KR20100022048A

KR20100022048A - 연료 연소

Info

Publication number: KR20100022048A
Application number: KR1020097026260A
Authority: KR
Inventors: 제이슨 에이. 타고프
Original assignee: 티악스 엘엘씨
Priority date: 2007-05-25
Filing date: 2008-05-23
Publication date: 2010-02-26
Also published as: ES2691709T3; CA2688307A1; WO2008147987A1; CA2688307C; US20100216079A1; EP2153042B1; JP2010528255A; EP2153042A4; US8221115B2; JP5563976B2; KR101591317B1; EP2153042A1

Abstract

시스템은 액체 연료를 포함하는 제 1 소스, 가스 연료를 포함하는 제 2 소스, 및 상기 제 1 및 제 2 소스에 접속되고, 상기 액체 연료와 상기 기체 연료에 선택적으로 유체 연통되어 상기 연료를 수용하는 연소 버너를 포함한다. 상기 버너는 이 버너 또는 상기 시스템에 변경없이 상기 액체 연료의 연소와 상기 가스 연료의 연소 사이에 스위칭할 수 있다.

시스템, 제 1 소스, 제 2 소스, 연소 버너

Description

연료 연소{FUEL COMBUSTION}

본 발명은 연료 연소, 구성 요소 및 방법에 관한 것이다.

액체 연료 버너는 두개의 카테고리: 분무 버너와 증발 버너로 분류될 수 있다. 분무 버너에서, 고압과 고속 에어의 조합을 이용하여 오리피스를 통해서 액체 연료를 플로잉하고, 연료를 작은 방울로 분산한다. 연료의 작은 방울은 표면 대 체적 비율 효과로 인하여 에어와 혼합되어 일반적으로 연료의 큰 방울보다 더 쉽게 증발되고 연소된다. 증발 버너에서, 연료는 분무의 원조없이 가열되고 증발된다. 그 후, 증발된 연료는 에어와 혼합되어 연소된다. 일부 경우에, 전기 히터가 이용되어 연료의 증발을 조력하고; 다른 경우에, 연소 공정으로부터의 열은 연료를 증발시키는데 충분하다. 또한, 예열된 에어는 심지로부터 연료의 증발을 조력할 수 있다.

가스 연료 버너는 연료가 기상(氣相)에서 시작하기 때문에 연료를 증발시킬 필요가 없다. 많은 가스 연료 버너는 연소 전에 연료와 에어를 미리 혼합하거나 부분적으로 미리 혼합한다. 플레임은 뜨거운 배기 제품의 재순환을 이용하거나, 둔두물체(鈍頭物體)를 이용하거나, 연료-에어 혼합물을 예열한 후 플레임을 금속 섬유나 거품에 안정화시키기 위해 거품 또는 섬유 재료를 이용하거나, 또는 배기 가스 를 재순환시키고 공급 속도로 큰 변동의 플레임을 안정화시키는 선회 플로우 필드를 이용함으로써 안정화될 수 있다.

본 발명은 연료 연소 시스템, 구성 요소 및 방법에 관한 것이다.

본 발명은 액체 연료를 증발시켜 가스 연료를 완전히 연소시킬 수도 있는 버너에서 매우 낮은 배출로 액체 연료를 연소하는 구성 요소, 시스템 및 방법을 제공한다. 예를 들면, 버너와 버너의 컨트롤러가 외부 연소 엔진, 화학 프로세서 또는 히터에 이용될 수 있다. 일부 실시형태에서, 버너는 액체 또는 가스 연료, 점화율 및 에어/연료 비율을 포함하는 연료 형태의 다양한 범위에 관해서 연소를 안정화시킬 수 있는 선회 안정된 버너이다. 버너 또는 외부 연소 시스템의 연료 유연성은 연료의 선택이 한정될 수 있는 때의 긴급 상황에서 매우 유용할 수 있다.

버너는 선회 안정을 방해하지 않고 코크스(coke) 형성에 대해 한정된 경향으로 액체 연료를 증기화시키기 위한 메커니즘을 포함한다. 가스 연료는 동일 버너에서 작동되고 에어와 혼합과 연소 전에 증발시키는 메커니즘을 통해서 패싱될 수 있다. 컨트롤러는 하나의 시스템을 어떠한 하드웨어의 변경없이 기체 또는 액체 연료를 작동시키도록 하며; 즉, 단일 버너는 액체 연료뿐만 아니라 가스 연료도 작동할 수 있다.

일실시형태에서, 본 발명은 액체 연료를 포함하는 제 1 소스, 가스 연료를 포함하는 제 2 소스, 및 제 1 및 제 2 소스에 접속되고, 액체 연료와 기체 연료에 선택적으로 유체 연통되어 연료를 수용하는 연소 버너를 포함하는 시스템으로서, 버너는 버너 또는 시스템의 변경없이 액체 연료의 연소와 가스 연료의 연소 사이에서 스위칭될 수 있는 것을 포함하는 시스템에 특징이 있다.

실시형태는 이하의 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 시스템은 제 1 소스 또는 제 2 소스로부터 버너로 연료의 플로우를 컨트롤하도록 구성된 컨트롤러를 더 포함한다. 시스템은 버너의 출력 측정에 의거하여 제 1 소스 또는 제 2 소스로부터 버너로 연료의 플로우를 컨트롤하도록 구성된 컨트롤러를 더 포함한다. 시스템은 연료/가스 혼합물의 온도 또는 화학양론을 센싱하도록 구성된 센서를 더 포함한다. 버너는 연료 입구, 연료 출구, 및 버너의 종축을 따라 연료 출구의 적어도 일부를 오버래핑하는 에어 입구를 포함한다. 에어 입구는 연료 출구의 하나 이상의 디멘션보다 더 큰 하나 이상의 디멘션을 갖는다. 버너는 대략 버너의 주위에 위치되고, 에어를 비수직 각도로 주위로 향하도록 구성된 복수의 에어 입구를 포함한다. 버너는 액체 연료를 증발시키도록 구성된 열전도성 다공질 재료를 포함한다. 버너는 다공질 재료를 둘러싸는 공간을 포함한다. 버너는 에어 입구와, 에어와 증발된 연료를 각도 방향으로 향하도록 구성된 에어 입구의 하류측의 돌출부를 포함한다. 버너는 원뿔의 일부로 형성되는 버너 출구를 포함한다. 원뿔은 대략 0°~ 대략 120°의 각도를 갖는다. 버너는 연료 입구와, 연료 입구와 유체 연통되는 증발기 캐비티와, 증발기 캐비티와 유체 연통되는 연료 출구와, 연료 출구와 유체 연통되는 에어 입구와, 에어 입구와 유체 연통되는 버너 출구를 포함한다. 버너는 증발기 캐비티에 열전도성 다공질 재료를 더 포함한다. 다공질 재료는 연료 출구를 통해서만 버너 출구와 유체 연통된다. 버너는 다공질 재료를 가열하도록 구성된 히터를 더 포함한다. 버너는 에어 입구의 하류측에 위치되고, 증발기 캐비티를 둘러싸는 공간을 더 포함한다. 버너는 공간 내에 에어와 가스 연료를 각도 방향으로 향하도록 구성된 돌출부를 더 포함한다. 에어 입구는 버너의 종축을 따라 연료 출구의 적어도 일부와 오버래핑된다.

다른 실시형태에서, 본 발명은 연소 시스템의 버너의 연료 입구를 통하여 제 1 페이즈에서 제 1 연료를 도입하는 스텝, 및 연료 입구를 통하여 제 1 페이즈와 다른 제 2 페이즈에 있는 제 2 연료를 도입하는 스텝을 포함하는 연소 방법으로서, 버너로의 제 2 연료의 도입은 버너 또는 연소 시스템을 변경하지 않고 수행되는 것을 특징으로 한다.

실시형태는 이하의 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 방법은 버너의 출력 측정에 의거하여 버너로 제 1 연료 또는 제 2 연료의 플로우를 컨트롤하는 스텝을 더 포함한다. 상기 방법은 버너의 출구의 연료 에어 혼합물의 온도 또는 산소 함유량을 측정하는 스텝을 더 포함한다. 버너는 연료 출구와, 반경 방향으로 연료 출구의 적어도 일부를 오버래핑하는 에어 입구를 포함한다. 에어 입구는 연료 출구의 하나 이상의 디멘션보다 더 큰 하나 이상의 디멘션을 갖는다. 상기 방법은 에어를 비수직 각도로 버너의 주위로 향하게 하는 스텝을 더 포함한다. 상기 방법은 열전도성 다공질 재료로 액체 연료를 증발시키는 스텝을 더 포함한다. 상기 방법은 다공질 재료를 둘러싸는 공간에 연료와 에어를 혼합하는 스텝을 더 포함한다. 상기 방법은 각도 방향으로 에어와 연료를 향하게 하는 스텝을 더 포함한다. 버너는 원뿔의 일부로 형성되는 버너 출구를 포함한다. 원뿔은 대략 0°~ 대략 120°의 각도를 갖는다. 버너는 연료 입구와, 연료 입구와 유체 연통되는 증발기 캐비티와, 증발기 캐비티와 유체 연통되는 연료 출구와, 연료 출구와 유체 연통되는 에어 입구와, 에어 입구와 유체 연통되는 버너 출구를 포함한다. 버너는 증발기 캐비티에 열전도성 다공질 재료를 더 포함한다. 다공질 재료는 연료 출구를 통해서만 버너 출구와 유체 연통된다. 버너는 다공질 재료를 가열하도록 구성된 히터를 더 포함한다. 버너는 에어 입구의 하류측에 위치되고, 증발기 캐비티를 둘러싸는 공간을 더 포함한다. 버너는 공간 내에 에어와 가스 연료를 각도 방향으로 향하도록 구성된 돌출부를 더 포함한다. 에어 입구는 버너의 반경 방향을 따라 연료 출구의 적어도 일부와 오버래핑된다. 버너는 대략 버너의 주위에 위치되고, 에어를 비수직 각도로 주위로 향하도록 구성된 복수의 에어 입구를 포함한다. 버너 출구는 원뿔의 일부에 형성된다. 원뿔은 대략 0°~ 대략 120°의 각도를 갖는다.

다른 실시형태에서, 본 발명은 연료 입구, 연료 입구와 유체 연통되는 증발기 캐비티, 증발기 캐비티와 유체 연통되는 연료 출구, 및 연료 출구와 유체 연통되는 에어 입구를 포함하는 버너로서, 에어 입구는 버너의 반경 방향을 따라 연료 출구의 적어도 일부와 오버래핑된다.

실시형태는 이하의 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 버너는 증발기 캐비티에 열전도성 다공질 재료를 더 포함한다. 다공질 재료는 연료 출구를 통해서만 버너 출구와 유체 연통된다. 버너는 다공질 재료를 가열하도록 구성된 히터를 더 포함한다. 버너는 에어 입구의 하류측에 위치되고, 증발기 캐비티를 둘러싸는 공간을 더 포함한다. 버너는 공간 내에 에어와 가스 연료를 각도 방향으로 향하도록 구성된 돌출부를 더 포함한다. 에어 입구는 버너의 종축을 따라 연료 출구의 적어도 일부와 오버래핑된다. 버너는 대략 버너의 주위에 위치되고, 에어를 비수직 각도로 주위로 향하도록 구성된 복수의 에어 입구를 포함한다. 버너는 원뿔의 일부로 형성되는 버너 출구를 더 포함한다. 원뿔은 대략 0°~ 대략 120°의 각도를 갖는다.

다른 실시형태에서, 본 발명은 연료 입구, 연료 입구와 유체 연통되는 증발기 캐비티, 증발기 캐비티와 유체 연통되는 연료 출구, 연료 출구와 유체 연통되는 에어 입구, 및 에어 입구의 하류측에 위치되고, 증발기 캐비티를 둘러싸는 공간을 포함하는 것을 특징으로 한다.

실시형태는 이하의 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 버너는 증발기 캐비티에 열전도성 다공질 재료를 더 포함한다. 다공질 재료는 연료 출구를 통해서만 버너 출구와 유체 연통된다. 버너는 다공질 재료를 가열하도록 구성된 히터를 더 포함한다. 버너는 공간 내에 에어와 가스 연료를 각도 방향으로 향하도록 구성된 돌출부를 더 포함한다. 버너는 대략 버너의 주위에 위치되고, 에어를 비수직 각도로 주위로 향하도록 구성된 복수의 에어 입구를 포함한다. 버너는 원뿔의 일부로 형성되는 버너 출구를 더 포함한다. 원뿔은 대략 0°~ 대략 120°의 각도를 갖는다.

여기에 기재되는 버너를 이용하는 연소 공정은 대략 0.2 ~ 대략 1.5(대략 0.5 ~ 대략 0.7 등) 선회 수로 선회 안정된 플레임을 제조할 수 있다.

일부 실시형태에서, 에어는 버너의 단부에 위치되는 개구 또는 통로를 통해서 도입될 수 있다.

실시형태는 이하 이점 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

증발기 둘레를 따라 플레임을 선회해서 다중 연료에 대한 플레임의 안정화를 할 수 있다. 일부 적용에서, 액체와 가스 연료는 플레임 길이와 플레임 속도가 현저히 다르기 때문에 동일 버너에서 이용될 수 없다. 플레임을 강하게 선회해서 다른 플레임 특성에 대해 상쇄할 수 있다. 선회 플레임은 증발 표면을 플레임 플로우 필드에서 최소의 효과로 플레임의 중앙에 위치되게 할 수도 있다.

증기 구멍 둘레에 고속 에어의 이용은 연료의 형태에 상관없이 연료 증기를 추출하고 연료와 에어의 사전 혼합을 추출할 수 있다. 실시형태는 버너의 변경없이 액체 또는 가스 연료를 이용하여 작동할 수 있다.

거품과 함께 증발은 코크스가 거품 내에 형성될지라도 열을 공급 연료에 전달되게 한다. 코킹이 발생되면, 거품이 가장 뜨거운 부분으로부터 열을 분산할 수 있어서 코크스는 절연 특성에 의해 더 이상 증발을 방지하지 않으므로 파괴되지 않는다.

거품의 구조는 대부분 비게 될 수 있어 큰 증발 표면을 제공할 수 있다. 대부분 비어 어떠한 작은 오리피스라도 막힘의 발생을 줄일 수 있다.

일부 실시형태에서, 버너는 황에 의해 쉽게 악화되지 않고, 및/또는 고온에서 쉽게 부패되지 않아서 촉매 버너 등의 다른 다중 연료 버너와 발생할 수 있다.

컨트롤 시스템은 하드웨어의 변경없이 다양한 연료로 작동할 수 있다.

여기에 이용된 바와 같이, "버너의 변경없이"란 어떠한 물리적 구성 요소도 버너에 추가되거나 버너로부터 제거되지 않는 것을 의미한다. 그러나, 연료 유량, 에어 유량 및 온도 등의 버너의 작동상의 파라미터는 변경될 수 있다.

여기에 이용된 바와 같이, "시스템의 변경없이"란 어떠한 물리적 구성 요소도 시스템에 더해지거나 시스템으로부터 제거되지 않음을 의미한다. 그러나, 유량, 온도, 스위칭 상태 등의 시스템의 작동상의 파라미터는 변경될 수 있다.

하나 이상의 실시형태의 상세함은 이하 첨부되는 명세서를 설명한다. 본 발명의 다른 실시형태, 특징 및 이점은 이하 도면, 실시형태의 상세한 설명 및 첨부되는 청구항으로부터 명확해질 것이다.

도 1은 분리된 원뿔 형상 단부를 갖는 다중 연료 버너의 실시형태의 사시도이다.

도 2는 부착된 원뿔 형상 단부를 갖는 도 1에 나타낸 버너의 단면도이다.

도 3은 제거된 원뿔 형상 단부를 갖는 버너의 도 1에 나타낸 측면도이다.

도 4는 선 4-4를 따라 절취된 도 3에 나타낸 버너의 단면도이다.

도 5는 도 3에 나타낸 버너의 분해 사시도이다.

도 6은 다중 연료 버너를 포함하는 컨트롤 시스템의 실시형태의 블록도이다.

도 7은 다중 연료 버너를 포함하는 컨트롤 시스템의 실시형태의 개략도이다.

도 1 및 2는 연소 버너(20)가 가스 연료뿐만 아니라 액체 연료를 연소하기 위해 이용될 수 있는 것을 나타낸다. 버너(20)는 외부 연소 엔진, 화학 프로세서 및 히터 등의 시스템에 이용될 수 있다. 여기에 설명된 바와 같이, 액체 연료의 연 소 및 가스 연료의 연소 사이의 스위칭은 버너(20)나 버너를 포함하는 시스템(예를 들면, 하드웨어를 더하거나 제거함으로써)을 변경하지 않고 수행될 수 있다. 또한, 버너(20)는 저배출로 다양한 연료를 연소할 수 있다. 예를 들면, 등유의 연소는 배기 가스에서 4% 과잉 산소(대략 0.8 파이) 하에서도 대략 500 ppm CO 이하의 공해일 수 있다. 100 ppm CO 이하의 더 저공해는 플레임에서 과잉 에어(예를 들면, 0.7-0.75 파이)의 더 큰 양이 가능하다.

도 3, 4 및 5를 참조하면, 일반적으로 버너(20)는 하우징(22)과 하우징에 증발기(40)를 포함한다. 작동 동안, 연료는 증발기(40)(예를 들면, 액체 연료를 증발시킴)에 인도되고, 가스 연료와 에어는 증발기와 하우징(22) 사이에 정의된 혼합 영역(50)에서 혼합된다. 혼합된 연료와 에어는 버너 출구(28)에서 연소된다. 보다 구체적으로, 하우징(22)은 상부 바디(30)와 상부 바디에 결합되는 하부 바디(32)를 포함한다. 상부 바디(30)는 연료 입구(34)와 상부 바디의 종축(L)을 따라 연장되는 통로(36)를 포함한다. 하부 바디(32)는 하부 바디의 외주를 따라 배열되는 복수의 에어 입구(38)를 포함한다. 도 1 및 2에 나타낸 바와 같이, 버너(20)는 버너 출구(28)가 형성되는 원뿔 형상 단부(24)[하부 바디(32)가 1개 형성될 수 있음]를 포함한다. 하우징(22) 내에서 증발기(40)(나타낸 바와 같이, 개구단과 폐쇄단을 갖는 원통 바디)는 통로(36)와 버너 출구(28)와 동축에 있다. 증발기(40)와 하우징(22) 사이에 가스 연료와 에어가 연소 전에 혼합되는 에어/가스 연료 혼합 영역(50)(나타낸 바와 같이, 원통 공간)이 있다. 증발기(40)는 증발기의 외주를 따라 위치되는 복수의 연료 출구(42)(나타낸 바와 같이, 개구 주위)를 갖는다. 도 2에 나타낸 바 와 같이, 증발기(40) 내에 버너(20)가 이용되는 동안 액체 연료를 증발시킬 수 있는 열전도성 다공질 재료(44)(예를 들면, 금속 발포체)와 다공질 재료를 가열하도록 구성된 글로우 플러그(glow plug)(46)를 더 포함한다. 일부 실시형태에서, 버너(20)는 다공질 재료(44)를 포함하지 않지만, 버너는 글로우 플러그(46)를 포함할 수 있다.

작동 동안, 액체 연료 (디젤 연료 등) 또는 가스 연료(프로판 등)는 버너 출구(28)에서 연소를 위해 연료 입구(34)를 통해 도입된다. 보다 구체적으로, 액체 연료를 연소하기 위해 "액체 모드"에서, 글로우 플러그(46)는 스타트업을 활성화 해서 다공질 재료(44)를 가열하여 액체 연료를 증발시키는 증발열을 제공하는데 이용된다. 일부 실시형태에서, 글로우 플러그(46)는 스타트업에서 증발을 보장하기 위해 연료 도입 전에 5분간, 그리고 점화 후 5분간 활성화되고, 액체 연료 진행의 연소로서 증발열은 버너(20)에 가까운 뜨거운 가스로부터 연소와 대류로부터의 방사로부터 현저하게 증가될 수 있다. 글로우 플러그(46)와 다공질 재료(44)가 충분히 가열되어 액체 연료를 증발시키고, 액체 연료는 연료 입구(34)를 통해서 버너(20)에 도입된다. 액체 연료는 액체 연료가 가스 연료로 증발되는 다공질 재료(44)에 플로잉되고, 연료 출구(42)를 통해서 플로잉된다. 동시에, 에어는 에어 입구(38)(예를 들면, 팬, 블로어 또는 컴프래서에 의해 가압됨)를 통해서 플로잉되고, 이 에어는 버너 출구(28) 근방의 연소 전에 혼합 영역(50)에서 연료 출구(42)를 나가는 가스 연료와 혼합된다. 예를 들면, 플레임은 버너 출구(28) 근방에 스파크 플러그, 글로우 플러그 또는 뜨거운 표면 점화기를 갖는 점화원에 의해 최초로 점화된다. 버너(20)가 점화되면, 점화원은 연소를 유지하기 위해 더 이상 요구되지 않는다. 예를 들면, 글로우 플러그(46)는 대략 점화후 5분간 비활성화될 수 있다.

"가스 모드"에서 가스 연료를 연소시키기 위해 가스 연료는 상술된 액체 연료의 유로로서 대체로 동일한 유로를 통해서 플로잉한다. 보다 구체적으로, 가스 연료는 연료 입구(34)를 통해서 버너(20)로 도입된다. 가스 연료는 다공질 재료(44)와 접촉하고 소량의 열을 흡수할 수 있지만, 연료는 액체 연료로 변화되는 단계를 경험하지 않는다. 그 후, 가스 연료는 연료 출구(42)를 통해서 플로잉된다. 그 후, 에어 입구(38)를 통해서 도입되는 에어는 혼합 영역(50)에서 연료 출구(42)를 나가는 가스 연료와 혼합되고, 이 에어 및 연료 혼합은 가까운 버너 출구(28)에서 연소되고, 작동의 "액체 모드"로 설명된 바와 같이, 점화원에 의해 최초로 점화된다.

도 2를 다시 참조하면, 증발기(40) 내에서와 가까운 폐쇄단에서, 버너(20)는 열교환기로 작동하는 다공질 재료(44)와 증발 표면을 포함한다. 가스 연료는 가스의 뜨거운 표면으로부터 열전달이 액체의 열 전달보다 효과적이지 않기 때문에 작동에 현저한 열전달 없이 증발기(40)를 입출할 수 있다. 그러나, 액체 연료와, 다공질 재료(44)는 핫스폿의 제한, 열의 분산으로 증발 표면에서 온도의 균일함을 증대시킬 수 있고, 이 균일 온도로 연장된 표면 영역에 제공할 수 있다. 작동 동안, 저면 위의 다공질 재료에 의해 증발되면 연료는 다공질 재료(44)의 가장 뜨거운 표면에 도달하지 않는다. 대량 연료 증류의 보다 간편한 분류는 보다 저온에서 더 빨리 증발될 수 있고, 연료와 코크스 형성의 과열은 이 메커니즘에 의해 한정될 수 있다. 또한, 이 증발 접근에서 코크스 형성은 버너(20)에 방해되지 않을 수 있다. 사실, 일부 매우 느린 코크스는 코크스 형성이 다공질 재료(44)의 큰 개방 부피와 표면 영역 때문에, 연료 증발에 더 영향을 끼칠 수 있기 전에 구성될 수 있다. 다공질 재료(44)는 버너(20)의 수명을 증가시키는데 이용될 수 있다. 다공질 재료(44)는 코크스가 가장 뜨거운 표면에 형성되면 열이 증기로부터 떨어져 충분히 전송되어 표면으로부터 떨어져 형성되므로 우수한 열전도성을 제공하기도 한다.

다공질 재료(44)는 어떤 높은 온도 내성, 높은 표면 영역을 갖는 열적 실행 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 버너의 컴퓨터에 의한 유체 역학 분석은 버너가 등유 연료로 작동될 때 600℃에 근접하는 금속 발포체 다공질 재료의 최대 온도를 가리킨다. 결과적으로, 일부 실시형태에서 다공질 재료(44)는 산화와 분해 등 어떠한 역효과 없이 적어도 대략 600℃ ~ 적어도 대략 800℃의 온도에서 견딜 수 있다. 다공질 재료(44)는 대략 60% ~ 대략 95%의 공극율을 가질 수 있다. 다공질 재료(44)의 셀 사이즈는 대략 10 ppi (인치 당 기공) ~ 100 ppi를 가질 수 있어서 다공질 재료에 플로잉 저항의 역효과 없이 높은 표면 영역의 이점을 얻을 수 있다. 다공질 재료(44)의 구조는, 예를 들면 다공질 재료의 일부가 코크스를 채우도록 시작하면 액체 연료를 증발시키도록 요구되는 열을 제공하도록 남아있는 증발 표면을 제공한다. 다공질 재료(44)의 예는(예를 들면, 전체적으로 형성됨) 스테인레스 스틸 또는 철 크롬(FeCr) 합금을 포함하는 발포체 등의 금속 발포체를 포함한다.

도 2를 계속 참조하면, 가스 연료가(인도되거나 증발 후) 연료 출구(42)를 나갈 때 가스 연료는 에어 입구(38)를 통해서 들어가는 에어와 혼합된다. 나타낸 바와 같이, 가스 연료와 에어 사이에 혼합을 증가시키기 위해 연료 출구(42)와 에어 입구(38)는 축(L)을 따라 하나 이상의 에어 입구의 적어도 일부와 오버래핑되는 하나 이상의 연료 출구의 적어도 일부에서 종축(L)의 방향을 따라 정렬된다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 연료 출구(42)는 에어 입구(38)와 완전히 오버래핑된다. 이 오버랩은 에어를 들어오게 하여 증발기(40)를 나가는 가스 연료로 가스 연료를 스와이핑(swipe)하여 우수한 혼합을 제공한다. 일부 실시형태에서, 에어 입구(38)는 종축(L)을 따라 연료 출구(42)의 디멘션 이상인 종축(L)을 따라 디멘션을 갖는다. 일부 실시형태에서, 에어 입구(38)와 연료 출구(42)는 종축(L)을 따라 오버래핑되지 않는다. 예를 들면, 연료 출구(42)는 버너에 주입되는 에어 유로를 따라 에어 입구(38)의 하류측에 위치될 수 있다.

혼합을 더 증가시키기 위해, 에어 입구(38)가 경사져 에어를 비수직 각도로 버너(20)의 외주에 보낸다. 예를 들면, 에어 입구(38)가 경사져 에어가 들어올 수 있도록 정의된 하부 바디(32)의 벽은 버너(20)의 외주에 접선 방향으로 가리키게 되어 혼합 영역(50)에 에어와 에어/가스 연료 혼합물을 선회하게 한다.

일부 실시형태에서, 도 5를 참조하면 혼합 영역(50)에서 혼합을 더 증가시키기 위해, 버너(20)는 에어/가스 연료를 종축(L)[예를 들면, 혼합 영역(50)의 외주에 접함]에 대해 경사지거나 각도 방향으로 보내도록 하는 혼합 영역에서 구조적 특징을 포함한다. 나타낸 바와 같이, 버너(20)는 증발기(40)의 바깥 외주로부터 연장되는 복수의 선회 베인(60)을 포함한다.

에어 입구(38) 및/또는 혼합 영역(50)의 구조적 특징을 통해서 들어오는 에 어의 경사진 방향으로 버너(20)에서 에어/가스 연료 선회를 발생할 수 있게 한다. 선회는 응력층과 강한 혼합 스트림을 제공할 수 있어 등유나 DF-2 디젤 연료 등의 낮은 확산으로 큰 연료 분자에 대해 특히 중요해질 수 있다. 선회는 플레임 속도나 등가율의 다양한 범위에서 작동하는 플레임 안정 메커니즘을 제공할 수도 있다. 예를 들면, 등유는 대략 0.6 ~ 대략 0.9의 등가율로 연소될 수 있다. 동일 버너는 2개 연료의 플레임 속도는 같지 않지만 대략 0.6 ~ 대략 0.9의 등가율을 갖는 프로판으로 작동할 수 있다. 일부 실시형태에서, 가스 연료와 에어가 혼합되면 연소 공정은 버너 출구(28)에서 대략 0.2 ~ 대략 1.5(대략 0.5 ~ 대략 0.7 등)의 선회 수(S_N)로 선회 플로잉된 플레임으로 안정화되고, S_N은 축 모멘텀의 축 플로잉에 대해 각운동량의 축 플로잉의 비율로 정의된다.

이제 도 6과 7을 참조하면, 여기서 버너(20)의 실시형태는 채용가능한 컨트롤 시스템(100)에 이용될 수 있는 것으로 기재된다. 예를 들면, 채용가능한 컨트롤 시스템은 외부 연소 엔진과 이용될 수 있고, 가스와 액체 연료로 연소 공정을 컨트롤한다. 나타낸 바와 같이, 컨트롤 시스템(100)은 에어와 연료의 공급을 컨트롤하기 위한 메커니즘을 포함한다: 조정 밸브(102)는 가스 연료(103)의 플로우를 컨트롤하도록 이용될 수 있고; 펌프(104)는 액체 연료(105)를 컨트롤하는데 이용될 수 있고; 및 블로어(106)는 시스템에 연소 에어를 공급하기 위해 이용될 수 있다. 나타낸 바와 같이, 시스템(100)은 2개 연결점을 갖는 연료 공급 라인(108, 110)을 포함하고; 하나는 액체 연료(108)에 대한 것이고 하나는 가스 연료(110)에 대한 것이 다. 3방향 밸브(112)는 버너(20)의 상류측의 시스템(100)에서 이용될 수 있고 하나의 라인을 작동시킨다. 일부 실시형태에서, 밸브(112)는 스위치 등의 메커니즘을 갖고 밸브가 선택 모드에 있는 긍정 지시를 제공한다. 연료 선택기 스위치는 밸브(112)가 시스템(100)의 적절한 작동에 대해 선택되는 가스 모드에 있는 긍정 지시를 제공할 수 있다.

작동 동안, 유저 세팅 스위치는 컨트롤 시스템(100)에 "액체 모드" 또는 "가스 모드"를 작동시킬 수 있다. 예를 들면, 시스템(100)의 모드는 연료와 에어에 대한 공급 시스템을 포함하는 버너(20)의 컨트롤을 작동시킬 수 있다. 연료 플로잉은 온도 세팅 포인트와 버너(20)의 온도 측정(116)으로부터 피드백 신호에 의거하여 세팅될 수 있다. 에어 플로잉은 연료 플로잉 기본 세팅 포인트와 연소 혼합물의 화학양론을 가리키는 피드백 신호에 의거하여 세팅될 수 있다. 연료율에 의거하여 "전송" 용어와 결합되고 센서(114)로부터 "피드백" 용어를 갖는 이 하이브리드 컨트롤 시스템은, 예를 들면 "피드백" 응답에만 의거한 컨트롤 시스템과 관련된 안정성을 향상시킬 수 있다. 유저는 시스템(100)의 소망하는 모드를 작동하거나 선택할 수 있고, 버너(20)는 액체와 가스 연료와 매우 유사하게 작동할 수 있어서, 동일 센서(114, 116)는 양쪽 모드에 피드백으로 이용될 수 있다.

연료와 에어에 대한 피드백 시스템은 양쪽 모드에 대해 동일한 하드웨어를 이용할 수 있지만, 모드에 따른 다른 세팅 포인트를 갖는다. 예를 들면, 외부 연소 엔진의 경우에 하나는 연료율을 컨트롤하여 엔진의 특정한 바디의 온도를 유지할 수 있다. 온도는 열전대나 저항 온도 검출기(RTD)에 의해 측정될 수 있다. 온도는 모드가 액체 또는 가스 연료인지에 따라 달라질 수 있다. 에어의 양은, 예를 들면 자동 산소 센서, 일산화탄소 센서 또는 플레임 정류 센서 등의 화학양론 센서로부터 피드백을 이용하여 컨트롤될 수 있다. 산소 센서의 경우에, 소비된 산소의 양은 미리 구체화되거나 액체 연료와 가스 연료에 대해 다를 수 있다. 피드백 값에 대한 다른 세팅은 액체 또는 가스가 연소되거나 공해를 깨끗하게 유지하기 위해 시스템(100)의 모드에 따라 구체활될 수 있다. 플레임 속도는 연료(천연 가스, 프로판, 부탄 및 가솔린, 등유 또는 디젤 등의 액체 연료를 포함하는 가스 연료)의 각 모드 내에서 더 유사하고, 하나의 산소 세팅만 각 모드에 대해 필요하고, 시스템(100)에 대한 모드는 하나의 스위치로 구체화될 수 있다.

실시형태의 다수가 기재되었지만 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

예를 들면, 예열된 에어는, 예를 들면 버너 에어가 회복되면 증발 공정에서 촉진될 수도 있다. 예를 들면, 버너 에어가 배기 가스에 의해 회복되고, 회복의 연장에 따라 600℃에 근접하는 온도에 도달될 수 있다. 이 온도의 에어는 연료의 증발 공정을 촉진할 수 있다.

다른 실시예로서, 도 2를 참조하면 버너 출구(28)는 대략 0° ~ 대략 120° (대략 40° ~ 대략 80° 등)의 각도(α)를 가질 수 있다. 큰 원뿔 각도는 반경 방향으로 플레임을 연장할 수 있고, 어느 정도의 열이 플레임으로부터 가열되는 바디에 전달되는지 뿐만 아니라 플레임 안정에도 영향을 미칠 수 있다.

일부 실시형태에서, 버너는 디자인될 수 있어서 다공질 재료(44) 및/또는 글로우 플러그(46)는 선택된 작동 간격(필터와 유사) 후에 쉽게 대체될 수 있다. 예 를 들면, 글로우 플러그(46)와 다공질 재료(44)는, 예를 들면 패키지를 제거하거나 인스톨하기 위해 글로우 플러그의 쓰레드를 이용하는 바와 같이 함께 제거되거나 대체될 수 있는 하나의 미리 조립된 패키지로 제조될 수 있다.

추가되거나 대안으로 에어 입구를 통해서 버너에 에어를 주입하기 위해 버너의 측부에 위치되고, 에어는 버너의 단부로부터 도입될 수 있다. 예를 들면, 버너는 글로우 플러그를 동축 상에 둘러싸고 증발기와 유체 연통되는 환상 통로를 포함할 수 있다. 어떠한 글로우 플러그도 없는 실시형태에서 에어는 통로(36)를 통해서 도입될 수 있다.

"상부", "하부" 및 "저부" 등의 위치를 가리키는 용어는 도면을 참조하여 편리하게 이용되고 한정되지 않는다.

다른 실시형태는 이하 청구의 범위 내에 있다.

Claims

액체 연료를 포함하는 제 1 소스;

가스 연료를 포함하는 제 2 소스; 및

상기 제 1 및 제 2 소스에 접속되고, 상기 액체 연료와 상기 기체 연료에 선택적으로 유체 연통되어 상기 연료를 수용하는 연소 버너를 포함하는 시스템으로서:

상기 버너는 이 버너 또는 상기 시스템의 변경없이 상기 액체 연료의 연소와 상기 가스 연료의 연소 사이에서 스위칭될 수 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 소스 또는 상기 제 2 소스로부터 상기 버너로 연료의 플로우를 컨트롤하도록 구성된 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 버너의 출력 측정에 의거하여 상기 제 1 소스 또는 상기 제 2 소스로부터 상기 버너로 연료의 플로우를 컨트롤하도록 구성된 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 연료/가스 혼합물의 온도 또는 화학양론을 센싱하도록 구성된 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 버너는 연료 입구, 연료 출구, 및 상기 버너의 종축을 따라 연료 출구의 적어도 일부를 오버래핑하는 에어 입구를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 5 항에 있어서,

상기 에어 입구는 상기 연료 출구의 하나 이상의 디멘션보다 더 큰 하나 이상의 디멘션을 갖는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 버너는 대략 이 버너의 주위에 위치되고, 에어를 비수직 각도로 상기 주위로 향하도록 구성된 복수의 에어 입구를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 버너는 상기 액체 연료를 증발시키도록 구성된 열전도성 다공질 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 8 항에 있어서,

상기 버너는 상기 다공질 재료를 둘러싸는 공간을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 버너는 에어 입구와, 에어와 증발된 연료를 각도 방향으로 향하도록 구성된 상기 에어 입구의 하류측의 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 버너는 원뿔의 일부로 형성되는 버너 출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 11 항에 있어서,

상기 원뿔은 대략 0°~ 대략 120°의 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 버너는 연료 입구, 상기 연료 입구와 유체 연통되는 증발기 캐비티, 상기 증발기 캐비티와 유체 연통되는 연료 출구, 상기 연료 출구와 유체 연통되는 에어 입구, 및 상기 에어 입구와 유체 연통되는 버너 출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 13 항에 있어서,

상기 버너는 상기 증발기 캐비티에 열전도성 다공질 재료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 14 항에 있어서,

상기 다공질 재료는 상기 연료 출구를 통해서만 상기 버너 출구와 유체 연통되는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 14 항에 있어서,

상기 버너는 상기 다공질 재료를 가열하도록 구성된 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 13 항에 있어서,

상기 버너는 상기 에어 입구의 하류측에 위치되고, 상기 증발기 캐비티를 둘러싸는 공간을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 17 항에 있어서,

상기 버너는 상기 공간 내에 에어와 가스 연료를 각도 방향으로 향하도록 구성된 돌출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 13 항에 있어서,

상기 에어 입구는 상기 버너의 종축을 따라 상기 연료 출구의 적어도 일부와 오버래핑되는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 13 항에 있어서,

상기 버너는 대략 이 버너의 주위에 위치되고, 에어를 비수직 각도로 주위로 향하도록 구성된 복수의 에어 입구를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 13 항에 있어서,

상기 버너 출구는 원뿔의 일부로 형성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 21 항에 있어서,

상기 원뿔은 대략 0° ~ 대략 120°의 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 시스템.
연소 시스템의 버너의 연료 입구를 통하여 제 1 페이즈에서 제 1 연료를 도입하는 스텝; 및

상기 연료 입구를 통하여 상기 제 1 페이즈와 다른 제 2 페이즈에 있는 제 2 연료를 도입하는 스텝을 포함하는 연소 방법으로서:

상기 버너로의 상기 제 2 연료의 도입은 상기 버너 또는 상기 연소 시스템을 변경하지 않고 수행되는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제 23 항에 있어서,

상기 버너의 출력 측정에 의거하여 상기 버너로 상기 제 1 연료 또는 상기 제 2 연료의 플로우를 컨트롤하는 스텝을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제 23 항에 있어서,

상기 버너의 출구의 온도 또는 산소 함유량을 측정하는 스텝을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제 23 항에 있어서,

상기 버너는 연료 출구와, 반경 방향으로 상기 연료 출구의 적어도 일부를 오버래핑하는 에어 입구를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제 26 항에 있어서,

상기 에어 입구는 상기 연료 출구의 하나 이상의 디멘션보다 더 큰 하나 이상의 디멘션을 갖는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제 23 항에 있어서,

에어를 비수직 각도로 상기 버너의 주위로 향하게 하는 스텝을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제 23 항에 있어서,

열전도성 다공질 재료로 액체 연료를 증발시키는 스텝을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제 23 항에 있어서,

다공질 재료를 둘러싸는 공간에 연료와 에어를 혼합하는 스텝을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제 23 항에 있어서,

각도 방향으로 에어와 연료를 향하게 하는 스텝을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제 23 항에 있어서,

상기 버너는 원뿔의 일부로 형성되는 버너 출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제 32 항에 있어서,

상기 원뿔은 대략 0°~ 대략 120°의 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제 23 항에 있어서,

상기 버너는 연료 입구, 상기 연료 입구와 유체 연통되는 증발기 캐비티, 상기 증발기 캐비티와 유체 연통되는 연료 출구, 상기 연료 출구와 유체 연통되는 에어 입구, 및 상기 에어 입구와 유체 연통되는 버너 출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제 34 항에 있어서,

상기 버너는 상기 증발기 캐비티에 열전도성 다공질 재료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제 35 항에 있어서,

상기 다공질 재료는 상기 연료 출구를 통해서만 상기 버너 출구와 유체 연통되는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제 35 항에 있어서,

상기 버너는 상기 다공질 재료를 가열하도록 구성된 히터를 더 포함하는 것 을 특징으로 하는 연소 방법.
제 35 항에 있어서,

상기 버너는 상기 에어 입구의 하류측에 위치되고, 상기 증발기 캐비티를 둘러싸는 공간을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제 38 항에 있어서,

상기 버너는 상기 공간 내에 에어와 가스 연료를 각도 방향으로 향하도록 구성된 돌출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제 35 항에 있어서,

상기 에어 입구는 상기 버너의 반경 방향을 따라 상기 연료 출구의 적어도 일부와 오버래핑되는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제 35 항에 있어서,

상기 버너는 대략 이 버너의 주위에 위치되고, 에어를 비수직 각도로 주위로 향하도록 구성된 복수의 에어 입구를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제 35 항에 있어서,

상기 버너 출구는 원뿔의 일부로 형성되는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제 42 항에 있어서,

상기 원뿔은 대략 0°~ 대략 120°의 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
연료 입구;

상기 연료 입구와 유체 연통되는 증발기 캐비티;

상기 증발기 캐비티와 유체 연통되는 연료 출구; 및

상기 연료 출구와 유체 연통되는 에어 입구를 포함하는 버너로서:

상기 에어 입구는 상기 버너의 반경 방향을 따라 상기 연료 출구의 적어도 일부와 오버래핑되는 것을 특징으로 하는 버너.
제 44 항에 있어서,

상기 버너는 상기 증발기 캐비티에 열전도성 다공질 재료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 버너.
제 45 항에 있어서,

상기 다공질 재료는 상기 연료 출구를 통해서만 버너 출구와 유체 연통되는 것을 특징으로 하는 버너.
제 44 항에 있어서,

상기 버너는 상기 다공질 재료를 가열하도록 구성된 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 버너.
제 44 항에 있어서,

상기 버너는 상기 에어 입구의 하류측에 위치되고, 상기 증발기 캐비티를 둘러싸는 공간을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 버너.
제 48 항에 있어서,

상기 버너는 상기 공간 내에 에어와 가스 연료를 각도 방향으로 향하도록 구성된 돌출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 버너.
제 44 항에 있어서,

상기 에어 입구는 상기 버너의 종축을 따라 상기 연료 출구의 적어도 일부와 오버래핑되는 것을 특징으로 하는 버너.
제 44 항에 있어서,

상기 버너는 대략 이 버너의 주위에 위치되고, 에어를 비수직 각도로 주위로 향하도록 구성된 복수의 에어 입구를 포함하는 것을 특징으로 하는 버너.
제 44 항에 있어서,

상기 버너는 원뿔의 일부로 형성되는 버너 출구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 버너.
제 52 항에 있어서,

상기 원뿔은 대략 0°~ 대략 120°의 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 버너.
연료 입구;

상기 연료 입구와 유체 연통되는 증발기 캐비티;

상기 증발기 캐비티와 유체 연통되는 연료 출구;

상기 연료 출구와 유체 연통되는 에어 입구; 및

상기 에어 입구의 하류측에 위치되고, 상기 증발기 캐비티를 둘러싸는 공간을 포함하는 것을 특징으로 하는 버너.
제 54 항에 있어서,

상기 버너는 상기 증발기 캐비티에 열전도성 다공질 재료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 버너.
제 55 항에 있어서,

상기 다공질 재료는 상기 연료 출구를 통해서만 버너 출구와 유체 연통되는 것을 특징으로 하는 버너.
제 55 항에 있어서,

상기 버너는 상기 다공질 재료를 가열하도록 구성된 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 버너.
제 54 항에 있어서,

상기 버너는 상기 공간 내에 에어와 가스 연료를 각도 방향으로 향하도록 구성된 돌출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 버너.
제 54 항에 있어서,

상기 버너는 대략 이 버너의 주위에 위치되고, 에어를 비수직 각도로 주위로 향하도록 구성된 복수의 에어 입구를 포함하는 것을 특징으로 하는 버너.
제 54 항에 있어서,

상기 버너는 원뿔의 일부로 형성되는 버너 출구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 버너.
제 60 항에 있어서,

상기 원뿔은 대략 0°~ 대략 120°의 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 버너.