 하게 때문이다.

본 발명에 따른 유용한 소용돌이 연소기의 두 가지 공지된 타입으로는 소용돌이 버너 및 사이클론 연소실가 있다. 소용돌이 버너에서는, 소용돌이 공기가 연소실의 공기 흐름 위로 주입되어 소용돌이 공기 및 함께 유동하는 연료가 연소실 내로 향하도록 한다. 사이클론 버너에서는, 공기는 연소실 내로 접선 방향으로(tangentially) 곧장 주입되어 그곳에서 연료와 혼합되어 연소가 일어난다. 소용돌이 공기, 특히 갑자기 팽창할 때 부가되는 접선 모멘텀(momentum)은 방위각적인 소용돌이(azimuthal vorticity)로 전환된다. 이 방위각적 소용돌이는 연료 분무 노즐의 바로 아래 스트림(stream)인 강한 재순환 구역을 형성하기 위해 작용한다. 효과적인 재순환 구역의 형성은 충분히 큰 고온 생성물 체적 및 차가운 반응물을 가지는 라디칼들의 혼합에 도움이 되고 그들의 자가-점화 온도 이상에서 반응을 일으키며, 따라서 연소 공정이 방해받지 않고 지속되는 것을 보장하기 때문에 특히 유용하다. 소용돌이 성분을 가지는 공기원(air source)을 제공하는 어떠한 방법도 본 발명에 따라 사용될 수 있을 것이다.

바람직한 구현예에서, 본 발명에 따른 연소 장치 내로 공기는 액체 연료의 흐름에 대한 축 방향 및 접선 방향 모두로 주입된다. 축 방향 공기 흐름은 분무화 노즐의 상류 어디에서도, 예를 들어 하나 또는 그 이상의 상류 지점을 통해 시작될 수 있다. 유사하게, 접선 방향 공기 흐름은 분무화 노즐의 상류일 수 있거나, 분무화 노즐의 하류일 수 있거나 (바람직하게, 연소실 내 노즐 근처), 또는 분무화 노즐의 직접적인 영역 내일 수 있는 다수의 측면 지점들을 통해 발생될 수 있다. 공기 흐름은 혼합되어 소용돌이 속도 프로파일을 형성하며, 이는 중앙 연료관 주위로 흐르게 된다. 그러한 구현예에서의 상기 흐름은 비차원적인(nondimensional) 소용돌이수(S)에 의해 특징지워질 수 있는데, 이는 하기 식으로 정의된다:

상기 식에서, G_φ는 축 방향 공기의 전체 흐름이고, G_Z은 접선 방향 공기의 전체 흐름이며, d는 연소 장치의 내부 직경이다. 소용돌이수 0은 종래의 소용돌이가 없는 공류(co-flow) 버너를 나타내며, 소용돌이수 5는 상대적으로 높은 소용돌이수를 나타낸다. 일부 구현예에서, 공기 흐름은 적어도 약 3, 적어도 약 4, 적어도 약 5, 적어도 약 6, 적어도 약 7, 적어도 약 8, 또는 적어도 약 9의 소용돌이수를 가지도록 제공된다. 특정 구현예에서, 공기 흐름은 약 3 내지 약 10, 약 4 내지 약 10, 약 5 내지 약 10, 약 6 내지 약 10, 약 7 내지 약 10, 약 4 내지 약 9, 약 4 내지 약 8, 또는 약 4 내지 약 7의 소용돌이수로서 제공된다.

연소 장치 내의 공기 흐름은 레이놀드수(Reynolds number)로도 정의될 수 있는데, 이는 유동환경(flow environment) 내의 역학적 압력(dynamic pressure) 및 전단력(shearing stresses)의 비차원적 비율이다. 특히, 레이놀드수는 공기 흐름 속도, 연소실의 직경, 및 상온의 공기 속도에 기초하여 계산되며, 또한 그것은 공기 흐름이 층류(laminar flow)인지, 순간적 공기 흐름(transient flow)인지, 또는 난류(turbulent flow)인지 여부를 결정하는데 사용될 수 있다. 특정 구현예에서, 공정 변수들은 공기 흐름이 층류가 되도록 조절된다. 특정 구현예에서, 연소실 내 공기 흐름은 레이놀드수가 약 3,000 미만, 약 2,800 미만, 약 2,600 미만, 약 2,400 미만, 약 2,300 미만, 약 2,200 미만, 또는 약 2,100 미만이 되도록 제공되거나 및/또는 조절된다. 특정 구현예에서, 공기 흐름은 레이놀드수가 약 1,500 내지 약 2,400, 약 1,600 내지 약 2,300, 약 1,700 내지약 2,200, 약 1,800 내지 약 2,200, 또는 약 1,900 내지 약 2,100의 범위 내에 있게 한다.

공기 흐름은, 부분적으로, 연료 흐름 속도에 의해 영향을 받을 수 있다. 바람직한 구현예에서, 연소 반응의 전체 화학양론(stoichiometry)은 "희박"(즉, 연료 흐름 속도에 기초하여, 연소를 위해 요구되는 산소에 비해 과잉 공기를 가지도록 하는) 것이 바람직하다. 이 "희박" 연소는 일산화탄소(CO) 및 다른 오염물의 배출을 감소시키는데 특히 유리하다. 작동에 있어, 공기 흐름은 고정되고, 연소실는 상기 기술한 바와 같은 바람직한 레이놀드수를 달성하도록 크기 조절될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 글리세롤의 낮은 발열량으로 인해, 전체 화학양론은 과잉 산소로 충분히 기울어지지 않을 수 있으며, 그리하여 불꽃을 꺼뜨릴 것이다. 글리세롤이 보다 많은 과잉 공기를 가지고 연소될수록, 소용돌이수(및 따라서 고온의 생성물 및 라디칼들의 재순환 양 및 체류 시간)는 증가해야만 한다.

버너의 상부에서, 글리세롤 연료는 분무되어(예컨대 분무화기로부터) 소용돌이치는 공기와 혼합되고, 따라서 연소된다. 일부 구현예에서, 연소실는 공기 흐름을 더욱 조절하고 연소를 최대화하기 위한 형태로 될 수 있다. 예를 들어, 연소실의 내부 벽은 연료 분무 영역에서 챔버 팽창을 형성하기 위한 적절한 추가의 구조로 되어 있거나 그러한 구조를 포함할 수 있다. 아래에서 보다 자세히 기술되어 있는 바와 같이, 챔버 팽창에 의해 형성되는 구조는 공기 흐름을 재빨리 팽창시키고 따라서 연소 불꽃 영역 내에서 재순환 구역의 형성을 도모하는 기압 감소를 형성하는데 유용할 수 있다. 이 영역에서, 연소 가스들은 불꽃의 바깥 영역으로부터 불꽃의 중앙으로 효과적으로 끌어들여질 수 있다. 소용돌이수가 증가함에 따라 불꽃 높이가 현저히 감소한다. 이것은 연소 장치의 필요한 크기를 감소시키는 데에도 마찬가지로 유리할 수 있다. 물론, 상기 기술한 바와 같이, 성분들에 대한 다른 공기 흐름 또한 재순환 구역의 형성 및 안정화를 더욱 도모하기 위해 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 글리세롤 연소를 달성하고 유지하기 위한 능력은 연소실 내 필요한 유동 패턴을 도모하기 위해 요구되는 유체역학적 메카니즘의 결정으로부터 부분적으로 기인한다. 상기 기술한 바와 같이, 연소실 내로 도입되는 공기의 각운동량(angular momentum), 특히 유도된 소용돌이에 기인한 것은 챔버 둘레를 따라 높은 압력 영역 및 챔버 중앙선을 따라 낮은 압력 영역을 야기한다. 공기의 축 방향 운동량은 둘레를 따라 공기를 위로 이동시키고, 낮은 압력은 이 공기를 중앙선을 따라 다시 아래 방향으로 되돌린다. 소용돌이(즉, 접선방향 흐름)를 축 방향 소용돌이로 전환하는 이 유체역학적 메카니즘은 연소로부터의 고온의 생성물 및 라디칼들이 연소 영역으로 반복적으로 되돌아가도록 한다. 이것은 연료 분자들의 고온 연소 영역 내 체류 시간을 효과적으로 증가시키며, 또한 지속적인 재순환은 모든 연소 분자들이 연소될 때까지 연료 분자들을 연소 영역 전체를 통해 반복적으로 이동하도록 한다. 따라서, 본 발명은 축 방향 및 접선 방향 모두의 공기의 디자인된 도입으로부터의 특정하게 유도된 소용돌이로부터 야기되고, 또한 유도된 고압 및 저압 영역에 의해 도모되는 연소 영역 내 역학적 재순환 구역의 형성을 제공하는데, 이는 특히 하기에 좀 더 상세히 기술되어 있는 바와 같이, 반응기 디자인으로부터 이루어질 수 있다.

연소 장치 및 관련된 부품

다른 측면에 있어서, 본 발명은 전술한 바와 같이 글리세롤의 연소에 유용한 연소 장치를 제공한다. 연소 장치는 글리세롤의 연소에 유용한 것으로서 본 명세서에 기재된 바와 같은 여러 가지 부품을 포함하는 것이 바람직하다. 본 발명의 장치가 글리세롤의 연소에 특히 유용하지만, 글리세롤의 연소 장치로만 제한되는 것은 아니다. 오히려, 본 발명의 연소 장치는 임의의 모든 연료의 연소에 사용될 수 있고, 특히 그 중에서도 다른 방법으로는 자기지속성 연소에 이용되기 어려운 연료에 이용될 수 있다.

본 발명에 따라 이용되는 연소 장치의 일 구현예는 특히 장치의 공기 흐름을 나타낸 도 1a에 부분적으로 도시되어 있다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 본 구현예의 연소 장치(10)는 연소 장치(10)의 외부 쉘(outer shell)을 형성하는 외부 관(110)과 액체 연료(예: 글리세롤)가 공급되는 중앙 연료관(120)을 포함한다. 본 장치를 통과하는 공기 흐름은 하부에서부터 뻗어 올라오는 축방향(화살표 A로 도시됨)이거나 접선방향(화살표 B로 표시됨)이거나 이들 두 방향 모두일 수 있다. 본 장치가 수직형 디자인(vertical design)을 갖는 것으로 도시되어 있지만 본 발명은 다른 구조도 포함한다.

도 2의 상면도에 도시된 특정 구현예에 있어서, 4개의 사이드 포트 (151, 152, 153, 154)는 라인 B를 따르는 접선방향으로 공기흐름을 공급하도록 구비되어있다. 앞서 기술된 바와 같이, 중앙 연료관(120) 주변의 소용돌이형 속도 프로파일을 조장하도록 도 1a의 라인 C로 도시된 바와 같이 축방향과 접선방향의 공기 흐름을 모두 제공하는 것이 특히 유리할 수 있다. 연소 장치(10)에서 중앙 연료관(120)보다 위의 부분은 연소실(185)로 지칭된다. 이 부분이, 연소 장치(10)에서 소용돌이치는 공기가 액체 연료의 지속가능하고 효율적인 연소를 조장하는 온도에서 액체 연료와 합류하는 부분이다. 연소실(185)의 크기는 전체의 장치 디자인에 따라 다를 수 있다. 어떤 구현예에 있어서는 연소실(185) 내의 열 보존을 증가시키기 위해 연소실(185)의 크기가 최소화된다. 연소실은, 전체 장치에서 액체 연료가 문자 그대로 불꽃을 내며 연소되는 부분이므로, 화염 엔클로저(flame enclosue)로 지칭될 수도 있다.

연소실(185) 위는 배기부(190)이다. 이러한 연소 장치의 부분들은 별개로 기술될 수도 있지만 이 부분들은 사실상 하나의 연속적인 요소이다. 예를 들어, 본 발명에 따른 연소 장치는 적절히 단열되고 대류적인 피드백 가열을 유지할 수 있는 적절한 내부 벽 구조를 가진 금속 파이프를 포함할 수 있다. 이와 같은 구현예에서, 연소실은 액체 연료가 분무화되고 연소를 위해 방출되는 지점 위의 파이프의 영역을 단순히 포함할 것이다. 마찬가지로, 배기부는 간단히 공기와 열이 빠져나가는 파이프의 말단 부분일 것이다. 물론 이들 두 영역은 하나 혹은 그 이상의 배플(baffle)에 의해 물리적으로 분리될 수 있다.

도 1a에 도시된 구현예에 있어서, 중앙 연료관(120)은, 액체 연료가 충분한 가열상태를 유지하여 분무화를 위해 적당히 낮은 점도를 가질 수 있도록, 연료관을 통해 흐르는 액체 연료를 가열하기 위해 중앙 연료관을 감싸는 가열기/절연 장치(310)를 포함한다. 가열장치는 전기적 열 저항 전선 또는 상기 연료관에 일정한 열을 공급할 수 있는 임의의 그외의 장치를 포함할 수 있다. 가열 장치는 절연층과, 절연층을 압축하고 중앙 연료관에 대응하는 타이트한 구조를 보장하는 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 열 저항 테이프가 사용될 수 있다. 절연층은 연소 장치를 통해 올라오는 소용돌이 공기의 가열을 방지하는 데에도 또한 유용하다. 예를 들어, 보다 높은 온도의 공기는 찬 공기보다 낮은 밀도를 가질 수 있으며, 이는 앞서 기술된 소용돌이 수의 계산에 영향을 미칠 수 있다. 연소 장치 내부의 소용돌이 공기에 불필요한 방해물을 만들지 않기 위해 가열 장치의 두께를 최소로 유지하는 것이 유용하다.

디자인된 공기의 흐름이 장치를 통해 용이하게 이루어지도록 설계된 것에 추가하여, 본 발명의 연소 장치는 글리세롤의 연소에 필요한 조건을 형성하는 요소들을 추가적으로 포함한다. 예를 들어, 연소 장치는 장치가 글리세롤 연소 온도로 유지되도록 장치를 예비가열하기 위한 개시(starter) 연료의 운반을 위한 하나 이상의 포트를 포함할 수 있다. 도 1a의 구현예에 도시된 바와 같이, 두 개의 포트(182, 184)는 외부 관(110)의 측면에 제공된다. 바람직하기로는, 이러한 포트들은 중앙 연료관(120)의 출구 부분에서 상류에 제공된다(예:.분무화기로부터 상류 또는 약간 아래쪽). 개시 연료 포트의 크기는 장치를 예비가열하는 데에 이용되는 개시 연료의 종류에 따라 다를 수 있다. 예를 들어 기체 개시 연료(예: 메탄 또는 프로판)가 사용되는 경우에는, 화염을 끌 수 있을 정도의 빠른 속도로 개시 연료가 화염 속으로 들어가지 않도록, 포트가 충분히 큰 크기를 가지는 것이 바람직하다. 개시 연료를 위한 별개의 포트를 제공하면 개시 연료와 글리세롤과 같은 액체 연료를 동시에 태울 수도 있게 된다. 중앙 연료관의 출구 부분으로부터 상류에 배치시키면 액체 연료가 출구 부분에 도달했을 때 액체 연료의 가열을 조장하고, 따라서 점도를 더욱 낮추어 액체 연료의 분무화를 더욱 증진시킬 수 있어서 유리하다.

도 1a의 구현예에 있어서, 연소 장치(10)는 중앙 연료관(120)의 출구 부분의 영역에 구역 제한부재(115, 117)를 포함한다. 도 1a의 단면에 있어서, 상기 구역 제한부재는 개시 연료 포트들(182, 184)에 의해 수평으로 두 갈래로 나뉘어 있지만, 이들은 사실상 두 개의 독립된 피스들이고(즉, 좌측 피스/우측 피스), 연료 포트들은 이 두 개의 피스를 관통하여 연장되어 있다. 본 발명에 따른 구역 제한부재는 본 장치에서 본 장치의 크기를 제한하는 임의의 정해진 구역에 존재하는 구조적인 특징부이다. 바람직한 구현예에서, 구역 제한부재는 특별한 공기 흐름 특성을 제공하고 공기 압력의 증감을 조장할 수 있는 소정의 형태를 가진다. 도 1a에서 구역 제한부재(115, 117)는 두 개의 별개의 피스(좌측/우측) 이다. 다른 구현예에서는, 외부 관(110) 전체 내부 원주상에 존재하는 하나의 피스가 교대로 사용될 수 있다. 마찬가지로, 2개 보다 많은 수의 구역 제한부재가 사용될 수 있고, 장치를 따라 상이한 높이에 위치할 수 있다.

구역 제한부재는 중앙 연료관의 글리세롤의 출구 지점으로부터 하류로(예: 분무화기로부터 하류로) 확장부를 형성하도록 디자인된 기하학적 구조를 가질 수 있으며, 이것은 공기 흐름을 급격히 확대시키는 공기압 감소를 조장하는 데에 유리할 수 있다. 도 1a에서 구역 제한부재(115,117)는 중앙 연료관(120)의 출구 부분에 60°의 원뿔을 형성한다. 다른 구현예에 있어서, 본 발명의 독창적인 장치의 공기 흐름 또는 다른 기능을 향상시키기 위해 다른 기하학적 구조가 형성될 수 있다. 예를 들어, 어떤 구현예에서는 분무화기의 바로 하류의 연소실의 내부 벽이 경사부(angled portion)를 가지도록 연료 장치가 형성될 수 있는데, 이 경사부는 중앙 연료관(120), 즉 연료 흐름에 수직인 선을 기준으로 측정된 각도가 20°내지 80°사이의 각도를 가진다. 앵글부의 특정 각도는 적절한 공기의 흐름을 유지하기 위해서 정해진 파라미터의 범위 내에 있어야 한다. 이 각도가 너무 작다면 흐름의 분리(flow separation)가 발생할 수 있다. 이 각도가 너무 크다면 적절한 소용돌이의 형성이 저해될 것이다.

이러한 것들은 특히 도 1c의 상세도에 나타나 있다. 이 도면에 나타나 있는 바와 같이, 구역 제한부재(117)는 그것의 상부가 중앙 연료관(120)에 대한 수직선(가로 점선)을 기준으로 60°의 바람직한 각도를 갖도록 형성된다. 구역 제한부재(115)는 그 상부가 상기 가로 점선을 기준으로 약 30°내지 약 80° 사이의 값을 갖는 변수 θ의 각도를 가지도록 도시되어 있다. 다른 구현예에서는, 분무화기로부터 바로 하류의 연소실의 내부 벽이 45°내지 75° 사이, 50°내지 70° 사이, 또는 55°내지 65° 사이의 값을 가진 각도 θ로 기울어져 있다. 일 구현예에서 θ는 약 60°이다.

중앙 연료관(120)의 출구 부분 위에는 구역 제한부재에 의해 형성된 저압 구역(low pressure zone)과 소용돌이 공기 흐름이 합류하여 재순환 구역(250)을 형성한다. 이 재순환 구역은 재순환이 액체 연료의 완전연소를 향상시키기 때문에 연소실 내에 위치한다.

연소 장치 내의 열적 피드백을 조장하기 위해 또 다른 요소들이 존재할 수 있다. 예를 들어, 연소실은 연소실로부터의 직접적인 공기 흐름을 막고 고온 생성물과 라디칼의 재순환을 돕는 하나 이상의 배플(130)을 포함할 수 있다. 연소 장치는 또한 연소실 내에 열을 유지하는 캡(135)을 포함할 수 있다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 캡(135)은 연소실로부터의 공기 흐름이 배기부의 주변에만 한정될 수 있도록 배기부의 중앙에 위치한다. 하지만 캡을 대신하거나 그에 추가하여 다른 요소가 사용될 수 있다. 예를 들어, 금속 코일, 오목형 또는 볼록형 금속 플레이트, 와이어 메쉬, 또는 도넛 모양의 플레이트 등이 사용될 수 있다. 연소실로부터의 열 흐름, 공기의 흐름, 및 열과 공기의 흐름을 감소시키는 데에 유용한 임의의 구조물이 사용될 수 있다. 게다가, 캡이나 그와 유사한 구조물은 연소실 외부에 위치하도록 제한될 필요는 없다. 오히려, 캡 구조물은 간단히 연소실로부터의 배기부에 위치할 수 있다. 그러므로 캡 구조물은 연소실 내에, 연소 화염으로부터 다양한 높이에 위치할 수 있다.

앞서 기술한 바와 같이 캡의 용도는 유도된 소용돌이로 인한 축방향의 소용돌이를 억류하여 홀딩함으로써 강한 재순환 구역을 발행시키는데 유리하다. 캡의 이차적인 효과는 열을 다시 연소 화염으로 전달하는 것이다. 이러한 유체역학적 효과는 고체 표면을 필요로 한다. 캡의 높이 또한 중요할 수 있다. 캡이 분무화기 노즐과 너무 가깝다면 여기에 기술된 소용돌이가 형성되지 않을 것이다. 반면, 캡이 분무화기 노즐로부터 너무 떨어져 있다면, 캡은 소용돌이를 효율적으로 잡지 못할 것이다. 몇몇 구현예에 있어서, 캡은 연소실의 직경과 연관되는 거리만큼 노즐로부터 이격되어 위치한다. 예를 들어, 캡과 분무화기 노즐 사이의 거리는 연소실의 직경에 따라, 직경의 약 1-3배, 약 1.5-2.5배, 또는 약 2배일 수 있다.

본 발명에 따른 연소 장치의 또 다른 구현예는 도 1b에 나타나 있다. 도시된 바와 같이, 연소 장치(10)는 액체 연료의 운반을 위한 제1 중앙 연료관(120)과 개시 연료의 운반을 위한 제2 중앙 연료관(125)을 포함할 수 있다.

중앙 연료관(120)의 말단에는 분무화기(200)가 위치한다. 분무화기의 구체적인 구현예는 도 3에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 분무화기(200)는 액체 연료의 통로인 중앙 개구부(210)와 가압 공기의 통로인 환상 개구부(220)를 포함한다. 몇몇 구현예에 있어서, 환상 개구부는 연소 장치를 예비가열하기 위한 예비가열 연료의 통로도 사용될 수 있다. 분무화기(200)는 가압 공기(또는 예비가열 연료)를 제공하는 사이드 커넥션(230)과 액체 연료의 운반을 위한 하부 커넥션(240)을 추가로 포함한다. 예를 들어, 중앙 연료관은 하부 커넥션과 연결될 수 있다.

본 발명에 따른 연소 장치의 더욱 세부적인 상세도가 도 4에 도시되어 있다. 마찬가지로, 본 연소 장치(10)는 연소 장치(10)의 외부 쉘인 외부 관(110)과 액체 연료가 공급되는 중앙 연료관(120)을 포함한다. 중앙 연료관(120)으로부터의 액체 연료가 분무화기(200)의 중앙 개구부(210)를 통과하고 가압 공기는 분무화기(200)의 환상 개구부(220)를 통과하도록 분무화기(200)가 중앙 연료관(120)의 단부에 위치한다.

도 4의 구현예에 있어서, 연소 장치(10)의 재순환 구역(250)은 방열 차폐부(radiative shielding)(350)를 포함한다. 앞서 기술한 바와 같이, 연소 장치의 열을 보존하고 장치 내에서 가열된 공기의 재순환을 돕고 필요한 연소 온도를 유지하는 데에 유용한 임의의 재료를 포함할 수 있다. 몇몇 구현예에 있어서, 구역 제한부재(115, 117)는 연소 장치(10)의 재순환 구역(250) 내에서 열 보유를 더욱 증가시키기 위한 방열 차폐막과 같은 기능을 가진 재료로 형성될 수 있다. 게다가, 이 구현예는 또한 연소 장치(10)를 둘러싸는 절연층(360)의 용도를 보여준다. 특히, 절연층은 연소실 영역 주위로 위치하고 있지만 절연층이 연소 장치의 많은 부분 또는 적은 부분을 둘러쌀 수도 있는 것으로 이해된다.

연소 장치는 도 5에 도시된 것과 같이 추가적인 요소와 조합될 수 있다. 특히, 추가적인 요소는 액체 연료 공급부(410)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이 이것은 저장탱크일 수도 있고, 분리된 다른 공정의 일부일 수도 있다. 예를 들어, 본 발명의 글리세롤 연소 방법은 특히 부산물로서 글리세롤을 생성하는 바이오연료 생산 공정과 조합될 수 있다. 따라서, 글리세롤 연소 장치는, 바이오연료를 만들면서 생성되는 글리세롤이 연속적으로 바이오연료 생산 공정에서 인출되어 글리세롤 연소 장치로 공급되도록. 바이오연료 생산 공정과 연결될 수 있다. 즉, 액체 연료 공급부(410)는 단순히 공급라인이거나 임시저장탱크일 수 있다. 예를 들어, 액체 연료 공급부(410)는 공정의 다른 부산물(예: 물, 메탄올)을 제거하기 위한 분리수단을 포함하는 임시 저장탱크일 수 있다. 마찬가지로, 액체 연료 공급부(410)는 글리세롤이 다른 연료나, 연료 증량제 또는 연료 점도 감소제들과 혼합될 수 있는 임시 저장탱크일 수 있다.

글리세롤은 복수개의 구성부분을 서로 연결할 수 있는 연료 공급라인(405)을 통해 조합된 구성부분에 공급될 수 있다. 글리세롤과 기타 가능한 액체 연료의 상대적으로 높은 점도면에서, 글리세롤의 수송을 조장하기 위한 폄프(420)를 포함하는 것이 유리할 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 펌프(420)는 가열부의 상류에 위치한다. 그러나, 펌프는 흐름 라인의 다른 영역에 위치할 수 있다. 또한, 복수개의 펌프가 공급 라인의 여러 영역에서 사용될 수 있다.

어떤 구현예에서, 액체 연료가 공급 라인(405)을 통해 가열기(430)로 펌핑된다. 가열기는 글리세롤과 같은 액체 연료를 가열하는데 유용한 임의의 종류의 가열기를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 가열기는 열교환기이며, 글리세롤을 가열하기 위한 열전달 액체가 흐를 수 있는 일련의 파이프 또는 관을 공급 라인(405) 에 매우 인접한 곳에 포함할 수 있다. 다른 구현예에서는, 가열기(430)는 공급 라인(405)에 열을 직접 제공하여 글리세롤을 가열할 수 있는, 소정 길이의 전기적 저항 열테이프 등을 포함할 수 있다. 이러한 열테이프는 공급 라인(405)을 따라 임의의 영역에서 사용될 수 있다. 액체 연료가 가열되면, 공급 라인은 적어도 단열되어 글리세롤 온도를 유지하는 것이 바람직하다. 특정 구현예에서, 글리세롤은 특수 가열장치를 사용하여 가열되고, 글리세롤 온도를 유지하기 위해 가열장치로부터 하류의 공급 라인에 추가적인 가열 수단을 제공함으로써 추가로 가열될 수 있다. 예를 들어, 가열장치를 거친 다음, 공급 라인을 전기적 저항 열테이프 및 절연물질로 감아줄 수 있다. 물론, 전술한 바와 같이, 가열장치는 사용되는 분무화기의 종류 및/또는 재생성 가열과 같은 다른 가열 방법의 이용 여부에 따라 선택될 수 있다.

글리세롤은 공급 라인(405)으로부터 연소 장치(10), 특히 중앙 연료관(120)으로 공급된다. 특정 구현예에서, 공급 라인은 연료관과 연속적으로 연결되어 있을 수 있다. 즉, 공급 라인과 연료관이 하나의 연속 피스일 수 있다. 공기는 전술한 바와 같이 연소 장치에 축방향 및/또는 접선 방향으로 공급될 수 있다. 예를 들어, 포트(161, 163)를 통해서는 축방향 공기 흐름이 제공되고, 접선방향 공기 흐름은 포트(151, 153)를 통해 제공된다.

본 발명의 방법과 장치의 산업적 용도

본 발명의 연소 장치는 본 발명의 방법에 사용될 수 있으며, 다양한 공업 공정과 조합될 수 있다. 일 구현예에서, 본 발명은 바이오연료 생산 공정에 필요한 열의 생산을 위해 폐글리세롤을 연속적으로 재순환하는 방법을 제공한다.

본 명세서에 기재된 글리세롤 연소 방법은 연료로서 글리세롤의 연소에 사용될 수 있으며, 이 글리세롤은 임의의 소스로부터 얻어진다. 그러나, 본 발명은 글리세롤이 매매가능한 상품이 아닌, 공업 공정으로부터의 폐스트림으로서 제공되는 경우에 특히 유용하다. 앞서 지적한 바와 같이, 순수한 글리세롤은 다양한 용도를 가진 가치 있는 상품이다. 그러나, 공업 공정에서 폐기물로서 생성되는 글리세롤은 전형적으로 불순물을 포함하며, 대부분의 최종 용도를 위해 글리세롤을 판매하는데 필요한 수준의 순도를 얻기 위해서는 막대한 처리를 해야 하는 것이 일반적이다. 그러므로, 일반적으로 폐글리세롤은 본 발명에 따라 사용되는 경우에 "공짜" 연료의 소스가 된다.

예를 들어, 바이오연료 생산 공정의 경우에, 상당량의 폐글리세롤이 형성된다; 그러나, 매매가능한 상품으로서 글리세롤을 정제하는 것은 경제적으로 실현가능성이 없다. 그렇지만, 폐글리세롤은 연료로서 이용하기에는 적합하다. 그러므로, 본 발명에 따른 글리세롤 연소 장치는 바이오연료 생산 장치에 통합될 수 있으며, 바이오연료 생산 공정에서 생성된 폐글리세롤은 바이오연료 생산 스트림에서 직접 인출되어 본 발명의 글리세롤 연소 공정을 실시하기 위한 장치에 도입될 수 있다. 어떤 구현예에서는, 바이오연료 생산 장치와 글리세롤 연소 장치의 조합이 연소용 글리세롤을 생산하기에 유용한 부품을 포함할 수 있다. 예를 들어, 점도 저하용 액체가 글리세롤과 조합되는 경우에는 그 액체를 도입하기 위한 라인이 포함될 수 있다. 마찬가지로, 다양한 필터 부품이 잔류 촉매와 같은 오염물을 제거하기 위해 포함될 수 있다. 또한, 물과 같은 저비점 성분을 글리세롤로부터 제거하기 위한 성분들이 저비점 성분을 "플래쉬 오프"(flash off) 하기 위해 포함될 수 있다. 이러한 성분들은 그 자체가 적절한 한 바이오연료 생산 공정에 제공될 수 있다(트리글리세라이드 트랜스에스테르화 공정에 이용되는 재순환 알콜 또는 트리글리세라이드 가수분해 공정에 이용되는 물). 글리세롤 연소시에 생성되는 열은 다시 바이오연료 생산 공정으로 반송될 수 있다(가수분해 반응을 조장하기 위한 가열 등을 위함). 다른 구현예에서, 이 열은 다른 용도, 예를 들어 전기 생산과 같은 용도로 사용될 수 있다.

본 발명의 구현예들은 특히 스타트-업 페이스(start-up phase)만을 필요로 하는 연속 공정을 제공하는 것을 특징으로 한다. 글리세롤 연소실이 가열되면, 전술한 바와 같이 바이오연료 생산 공정을 위한 열이, 바이오연료 생산 공정으로부터 계속적으로 인출되는 글리세롤을 이용한 글리세롤 연소공정을 통해 생산될 수 있다. 그러므로, 자기 지속형 열원이 제공된다.

실험

본 발명은 하기 구현예에 의해 보다 상세히 설명되며, 하기 구현예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐 본 발명을 제한하는 것으로서 해석되어서는 아니된다.

실시예 1

글리세롤의 연소

도 1a에도시된 것과 유사한 연소 장치를 사용하여 글리세롤의 지속적인 연소를 달성하였다. 처음에는, 예비가열 연료로서 프로판을 사용하여 이 장치의 연소실을 가열하였다. 프로판은, 30 SLPM(standard liters per minute) 유량의 축방향 공기 흐름과 150 SLPM 유량의 접선방향 공기 흐름으로 공급되어, 17.7의 소용돌이수와 2,200의 레이놀드수의 기류를 형성하였다. 프로판 흐름은 15-20 SLPM의 유량으로 시작되었고 연료가 점화되었다.

분무화기 노즐을 통한 공기 흐름은 제로에서 18 SLPM까지 점진적으로 증가되어 프로판 화염을 끌 수 있는 공기 흐름이 만들어지지 않도록 하였다.

약 800℃ 내지 1000℃ 사이의 온도를 나타내도록 화염 엔클로져의 상부가 붉은 빛으로 밝게 빛날때 까지 프로판 화염으로 연소실을 가열하였다.

약 1 g/sec의 속도로 시작하여 분무화 노즐을 통해 글리세롤을 펌핑하였으며, 노즐 공기 유량은 약 30 SLPM 이었다. 프로판 흐름을 중단하였고, 화염은 전적으로 글리세롤에 의해 지속적인 연소로 이어졌다.

실시예 2

배기 테스트

실시예 1에 기재된 글리세롤 연소로부터의 배기물을 수거하여 테스트하여 여러 가지 배기 성분들의 농도를 측정했다. 아크롤레인과 그외의 알데히드의 존재는 DNPH(2,4-디니트로페닐-하이드라진) 카트리지와 고성능 액체크로마토그래피(HPLC)를 이용하여 테스트하였다. DNPH의 다공성 플러그를 함유하는 테스트 카트리지를 상품으로서 구입하였다. 실제로, 글리세롤 연소로부터의 배기물을 수거하여 낮은 공기압을 통해 DNPH 카트리지에 통과시켰다. 이 테스트에서는, 배기물 중에 존재하는 모든 케톤과 알데히드 화합물은 DNPH와 반응하여 카트리지 플러그에 잔류한다. DNPH 플러그를 아세토니트릴로 용출시키고 그 용액을 HPLC 분석하여 존재하는 특정 DNPH 유도체의 질량을 측정하였다. 알데히드 농도는 카트리지를 처음에 통과한 배기가스의 부피와 비교하여 HPLC 분석으로부터의 질량 측정치를 이용하여 계산하였다.

DNPH 카트리지는 플라스틱 성분을 포함하기 때문에 글리세롤 연소로부터 배기물을 수거하여 이를 냉각시킬 필요가 있었다. 이러한 작업은 고무 마개 및 각각 볼 밸브를 가진 2개의 튜브가 장착된 플라스크를 이용하여 이루어졌다. 플라스크/튜브 장치의 총 부피는 1.1 리터였다. 볼 밸브를 개방한 채로, 하나의 튜브를 글리세롤 연소 배기부에 위치시키고, 다른 튜브에는 진공을 걸어주었다. 수거 후 4-6분이 경과된 후, 볼 밸브를 모두 닫고, 동시에 플라스크 내에 정해진 부피의 배기 가스를 가두었다. 플라스크 장치와 DNPH 카트리지로부터 배기 가스를 밀어내기 위해 압축 공기를 사용하였다.

테스트를 복수 회 실시한 결과, 최고의 아크롤레인 농도는 17.5 ppb인 것으로 측정되었는데, 이는 사람의 건강에 유해한 것으로 여겨지는 수준 또는 약 90 ppb 보다 훨씬 낮은 농도이다.

본 명세서에 기재된 본 발명의 많은 변형예 및 기타 구현예들은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자들에게 전술한 발명의 상세한 설명에서 제시된 교시의 장점을 인식시킬 것이다. 그러므로, 본 발명은 여기에 기재된 특정 구현예로 제한되는 것으로 이해되어서는 아니되며, 변형예 및 그외 구현예들이 첨부된 청구항의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다. 본 명세서에서는 특정의 용어가 사용되었지만, 이러한 용어들은 일반적이고 관용적인 설명의 의미로만 사용되었을 뿐이고 제한적인 목적으로는 결코 사용되지 않은 것이다.

10: 연소 장치
110: 외부 관
115, 117: 구역 제한부재
120: 중앙 연료관
125: 제2 중앙 연료관
130: 배플
135: 캡
151, 152, 153, 154: 사이드 포트
151, 153, 161, 163, 182, 184: 포트
185: 연소실
190: 배기부
200: 분무화기
210: 중앙 개구부
220: 환상 개구부
250: 재순환 구역
310: 가열기/절연 장치
405: 공급 라인
410: 액체 연료 공급부
430: 가열기

Claims (33)

15 cSt보다 높은 주위 점도와 약 10 MJ/Kg 내지 약 75 MJ/Kg 범위의 발열량을 가진 고점도 저발열량 액체 연료의 지속적인 연소 방법으로서, 하기 단계를 포함하는 연소 방법:
연소실을 구비한 연소 장치를 제공하는 단계;
고점도 저발열량 액체 연료를 상기 연소실에 도입하기 이전에 온도가 약 370℃ 이상이 되도록 상기 연소실을 가열하는 단계;
상기 연소실로 도입하기 위한 고점도 저발열량 액체 연료를 제공하는 단계;
상기 연소실로 도입하기 위한 상기 고점도 저발열량 액체 연료를 분무화하는 단계; 및
상기 연소실 내에서 재순환 구역(recirculation zone)을 조성하는 소용돌이 속도 프로파일을 가진 공기와, 분무화된 상기 고점도 저발열량 액체 연료를 상기 연소실에서 연소시켜 고점도 저발열량 액체 연료의 지속적인 연소를 달성하는 단계.

제1항에 있어서, 상기 연소실을 예비가열하는 단계는 상기 연소실을 원하는 온도로 가열하기에 충분한 시간 동안 상기 연소실 내의 예비가열 연료를 연소시킨 다음 상기 예비가열 연료의 연소를 중단하는 것을 포함하며, 상기 예비가열 연료는 상기 고점도 저발열량 액체 연료 이외의 연료인, 연소 방법.

제2항에 있어서, 상기 예비가열 연료는 케로센, 메탄, 프로판 및 이들의 조합으로부터 선택되는, 연소 방법.

제1항에 있어서, 상기 연소실을 예비가열하는 단계는 전기저항에 의한 가열을 포함하는, 연소 방법.

제1항에 있어서, 상기 연소실 내의 공기 재순환 구역에 축방향 소용돌이를 부여하는, 공기역학적으로 제한된 공기 흐름으로 공기가 제공되는, 연소 방법.

제1항에 있어서, 글리세롤의 흐름에 대해 축방향 및 접선방향의 공기 흐름을 제공하는 것을 포함하는, 연소 방법.

제1항에 있어서, 상기 공기 흐름의 소용돌이형 속도 프로파일은 약 5 이상의 소용돌이수를 가지는 것으로 정의되는, 연소 방법.

제1항에 있어서, 상기 공기 흐름의 소용돌이형 속도 프로파일은 약 1,500 내지 약 2,400의 레이놀드수를 가지는 것으로 정의되는, 연소 방법.

제1항에 있어서, 상기 가열단계는 상기 연소실을 약 600도씨 이상의 온도로 가열하는 것을 포함하는, 연소 방법.

제1에 있어서, 상기 가열단계는 상기 연소실을 약 800도씨 이상의 온도로 가열하는 것을 포함하는, 연소 방법.

제1항에 있어서, 상기 분무화 단계 이전에 상기 고점도 저발열량 액체 연료의 점도를 약 20 cSt 미만으로 감소시키기 위하여 상기 고점도 저발열량 액체 연료를 처리하는 단계를 더 포함하는, 연소 방법.

제11항에 있어서, 상기 처리 단계는 상기 고점도 저발열량 액체 연료를 가열하는 것을 포함하는, 연소 방법.

제11항에 있어서, 상기 처리 단계는 상기 고점도 저발열량 액체 연료와 점도 감소용 액체를 조합하는 것을 포함하는, 연소 방법.

제1항에 있어서, 상기 고점도 저발열량 액체 연료는 글리세롤을 포함하는, 연소 방법.

15 cSt보다 높은 주위 점도와 약 10 MJ/Kg 내지 약 75 MJ/Kg 범위의 발열량을 가진 고점도 저발열량 액체 연료의 연소를 위한 연소 장치로서, 하기 구성요소를 포함하는 연소 장치:
전체 연소 장치의 외형 치수를 정하는 외부 쉘(outer shell);
약 600℃ 내지 약 1200℃ 범위의 연소 온도에서, 복사 및 대류 피드백 가열을 제공하는 내표면을 가진 연소실;
고점도 저발열량 액체 연료를 연소실로 도입하기 위한 중앙 연료관;
상기 고점도 저발열량 액체 연료를 상기 연소실로 도입하기 이전에 상기 고점도 저발열량 액체 연료를 분무화하기 위해 상기 중앙 연료관에 부착된 분무화기; 및
상기 중앙 연료관을 통해 흐르는 액체 연료의 흐름에 대해 축방향 및 접선 방향 중 어느 한 방향 이상으로 공기 흐름을 제공하기 위해 상기 쉘에 위치하는 복수개의 공기 포트.

제15항에 있어서, 상기 장치는 상기 연소실의 배기를 위한 배기부를 더 포함하며, 상기 배기부는 상기 연소실로부터의 열 흐름, 공기 흐름 또는 열 및 공기 흐름을 제한하기 위한 하나 이상의 부재를 포함하는, 연소 장치.

제16항에 있어서, 상기 배기부는 상기 배기부의 주위부 주위로만 개구부를 제공하도록 상기 배기부의 중앙에 위치하는 캡을 포함하는, 연소 장치.

제17항에 있어서, 상기 캡은 상기 분무화기로부터 이격된 거리에 위치하며, 상기 거리는 상기 연소실의 직경의 1.5 내지 2.5배에 해당하는, 연소 장치.

제16항에 있어서, 상기 연소실로부터의 열 흐름, 공기 흐름 또는 열 및 공기 흐름을 상기 연소실의 중앙 부분쪽으로 편향시키기 위해 상기 연소실의 내표면에 부착되는 하나 이상의 공기 배플을 더 포함하는, 연소 장치.

제15항에 있어서, 상기 분무화기로부터 하류로 확장 구역을 형성하도록 상기 ㅈc치의 내부 구조를 변형시키는 하나 이상의 구역 제한부재(zonal restrictor)를더 포함하는, 연소 장치.

제15항에 있어서, 예비가열 연료를 제공하기 위한 제2 연료 튜브를 더 포함하는, 연소 장치.

제15항에 있어서, 예비가열 연료를 제공하기 위해 상기 외부 쉘 상에 위치하는 하나 이상의 포트를 더 포함하는, 연소 장치.

제22항에 있어서, 상기 하나 이상의 예비가열 연료 포트는 상기 분무화기로부터 상류에 위치하는, 연소 장치.

제15항에 있어서, 상기 분무화기는 사이펀식 공기 분무 노즐인, 연소 장치.

제15항에 있어서, 상기 중앙 연료관으로의 도입 이전에 상기 고점도 저발열량 액체 연료를 가열하기 위한 별도의 가열기를 더 포함하는, 연소 장치.

제15항에 있어서, 상기 중앙 연료관을 통해 상기 고점도 저발열량 액체 연료를 펌핑하기 위한 펌프를 더 포함하는, 연소 장치.

제15항에 있어서, 상기 중앙 연료관은 정해진 온도에서 상기 중앙 연료관 내에 상기 고점도 저발열량 액체 연료를 가열 또는 유지하기 위한 하나 이상의 부재를 포함하는, 연소 장치.

에너지 생산을 위한 폐글리세롤의 연속 재순환 방법으로서, 하기 단계를 포함하는 재순환 방법:
a. 반응 부산물로서 글리세롤 스트림을 형성하는 공정을 실시하는 단계;
b. 글리세롤 연소 공정에서 글리세롤 소스로서 사용하기 위해 글리세롤 스트림을 인출하는 단계; 및
c. 상기 글리세롤을 연소하여 에너지를 생산하는 단계.

제28항에 있어서,
d. 글리세롤 연소에 의해 생산된 에너지를 이용하여 공정을 실시하는데 필요한 열의 적어도 일부를 제공하는 단계를 더 포함하는, 재순환 방법.

제29항에 있어서, 상기 에너지는 상기 단계 a)의 공정을 실시하는데 필요한 열의 적어도 일부를 제공하는데 이용되는, 재순환 방법.

제28항에 있어서, 상기 에너지는 전기를 생산하는데 이용되는, 재순환 방법.

제28항에 있어서, 상기 글리세롤의 연소 단계는,
i. 연소장치에 연소실을 제공하는 단계;
ii. 글리세롤 연소실로의 도입을 위해, 점도가 감소된 글리세롤을 분무화하는 단계; 및
iii. 상기 연소실 내에 재순환 구역을 조성하는 소용돌이형 속도 프로파일을 가진 공기와 상기 연소실 내에 분무화된 글리세롤을 조합하여 글리세롤 연소실에서 글리세롤의 지속적인 연소를 달성하여 열을 제공하는 단계를 포함하는, 재순환 방법.

제27항에 있어서, 상기 생산 공정이 바이오연료 생산 공정을 포함하는, 재순환 방법.

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