KR20110056477A - 버너 조립체 및 연소 방법 - Google Patents

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Abstract

연소 구역에 연료 가스와 산화제를 별도로 주입하기 위한 가변 모멘텀 버너 조립체로서, 둘 이상의 연료 가스 도관(100), 하나 이상의 산화제 도관 및 연료 가스 분배기(110)를 포함하며, 둘 이상의 연료 가스 도관은 내부 연료 가스 출구를 형성하는 내부 연료-전달 통로(101) 및 외부 연료 가스 출구를 형성하는 외부 연료-전달 통로(102)를 포함하며, 상기 내부 연료-전달 통로 및 상기 외부 연료-전달 통로는 동축방향으로 배열되고; 상기 연료 가스 분배기는 둘 이상의 연료 가스 도관의 내부 연료-전달 통로와 유체 연통하는 제1 연료 가스 챔버(111) 및 둘 이상의 연료 가스 도관의 외부 연료-전달 통로와 유체 연통하는 제2 연료 가스 챔버(112)를 포함한다.

Description

버너 조립체 및 연소 방법{BURNER ASSEMBLY AND METHOD OF COMBUSTION}
본 발명은 로(furnace)의 연소 챔버에 연료 가스와 산화제를 별도로 도입하도록 별도의 연료 주입기 및 산화제 주입기를 포함하여, 연료가 넓은 발광 화염(luminous flame)에서 산화제를 이용하여 연소되고, 이로써 산화제를 이용한 연료의 연소가 감소된 양의 질소 산화물(NOx)을 발생시키는 연소 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
유리 또는 프릿(frit) 용융, 철 및 비철 재료 제련과 같은 산업상의 고온 공정들은 다양한 원료를, 이후에 주조되거나 성형되거나 또는 산업 공정의 다른 단계에서 처리되는 고온 생성물로 변환시키는데 많은 양의 에너지를 사용한다. 이러한 작업은 일반적으로 하루에 500 톤(미터법) 만큼의 용융 물질을 생성할 수 있는 대형 로에서 수행된다. 산소를 함유한 산화제를 이용하여 로에서 천연 가스, 프로판과 같은 고열량 연료 또는 가능하게는 일부 고로(blast furnace) 가스와 같은 저열량 연료를 연소시키는 것은 에너지를 공급하는 바람직한 방법이다. 일부 경우에서, 연소는 전기 가열에 의해 보충된다. 대부분, 연료 및 산화제는 화염을 발생시키기 위해 버너를 통해 로에 도입된다. 화염으로부터 가열 또는 용융될 물질로의 에너지 전달은, 물질이 복사(radiation) 투과성인 경우, 표면으로 또는 물질 내로의 복사와 물질 표면에서의 대류의 조합으로부터 기인한다. 매우 복사성인 화염(통상 발광 화염으로 지칭됨)이 보다 우수한 열 전달, 및 이에 따른 더 높은 연료 효율을 제공하기 때문에 대개 바람직하다.
화염 가열의 경우, 화염으로부터의 에너지가 가열 또는 용융될 물질의 표면 위에 고르게 분배되는 것 또한 매우 중요하다. 그렇지 않으면, 고온 영역과 저온 영역이 로에 공존할 수 있는데, 이는 이러한 로에서 가열되거나 용융된 물질을 이용하여 제조되는 생성물의 품질에 영향을 줄 수 있기 때문에 일반적으로 바람직하지 못하다. 예컨대, 용융 유리의 조(bath)에서, 냉각 영역에는 유리 스톤(stone)이 존재할 수 있고, 고온 영역에서는 휘발성이 증가할 수 있다. 넓은 화염이 보다 우수하고 보다 고른 범위를 산출하기 때문에 바람직하다.
많은 국가에서, NOx 배출에 관한 점점 더 엄격한 법규를 공표하고 있다. 따라서, NOx 형성이 제한된 연소 기술이 개발되어 왔다.
매우 고온의 공정에서, NOx 형성은 화염 및 로의 고온 영역 내에서의 산소 및 질소 분자의 긴 체류 시간에 의해 촉진된다. 산화제로서 공기 대신에 실질적으로 순수한 산소(90 % 이상의 O2)를 사용하는 것이, 거의 모든 질소가 제거되기 때문에 NOx 배출을 90 % 만큼 감소시키는데 매우 성공적임이 입증되었다.
그러나, 실질적으로 순수한 산소로 공기를 치환하는 것은 화염 온도를 증가시키고, 따라서 산소와의 질소 반응성이 높은 로 내 영역이 생성되며, 공기를 이용한 연소에 비해 전체적으로 감소하기는 하지만 NOx의 형성이 비례적으로 증가할 수 있다. 사실, 실제로 산업용 로가 공기 누출에 대해 기밀식이 아니고 연료가 통상 약간의 질소를 함유하며 비-극저온 공급원으로부터 공급되는 산소, 예컨대, 진공 스윙 흡착 플랜트(VSA)에 의해 생성된 산소는 소량의 잔류 질소 농도를 함유하기 때문에, 로에서 모든 질소를 제거하는 것은 통상적으로 불가능하다.
특히 산화제 가스의 경우 저압에서 작동하면서 NOx 배출이 감소된 넓고 편평한 발광 화염을 생성할 수 있고 버너 조립체가 사용되는 로에 적합하도록 화염 길이를 제어하는 방식을 제공하는 버너 조립체가 US-A-5984667 및 US-A-6068468에 공지되어 있으며, 출원인에 의해 상표명 알글래스(Alglass™) FC 및 알배치(Albatch™) FC 하에 상용화되어 있다.
상기 버너 조립체의 본질은 안정하고 넓은 발광 화염에서 산화제를 이용하여 연료 유체를 연소시키는 각도를 연료 유체 스트림과 산화제 유체 스트림에 부여하도록 연료와 산화제가 물리적으로 분리되어 있고(즉, 이격됨), 기하학적으로 배열된다는 것이다.
보다 구체적으로, US-A-5984667은 둘 이상의 연료 유체 공동, 하나 이상의 산화제 유체 공동, 및 연료 유체 공동 중 하나 이상 및 산화제 유체 공동 중 하나 이상이 종결되는 하나 이상의 출구면을 포함하는 버너 조립체를 개시한다. 상기 버너 조립체는:
a) 산화제 유체 스트림을 공급하는 수단;
b) 상기 하나 이상의 산화제 유체 공동에 상기 산화제 유체 스트림을 주입하여 하나 이상의 주입된 산화제 유체 스트림을 생성하는 수단;
c) 연료 유체 스트림을 공급하는 수단; 및
d) 상기 둘 이상의 연료 유체 채널에 상기 연료 유체 스트림을 주입하여 둘 이상의 주입된 연료 유체 스트림을 생성하는 수단을 포함하며,
산화제 유체 스트림 및 연료 유체 스트림의 주입 방향은 대체로 수렴하여 연소 영역에서 교차하고 둘 이상의 인접한 연료 유체 채널의 방향은 발산한다.
이러한 유형의 버너에 대해 입증된 잇점은 다음과 같다:
· 화염 에너지가 로 구조물을 향하는 것이 아니라 충전물을 향하도록 지향됨으로써 연료 효율이 개선됨
· 가열 균일성의 개선 및 향상된 충전 범위를 통한 열점(hot spot)의 제거
· 충전물, 예컨대 유리 용융 로 내 충전물로의 효율적인 열 전달을 야기하는 높은 발광도
· 낮은 오염물 배출.
이러한 유형의 버너는 특정 범위의 공정 조건 하에서, 특히 특정 범위의 연소율 이내에서는 신뢰성있게 작동하지만, 버너가 상기 범위 밖에서 작동하는 경우에는 문제가 발생할 수 있다. 예컨대, 이러한 유형의 버너가 겪는 문제점은, 저연소율(예컨대, 공칭 연소율의 30 % 미만)에서는 버너에 의해 생성된 화염이 '움직임이 느리고(lazy)', 로의 꼭대기를 향해 올라가는 경향이 있어서, 로의 꼭대기에 열점 형성의 위험성이 증가한다는 것이다. 매우 높은 연소율(예컨대, 공칭 연소율의 200 % 초과)에서는 화염 제어가 점점 어려워져서, 화염의 길이가, 예컨대 반대편의 로 벽에 손상을 야기할 수 있다.
상기 공지된 유형의 버너의 융통성을 향상시킬 필요성이 존재한다.
유리-용융 로에서, 예컨대, 로의 인상 속도(pull rate)를 증가시킬 필요도 있으며, 이는 일반적으로 로에 장착된 버너 중 하나 이상의 연소율 증가를 수반한다. 특정 환경 하에서, 또한 로의 인상 속도 감소가 필요할 수 있으며, 이는 버너 중 적어도 하나의 연소율 감소를 수반할 수 있다. 로에서 생성되는 생성물의 품질을 저하시키지 않으면서 및 로의 손상 위험성을 실질적으로 가속화하거나 증가시키지 않으면서 로의 연소율에 있어서 보다 큰 융통성을 제공하는 것이 바람직하다.
보다 넓은 범위의 공정 조건 및 특히 연소율에 걸쳐 상기 공지된 유형의 버너의 잇점을 신뢰성있게 나타내는 버너 조립체 및 연소 방법을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
연료와 산화제를 조합하여 주입(즉, 별도 주입과 반대되는, 이격되지 않은 연료 및 산화제 주입)하고 높은 모멘텀(high momentum) 및 낮은 모멘텀 모두에서 작동할 수 있는 버너가 본 기술분야에 공지되어 있다.
EP-A-0563793은 일반적으로 원통형인 하우징과 이격 관계로 및 상기 하우징 내부에 동심적으로 배치된 연료 도관을 구비한 산소-연료 버너를 포함하는 가변-모멘텀 산소-연료 연소 시스템을 개시하며, 이로써:
- 연료 도관이 상기 하우징의 주 부분을 따라 동일공간에 있으며(co-extensive) 상기 하우징의 화염 단부로서 동일한 평면에서 종결되는 화염 단부를 갖고;
- 연료 캡이 연료 도관 내에 동심적으로 배치되며 상기 연료 캡과 상기 연료 도관이 협력하여 상기 하우징의 상기 화염 단부에서 환형 연료 유동을 생성하고;
- 산화제 도관이 상기 연료 도관과 상기 하우징 사이에서 상기 하우징 내에 동심적으로 배치되며 상기 산화제 도관은 상기 하우징에서 동일공간에 있도록 연장되고;
- 예비연소기가 상기 버너 상에 장착되며;
이로써:
- 연료 도관은, 상기 하우징의 화염 단부에 의해 한정된 위치에서 종결되는 위치를 포함한 종방향 축을 따라 상기 산화제 도관에 대해 가변적으로 위치설정되도록 구성되어 상기 연료 도관을 둘러싸는 환형 산화제 통로 오리피스를 한정하고;
- 연료 도관 및 상기 연료 캡은, 상기 하우징의 화염 단부에 의해 한정된 위치에서 종결되는 위치를 포함한 종방향 축을 따라 서로에 대해 가변적으로 위치설정되도록 구성되어 연료를 상기 연료 통로로 및 산화제를 상기 산화 통로로 도입하기 위한 환형 연료 통로 수단을 한정한다.
EP-A-0563793에 따른 가변-모멘텀 연소 시스템의 주요한 애로사항은, 조립체 구성 부품, 예컨대 연료 도관, 산화제 도관 및/또는 하우징의 화염 단부에 인접한 연료 캡의 위치를 변화시킴으로써 산소-연료 화염의 모멘텀이 변한다는 점이다. 조립체에서, 산소-연료 화염의 영향, 예컨대 고온 및 가능하게는 연소 생성물 또는 휘발된 물질의 침착 하에 놓이는 지점에서 가동식 부품의 존재는 작동 중인 상기 연소 시스템의 신뢰성에 영향을 미친다.
EP-A-763692는 외부 산화제 튜브, 중간 연료 튜브 및 내부 산화제 튜브(내부 산화제 튜브와 외부 산화제 튜브 사이에 배치된 연료 튜브와 동축으로 배열됨)를 포함하는 산소-연료 버너를 개시하며, 이로써 버너에 의해 생성되는 화염의 특성이 내부 산화제 유동과 외부 산화제 유동의 상대 유량을 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 내부 산화제 튜브에 공급되는 총 산화제 비율의 증가는 화염의 길이 및 발광도를 감소시키고 화염 모멘텀을 증가시킨다. 이러한 유형의 버너가 출원인에 의해 상표명 알글래스 VM 및 알배치 VM 하에 상용화되어 있다.
유리-용융 로에서 입증된 이러한 버너 기술의 장점은:
- 로 내 분위기의 조절 가능성,
- 특히 산소-부스팅(oxy-boosting)의 경우, 화염 모멘텀의 조절 가능성,
- 로 형상(교차-연소(cross-firing)의 경우, 로의 폭)에 따른 화염 길이의 조정 가능성, 및
- 충전물(유리 조성물) 형태에 따른 화염 발광도의 수정 가능성이다.
연료 및 산화제를 조합하여 주입하기 위한 상기 공지된 가변 모멘텀 연소 기술 중 어느 것도, 둘 이상의 연료 통로를 포함함으로써 연료와 산화제 가스가 고온 로의 연소 챔버 내로 별도의 유체 스트림으로 주입되는 US-A-5984667 및 US-A-6068468로부터 공지된 유형의 버너 조립체에 사용하기에 적합하지 않다.
본 발명에 따라, 둘 이상의 연료 유체 도관(canal) 및 하나 이상의 산화제 유체 도관을 포함함으로써, 산화제 유체 스트림과 연료 유체 스트림의 주입 방향이 대체로 수렴하여 버너 조립체 하류의 연소 구역에서 교차하는 버너 조립체를 제공한다.
본 발명에 따라, 버너 조립체는:
· 둘 이상의 연료 가스 도관;
· 하나 이상의 산화제 도관; 및
· 둘 이상의 연료 가스 도관, 하나 이상의 산화제 도관, 또는 둘 모두가 종결되는 하나 이상의 출구면을 포함한다.
본 발명의 버너 조립체는:
a) 산화제 스트림을 공급하는 수단;
b) 상기 하나 이상의 산화제 유체 도관에 상기 산화제 스트림을 주입하여 하나 이상의 주입된 산화제 스트림을 생성하는 수단;
c) 연료 가스 스트림을 공급하는 수단;
d) 상기 둘 이상의 연료 가스 도관에 상기 연료 가스 스트림을 주입하여 둘 이상의 주입된 연료 가스 스트림을 생성하는 수단을 더 포함한다.
버너 조립체는 또한 하나 이상의 산화제 스트림 및 둘 이상의 연료 가스 스트림의 주입 방향이 대체로 수렴하여 버너 조립체 하류의 연소 구역에서 교차하도록 설계된다.
버너 조립체는 또한,
· 둘 이상의 연료 가스 도관은 내부 연료 가스 출구를 형성하는 내부 연료-전달 통로 및 외부 연료 가스 출구를 형성하는 외부 연료-전달 통로를 포함하며, 상기 내부 연료-전달 통로 및 상기 외부 연료-전달 통로는 동축으로 배열되고;
· 연료 가스 스트림을 주입하는 수단은 연료 가스 스트림을 공급하는 수단으로부터의 연료 가스 스트림을 수용하기 위한 연료 가스 분배기를 포함하며, 상기 연료 가스 분배기는:
ⅰ) 둘 이상의 연료 가스 도관의 내부 연료-전달 통로와 유체 연통하는 제1 연료 가스 챔버 - 상기 제1 연료 가스 챔버는 연료 가스 스트림을 공급하는 수단에 의해 공급되는 연료 가스를 수용하기 위한 제1 입구를 가짐 -;
ⅱ) 둘 이상의 연료 가스 도관의 외부 연료-전달 통로와 유체 연통하는 제2 연료 가스 챔버 - 상기 제2 연료 가스 챔버는 연료 가스 스트림을 공급하는 수단에 의해 공급되는 연료 가스를 수용하기 위한 제2 입구를 가짐 -; 및
ⅲ) 연료 가스 스트림을 제1 입구 및 제2 입구 각각으로 공급하는 수단으로부터의 연료 가스 스트림 유동을 제어하는 연료 가스 유동 제어 수단을 갖는 것을 특징으로 한다.
둘 이상의 연료 가스 도관의 내부 연료-전달 통로와 유체 연통하는 제1 연료 가스 챔버 및 둘 이상의 연료 가스 도관의 외부 연료-전달 통로와 유체 연통하는 제2 연료 가스 챔버를 갖는 연료 가스 분배기는, 둘 이상의 연료 가스 도관 모두로의, 및 보다 구체적으로는 상기 둘 이상의 연료 가스 도관의 내부 및 외부 연료-전달 통로 각각으로의 연료 가스의 유동을 동시에 고르고 신뢰성있게 제어할 수 있게 한다. 이하의 실시예에서 명백한 바와 같이, 이에 따라 내부 및 외부 연료-전달 통로에 걸쳐 연료 가스 스트림을 분배함으로써 버너 조립체의 연소율 및 화염 길이 모두가 제어될 수 있다.
둘 이상의 연료 가스 도관 각각의 통로에 대한 연료 가스 유동의 고른 동시적 제어는 버너 조립체가 유리 용융과 같은 산업상의 고온 공정에 사용되는 경우 큰 중요성을 갖는다. 실제로, 둘 이상의 연료 가스 도관에 대해 고르지 않거나 시간상 이격된 제어는, 공정에서 수득되는 생성물의 품질에 영향을 줄 수 있는 연소 구역의 열 프로파일 및 화염의 형상에 있어 지속적인 또는 일시적인 변화를 야기하거나 로에 손상을 일으킨다.
연료 가스 분배기의 상대적인 단순성은 또한 견고한 구성을 가능하게 한다. 또한, 연료 가스 분배기가 연소 구역으로부터 떨어진 반대편의 버너 조립체의 저온 측에 위치되는 경우, 연료 가스 분배기 및 그의 임의의 가동 부품이 로 내 고온의 잠재적으로 해로운 영향을 받지 않으며, 연소 생성물, 응축된 생성물 또는 먼지의 침착도 형성되지 않는다는 점에서 버너 조립체의 신뢰성 또한 부가된다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 하나 이상의 버너 조립체를 구비한 로, 및 본 발명에 따른 버너 조립체를 사용하여 버너 조립체 하류의 연소 구역에서 연료 및 산화제를 주입 및 연소시키는 연소 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 로는 특히, 유리-용융 로 또는 비철 용융 로, 예컨대 알루미늄 용융 로와 같은 용융 로일 수 있다.
본 발명에 따라, 둘 이상의 연료 가스 도관의 내부 연료-전달 통로는 제1 연료 가스 챔버 상에 장착될 수 있거나 둘 이상의 연료 가스 도관의 외부 연료-전달 통로는 제2 연료 가스 챔버 상에 장착될 수 있다. 바람직하게는, 둘 이상의 연료 가스 도관의 내부 연료-전달 통로는 제1 연료 가스 챔버 상에 장착되고 둘 이상의 연료 가스 도관의 외부 연료-전달 통로는 제2 연료 가스 챔버 상에 장착된다. 둘 이상의 연료 가스 도관 및 하나 이상의 산화제 유체 도관은 통상적으로 내화 블록 내에 위치된다. 연소 구역은 통상적으로 로의 내부에 위치된다. 연료 가스 분배기는 유익하게는 부분적으로 또는 전체적으로 내화 블록 외부에 위치된다. 내화 블록 상류측의 이러한 연료 가스 분배기의 위치는 연료 가스 분배기로의 접근을 용이하게 한다.
유익한 실시양태에 따라, 버너 조립체는 3 개의 연료 가스 도관을 갖는다. 유익한 버너 조립체는 5 개 이상의 도관, 특히 3 개의 연료 가스 도관 및 2 개의 산화제 도관을 가짐으로써, 바람직하게는 연료 가스 도관이 버너 조립체의 하부 부분에 위치되는 경우 산화제 도관이 버너 조립체의 상부 부분에 위치되거나, 또는 그 반대로 위치된다.
본 발명의 가능한 다양한 실시양태, 및 특히 연료 가스 도관의 갯수, 산화제 유체 도관의 갯수, 그 형태 및 배향, 및 사용될 수 있는 재료에 관한 더 상세한 사항은 전술한 종래 문헌 US-A-5984667 및 US-A-6068468을 참조한다.
용이한 구성을 위해, 제2 연료 가스 챔버는 바람직하게는 제1 연료 가스 챔버를 적어도 부분적으로 둘러싼다. 제2 연료 가스 챔버는 특히 제1 연료 가스 챔버를 전체적으로 둘러쌀 수 있다.
연료 가스 스트림을 공급하는 수단은 통상적으로 버너 조립체를 연료 공급원에 연결하는 연료 공급 라인을 포함하며, 상기 연료 공급원은 연료 저장조, 연료 생성 유닛 또는 다른 연료 공급 라인, 예컨대 가스 파이프라인일 수 있다. 상기 연료 공급원 하류의 버너 조립체에서는 연료가 (예컨대, 팽창기를 통과한 이후) 연료 가스 스트림의 형태로 존재하지만, 연료 공급원에서 연료는 액체 형태로 존재할 수 있음을 이해할 것이다. 마찬가지로, 산화제 스트림을 공급하는 수단은 통상적으로 버너 조립체를 산화제 공급원, 예컨대 산화제 저장조, 산화제 생성 유닛 또는 다른 산화제 공급 라인에 연결하는 산화제 공급 라인을 포함한다.
연료 가스 유동 제어 수단은 제1 및 제2 입구를 통해 각각 유동하는 연료 가스 스트림을 제어하는 효과를 달성하기 위해 제1 및/또는 제2 입구를 부분적으로 또는 전체적으로 폐쇄할 수 있는 하나 이상의 밸브를 포함할 수 있다.
이들 밸브는 수동 및/또는 자동으로 조작될 수 있다.
본 내용에서, 입구의 부분적인 폐쇄는 입구 개방의 제한을 의미하며 입구를 통한 가스상 연료의 유동이 부분적으로 차단된다는 것으로 이해된다.
바람직한 실시양태에 따라, 특히 제2 연료 가스 챔버의 입구를 부분적으로 또는 전체적으로, 선택적으로 개방하거나 폐쇄하기 위해 연료 가스 유동 제어 수단을 구비한다.
본 발명은, 제1 입구로의 및 이에 따른 제1 연료 가스 챔버 내로의 연료 가스의 유동, 및 제2 입구로의 및 이에 따른 제2 연료 가스 챔버로의 연료 가스의 유동을 제어함으로써, 둘 이상의 연료 도관을 통한 및 보다 구체적으로는 상기 도관의 내부 및 외부 연료-전달 통로를 통한 연료 가스의 모멘텀을 동시에 고르게 제어할 수 있게 한다.
특정 실시양태에 따라, 제1 연료 가스 챔버 및 제2 연료 가스 챔버는 제1 및 제2 입구 중 하나를 통해 서로 유체 연통한다. 연료 공급 수단은 연료 가스 분배기의 제1 입구 또는 제2 입구로, 즉 제1 연료 가스 챔버 또는 제2 연료 가스 챔버 중 어느 하나의 입구로 연료 가스 스트림을 공급한다. 이러한 실시양태에 따라, 연료 공급 수단에 의해 연료 가스 스트림이 공급된 연료 가스 챔버로부터 다른 연료 가스 챔버로 상기 다른 연료 가스 챔버의 입구를 통해 유동하는 연료 가스 스트림 부분을 제어하기 위해 연료 가스 유동 제어 수단을 구비한다. 통상적으로, 연료 가스 유동 제어 수단은, 초기 연료 가스 챔버로부터 다른 연료 가스 챔버로 유동하는 연료 가스 스트림 부분을 제어하기 위해 밸브 입구를 부분적으로 또는 전체적으로 폐쇄함으로써, 둘 이상의 연료 가스 도관의 내부 연료-전달 통로를 통해 및 둘 이상의 연료 가스 도관의 외부 연료-전달 통로를 통해 각각 주입되는 연료 가스 스트림의 비율을 동시에 고르게 제어할 수 있는 밸브를 포함한다. 본 발명에 따라, 상기 밸브는 수동 및/또는 자동으로 조작될 수 있다.
바람직하게는, 연료 공급 수단은 연료 가스 스트림을 제1 입구, 즉 제1 연료 가스 챔버의 입구로 공급하며, 제1 연료 가스 챔버로부터 제2 입구를 통해 제2 연료 가스 챔버로 유동하는 연료 가스 스트림 부분을 제어하기 위해 연료 가스 유동 제어 수단을 구비한다. 제1 연료 가스 챔버로부터 제2 연료 가스 챔버로 유동하는 연료 가스 스트림 부분은 둘 이상의 연료 가스 도관의 외부 연료-전달 통로를 통해 연소 구역으로 주입되며, 제1 연료 가스 챔버로부터 제2 연료 가스 챔버로 유동하지 않는 연료 가스 스트림의 나머지 부분은 둘 이상의 연료 가스 도관의 내부 연료-전달 통로를 통해 주입된다.
별법으로, 연료 공급 수단은 연료 가스 스트림을 제2 입구, 즉 제2 연료 가스 챔버의 입구로 공급할 수 있으며, 제2 연료 가스 챔버로부터 제1 입구를 통해 제1 연료 가스 챔버로 유동하는 연료 가스 스트림 부분을 제어하기 위해 연료 가스 유동 제어 시스템을 구비한다. 이러한 경우, 제2 연료 가스 챔버로부터 제1 연료 가스 챔버로 유동하는 연료 가스 스트림 부분은 둘 이상의 연료 가스 도관의 내부 연료-전달 통로를 통해 연소 구역으로 주입되고, 제2 연료 가스 챔버로부터 제1 연료 가스 챔버로 유동하지 않는 연료 가스 스트림의 나머지 부분은 둘 이상의 연료 가스 도관의 외부 연료-전달 통로를 통해 주입된다.
이러한 경우, 연료 가스 스트림을 공급하는 수단으로부터 나온 동일한 연료 가스는 제1 및 제2 연료 가스 챔버 모두로 (또는 하나의 챔버로부터 다른 챔버로 유동하는 연료 가스 스트림의 비율이 0인 경우에는 연료 가스 챔버 중 어느 하나만으로) 공급된다.
예컨대:
(a) 연료 공급 수단이 연료 가스 스트림을 제1 입구 및 이에 따른 제1 연료 가스 챔버로 공급하는 경우, 및 연료 가스 유동 제어 수단이 제2 연료 가스 챔버로의 제2 입구를 완전히 폐쇄하는 경우, 전체 연료 가스 스트림이 둘 이상의 연료 가스 도관의 내부 연료-전달 통로를 통해 주입되며;
(b) 반면, 상기 연료 가스 유동 제어 수단이 제2 가스 챔버로의 제2 입구를 부분적으로 또는 전체적으로 개방 상태로 남겨두어, 연료 가스 스트림의 일부가 제2 입구를 통해 제2 연료 가스 챔버로 유동하는 경우, 제2 연료 가스 챔버로 진행하는 연료 가스 스트림의 상기 부분은 둘 이상의 연료 도관의 외부 연료-전달 통로를 통해 주입되고, 제2 연료 가스 챔버로 진행하지 않는 연료 가스 스트림의 나머지 부분은 둘 이상의 연료 가스 도관의 내부 연료-전달 통로를 통해 주입된다.
연료 공급 수단이 제2 입구로 연료 가스 스트림을 공급하는 경우에는 그 반대이다.
연료 가스 분배기로 연료 가스 스트림을 공급하는 수단들로부터의 연료 가스의 동일한 유동을 위해, 연료 가스가 둘 이상의 연료 가스 도관을 통해 주입되는 경우의 총 모멘텀은 (a) 연료 가스 모두가 내부 연료-전달 통로를 통해 주입되는 경우가, (b) 연료 가스의 일부가 외부 연료-전달 통로를 통해 주입되고 연료 가스의 나머지가 내부 연료-전달 통로를 통해 주입되는 경우와 비교했을 때 더 크다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 또한 본 발명의 상기 실시양태 중 어느 하나에 따른 하나 이상의 버너 조립체를 포함하는 로에 관한 것이다. 상기 로는 특히 유리 용융 로 또는 알루미늄 용융 로와 같은 용융 로일 수 있다.
본 발명의 다른 태양은 상기 기술된 본 발명의 실시양태 중 어느 하나에 따른 버너 조립체를 사용하여 산화제로 연료를 연소시키는 방법이다. 상기 방법은,
a) 산화제 스트림을 공급하는 수단에 의해 산화제 스트림을 공급하는 단계;
b) 상기 산화제 스트림을 하나 이상의 산화제 유체 도관에 주입하여 하나 이상의 주입된 산화제 스트림을 생성하는 단계;
c) 연료 가스 스트림을 공급하는 수단에 의해 연료 가스 스트림을 연료 가스 분배기에 공급하는 단계;
d) 연료 가스 유동 제어 수단에 의해 제1 및 제2 입구로의 연료 가스 스트림의 유동을 제어하는 단계;
e) 상기 연료 가스 스트림을 상기 둘 이상의 연료 가스 도관에 주입하여 둘 이상의 주입된 연료 가스 스트림을 생성하는 단계;
f) 하나 이상의 주입된 산화제 스트림과 둘 이상의 주입된 연료 가스 스트림이 교차하는 버너 조립체 하류의 연소 구역에서 상기 하나 이상의 주입된 산화제 스트림 및 둘 이상의 주입된 연료 가스 스트림을 연소반응시키는 단계를 포함한다.
산화제는 공기 또는 산소-풍부 공기와 같은 산화제로 구성될 수 있다. 산화제 스트림은 유익하게는 50 % 이상, 바람직하게는 80 % 이상, 더 바람직하게는 90 % 이상, 및 가장 바람직하게는 95 % 이상의 산소 몰 농도를 갖는 산화제로 구성된다. 이러한 산화제는 50 부피% 이상의 산소, 예컨대 극저온 공기 분리 플랜트에 의해 제조된 "산업용으로" 순수한 산소(99.5 %) 또는 예컨대 진공 스윙 흡착법에 의해 제조된 비-순수(non-pure) 산소(88 부피% 이상의 O2) 또는 여과, 흡착, 흡수, 막분리 등에 의해 공기 또는 임의의 다른 소스로부터 제조된 "불순한(impure)" 산소를 함유하는 산소-풍부 공기를 포함하며, 산화제는 실온으로 존재할 수 있거나 예비가열된 형태로 존재할 수 있다.
연료 가스 공급 수단이 제1 및 제2 입구 중 하나로 연료 가스 스트림을 공급하고, 제1 및 제2 연료 가스 챔버가 제1 및 제2 입구 중 다른 하나를 통해 서로 유체 연통하는 본 발명의 버너 조립체의 경우,
· 연소 방법 중 단계 c)는 통상적으로 제1 및 제2 연료 가스 챔버 중 하나로 상기 연료 가스 챔버의 입구를 통해 연료 가스 스트림을 공급하는 단계를 포함하며,
· 방법 중 단계 d)는:
d1) 상기 연료 가스 챔버의 입구를 통해 상기 제1 및 제2 가스 연료 챔버 중 하나로 공급된 연료 가스 스트림의 유동을 제어하는 단계, 및
d2) 상기 제1 및 제2 연료 가스 챔버 중 하나로부터 다른 연료 가스 챔버로 상기 다른 연료 가스 챔버의 입구를 통해 유동하는 상기 연료 가스 스트림 부분을 제어하는 단계를 포함한다.
상기 기술한 바와 같이, 연료 가스 스트림을 공급하는 수단이 (제1 연료 가스 챔버의) 제1 입구로 연료 가스 스트림을 공급하는 경우, 상기 연소 방법의 단계 c)는 제1 입구를 통해 연료 가스 스트림을 제1 연료 가스 챔버로 공급하는 단계를 포함하고, 방법 중 단계 d)는:
d1) 제1 입구를 통해 제1 연료 가스 챔버로 공급되는 연료 가스 스트림의 유동을 제어하는 단계, 및
d2) 상기 제1 연료 가스 챔버로부터 제2 입구를 통해 제2 연료 가스 챔버로 유동하는 상기 연료 가스 스트림 부분을 제어하는 단계를 포함한다.
반대로, 연료 가스 스트림을 공급하는 수단이 연료 가스 스트림을 (제2 연료 가스 챔버의) 제2 입구로 공급하는 경우, 상기 연소 방법 중 단계 c)는 제2 입구를 통해 연료 가스 스트림을 제2 연료 가스 챔버로 공급하는 단계를 포함하고, 방법 중 단계 d)는:
d1) 제2 입구를 통해 제2 연료 가스 챔버로 공급되는 연료 가스 스트림의 유동을 제어하는 단계, 및
d2) 제1 입구를 통해 상기 제2 연료 가스 챔버로부터 상기 제1 연료 가스 챔버로 유동하는 상기 연료 가스 스트림 부분을 제어하는 단계를 포함한다.
또한 상기 기술한 바와 같이, 제2 연료 가스 챔버는 제1 연료 가스 챔버를 적어도 부분적으로 및 바람직하게는 전체적으로 둘러쌀 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 대안적인 실시양태에서, 연료 가스 스트림을 연료 가스 분배기로 공급하는 단계 c)는:
- c1) 제1 연료 가스 스트림을 제1 연료 가스 챔버(111)의 제1 입구(131)로 공급하는 단계; 및
- c2) 제2 연료 가스 스트림을 제2 입구(132)로 공급하는 단계를 포함하는 반면, 제1 입구 및 제2 입구 각각으로의 연료 가스 스트림 유동을 제어하는 단계 d)는:
- d1) 제1 입구(131)로의 제1 연료 가스 스트림의 유동을 제어하는 단계; 및
- d2) 제2 입구(132)로의 제2 연료 가스 스트림의 유동을 제어하는 단계를 포함한다.
상기 방법은 이하의 단계들을 더 포함한다:
- e1) 제1 연료 가스 챔버(111)로부터의 제1 연료 가스 스트림을 둘 이상의 연료 가스 도관(110)의 내부 연료-전달 통로(101)에 주입하는 단계;
- e2) 제2 연료 가스 챔버(112)로부터의 제2 연료 가스 스트림을 둘 이상의 연료 가스 도관(110)의 외부 연료-전달 통로(102)에 주입하는 단계; 및
- f) 하나 이상의 주입된 산화제 스트림과 둘 이상의 주입된 연료 가스 스트림이 교차하는 버너 조립체 하류의 연소 구역에서 하나 이상의 주입된 산화제 스트림 및 둘 이상의 주입된 연료 가스 스트림을 연소반응시키는 단계.
이러한 경우, 버너 조립체는 통상적으로, (a) 제1 연료 가스 스트림을 제1 연료 가스 챔버의 제1 입구로 공급하는 수단 및 (b) 제2 연료 가스 스트림을 제2 연료 가스 챔버의 제2 입구로 공급하는 수단을 포함하는 연료 가스 스트림을 공급하는 수단, 및 (c) 제1 입구로의 제1 연료 가스 스트림의 유동을 제어하고 제2 입구로의 제2 연료 가스 스트림의 유동을 제어하기 위해 구비된 연료 가스 유동 제어 수단을 갖는다.
제1 연료 가스 스트림은 저열량 연료 가스로 구성되고, 제2 연료 가스 스트림은 고열량 연료 가스로 구성될 수 있거나 그 반대도 가능하다.
유익하게는, 제1 연료 가스 스트림은 저열량 연료 가스로 구성되고 제2 연료 가스 스트림은 고열랑 연료 가스로 구성된다.
바람직하게는:
ⅰ) 연료 가스 유동 제어 수단은 제1 입구, 즉 제1 연료 가스 챔버의 입구 및 이로부터 내부 연료-전달 통로로 제1 연료 가스 스트림을 공급하는 수단으로부터의 제1 연료 가스 스트림 유동을 제어하여, 제1 연료 가스 스트림이 둘 이상의 주입된 연료 가스 스트림의 0 내지 90 부피%를 구성하며,
ⅱ) 연료 가스 유동 제어 수단은 제2 입구, 즉 제2 연료 가스 챔버의 입구 및 이로부터 외부 연료-전달 통로로 제2 연료 가스 스트림을 공급하는 수단으로부터의 제2 연료 가스 스트림 유동을 제어하여, 제2 연료 가스 스트림이 둘 이상의 주입된 연료 가스 스트림의 100 내지 10 부피%를 구성한다.
이러한 연소 방법의 특정 실시양태에 따라, 제1 연료 가스 스트림은 둘 이상의 주입된 연료 가스 스트림의 0 내지 50 부피%를 구성하며, 제2 연료 가스 스트림은 둘 이상의 주입된 연료 가스 스트림의 100 내지 50 부피%를 구성한다. 이러한 상기 실시양태는 버너 조립체가 공칭 전력 이하의 전력으로 작동하는 경우 특히 유용하다.
제1 연료 가스 스트림은 유익하게는 5 m/s 내지 50 m/s의 주입 속도로 내부 연료 가스 출구를 떠난다.
제2 연료 가스 스트림은 유익하게는 18 m/s 내지 30 m/s의 주입 속도로 외부 연료 가스 출구를 떠난다.
전술한 바와 같이, 이러한 버너 조립체 및 이에 대응하는 연소 방법은 버너 조립체/연소 방법 및 또한 결과적으로 버너 조립체가 장착되는 로가, 현장에서 또는 저비용으로 이용가능할 수 있는 저열량 연료 가스를 사용할 수 있게 하는 주요한 장점을 나타낸다. 저열량 연료 가스는 로 내 온도가 낮은 경우, 예컨대 시동 중에 일시적인 성질일 수 있는 화염 불안정성을 야기하거나 점화를 어렵게 할 수 있다. 본 발명은 고열량 연료를 일시적으로(예컨대, 시동 중에) 단독으로(즉, 저열량 연료를 동시에 주입하지 않고) 주입하거나, 저열량 연료를 (일시적으로 또는 연속적으로) 동시에 함께 그리고 둘 이상의 연료 도관에 대해 동시에 고르게 주입함으로써 이 문제점들을 극복할 수 있게 한다.
본 실시양태에 따른 버너 조립체에서, 제1 연료 가스 챔버는 보통 제2 연료 가스 챔버와 유체 연통하지 않는다. 따라서, 제1 연료 가스 챔버에 공급되는 제1 연료 가스 스트림 전체는 보통 둘 이상의 연료 가스 도관의 내부 연료-전달 통로로 유동하여 연소 구역으로 주입되며, 제2 연료 가스 챔버로 공급되는 제2 연료 가스 스트림 전체는 연소 구역으로의 주입을 위해 둘 이상의 연료 가스 도관의 외부 연료-전달 통로로 유동한다.
제1 연료 가스 스트림의 조성은 제2 연료 가스 스트림의 조성과 동일하거나 상이할 수 있다. 제1 및 제2 연료 가스 스트림이 상이한 조성을 갖는 경우, 둘 이상의 연료 가스 도관을 통해 주입되는 연료 가스의 전체적인 조성은 연료 가스 유동 제어 수단을 사용하여 제1 연료 가스 챔버로의 제1 연료 가스 스트림 유동과 제2 연료 가스 챔버로의 제2 연료 가스 스트림 유동 간의 비율을 제어함으로써 동시에 고르게 제어된다.
특히, 제1 연료 가스 스트림의 연료 가스는 제2 연료 가스 스트림의 연료 가스보다 높거나 낮은 열량 (LHV 또는 저발열량으로도 지칭됨)을 가질 수 있다. 특히, 제1 연료 가스 스트림의 연료 가스는 저열량을 가진 연료일 수 있고, 제2 연료 가스 스트림의 연료 가스는 고열량을 가진 연료일 수 있으며, 그 반대도 가능하다.
제1 및 제2 연료 가스 스트림이 상이한 열량을 갖는 경우, 둘 이상의 연료 가스 도관을 통해 주입되는 연료 가스의 전체적인 열량은 연료 가스 유동 제어 수단을 사용하여 제1 입구 및 이에 따른 제1 연료 가스 챔버로의 제1 연료 가스 스트림 유동과 제2 입구 및 이에 따른 제2 연료 가스 챔버로의 제2 연료 가스 스트림 유동 간의 비율을 제어함으로써 동시에 고르게 제어된다.
본 내용에서, "저열량을 갖는 연료"는 5 kWh/Nm3 미만의 열량을 갖는 연료를 의미하는 것으로 이해되고, "고열량을 갖는 연료"는 5 kWh/Nm3 이상의 열량을 갖는 연료를 의미하는 것으로 이해된다. 저열량 연료의 예는, 예컨대 0.90 내지 0.98 kWh/Nm3의 열량을 갖는 일부 고로 가스이다. 고열량 연료의 예는, 약 10 kWh/Nm3의 열량을 갖는 천연 가스이다. (정상 입방미터(Nm3)는 정상 상태(0 ℃ 및 1 atm)에서 1 m3의 부피를 점유하는 가스의 양에 상응한다.)
이러한 버너 조립체 및 이에 대응하는 연소 방법 및 로는 보다 큰 융통성(보다 넓은 범위의 공정 조건)을 제공할 뿐만 아니라, 상기 로 및 저열량을 갖는 연료의 연소 방법을 재평가(valorisation)할 수 있게 한다.
실제로, 일반적으로 연소 구역 내로 주입되는 연료의 열량 변화는 온도, 온도 분포 및 화염 안정성에 유의한 변화를 야기할 수 있지만, 본 발명에 따른 버너 조립체 및 이에 대응하는 연소 방법 및 로는, 넓은 범위의 연료 가스 및 총 열량 및 총 열량의 변화에 대하여, 특히 화염 구조 및 이에 따른 화염 안정성, 열 에너지 방출 및 NOx와 같은 오염물 생성의 보다 우수한 제어를 제공하도록 구성된다.
화염 안정성은 또한 둘 이상의 연료 주입 도관의 출구 부근에 또는 이를 통해 하나 이상의 보조 산화제 제트를 주입함으로써 증가될 수 있다. 바람직한 실시양태에 따라, 보조 산화제 제트는 둘 이상의 연료 도관의 출구 부근에 또는 이를 통해 연소 구역으로 주입되며, 상기 보조 산화제 제트는 둘 이상의 주입된 연료 가스 스트림을 둘러싼다. 화염 안정성을 증가시키기 위한 이러한 조치는 본 발명에 따른 방법의 전술된 제1 실시양태에도 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
하나 이상의 보조 산화제 제트를 주입하는 경우, 상기 하나 이상의 보조 산화제 제트의 주입 속도는 유익하게는 1 m/s 내지 12 m/s, 바람직하게는 10 m/s± 1 m/s 이며, 이에 따라 화염 안정성이 향상된다.
상이한 조성을 갖는 제1 및 제2 연료 가스 스트림의 사용은 연소 방법/버너 조립체 및 결과적으로는 버너 조립체가 장착되는 로가 현장에서 또는 저비용으로 이용가능할 수 있는 저열량 연료 가스를 사용가능하게 하는 주요한 장점을 나타낸다. 저열량 연료 가스는, 로 내 온도가 낮은 경우, 예컨대 시동 중에 일시적인 성질일 수 있는 화염 불안정성을 야기하거나 점화를 어렵게 할 수 있다. 본 발명은 고열량 연료를 일시적으로(예컨대, 시동 중에) 단독으로(즉, 저열량 연료를 동시에 주입하지 않고) 주입하거나, 저열량 연료를 (일시적으로 또는 연속적으로) 동시에 함께 그리고 둘 이상의 연료 도관에 대해 동시에 고르게 주입함으로써 이 문제점들을 극복 가능하게 한다.
본 발명의 실시양태 및 장점들이, 첨부된 도면을 참조하는 이하의 실시예에 예시된다.
도 1은 본 발명에 따른 버너 조립체를 사용하여 연료 가스 및 산화제를 연소반응시키는 개략적인 사시도이며, 제1 평면에 위치된 세(3) 개의 연료 가스 도관을 통해 연료 가스를 주입함으로써 연료 가스 "시트"가 형성되고 제2 평면에 위치된 두(2) 개의 산화제 도관을 통해 산화제가 주입된다.
도 2는 도 1의 버너 조립체의 제1 실시양태의 연료 가스 도관을 가로지르는 개략적인 단면도이며, 제1 연료 가스 스트림이 제1 연료 가스 챔버로 공급되고 제2 연료 가스 스트림이 제2 연료 가스 챔버로 공급된다.
도 3은 도 1의 버너 조립체의 제2 실시양태의 연료 가스 도관을 가로지르는 개략적인 단면도이며, 연료 가스 분배기에 공급되는 연료 가스 스트림이, 제1 챔버로 공급되는 제1 연료 가스 스트림 및 제2 연료 가스 챔버로 공급되는 제2 연료 가스 스트림으로 나뉜다.
도 4 내지 도 7은 도 1의 버너 조립체의 다른 실시양태의 연료 가스 도관을 가로지르는 개략적인 단면도이며, 연료 가스 분배기에 공급되는 연료 가스 스트림은 연료 가스 챔버 중 하나로 공급되고, 이에 따라 상기 연료 가스 챔버에 공급되는 연료 가스 스트림의 제어된 부분은 제2 연료 가스 챔버로 진행가능할 수 있다.
Ⅰ. 일반적 태양
본 발명의 일 태양에 따라, 연소 방법 및 이를 위해 낮은 산화제 공급 압력, 예컨대 진공 스윙 흡착 산소 생성 유닛에 의해 전달되는 압력으로 작동하는 버너 조립체가 제공된다. 낮은 산화제 압력은 105,000 내지 170,000 Pa (절대 압력) (50 m bar 내지 0.7 bar/상대 압력) 범위의 압력을 의미한다.
본 발명에 따라, 연료 및 산화제는 버너 조립체 내의 별도의 도관을 통해 로에 도입된다. 본 발명에 따른 용어 "연료 가스"는 실온(약 25 ℃)에서 가스상 형태의 연료, 예컨대 메탄, 천연 가스, 프로판 등 또는 예열된 형태의 연료를 의미한다. 본 발명에 따른 "산화제"는 공기일 수 있다. 산화제는 바람직하게는 50 % 이상의 산소 몰 농도를 갖는 가스이다. 이러한 산화제는, 예컨대 극저온 공기 분리 플랜트에 의해 제조된 "산업용으로" 순수한 산소(99.5 %) 또는 예컨대 진공 스윙 흡착법에 의해 제조된 비-순수 산소(88 부피% 이상의 O2) 또는 여과, 흡착, 흡수, 막분리 등에 의해 공기 또는 임의의 다른 소스로부터 제조된 "불순한" 산소와 같은 50 부피% 이상의 산소를 함유한 산소-풍부 공기를 포함하며, 산화제는 실온으로 존재할 수 있거나 예열된 형태로 존재할 수 있다.
작동을 위해 장착되는 경우, 본원에 정의된 도관은 보통 세라믹 블록 또는 블록 조립체 또는 로 벽을 관통한다. 도관은 바람직하게는 일반적으로 원형 단면을 갖는다. 정사각형, 직사각형, 타원형(ellipsoid), 타원형(oval) 등과 같은 임의의 상응하는 단면이 사용될 수 있다. 도관 및 통로는 유익하게는 세라믹 블록, 블록 조립체 또는 로 벽에 배치될 수 있는 관형 부재로 제조되어 세라믹 블록, 블록 조립체 또는 로 벽에 대한 손상을 감소시키거나 방지한다. 상기 관형 부재는 금속성 튜브, 세라믹 단부를 구비한 금속성 튜브 또는 파이프, 세라믹 튜브 또는 이들의 조합일 수 있다. 주입기 튜브로 적절한 세라믹 재료의 예는 알루미나, 지르코니아, 이트리아, 탄화규소 등을 포함한다. 주입기가 금속성인 경우, 다양한 스테인레스 강이 주입기로 사용될 수 있으며, 세라믹 주입기에 대해 언급된 것과 같은 재료를 사용한 열-보호 내화 코팅을 갖는 금속성 주입기도 가능하다.
바람직하게는, 연료 가스 주입은, 축이 바람직하게는 제1 연료 평면으로도 지칭되는 동일한 평면에 위치되는, 바람직하게는 실질적으로 동일한 치수를 갖는 둘 이상의 도관에 의해 이뤄진다. 연료 유체 스트림 및 산화제 유체 스트림에 버너 조립체 하류의 연소 구역에 안정하고 넓은 발광 화염에서 산화제를 이용한 연료 유체의 연소를 가능하게 하는 속도 및 각도를 부여하기 위해 연료 출구 및 산화제 출구가 물리적으로 분리되어 기하학적으로 배열된다.
바람직한 실시양태에서, 연료 도관은 초기 각도로 발산된 다음, 이러한 초기 발산 각도는 연료가 최종 발산 각도로 연소 챔버로 유입되기 약간 직전에 증가한다. 이러한 최종 발산 각도는 바람직하게는 최초 발산 각도보다 단지 몇 도 크다. 두 인접 연료 도관 사이의 바람직한 최종 각도는 3 내지 10 도이다.
본 발명의 바람직한 일 실시양태에 따라, 연료 유체의 "시트"가, 예컨대 바람직하게는 15 도 미만의 최종 발산 각도를 이루는 둘 이상의 연료 도관(상기 연료 도관은 제1 연료 평면에 위치됨)에 의해 가열될 표면 위에 생성되고, 산화제 유체가 바람직하게는 둘 이상의 산화제 도관(인접한 두 산화제 도관은 15 도 미만의 최종 발산 각도를 이룸)을 이용하여 연료 유체의 속도보다 낮은 속도(바람직하게는 60 미터/초(m/s)를 초과하지 않음)를 갖고 가열될 표면 위로 주입되는 공정이 제공된다. 이들 산화제 도관의 축은 바람직하게는 연소 챔버의 제1 연료 평면으로 수렴하여 이와 교차하는 제2 산화제 평면에 위치된다. 연료 시트와 교차하는 저속 산화제 유체 제트는 연료 유동에 의해 연료 시트를 따라 드래깅(dragging)되어 "시트"를 따라 신장되는 연소 구역을 생성한다. 따라서, 연소 챔버의 연소 구역의 초반에는 유의한 양의 그을음이 형성되는 연료 클라우드(fuel cloud)의 밑면에 연료-풍부 영역이 유지된다. 이후, 그을음 및 연료는 연소 구역을 따라 확산하는 산화제에 의해 점진적으로 산화된다.
연소 시스템에 의해 사용되는 연료 및 산화제의 총량은 보통 산소의 유동이 연료 유동의 완전한 연소를 제공하는데 필요한 산소의 이론적인 화학양론적 유동의 0.95 내지 1.05 범위이도록 된다. 이 설명을 달리 표현하면, 연소비가 0.95 내지 1.05 라는 것이다.
Ⅱ. 실시예
도 1은, 예컨대 유리 용융 탱크에 사용되는, 본 발명에 따른 버너 조립체에 의해 연료 가스 및 산화제를 연소반응시키는 개략적인 사시도이다.
연료 가스 "시트" 또는 "클라우드"는 제1 평면(2)의 세(3) 개의 연료 가스 도관을 통해 버너 조립체의 출구면을 빠져나가는 3 개의 주입된 연료 가스 스트림에 의해 형성된다. 두(2) 개의 주입된 산화제 스트림(6)은 제2 평면(4)의 산화제 도관을 빠져나와, 로의 연소 챔버(70)에서 연료 시트와 교차한다.
산화제를 이용한 연료 가스의 연소는 두 유동 사이의 계면에서 발생하여 용융물(9) 위에 화염(8)을 생성한다. 연료 가스를 평면에 분사하고 용융물 전체에 걸쳐 실질적으로 용융물과 평행한 평면층 또는 "시트"를 생성하고 산화제, 특히 산소를 위로부터 "시트"의 방향으로 지향시켜 "시트"와 교차시킴으로써, 서로 교차하는 지점에서 산화제 유체와 연료 가스 사이에 연소반응이 발생한다.
이러한 연소 방법 및 그 장점이 US-A-5984667 및 US-A-6068468에 기술되어 있다.
도 2는 도 1의 버너 조립체의 제1 실시양태의 연료 가스 도관(평면 2)을 가로지르는 개략적인 단면이며, 제1 연료 가스 스트림은 제1 연료 가스 챔버로 공급되고 제2 연료 가스 스트림은 제2 연료 가스 챔버로 공급된다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 세(3) 개의 연료 가스 도관(100) 각각은 내부 연료 가스 출구를 형성하는 내부 연료-전달 통로(101) 및 외부 연료 가스 출구를 형성하는 동축의 외부 연료-전달 통로(102)를 포함한다.
3 개의 연료 가스 도관(100)은 연료 가스 분배기(110)와 유체 연통한다. 연료 가스 분배기는 제1 연료 가스 챔버(111) 및 제2 연료 가스 챔버(112)를 포함한다. 연료 가스 분배기에 연료 가스를 공급하는 수단은, (1) 제1 입구(131)를 통해 제1 연료 가스를 제1 연료 가스 챔버(111)로 공급하는 제1 공급 라인(121) 및 (2) 제2 입구(132)를 통해 제2 연료 가스를 제2 연료 가스 챔버(112)로 공급하는 제2 공급 라인(122)을 포함한다. 제1 유동 제어기(141)는 제1 연료 공급원으로부터 제1 공급 라인(121) 및 제1 입구(131)를 통해 제1 연료 가스 챔버(111)로의 제1 연료 가스의 유동을 제어하며, 제2 유동 제어기(142)는 제2 연료 공급원으로부터 제2 연료 공급 라인(122) 및 제2 입구(132)를 통해 제2 연료 가스 챔버(112)로의 제2 연료 가스의 유동을 제어한다. 두 유동 제어기(141, 142)는 제어 유닛(140)에 의해 자동으로 작동된다. 3 개의 내부 연료-전달 통로(101) 각각은 제1 연료 가스 챔버(111) 상에 장착되고 이와 유체 연통한다. 마찬가지로, 외부 연료-전달 통로(102) 각각은 제2 연료 가스 챔버(112) 상에 장착된다.
작동 중에, 유동 제어기(141)에 의해 제어되는 제1 연료 가스의 유동이 제1 연료 가스 챔버(111)에 공급되고, 버너 조립체 하류의 연소 구역으로의 주입을 위해 상기 제1 연료 가스 챔버(111)에 의해 내부 연료-전달 통로(101)로 분배된다. 마찬가지로, 유동 제어기(142)에 의해 제어되는 제2 연료 가스의 유동이 제2 연료 가스 챔버(112)로 공급되고, 버너 조립체 하류의 연소 구역으로의 주입을 위해 상기 제2 연료 가스 챔버(112)에 의해 외부 연료-전달 통로(102)로 분배된다.
특히 관심있는 작동 모드에 따라, 제1 연료 가스(이하: 풍부 연료 가스)는 천연 가스와 같은, 고열량을 갖는 연료 가스이고, 제2 연료 가스(이하: 희박 연료 가스)는 고로 가스와 같은, 저열량을 갖는 연료 가스이다.
버너 조립체 및 이에 따른 연소 구역으로의 풍부 연료 가스 및 희박 연료 가스의 유동을 제어함으로써, 본 발명은 연료 가스 도관 각각에 의해 주입되는 연료 가스 스트림의 총 열량 및 총 모멘텀을 동시에 고르게 제어할 수 있다.
예컨대, 로의 시동 중에, 로의 내부가 여전히 저온이어서 점화 및 화염 안정성이 달성되기 어려운 경우, 주로 풍부 연료 가스가 또는 풍부 연료 가스 만이 연료 가스 분배기로 및 분배기로부터 연소 구역으로 유동하도록 유동 제어기(141 및 142)가 작동된다. 로의 내부가 가열되어 점화 및 화염 안정성이 용이해지면, 연료 가스 분배기로 유동하는 풍부 연료 가스에 대한 희박 연료 가스의 비율을 증가시켜, 연소 구역의 상태에 따라 버너 조립체가 희박 연료 가스만으로 작동될 수 있도록 유동 제어기(141 및 142)가 작동된다. 필요한 경우, 임의의 순간에 희박 연료 가스에 대한 풍부 연료 가스의 비율을 증가시키는 것이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 단순하고 신뢰성 있게 희박 연료 가스를 재평가할 수 있게 한다.
화염 안정성을 증가시키기 위해, 각각의 주입된 연료 가스 스트림 부근에, 예컨대 각각의 연료 가스 스트림 주위에 보조 산화제 가스를 주입하기 위해 버너 조립체를 구비할 수 있다.
본 발명은 또한 단일한 연료 가스 공급원이 사용되는 경우 각각의 연료 가스 도관을 통해 주입되는 연료 가스 스트림의 총 모멘텀을 단순하고 신뢰성있게 제어할 수 있게 한다.
도 3은 도 1의 버너 조립체의 제2 실시양태의 연료 가스 도관을 가로지르는 개략적인 단면도이며, 연료 가스 분배기로 공급되는 연료 가스 스트림은 제1 챔버로 공급되는 제1 연료 가스 스트림 및 제2 연료 가스 챔버로 공급되는 제2 연료 가스 스트림으로 나뉜다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 연료 가스 분배기로 연료 가스를 공급하는 수단은 공급 라인(120)을 포함한다. 유동 제어기(150)는 공급 라인(120)을 통해 연료 가스 공급원(비도시)으로부터 연료 가스 분배기(110)로의 연료 가스 유동을 제어한다. 유동 제어기(150)의 하류에서, 공급 라인(120)은 (1) 제1 입구(131)를 통해 제1 연료 가스 챔버(111)로 연료 가스를 공급하는 제1 공급 브랜치(branch) 및 (2) 제2 입구(132)를 통해 제2 연료 가스 챔버(112)로 연료 가스를 공급하는 제2 공급 브랜치(122)로 나뉜다. 도시된 실시양태에서 제2 공급 브랜치에 장착된 밸브(162)는 제2 공급 브랜치(122)로 및 제2 입구(132)를 통해 상기 제2 공급 브랜치로부터 제2 연료 가스 챔버(112)로 유동하는, 공급 라인(120)에 의해 공급되는 연료 가스 부분을 제어한다. 도시된 실시양태에서, 밸브(162)는 수동 조작되지만, 자동 밸브 또한 가능하다. 마찬가지로, 밸브는 제2 공급 브랜치 대신 제1 공급 브랜치에 또는 두 브랜치 모두에 장착될 수 있다.
작동 중에, 제1 공급 브랜치(121)를 통해 제1 연료 가스 챔버(111)로 공급되는 연료 가스 부분은 버너 조립체 하류의 연소 구역으로의 주입을 위해 상기 제1 연료 가스 챔버(111)에 의해 내부 연료-전달 통로(101)로 분배된다. 마찬가지로, 제2 공급 브랜치(122)를 통해 제2 연료 가스 챔버(112)로 공급되는 연료 가스 부분은 버너 조립체 하류의 연소 구역으로의 주입을 위해 상기 제2 연료 가스 챔버(112)에 의해 외부 연료-전달 통로(102)로 분배된다.
제1 연료 가스 챔버 및 제2 연료 가스 챔버 각각으로의 연료 가스 유동을 제어함으로써, 본 발명은 주어진 연료 가스 공급 스트림에 대하여, 각각의 연료 가스 도관에 의해 주입되는 연료 가스 스트림의 총 모멘텀을 동시에 고르게 제어할 수 있게 한다.
도 4 및 도 5는 도 1의 버너 조립체의 다른 실시양태의 연료 가스 도관을 가로지르는 개략적인 단면도이며, 연료 가스 분배기로 공급되는 연료 가스 스트림은 연료 가스 챔버 중 하나로 공급되고 이에 따라 상기 연료 가스 챔버로 공급되는 연료 가스 스트림의 제어된 부분이 제2 연료 가스 챔버로 진행할 수 있게 된다.
도시된 실시양태에서, 공급 라인(120)은 제1 입구(131)를 통해 제1 연료 가스 챔버(111)로 연료 가스를 공급한다. 제2 입구(132)는 제1 연료 가스 챔버(111)를 제2 연료 가스 챔버와 연결한다. 상기 제2 입구(132)는 수동 조작 밸브 또는 스토퍼(160)에 대한 밸브 시트의 기능을 한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 밸브(160)가 제2 입구(132)를 전체적으로 폐쇄하는 경우, 공급 라인(120)에 의해 제1 연료 가스 챔버(111)로 공급되는 연료 가스 스트림 전체가 연료 가스 도관(100)의 내부 연료-전달 통로(101)를 통해 연소 구역으로 주입된다. 반면, 도 5에 도시된 바와 같이 밸브(160)가 제2 입구(132)를 폐쇄하지 않거나 제2 입구(132)를 전체적으로 폐쇄하지 않는 경우, 제1 연료 가스 챔버(111)로 공급되는 연료 가스 스트림의 제어된 부분은 제2 입구(132)를 통해 제2 연료 가스 챔버(112)로 추출된 다음, 연료 가스 도관의 외부 연료-전달 통로(102)를 통해 연소 구역으로 주입된다.
대안적인 형태의 밸브(160)가 도 6에 도시된다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 두 연료 가스 챔버를 연결하는 입구를 개방 또는 폐쇄하기 위해 자동 조작 밸브(160)가 또한 사용될 수 있다. 도시된 실시양태에서, 공급 라인(120)은 제2 입구(132)를 통해 제2 연료 가스 챔버(112)로 연료 가스를 공급한다. 제1 입구(131)는 제2 연료 가스 챔버(112)를 제1 연료 가스 챔버와 연결한다. 자동 밸브(160)는 상기 제1 입구(131)에 장착된다. 밸브(160)가 제1 입구(131)를 전체적으로 폐쇄하는 경우, 공급 라인(120)에 의해 제2 연료 가스 챔버(112)로 공급되는 연료 가스 스트림 전체가 연료 가스 도관(100)의 외부 연료-전달 통로(102)를 통해 연소 구역으로 주입된다. 반면, 밸브(160)가 제1 입구(131)를 폐쇄하지 않거나 제1 입구(131)를 전체적으로 폐쇄하지 않는 경우, 제2 연료 가스 챔버(112)로 공급되는 연료 가스 스트림의 제어된 부분은 제1 입구(131)를 통해 제1 연료 가스 챔버(111)로 추출된 다음, 연료 가스 도관의 내부 연료-전달 통로(101)를 통해 연소 구역으로 주입된다. 도시된 실시양태에서, 동일한 제어 유닛이 유동 제어기(150)와 밸브(160)에 명령을 내린다.
제1 연료 가스 챔버 및 제2 연료 가스 챔버 중 하나로의 연료 가스 유동을 제어함으로써, 및 상기 연료 가스 챔버로부터 다른 연료 가스 챔버로의 연료 가스 유동을 제어함으로써, 본 발명은 주어진 연료 가스 공급 스트림에 대해, 각각의 연료 가스 도관에 의해 주입되는 연료 가스 스트림의 총 모멘텀을 동시에 고르게 제어할 수 있게 한다.
본 발명은 주요한 장점은 작동의 용이성, 및 버너 조립체에 필요한 가동 부품이 연소 구역으로부터 멀리 위치되고 이에 따라 상기 연소 구역 내부의 온도 및 분위기의 해로운 영향으로부터 보호된다는 점이다.

Claims (13)

  1. · 둘 이상의 연료 가스 도관(100);
    · 하나 이상의 산화제 도관; 및
    · 둘 이상의 연료 가스 도관, 하나 이상의 산화제 도관, 또는 둘 모두가 종결되는 하나 이상의 출구면을 포함하는 버너 조립체로서,
    a) 산화제 스트림을 공급하는 수단;
    b) 상기 하나 이상의 산화제 유체 도관에 상기 산화제 스트림을 주입하여 하나 이상의 주입된 산화제 스트림을 생성하는 수단;
    c) 연료 가스 스트림을 공급하는 수단(120);
    d) 상기 둘 이상의 연료 가스 도관(100)에 상기 연료 가스 스트림을 주입하여 둘 이상의 주입된 연료 가스 스트림을 생성하는 수단을 더 포함하며,
    하나 이상의 주입된 산화제 스트림과 둘 이상의 주입된 연료 가스 스트림의 주입 방향이 대체로 수렴하여 버너 조립체 하류의 연소 구역에서 교차하며,
    · 둘 이상의 연료 가스 도관(100)은 내부 연료 가스 출구를 형성하는 내부 연료-전달 통로(101) 및 외부 연료 가스 출구를 형성하는 외부 연료-전달 통로(102)를 포함하고, 상기 내부 연료-전달 통로 및 상기 외부 연료-전달 통로는 동축방향으로 배열되며;
    · 상기 연료 가스 스트림을 주입하는 수단은 연료 가스 스트림을 공급하는 수단(120)으로부터의 연료 가스 스트림을 수용하기 위한 연료 가스 분배기(110)를 포함하고, 상기 연료 가스 분배기(110)는,
    ⅰ) 둘 이상의 연료 가스 도관(100)의 내부 연료-전달 통로(101)와 유체 연통하고, 연료 가스 스트림을 공급하는 수단에 의해 공급되는 연료 가스를 수용하기 위한 제1 입구(131)를 갖는 제1 연료 가스 챔버(111);
    ⅱ) 둘 이상의 연료 가스 도관(100)의 외부 연료-전달 통로(102)와 유체 연통하고, 연료 가스 스트림을 공급하는 수단에 의해 공급되는 연료 가스를 수용하기 위한 제2 입구(132)를 갖는 제2 연료 가스 챔버(112); 및
    ⅲ) 제1 입구 및 제2 입구 각각으로의 연료 가스 스트림 유동을 제어하는 연료 가스 유동 제어 수단(140, 141, 142, 150, 160, 162)을 포함하는 것을 특징으로 하는 버너 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 제2 연료 가스 챔버(112)는 제1 연료 가스 챔버(111)를 적어도 부분적으로 및 바람직하게는 전체적으로 둘러싸는 버너 조립체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    · 연료 가스 스트림을 공급하는 수단(120)은 연료 가스 스트림을 제1 입구(131) 및 제2 입구(132) 중 하나로 공급하며,
    · 제1 연료 가스 챔버(111) 및 제2 연료 가스 챔버(112)는 제1 입구(131) 및 제2 입구(132) 중 다른 하나를 통해 서로 유체 연통하며,
    · 제1 입구 및 제2 입구 중 다른 하나를 통해 제1 연료 가스 챔버 및 제2 연료 가스 챔버 중 어느 하나로부터 다른 연료 가스 챔버로 유동하는 연료 가스 스트림 부분을 제어하기 위해 연료 가스 유동 제어 수단(140, 150, 160)을 구비하는 버너 조립체.
  4. 제3항에 있어서, 연료 가스 스트림을 공급하는 수단(120)은 연료 가스 스트림을 제1 입구(131)로 공급하며, 제2 입구(132)를 통해 제1 연료 가스 챔버(111)로부터 제2 연료 가스 챔버(112)로 유동하는 연료 가스 스트림 부분을 제어하기 위해 연료 가스 유동 제어 수단을 구비하는 버너 조립체.
  5. 제3항에 있어서, 연료 가스 스트림을 공급하는 수단(120)은 연료 가스 스트림을 제2 입구(132)로 공급하며, 제1 입구(131)를 통해 제2 연료 가스 챔버(112)로부터 제1 연료 가스 챔버(111)로 유동하는 연료 가스 스트림 부분을 제어하기 위해 연료 가스 유동 제어 수단을 구비하는 버너 조립체.
  6. 바람직하게는 용융 로(melting furnace)인, 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 버너 조립체를 포함하는 로.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 버너 조립체를 사용하여 산화제로 연료 가스를 연소시키는 방법으로서,
    a) 산화제 스트림을 공급하는 단계;
    b) 상기 산화제 스트림을 하나 이상의 산화제 유체 도관에 주입하여 하나 이상의 주입된 산화제 스트림을 생성하는 단계;
    c) 연료 가스 스트림을 연료 가스 분배기에 공급하는 단계;
    d) 제1 입구(131) 및 제2 입구(132)로의 연료 가스 스트림 유동을 제어하는 단계;
    e) 상기 연료 가스 스트림을 상기 둘 이상의 연료 가스 도관(100)에 주입하여 둘 이상의 주입된 연료 가스 스트림을 생성하는 단계;
    f) 하나 이상의 주입된 산화제 스트림과 둘 이상의 주입된 연료 가스 스트림이 교차하는 버너 조립체 하류의 연소 구역에서 하나 이상의 주입된 산화제 스트림 및 둘 이상의 주입된 연료 가스 스트림을 연소반응시키는 단계를 포함하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 제3항에 따른 버너 조립체를 사용하며,
    · 연료 가스 스트림을 연료 가스 분배기(110)에 공급하는 단계 c)는 제1 연료 가스 챔버(111) 및 제2 연료 가스 챔버(112) 중 하나로 상기 연료 가스 챔버의 입구를 통해 연료 가스 스트림을 공급하는 단계를 포함하며,
    · 제1 입구 및 제2 입구로의 연료 가스 스트림 유동을 제어하는 단계 d)는,
    d1) 상기 제1 연료 가스 챔버 및 제2 연료 가스 챔버 중 하나로 상기 연료 가스 챔버의 입구를 통해 공급되는 연료 가스 스트림의 유동을 제어하는 단계, 및
    d2) 상기 제1 연료 가스 챔버 및 제2 연료 가스 챔버 중 하나로부터 다른 연료 가스 챔버로 상기 다른 연료 가스 챔버의 입구를 통해 유동하는 상기 연료 가스 스트림 부분을 제어하는 단계를 포함하는 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 따른 버너 조립체를 사용하여 산화제로 연료 가스를 연소시키는 방법이며,
    a) 산화제 스트림을 공급하는 단계;
    b) 상기 산화제 스트림을 하나 이상의 산화제 유체 도관에 주입하여 하나 이상의 주입된 산화제 스트림을 생성하는 단계;
    c1) 제1 연료 가스 스트림을 제1 연료 가스 챔버(111)의 제1 입구(131)로 공급하는 단계;
    c2) 제2 연료 가스 스트림을 제2 연료 가스 챔버(112)의 제2 입구(132)로 공급하는 단계;
    d1) 제1 입구(131)로의 제1 연료 가스 스트림 유동을 제어하는 단계;
    d2) 제2 입구(132)로의 제2 연료 가스 스트림 유동을 제어하는 단계;
    e1) 제1 가스 챔버(111)로부터의 제1 연료 가스 스트림을 둘 이상의 연료 가스 도관(110)의 내부 연료-전달 통로(101)에 주입하는 단계;
    e2) 제2 연료 가스 챔버(112)로부터의 제2 연료 가스 스트림을 둘 이상의 연료 가스 도관(110)의 외부 연료-전달 통로(102)에 주입하는 단계;
    f) 하나 이상의 주입된 산화제 스트림과 둘 이상의 주입된 연료 가스 스트림이 교차하는 버너 조립체 하류의 연소 구역에서 하나 이상의 주입된 산화제 스트림 및 둘 이상의 주입된 연료 가스 스트림을 연소반응시키는 단계를 포함하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 제1 연료 가스 스트림은 제2 연료 가스 스트림보다 높은 열량을 갖거나 이와 반대인 방법.
  11. 제9항에 있어서, 제1 연료 가스 스트림 및 제2 연료 가스 스트림 중 하나는 5 kWh/Nm3 미만의 열량을 갖고, 제1 연료 가스 스트림 및 제2 연료 가스 스트림 중 다른 하나는 15 kWh/Nm3 이상의 열량을 갖는 것인 방법.
  12. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 산화제 스트림은 50 % 이상, 바람직하게는 80 % 이상, 더 바람직하게는 90 % 이상의 산소 몰 농도를 갖는 산화제로 구성되는 것인 방법.
  13. 제7항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 둘 이상의 연료 주입 도관의 출구 부근에 또는 이를 통해 보조 산화제 제트가 주입되고, 상기 보조 산화제 제트가 바람직하게는 둘 이상의 주입된 연료 가스 스트림을 둘러싸는 방법.
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