KR20130041849A - 코안다 가스 버너 장치 및 연소 방법 - Google Patents

코안다 가스 버너 장치 및 연소 방법 Download PDF

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로저 엘 포우
제임스 윌킨스
마이클 쥐 클랙스턴
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존 징크 컴파니 엘엘씨
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Abstract

본 발명에 따르면, 연료가스, 공기 및 연도가스의 혼합물을 노의 노 공간 안으로 방출하고, 이 노의 공간에서 상기 혼합물을 연소하여 질소산화물 및 일산화탄소의 함량이 낮은 연도가스가 형성되는, 가스 버너 장치가 제공된다. 버너 타일은 이 타일의 벽을 관통하는 하나 이상의 가스 순환 포트를 포함한다. 버너 타일의 벽의 내면은 코안다 표면을 포함한다. 가스 순환 포트를 통해 안내된 연료가스 및/또는 연도가스는 코안다 표면의 경로를 따라 나아가며, 이에 의해 보다 많은 연도가스를 흐름에 유입할 수 있게 된다. 또한, 버너 타일의 벽의 외면은 단계적 연소 영역의 형성을 돕는 코안다 표면을 포함한다. 또한, 개량된 버너 타일과, 개량된 가스 팁, 그리고 공기, 연료가스 및 연도가스의 혼합물을 노 공간에서 연소하는 방법이 제공된다.

Description

코안다 가스 버너 장치 및 연소 방법{COANDA GAS BURNER APPARATUS AND METHODS}
본 발명은 공기 및 노(爐) 연도가스의 존재하에서 질소산화물("NOx")과 일산화탄소("CO")의 형성을 억제하면서 안정적인 화염을 형성하는 가스 버너 장치 및 연료가스 연소 방법에 관한 것이다.
확산 성능 및 예혼합 성능을 모두 갖는 다양한 타입의 가스 버너가 개발되어 성공적으로 사용되었다. 예혼합 기법은 노의 범위 내에서의 연소 이전에 공기와 연료가스를 균일 혼합물로 혼합한다. 확산 기법은 연료가스를 공기 흐름에 분사하는데, 이 기법에서 혼합은 벤츄리관 없이 일어난다. 화염은 출구점 가까이에서 안정화되어, 열적 질소산화물(thermal NOx)과 급속 생성 질소산화물(prompt NOx)을 형성한다. 통상적으로, 상기 두 기법은 모두 소정의 연료가스를 점화 및 연소하여 프로세스 버너 내에 열을 발생시키는데 이용된다.
예혼합 타입 버너와 확산 타입 버너 모두에 있어서는, 열적 질소산화물과 급속 생성 질소산화물의 형성을 모두 줄이도록 최적의 기법이 정해질 수 있다. 프로세스 버너 및 다른 연소 설비에 의한 질소산화물 및 일산화탄소의 배출은 정부에서 면밀히 규제하고 있다. 정부는 항상 현재의 연소 설비로부터의 배출을 더 줄이기 위한 더 나은 방법을 요구한다.
질소산화물 및 그 밖의 잠재적인 오염 가스의 생성을 줄이기 위하여, 가스 버너 장치의 개량이 다양하게 진행되어오고 있다. 한 가지 기법에서, 공기와 주 연료는 모두 제1 영역에서 연소되고 나머지 연료가 제2 영역에서 연소된다. 이러한 단계적 연료가스 기법에 있어서, 소정 단계의 연료는 연소 동안에 가스 흐름의 상당 부분을 희석시키는 노 연도가스에 의해 희석되고, 이에 의해 가스의 연소 온도가 낮아진다. 공기 및 연도가스에 있는 질소는 화염으로부터의 열을 흡수하는 히트 싱크로서 기능한다. 연도가스는 노의 굴뚝에서 생길 수 있고(외부 연도가스), 또는 노 자체에서 생길 수 있다(내부 연도가스). 가스의 연소 온도를 낮추면, 생성된 연도가스에 있어서 질소산화물의 형성이 줄어든다. 저 질소산화물 버너(low NOx burner) 및 관련 방법의 예가 미국 특허 제5,275,552호(1994년 1월 4일자로 John Zink Company에 허여됨)와 미국 특허 제6,729,874 B2호(2004년 5월 4일자로 John Zink Company에 허여됨)에 나타나 있는데, 이들 특허는 그 내용이 본원에 참조로 인용되어 있다.
연료가스의 단계적 연소 및 희석은, 해결되어야 할 필요가 있는 추가적인 문제를 야기하는데, 이러한 문제로는 불연성 및 화염 불안정성 등이 있다. 질소산화물 형성의 충분한 감소를 달성할 수 있을 정도로 화염을 희석시키려면, 상당량의 공기 또는 연료가스가 필요하다. 그러나, 연료가스가 과도하게 희석된다면, 점화하기가 곤란해질 수 있거나, 또는 점화된 화염이 불안정해질 수 있다. 화염의 불안정성은 전체 노를 불안정하게 할 수 있는 다른 불안정성을 야기할 수 있다.
코안다 표면은 높은 압력의 큰 유량이 실현되는 플레어에 사용되어 왔다. 코안다 표면은 단지 유체가 부착하도록 되어 있는 곡면에 불과하다. 코안다 표면에 분사되거나 코안다 표면에 인접한 유체의 흐름은, 표면에 부착되고 표면의 경로를 따라 나아간다. 부압(負壓)과 점성력이 유체를 표면에 맞닿게 끌어당긴다. 유체의 흐름은 비교적 얇은 필름 또는 시트 형태로 산개되는데, 이는 유체의 흐름에 혼합되어야 할 인접 유체가 매우 효율적인 방식으로 유체의 흐름과 혼합될 수 있게 한다. 가스에 대한 표면적 추가는 혼합을 현저히 향상시킨다. 예컨대 시간당 수만 파운드의 폐가스를 배출할 수 있는 플레어에서는 신속한 혼합이 바람직할 것이다. 그 결과, 코안다 표면과 코안다 효과는 플레어 장치에서 널리 이용되는데, 이는 코안다 표면과 코안다 효과가 스팀, 송풍기 및 관련 설비에 대한 필요성을 배제시키기 때문이다.
그러나, 코안다 표면은 저 질소산화물 프로세스 버너 장치에 포함되지 않았다. 버너 부품은 플레어 부품에 비해 소형이고 훨씬 더 적은 가스 흐름을 수반한다. 그 결과, 코안다 기술은 프로세스 버너에 적극 적용되지 않았다. 또한, 많은 정련 사업자는 정련로 변경에 수반되는 비용 때문에 정련로를 변경하지 않았다. 그 결과, 버너 조립체의 대체는 대개 버너가 반드시 충족시켜야 하는 성능 기준(예컨대, 화염의 길이 및 직경)을 명시하고 있는 기존의 노 박스에 맞춰져야만 한다.
본 발명에 의하면, 저 질소산화물 단계적 연료가스 버너에 코안다 표면을 이용하여 버너의 효율을 크게 향상시키는 동시에 불연성 및 화염 불안정성 등과 같은 문제를 회피하는 다양한 방식이 발견된다.
본 발명에 따르면, 전술한 요건을 충족시키고 종래 기술의 결점을 극복하는 가스 버너 장치 및 방법이 제공된다. 코안다 표면은 자유 유체 흐름에 연결되어 연료가스를 공기 및 희석제(이 경우에는 노 연도가스)와 혼합시키는 동시에 턴다운 성능의 확대 및 안정성의 향상을 유지시킬 수 있는 것으로 확인되었다. 연도가스를 흐름 내의 다른 유체와 혼합하는 것은 코안다 표면에 의해 크게 향상된다. 또한, 다양한 코안다 표면을 이용하면, 혼합 영역 및 화염에 편입될 수 있는 연도가스의 양이 크게 늘어날 수 있다. 따라서, 질소산화물 및 일산화탄소의 버너로부터의 배출을 줄일 수 있는 능력이 크게 증대될 수 있는 동시에, 화염의 질과 노에서의 열 플럭스의 분포가 향상될 수 있다. 코안다 표면과, 이 코안다 표면을 버너 타일의 내측 및 외측에 배치하는 방식은, 내측 경계층에서 연료가스를 불연성이 되거나 또는 불안정한 화염을 일으키는 점까지 희석하는 일 없이, 연도가스를 버너와 연관된 다양한 혼합 및 연소 영역에 부여할 수 있게 한다. 또한, 코안다 표면은 화염-홀더, 콘(cone), 윙(wing), 충돌판 등과 같은 다른 구조를 필요로 하지 않으면서도 화염의 형상을 정확하게 제어할 수 있게 한다. 본 발명의 전술한 장점 및 그 밖의 장점을 이하에서 상세히 기술한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 연료가스와 공기의 혼합물을 노 안으로 방출하고, 이 노에서 상기 혼합물을 연도가스의 존재하에서 연소하여, 질소산화물 및 일산화탄소의 함량을 줄이는 가스 버너 장치가 제공된다. 이러한 가스 버너 장치는 플레넘(plenum), 버너 타일, 주 연료가스 분사 수단 및 부 연료가스 분사 수단을 포함한다. 또한, 이 가스 버너 장치에는 예혼합용 주 분사 수단이 구비될 수 있다.
플레넘은 노에 대한 부착용 하우징을 포함한다. 이 하우징은 노에 부착되며 내부에 공기 출구가 배치되어 있는 상단부와, 이 상단부에 대향하는 하단부, 그리고 상기 상단부 및 하단부를 함께 연결하는 측벽을 포함한다. 측벽과 하단부 중 적어도 하나는 내부에 공기 입구가 배치되어 있다.
버너 타일의 내부에는 하우징의 공기 출구로부터 공기를 받아들이기 위한 중앙 개구가 마련되어 있다. 버너 타일은 공기 출구의 위에서 하우징의 상단부에 부착된 바닥부와, 이 하단부에 대향하며 방출구를 구비하는 정상부, 그리고 바닥부를 정상부에 연결하고 중앙 개구를 둘러싸는 벽을 포함한다. 이 벽은 노 안으로 연장되며, 내면과, 외면, 그리고 벽을 관통하여 연장되는 하나 이상의 가스 순환 포트를 구비하고, 벽의 내면에는 중앙 개구를 향해 돌출하는 내측 코안다 표면이 구비된다. 내측 코안다 표면은 벽의 내면에 있어서 가스 순환 포트에 인접하게(바람직하게는 위에) 배치된다.
주 연료가스 분사 수단은 연료가스의 소스에 연결되고, 주 연료가스를 버너 타일의 중앙 개구에 분사하기 위해 버너 장치와 연동식으로 결합된다. 주 연료가스 분사 수단은 연료가스의 소스에 연결된 외측 가스 라이저(outer gas riser)를 포함하고, 이 외측 가스 라이저는 외측 주 연료가스 배출 노즐을 구비하며, 이 노즐은 상기 외측 가스 라이저에 연결되고 버너 타일의 벽의 외측에 배치되어, 주 연료가스를 가스 순환 포트를 통해 타일의 중앙 개구 안으로 분사한다. 또한, 주 연료가스 분사 수단은 다양한 다른 부품을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 주 연료가스 분사 수단은 예혼합 유닛을 포함한다. 예혼합 유닛은 예혼합 멤브레인과 벤츄리 믹서를 겸비한다. 예혼합 멤브레인은 버너 타일의 벽의 내면 둘레에서 벽 내의 가스 순환 포트 아래로 연장되며, 이 멤브레인의 정상부에는 복수 개의 예혼합 가스 방출 오리피스("포트")가 마련된다. 벤츄리 믹서는 내측 가스 라이저와 벤츄리 하우징을 포함하고, 이 내측 가스 라이저는 연료가스의 소스에 연결되며, 이 내측 가스 라이저에는 내측 주 연료가스 배출 노즐이 연결되고, 벤츄리 하우징은 내측 가스 라이저 및 주 연료가스 배출 노즐과 연동식으로 결합된다. 벤츄리 하우징은 주 연료가스와 공기의 혼합물을 예혼합 멤브레인으로 공급하기 위해 예혼합 멤브레인에 연결된다. 예혼합 유닛은 주 연료가스와 공기의 희박 범위의 혼합물을 버너 타일의 중앙 개구 안으로 전할 수 있다.
부 연료가스 분사 수단은 연료가스의 소스에 연결되고 버너 장치와 연동식으로 결합되어, 부 단계의 연료가스를 버너 타일의 외부로부터 버너 타일의 방출구에 인접한 지점(바람직하게는 버너 타일의 외면 상에 또는 그에 인접한 곳에)으로 분사한다. 부 연료가스 분사 수단은 연료가스의 소스에 연결된 외측 가스 라이저를 포함하고, 이 외측 가스 라이저에는 부 연료가스를 버너 타일의 벽의 외면 상에 또는 이 외면 가까이에 분사하는 부 연료가스 배출 노즐이 연결된다. 한 가지 구성에서, 주 연료가스 분사 수단과 부 연료가스 분사 수단은 동일한 외측 가스 라이저 및 연료가스 배출 노즐을 이용한다. 이러한 연료가스 배출 노즐은 주 연료가스 배출 노즐과 부 연료가스 배출 노즐 모두의 역할을 한다. 이 노즐은 버너 타일의 벽을 관통하여 연장되는 가스 순환 포트를 통해 연료가스를 분사하는 하나 이상의 포트와, 연료가스를 버너 타일의 벽의 외면 상에 또는 이 외면 가까이에 분사하는 하나 이상의 포트를 포함한다.
또한, 버너 타일의 벽의 외면은 그 외면으로부터 바깥쪽으로 돌출하는 외측 코안다 표면을 포함하는 것이 바람직하다. 외측 가스 라이저 및 부 연료가스 배출 노즐은 부 단계의 연료가스를 외측 코안다 표면 상에 또는 이 외측 코안다 표면 가까이에 분사한다. 외측 코안다 표면은 버너 타일의 벽의 외면 둘레에 완전하게 연장되는 것이 바람직하지만, 버너 타일의 벽의 외면 둘레에 단속적으로 연장될 수도 있다. 단속적인 외측 코안다 표면은, 수직하거나 또는 타일의 중앙 개구를 향해 안쪽으로 경사질 수 있는 외부 평면에 의해 이격되는 것이 바람직하다.
다른 실시예에서, 가스 버너는 플레넘, 버너 타일, 주 연료가스 분사 수단 및 부 연료가스 분사 수단을 포함한다. 플레넘은 노에 대한 부착용 하우징을 포함한다. 이 하우징은 노에 부착되며 내부에 공기 출구가 배치되어 있는 상단부와, 이 상단부에 대향하는 하단부, 그리고 상기 상단부 및 하단부를 함께 연결하는 측벽을 포함한다. 측벽과 하단부 중 적어도 하나는 내부에 공기 입구가 배치되어 있다.
버너 타일의 내부에는 하우징의 공기 출구로부터 공기를 받아들이기 위한 중앙 개구가 마련되어 있다. 버너 타일은 공기 출구의 위에서 하우징의 상단부에 부착된 바닥부와, 이 하단부에 대향하며 방출구를 구비하는 정상부, 그리고 바닥부를 정상부에 연결하고 중앙 개구를 둘러싸는 벽을 포함한다. 이 벽은 노의 공간 안으로 연장되며, 내면과 외면을 구비하고, 이 벽의 외면은 이 외면으로부터 바깥쪽으로 돌출하는 외측 코안다 표면을 포함한다.
주 연료가스 분사 수단은 연료가스의 소스에 연결되고, 주 연료가스를 버너 타일의 중앙 개구에 분사하기 위해 버너 장치와 연동식으로 결합된다. 또한, 부 연료가스 분사 수단도 연료가스의 소스에 연결되고 버너 장치와 연동식으로 결합되어, 부 단계의 연료가스를 버너 타일의 외부로부터 버너 타일의 방출구에 인접한 지점으로 분사한다. 부 연료가스 분사 수단은 연료가스의 소스에 연결된 외측 가스 라이저를 포함하고, 이 외측 가스 라이저에는 부 단계의 연료가스를 외측 코안다 표면 상에 또는 외측 코안다 표면 가까이에 분사하는 부 연료가스 배출 노즐이 연결된다.
다른 양태에서, 본 발명은, 연료가스와 공기의 혼합물을 노 안으로 방출하고 이 노에서 상기 혼합물을 연도가스의 존재하에서 연소하여 질소산화물 및 일산화탄소의 함량을 줄이는 가스 버너 장치와 관련하여 사용하기 위한 버너 타일을 포함한다. 본 발명의 버너 타일은 본 발명의 가스 버너 장치와 관련하여 전술한 버너 타일이다. 본 발명의 버너 타일은 개조 용례에 사용될 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명은 가스 버너 장치와 관련하여 사용하기 위한 가스 팁을 포함한다. 가스 팁은 연료가스의 소스에 대한 연결용의 가스 배럴과, 이 가스 배럴에 부착된 가스 편향기, 그리고 가스 배럴과 가스 편향기 사이에 배치된 연료가스 출구를 포함한다. 가스 편향기는 코안다 표면을 갖는 외면을 구비하는데, 이 코안다 표면은 연료가스 출구로부터 방출된 연료가스가 코안다 표면의 경로를 따라 나아가도록 연료가스 출구에 관련하여 위치 설정된다. 가스 편향기는 튤립 형상을 갖는 것이 바람직하다. 본 발명의 가스 팁은, 예컨대 본 발명의 가스 버너 장치에 있어서 부 단계의 연료가스 배출 노즐로서, 본 발명의 가스 버너 장치에 있어서 파일럿의 팁으로서, 또는 중앙 내측 가스 라이저에 부착된 주 내부 연료가스 배출 노즐(예컨대, 중앙 가스건)로서 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 가스 팁은 타일의 내주부 둘레에서 주 가스 팁의 역할을 하는 일련의 가스 노즐과 연관되어 사용될 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명은 공기, 연료가스 및 연도가스를 연소 이전에 혼합하기 위한 혼합 영역을 갖는 가스 버너 장치가 사용되는 노에서, 공기와 연료가스의 혼합물을 연도가스의 존재하에 연소시켜 노에 열을 발생시키는 방법을 제공한다. 이 방법은 다음 단계를 포함한다:
(a) 혼합 영역에 코안다 표면을 마련하는 단계;
(b) 혼합 영역 외부로부터 혼합 영역 안으로 연도가스를 유입시켜 이 혼합 영역에서 연도가스가 공기 및 연료가스와 혼합되게 하는 방식으로, 연료가스를 코안다 표면 상에 또는 코안다 표면 가까이에 분사하는 단계;
(c) 연소 공기, 연료가스 및 연도가스의 혼합물을 혼합 영역으로부터 노 안으로 방출하는 단계; 및
(d) 상기 혼합 영역으로부터 방출된 연소 공기, 연료가스 및 연도가스의 혼합물을 노에서 연소시키는 단계.
일 실시예에서, 혼합 영역은 벽으로 둘러싸이고, 공기, 연료가스 및 연도가스의 혼합물은 혼합 영역으로부터 노의 주 반응 영역으로 방출된다. 이 실시예에서, 상기 방법은 다음 단계를 더 포함한다:
(e) 벽의 외면에 외측 코안다 표면을 마련하는 단계; 및
(f) 연도가스를 부 단계의 연료가스의 흐름에 유입시켜 부 연료가스/연도가스 혼합물을 형성하고 이 부 연료가스/연도가스 혼합물이 노의 부 반응 영역에서 연소되게 하는 방식으로, 부 단계의 연료가스의 흐름을 외측 코안다 표면 상에 또는 외측 코안다 표면 가까이에 분사하는 단계.
다른 실시예에서, 본 발명의 방법은 다음 단계를 포함한다:
(a) 버너 장치의 벽의 외면에 코안다 표면을 마련하는 단계;
(b) 주 연료가스가 혼합 영역에서 공기와 혼합되게 하는 방식으로, 주 연료가스를 혼합 영역에 분사하는 단계;
(c) 공기와 연료가스의 혼합물을 혼합 영역으로부터 방출하는 단계;
(d) 혼합 영역으로부터 방출된 공기와 연료가스의 혼합물을 노의 주 반응 영역에서 연소시키는 단계; 및
(e) 연도가스를 부 단계의 연료가스의 흐름에 유입시켜 부 연료가스/연도가스 혼합물을 형성하고 이 부 연료가스/연도가스 혼합물이 노의 부 반응 영역에서 연소되게 하는 방식으로, 부 단계의 연료가스의 흐름을 외측 코안다 표면 상에 또는 외측 코안다 표면 가까이에 분사하는 단계.
또한, 버너 장치의 벽의 내면은 내측 코안다 표면을 포함하는 것이 바람직하다. 연도가스를 혼합 영역 외부로부터 혼합 영역 안으로 유입시켜 연도가스가 혼합 영역에서 공기 및 연료가스와 혼합되게 하는 방식으로, 혼합 영역에 분사된 연료가스는 내측 코안다 표면 상에 또는 내측 코안다 표면 가까이에 분사된다.
당업자라면 후술하는 바람직한 실시예의 설명을 첨부 도면을 참조하여 읽으면 본 발명의 목적, 특징 및 장점을 쉽게 알게 될 것이다.
본 발명에 의하면, 저 질소산화물 단계적 연료가스 버너에 코안다 표면을 이용하여 버너의 효율을 크게 향상시킬 수 있는 동시에 불연성 및 화염 불안정성 등과 같은 문제를 회피할 수 있다.
도 1은 노의 플로어에 부착된 본 발명의 가스 버너 장치의 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 가스 버너 장치의 버너 타일의 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 가스 버너 장치의 버너 타일의 단면도.
도 3a는 도 3과 유사한 단면도로서, 본 발명의 버너 타일에 통합될 수 있는 가스 순환 초크를 추가적으로 보여주는 도면.
도 4는 도 3에 도시된 버너 타일의 일부분의 상세 확대도로서, 버너 타일과 관련하여 가스 흐름을 보여주는 도면.
도 4a는 도 3a에 도시된 버너 타일의 일부분의 상세 확대도로서, 버너 타일과 관련하여 가스 흐름을 보여주는 도면.
도 4b는 도 4에 도시된 버너 타일의 다른 부분의 상세 확대도.
도 5는 도 2의 선 5-5를 따라 취한 단면도.
도 6은 도 2의 선 6-6을 따라 취한 단면도.
도 7은 도 3에 도시된 버너 타일의 일부분의 다른 상세 확대도로서, 예혼합 유닛의 일부분을 보여주는 도면.
도 8은 도 1과 유사하지만, 도 1에 도시된 가스건 대신에 중앙 벤츄리 믹서를 사용한 것을 보여주는 단면도.
도 9는 도 1 및 도 8과 유사하지만, 예혼합 유닛 대신에 복수 개의 내측 가스 라이저를 사용하는 것을 예시하는 단면도로서, 통상의 파일럿을 본 발명의 가스 버너 장치와 관련하여 사용한 것을 예시하는 도면.
도 10은 도 3에 도시된 버너 타일의 단면도로서, 다른 외측 가스 라이저 구성을 예시하는 도면.
도 11은 본 발명의 버너 타일의 변형례를 보여주는 단면도.
도 11a는 도 12의 선 11A-11A를 따라 취한 단면도로서, 도 11의 버너 타일의 평면 벽 섹션의 한 가지 변형(경사진 평면 벽 섹션)을 보여주는 도면.
도 11b는 도 12의 선 11B-11B를 따라 취한 단면도로서, 도 11의 버너 타일의 평면 벽 섹션의 다른 변형(직선/수직 평면 벽 섹션)을 보여주는 도면.
도 12는 도 11의 선 12-12를 따라 취한 단면도.
도 13은 본 발명의 버너 타일의 또 다른 실시예를 보여주는 단면도.
도 14는 도 13에 도시된 버너 타일의 일부분의 상세 확대도.
도 15는 도 13의 선 15-15를 따라 취한 단면도.
도 16은 본 발명의 버너 타일의 또 다른 실시예를 보여주는 단면도.
도 17은 도 16에 도시된 버너 타일의 일부분의 상세 확대도.
도 18은 도 16의 선 18-18을 따라 취한 단면도.
도 19는 도 16의 선 19-19를 따라 취한 단면도.
도 20은 본 발명의 버너 타일의 또 다른 실시예를 보여주는 단면도.
도 21은 도 20의 선 21-21을 따라 취한 단면도.
도 22는 파일럿으로서 사용하도록 구성된 본 발명의 가스 팁을 보여주는 부분 단면도.
도 23은 도 22에 도시된 가스 팁의 일부분의 상세 확대도.
이제 도면, 특히 도 1을 참조해 보면, 그 전체가 도면 부호 10으로 표시된 본 발명의 가스 버너 장치가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 버너 장치(10)는 노(16)(전체 노는 도시되어 있지 않음)의 노 공간(14)의 노 벽(12)(바람직하게는 바닥벽 또는 플로어)에 대하여 이 벽의 개구(18) 위에서 밀봉 부착된다. 가스 버너 장치는 도 1에 도시된 바와 같이 대개 수직 장착되어 위쪽을 향해 불붙지만, 가스 버너 장치(10)가 다른 방식으로도 장착될 수 있음은 물론이다. 예컨대, 가스 버너 장치(10)는 수평 장착되어 수평으로 혹은 수직으로 불붙을 수 있고, 또는 수직 장착되어 아래쪽을 향해 불붙을 수 있다(하향 착화). 가스 버너 장치(10)는 도면에 도시된 바와 같이 노 공간(14)의 플로어에 수직 장착되어 위쪽으로 불붙는 것이 바람직하다.
가스 버너 장치(10)는 연료가스와 공기의 혼합물을 노(16)의 노 공간(14) 안으로 방출하고, 이 노에서 상기 혼합물을 연도가스의 존재하에 연소시켜, 질소산화물 및 일산화탄소의 함량을 줄인다. 가스 버너 장치(10)는 플레넘(20)을 포함하고, 이 플레넘은 노에 대한 부착용 하우징(22)을 구비한다. 이 하우징은 상단부(24), 이 상단부에 대향하는 하단부(26) 및 이 상단부와 하단부를 함께 연결하는 측벽(28)을 포함한다. 하우징(22)의 상단부(24)의 내부에는 공기 출구(30)가 배치되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 공기 출구(30)가 노 벽의 개구(18) 밑에 위치하도록, 하우징(22)의 상단부(24)가 노 벽(12)에 부착된다. 하우징(22)의 측벽(28)과 하단부(26) 중 적어도 하나 내부에 공기 입구(32)가 배치되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 공기 출구(32)는 하우징(22)의 측벽(28)에 배치되는 것이 바람직하다.
도 1에 도시된 바와 같이, 하우징(22)은 플랜지(34)와 이 플랜지 및 노의 바닥벽에 있는 상보형 개구(38)를 관통하는 복수 개의 볼트(36)에 의해 노(16)의 바닥벽 또는 플로어(12)에 부착된다. 노 벽(12)에는 단열 재료(40)로 이루어진 내부층이 부착되어 있다. 공기 입구(32)를 통과하는 공기의 유량을 조절하기 위한 공기 유량 자동 기록기 또는 댐퍼(42)가 공기 입구에 부착되어 있다. 댐퍼(42)는 수직 상태로부터 수평 상태로 회전되어 댐퍼를 개폐할 수 있는 복수 개의 조절가능한 핀(44)을 포함한다. 또한, 제트와 연소 소음 모두를 줄이기 위한 머플러(46)가 공기 입구(32)에 부착되어 있다. 가스 버너 장치(10)가 자연 통풍 버너[즉, 연소에 필요한 공기가 하우징(22) 안으로 자연 통풍됨], 강제 통풍 버너(예컨대, 송풍기를 사용하여 연소 공기를 하우징 안으로 송풍함), 균형 통풍 버너(예컨대, 버너 안으로 불어 넣고 공기를 버너 밖으로 불어 내보내는데 모두 송풍기를 사용하여 연소 공기의 적절한 균형을 달성함), 또는 이들의 변형례일 수 있다는 것은 당업자에게 자명하다. 천연 가스, 수소, 프로판, 에탄, 또는 그 밖의 통상적인 정제-타입 연료 등을 비롯한 다양한 서로 다른 타입의 연료가스가 버너 장치(10)에 의해 연소될 수 있다.
가스 버너 장치(10)는 버너 타일(50)을 더 포함하고, 이 버너 타일에는 하우징(22)의 공기 출구(30)로부터 공기를 받아들이기 위한 중앙 개구(52)가 마련되어 있다. 버너 타일(50)은 바닥부(54), 이 바닥부에 대향하는 정상부(56) 및 바닥부를 정상부에 연결하고 중앙 개구(52)를 둘러싸는 벽(58)을 포함한다. 버너 타일(50)의 바닥부(54)는 하우징의 공기 출구(30) 위에서 하우징(22)의 상단부(24)에 부착된다. 버너 타일(50)의 정상부(56)에는 방출구(60)가 마련되어 있다.
이제 도 1 내지 도 6을 참조해 보면, 버너 타일(50)의 벽(58)은 노 공간(14) 안으로 연장되고, 상부(62), 하부(64), 내면(66) 및 외면(68)을 구비한다. 벽(58)은 복수 개의 가스 순환 포트(70)를 더 포함하고, 이 가스 순환 포트는 벽을 관통한다. 벽(58)의 내면(66)은 가스 순환 포트(70) 가까이에 혹은 (도시된 바와 같이) 가스 순환 포트 위에 위치하는 복수 개의 내측 코안다 표면(80)을 포함하는데, 이 내측 코안다 표면은 각각 버너 타일(50)의 중앙 개구(52)를 향해 돌출해 있다. 각각의 내측 코안다 표면(80)과 가스 순환 포트(70)는 벽(58)의 내면(66)에 있는 오목 섹션(82)에 위치한다. 오목 섹션(82)은 각각 벽(58)의 내면(66)으로부터 중앙 개구(52)를 향해 연장되는 대향 측벽(84 및 86)을 포함한다. 도 4b에 잘 도시된 바와 같이, 대응 오목 섹션(82) 내에 위치하는 내측 코안다 표면(80)이 중앙 개구를 향해 연장되는 것보다, 측벽(84 및 86)이 중앙 개구(52)를 향해 더 연장된다. 달리 말하자면, 내측 코안다 표면(80)은 벽(58)의 내면(66)에 끼워 넣어져 있다. 내측 코안다 표면(80)은 벽(58)의 내면(66)에 약 0.25 인치 내지 약 0.75 인치의 거리만큼 끼워 넣어지는 것이 바람직하다. 이하에서 추가 기술하는 바와 같이, 내측 코안다 표면(80)과 벽(58)의 나머지 부분의 내면(66) 사이의 공간은, 버너 타일(50)의 중앙 개구(52)를 통과하는 연료가스 및/또는 공기의 흐름이 내측 코안다 표면에서 연료가스 및/또는 연도가스를 휩쓸어가는 것을 방지한다.
큰 코안다 효과를 얻으려면, 내측 코안다 표면(80)은 실질적으로 매끄러워야 하며 실질적으로 정확한 반경 또는 균일한 원호를 가져야 한다. 또한, 각 내측 코안다 표면은 밖으로 나가는 가스 흐름을 충분히 끌어당길 수 있을 정도의 곡률을 갖는 것이 중요하다. 코안다 표면이 충분한 곡률 또는 표면적을 갖지 않는다면, 코안다 표면은 가스의 운동량으로 인해 코안다 효과를 촉발시키기에 충분한 면적을 가질 수 없을 것이다(즉, 가스 흐름은 코안다 표면으로 끌어당겨지지 않을 수 있다). 충분한 코안다 효과를 보장하려면, 연료가스를 가스 순환 포트(70)를 향해 그리고 이 가스 순환 포트를 통과하여 해당 내측 코안다 표면(80) 상에 혹은 이 내측 코안다 표면 가까이에 분사하는 연료 방출 포트의 직경[또는 복수 개의 방출 포트가 사용된다면 평균 포트 직경("주 포트 직경")] 대 내측 코안다 표면의 반경("내측 코안다 반경")의 비는 최소 7:1일 필요가 있다. 예컨대, 주 연료가스 배출 노즐(166)의 포트 직경(또는 복수 개의 포트를 포함하는 경우에는 평균 직경) 대 내측 코안다 반경의 비는 최소 7:1일 필요가 있다. 주 포트 직경 대 내측 코안다 반경의 비는 최소 10:1인 것이 바람직하고, 최소 12:1인 것이 가장 바람직하다. 예컨대, 주 포트 직경이 0.0625 인치이고 내측 코안다 직경이 0.75 인치이면, 주 포트 직경 대 내측 코안다 반경의 비는 12:1이다.
코안다 표면이 충분한 곡률 또는 표면적을 갖는다고 가정하면, 작은 가스 포트를 다루는 경우에도 가스 흐름 또는 제트는 코안다 표면의 만곡부에 대해 접선 방향으로 정렬되어 적절한 코안다 효과가 촉발된다. 이는, 예컨대 슬롯에 의한 분사 시나리오와 관련하여 큰 질량 유량이 이용되는 플레어에 사용된 큰 코안다 표면을 크게 변화시킬 수 있다.
전술한 파라미터 이외에도, 내측 코안다 표면(80)의 특정 크기 및 형상은 가스 순환 포트의 크기 및 형상과, 버너 타일의 크기 및 형상, 그리고 특정 용례와 관련된 그 밖의 인자에 따라 바뀔 수 있다. 또한, 내면(66) 상에서의 내측 코안다 표면의 배향(예컨대, 수직, 수평 등)도 전술한 인자에 따라 바뀔 수 있다.
내측 코안다 표면(80)은 본 발명의 가스 버너(10)에 있어서 매우 중요한 구성 요소이다. 내측 코안다 표면은, 다량의 연도가스가 연료가스를 과도하게 희석시켜 연소를 막거나 화염 불안정을 야기하는 일 없이 유입될 수 있게 한다. 이는 적어도 부분적으로는 연료를 농후하게 유지시키는 내측 경계층에 기인한다. 가스 순환 포트(70)를 통해 분사된 주 연료가스와 공기의 흐름은 내측 코안다 표면(80)에 맞닿게 끌어당겨져 유지된다. 연료가스 흐름은 산개되어 훨씬 더 넓은 표면적을 갖는 필름 형태로 펼쳐진다. 가스 코어의 중앙이 노출된다. 그 결과, 연도가스를 연료가스(및 특정 용례에 수반되는 임의의 다른 유체, 예컨대 공기 및/또는 스팀)와 혼합하는데 필요한 거리 및 시간이 실질적으로 줄어든다. 상당히 더 많은 연도가스 및 공기(및 필요에 따라 다른 유체)가 연료가스 제트와 혼합될 수 있다. 그 결과, 보다 안정적인 화염이 만들어지고, 버너에 의해 발생되는 연도가스에 있어서 질소산화물이 함량이 줄어들며, 화염이 보다 쉽게 성형될 수 있다.
도 3a 및 도 4a에 도시된 바와 같이, 한 가지 구성에서 버너 타일(50)은, 공기가 버너 타일(50)의 중앙 개구(52) 안으로부터 가스 순환 포트를 통해 버너 타일의 밖으로 유동하지 못하게 하기 위해, 가스 순환 포트(70)에 배치된 순환 억제 수단(87)을 더 포함한다. 순환 억제 수단(87)은 각 가스 순환 포트(70)마다 차폐부(88)를 포함한다. 차폐부(88)는 버너 타일(50)의 벽(58)에 부착되고, 대응 가스 순환 포트(70)를 향해 상향 연장된다. 도시된 바와 같이, 차폐부(88)는 내열 버너 타일의 일체형 부분일 수 있다. 순환 억제 수단(87)은, 유체가 버너 타일의 내측으로부터 가스 순환 포트(70)를 통해 버너 타일의 밖으로 유동하는 것을 줄일 필요가 있는 용례에 사용된다. 예컨대, 확산 제트 흐름이 순환 가스 포트(70)를 통해 분사되지 않는 경우에, 밖으로 나가는 유체의 유동이 발생할 수 있다. 순환 가스 포트(70)를 통한 공기의 유출을 배제하는 것은, 배출물을 줄이는데 기여하고, [확산 제트가 순환 가스 포트(70)를 통해 분사되지 않는 경우. 2개의 유체 유동 그룹 사이에서 유체 밀봉을 유지하기 위해] 화염을 소정 디자인으로 성형하는 능력을 추가 제공한다. 순환 억제 수단(87)은 공기가 버너 타일에 단락을 형성하지 못하게 하여 질소산화물 배출을 늘이고, 화염이 버너 타일의 벽의 외면으로부터 떨어져 있게 한다. 또한, 순환 억제 수단(87)은 중앙 개구(52)에 있어서 예혼합 가스와 확산 가스 사이의 모든 조기 상호 작용을 막는다. 일부 경우에, 차폐부(88)가 제 위치에 없으면, 주 확산의 운동량이 예혼합 화염을 가스 순환 포트(70) 안으로 끌어당겨, 이 가스 순환 포트에서 예혼합 화염이 공기를 확산 제트의 베이스로 너무 빨리 운반하게 된다.
(차폐부를 이용하는 경우) 차폐부(88)를 포함하는 전체 버너 타일(50)은 열과 화염에 대해 저항성을 갖는 내열성 재료, 즉 고온 조건하에서도 그 물리적 형상 및 화학적 고유성을 유지하는 능력을 갖는 재료로 만들어진다. 사용 가능한 내열성 재료의 예로는 탄화규소, 알루미나 혼합물, 및 세라믹 섬유 재료 등이 있다.
이제 도 4, 도 4a 및 도 4b를 구체적으로 참조해 보면, 가스 순환 포트(70)가 상세히 도시되어 있다. 가스 순환 포트(70)는 레지(ledge)(90), 상면(92)[내측 코안다 표면(80)의 일부분임], 및 레지와 상면을 함께 연결하는 한 쌍의 대향 측벽(94 및 96)을 각각 포함한다. 도 4에 도시된 바와 같이 버너 타일이 순환 억제 수단(87)을 포함하지 않는 경우, 레지는 평평하거나[즉, 가스 순환 포트(70)의 상면(92)과 실질적으로 같은 평면에 있음], 또는 벽(58)의 내면(66)으로부터 외면(68)을 향해 하향 경사진다. 레지(90)는 벽(58)의 내면(66)으로부터 외면(68)을 향해 15°내지 -60°의 각도로 하향 경사지는 것이 바람직하다. 예컨대, 외측 가스 라이저(후술함)가 노의 벽(12)을 관통하지 않는 경우, 레지(90)는 보다 큰 각도로 하향 경사진다. 외측 가스 라이저가 실질적으로 노의 바닥벽(12) 위로 연장되는 구성에서, 레지(90)는 소정 각도, 예컨대 약 10°내지 약 60°의 각도로 하향 경사진다. 레지(90)는 벽(58)의 내면(66)으로부터 외면(68)을 향해 15°내지 25°의 각도로 하향 경사지는 것이 바람직하다. 도 4a에 도시된 바와 같이 버너 타일(50)이 순환 억제 수단(87)을 포함하는 경우, 레지(90)는 벽(58)의 내면(66)으로부터 외면(68)을 향해 상당히 심한 각도로 하향 경사지는데, 이는 가스 순환 포트(70)에 차폐부(88)가 존재하기 때문이다. 이러한 레지의 하향 경사는, 중앙 개구(52) 내부의 공기가 가스 순환 포트(70)를 통해 반경 방향으로 중앙 개구(52)를 빠져나가는 것을 방지하는 역할을 한다. 순환 억제 수단(87)의 사용 여부와 레지(90)의 경사 각도는 특정 용례에 따라 결정될 것이다.
벽(58)의 상부(62)의 내면(66)은 제1 비유선형 보디(100)를 더 포함하는데, 이 제1 비유선형 보디는 위쪽을 향하는, 즉 버너 타일의 방출구(60)를 향하는 편평한 표면(102)을 갖는다. 제1 비유선형 보디(100)는 벽(58)의 내면(66) 둘레로 완전하게 연장된다. 내측 코안다 표면(80)은 하단부(104)와, 상단부(105), 그리고 하단부 및 상단부를 함께 연결하는 볼록한 부분(108)을 포함한다. 내측 코안다 표면(80)의 하단부(104)는 가스 순환 포트(70)의 상부 위로 연장된다. 내측 코안다 표면(80)의 상단부(106)는 제1 비유선형 보디(100)의 편평한 표면(102)에서 종결된다. 버너 타일(50)의 정상부(56)는 제2 비유선형 보디(110)를 포함하고, 이 제2 비유선형 보디는 위쪽을 향하는, 즉 노 공간(14)을 향하는 편평한 표면(112)을 구비한다. 제2 비유선형 보디(110)는 벽(58)의 내면(66) 둘레로 완전하게 연장된다. 제1 비유선형 보디(100)는 저압 영역을 형성하여, 중앙 개구(52)의 상부에 혼합 영역을 제공한다. 제2 유선형 보디(110)는 버너 타일(50)의 방출구(60)에서 가스를 안정시키는 작용을 한다. 단계적 연료는, 버너 타일(50)의 정상부(56) 상의 안정된 연료가 지나치게 희박해지거나 확산되는 경우에 이를 농후하게 만드는 능력을 갖고 있다.
버너 타일(50)의 벽(58)의 외면(68)은 복수 개의 포트 섹션(116)[가스 순환 포트(70)를 포함]과, 복수 개의 무-포트 섹션(118)[가스 순환 포트(70)를 포함하지 않음]을 포함한다. 또한, 버너 타일(50)의 벽(58)의 외면(68)의 상부(62)는 외면(68)으로부터 바깥쪽으로 돌출하는 외측 코안다 표면(130)을 포함한다.
도 1 내지 도 10에 도시된 바와 같은 일 실시예에서, 외측 코안다 표면(130)은 벽(58)의 외면(68) 둘레로 완전하게 연장된다. 이러한 시나리오는 모든 단계적 연료가 코안다 표면에 의해 형성될 수 있게 한다.
도 11 내지 도 12에 도시된 바와 같은 다른 실시예에서, 버너 타일(50)의 벽(58)의 외면(68)의 상부(62)는 각각 외면(68)으로부터 바깥쪽으로 돌출하는 복수 개의 외측 코안다 표면(130)을 포함한다. 도 11 내지 도 12에 도시된 실시예에서, 외측 코안다 표면(130)은 외측 평면(132)에 의해 이격된다. 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이, 외측 평면(132)은 버너 타일의 중앙 개구(52)를 향해 경사지거나(도 11a 참조), 또는 직선형 또는 수직(도 11b 참조)(실질적으로 버너 타일의 종축에 평행)할 수 있다. 외측 평면(132)은 경사진 경우에 5°내지 25°의 각도로 내향 경사진다. 외측 코안다 표면과 (경사지거나 직선형인) 평면(편평한 표면)을 교대로 사용하면, 화염의 형상에 대한 제어가 더 제공된다. 협소한 화염을 유지하기 위해 상기 단계적 연료를 보다 공격적으로 형성할 수 있다. 이는 벽(58)의 영향을 극복할 필요가 있는 경우에 매우 중요하다. 연료가스의 일부분을 공격적인 각도로 분사함으로써, 화염 성형을 더 보강할 수 있고, 또는 단계적 연료를 보다 공격적으로 편향시킬 수 있다.
도 13 내지 도 15에 도시된 바와 같은 또 다른 실시예에서, 버너 타일(50)의 벽(58)의 외면(68)의 상부(62)는 벽(58)의 외면(68) 둘레로 완전하게 연장되는 외측 평면(134)을 포함한다. 이 외측 평면(134)은 5°내지 25°의 각도로 내향 경사져 있다. 또한, 이 외측 평면은 (내향 경사지지 않고) 실질적으로 직선형이거나 수직일 수도 있다. 이 실시예는 단계적 드릴링이 훨씬 더 공격적으로 될 수 있게 하여, 화염이 형성되는 동안에 큰 능력이 실현될 수 있게 한다.
따라서, 버너 타일(50)의 외면(68)의 상부(62)의 다양한 형상은, 화염의 크기 및 형상이 용례에 따라 정확하게 제어될 수 있게 한다. 추가적인 장점도 달성된다.
큰 코안다 효과를 달성하려면, 외측 코안다 표면(130)의 표면이 실질적으로 매끄러워야 하고 실질적으로 정확한 반경 또는 균일한 원호를 가져야 한다. 또한, 각 외측 코안다 표면은 밖으로 나가는 가스 흐름을 충분히 끌어당길 수 있을 정도의 곡률을 갖는 것이 중요하다. 코안다 표면이 충분한 곡률 또는 표면적을 갖지 않는다면, 코안다 표면은 가스의 운동량으로 인해 코안다 효과를 촉발시키기에 충분한 면적을 가질 수 없을 것이다(즉, 가스 흐름은 코안다 표면으로 끌어당겨지지 않을 수 있다). 충분한 코안다 효과를 보장하려면, 연료가스를 해당 외측 코안다 표면(130) 상에 혹은 이 외측 코안다 표면 가까이에 분사하는 연료 방출 포트의 직경[또는 복수 개의 방출 포트가 사용된다면 평균 포트 직경("부 포트 직경")] 대 외측 코안다 표면의 반경("외측 코안다 반경")의 비는 최소 7:1일 필요가 있다. 예컨대, 부 연료가스 배출 노즐(166)의 포트 직경(또는 복수 개의 포트를 포함하는 경우에는 평균 직경) 대 외측 코안다 반경의 비는 최소 7:1일 필요가 있다. 부 포트 직경 대 외측 코안다 반경의 비는 최소 10:1인 것이 바람직하고, 최소 12:1인 것이 가장 바람직하다.
전술한 파라미터 이외에도, 외측 코안다 표면(130)의 특정 크기 및 형상은 버너 타일의 크기 및 형상과, 특정 용례와 관련된 그 밖의 인자에 따라 바뀔 수 있다. 또한, 외면(68) 상에서의 외측 코안다 표면(130)의 배향(예컨대, 수직, 수평 등)도 전술한 인자에 따라 바뀔 수 있다.
또한, 외측 코안다 표면(들)(130)은 본 발명의 가스 버너(10)에 있어서 매우 중요한 구성 요소이다. 외측 코안다 표면(들)은 보다 많은 연도가스를 단계적 연료가스 흐름에 유입시켜 혼합 프로세스를 크게 향상시키는 역할을 한다. 외측 코안다 표면(들)은, 보다 통상적인 외측 평면들(132) 또는 표면(134)과 조합된 경우에, 특정 용례에 필요한 소정 타입 및 범위의 단계적 연소를 달성하는데 있어서 큰 정확성과 유연성을 허용한다. 외측 코안다 표면(들)(130)은 안정적인 화염을 유지하면서 연료가스 제트의 희석을 향상시킨다. 외측 코안다 표면(들)(130)은 필요에 따라 버너 타일의 내부에 가스 순환 포트(70)가 마련되어 있지 않은 경우에 본 발명의 버너 타일(50)과 관련하여 사용될 수 있다.
도 16 내지 도 19에 도시된 바와 같은 또 다른 실시예에서, 버너 타일(50)은 벽(58)의 내면(66)으로부터 버너 타일의 중앙 개구(52)를 향해 가로로 연장되는 립(lip)(140)을 더 포함한다. 립(140)은 벽(58)에 대하여 버너 타일(50)의 정상부(56) 가까이에 부착되고, 벽의 내면(66) 둘레로 연장된다. 립(140)은 하단부(142)와, 상단부(144), 그리고 하단부와 상단부를 함께 연결하는 보디(146)를 포함한다. 보디(146)는 버너 타일의 상기 중앙 개구(52)를 향해 연장되는 복수 개의 돌출부(150)를 포함한다. 이 돌출부(150)는 다양한 단면 형상(예컨대, 타원형, 정사각형 및 삼각형)을 갖고, 홈(152)에 의해 분리된다. 도 19에 잘 도시된 바와 같이, 하단부(142)는 만곡되어 유체의 립(140) 아래에서의 유동을 용이하게 한다. 전체 립(140)은 유체의 유동을 90°회전시키는 역할을 한다. 이 유체는 공기에 의해 매우 묽게 희석되고; 화염 속도는 낮아진다. 돌출부(150) 및 홈(152)은 연료의 과잉 희석으로 인해 안정화가 필요한 경우에 가스를 안정시키고 화염의 유지를 돕는다. 반경 방향 돌출부는 희박 혼합물을 붙잡아 이를 타일 표면의 팁에서 안정화시키는 비유선형 몸체의 역할을 한다. 또한, 이러한 기하학적 구조는 중앙 가스건(170) 또는 중앙 벤츄리 믹서(176)와 함께 작용하여 화염에 대한 소화 메카니즘을 보강한다.
용례에 따라, 가스 버너 장치(10)는 내측 코안다 표면(80)과 외측 코안다 표면(들)(130)을 모두 포함할 수 있다. 가스 버너 장치(10)는 내측 코안다 표면(80)과 외측 코안다 표면(들)(130)을 모두 포함하는 것이 바람직하다.
가스 버너 장치(10)는 주 연료가스 분사 수단(160)과 부 연료가스 분사 수단(162)을 더 포함한다. 주 연료가스 분사 수단(160)은 연료가스의 소스(도시 생략)에 연결되고, 버너 장치(10)와 연동식으로 결합되어, 주 연료가스를 버너 타일(50)의 중앙 개구(52)에 분사한다. 부 연료가스 분사 수단(162)은 연료가스의 소스(도시 생략)에 연결되고, 버너 장치(10)와 연동식으로 결합되어, 부 단계의 연료가스를 버너 타일(50)의 중앙 개구(52)의 외측으로부터 버너 타일의 방출구(60)에 인접한 지점으로 분사한다. 본 명세서에 그리고 첨부된 청구범위에 사용된 바와 같이, 주 연료가스는 단지 버너 타일의 중앙 개구(52)에 분사되는 연료가스[즉, 버너 타일(50)의 경계에 의해 형성된 연소 영역에 분사되는 임의의 가스]를 의미한다. 부 단계의 연료가스는 단지 버너 타일(50)의 벽(58) 외측에 또는 그 위에 분사되는 연료가스를 의미한다.
주 연료가스 분사 수단은 특정 용례에 따라 개별적으로 또는 함께 사용될 수 있는 다양한 구성 요소를 포함할 수 있다.
제1 구성 요소로서, 주 연료가스 분사 수단(160)은 연료가스의 소스에 연결된 복수 개의 외측 가스 라이저(164)를 포함한다. 각 외측 가스 라이저(164)에는 외측 주(확산) 연료가스 배출 노즐(166)(내부에 하나 이상의 가스 포트가 있음)이 마련되어 있고, 이 노즐은 주 연료가스를 가스 순환 포트(70)를 통해 내측 코안다 표면(80) 상에 또는 이 내측 코안다 표면 가까이에 분사하도록 상기 버너 타일의 벽(58)의 외측에 위치한다. 주 연료가스는 내측 코안다 표면(80) 상에 직접 분사되는 것이 바람직하다. 본 명세서에 그리고 첨부된 청구범위에 사용된 바와 같이, "노즐", 예컨대 "연료가스 배출 노즐"은 노즐로부터 가스 흐름 또는 제트를 방출하거나 분사하기 위한 하나 이상의 가스 방출 개구(예컨대, 포트 또는 슬롯)를 내부에 구비하는 임의의 종류의 가스 팁(대개 가스 라이저에 연결됨)이다. 본 명세서에 그리고 첨부된 청구범위에 사용된 바와 같이, 유체(이 경우에는 연료가스)를 "소정 표면 상에 또는 이 표면 가까이에" 분사한다는 것은, 유체를 상기 소정 표면 상에 직접 분사하거나, 혹은 이 표면이 그 위에서 효과(예컨대, 코안다 효과)를 가질 수 있을 정도로 이 표면의 아주 가까이에 분사하는 것을 의미한다. 예컨대, 연료가스 흐름 또는 제트의 압력이 곡선형 표면의 표면적과 함께 코안다 효과를 촉발시킬 수 있을 정도로 코안다 표면의 만곡부 아주 가까이에 분사된다면 충분하다. 가스 버너 장치(10)와 관련된 온도가 매우 높은(예컨대 2000℉ 이상) 용례에서, 외측 가스 라이저(164)는 노의 벽에 대한 손상을 방지하기 위해 실질적으로 노의 벽(12) 위로 연장되지 않는다. 다른 용례에서, 외측 가스 라이저(164)와 노즐(166)은 모두 노의 벽(12)을 관통하여 그 위로 연장된다.
다른 구성 요소로서, 주 연료가스 분사 수단(160)은 또한 하나 이상의 내측 가스 라이저(167)를 포함할 수 있는데, 이 내측 가스 라이저는 각각 연료가스의 소스에 연결되고 버너 하우징(22)의 내측에 위치한다. 각각의 내측 가스 라이저에는 주 단계의 연료가스를 버너 타일의 중앙 개구(52) 안으로 분사하기 위한 내측 주 연료가스 배출 노즐(168)(내부에 하나 이상의 가스 포트가 있음)이 연결되어 있다. 연료가스를 버너 타일(50)의 중앙 개구(52)에 직접 분사하기 위해 복수 개의 내측 가스 라이저(167)와 내측 주 연료가스 배출 노즐(168)을 사용하는 것이 도 9에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 하나 이상의 내측 가스 라이저(167)와 대응 노즐(168)은, 주 단계의 연료가스의 일정 부분을 내측 코안다 표면(80) 상에 또는 이 내측 코안다 표면 가까이에 직접 분사하여 화염을 안정시키는 것을 돕기 위해, 각 가스 순환 포트(70)에 배치될 수 있다.
도 1, 도 3 및 도 3a에 도시된 바와 같이, 내측 가스 라이저(167)와 대응 내측 연료가스 배출 노즐(168)을 사용하여 중앙 가스건(170)을 형성할 수 있다. 내측 가스 라이저(167)는 연료가스의 소스에 연결되고, 버너 타일(50)의 중앙 개구(52)의 중앙을 향해 연장된다. 불 노우즈 팁(bull nose tip) 형상의 내측 연료가스 배출 노즐(168)(내부에 복수 개의 가스 포트가 마련되어 있음)이 내측 가스 라이저(167)에 연결되어 있다. 가스 분산 콘(172)이 중앙 라이저에 부착되고 불 노우즈 팁(168) 둘레로 연장되어 이 팁에 의해 방출된 가스를 분산시킨다. 중앙 가스건(170)은 주 연료가스의 자유 제트를 버너 타일(50)에 직접 분사하는데 사용될 수 있다. 주 연료가스의 자유 제트의 운동량은 공기의 운동량과 함께 연도가스를 버너 타일(50)의 중앙 개구(52)를 향해 끌어당기며, 이는 유해한 배출을 줄이는데 기여한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 내측 가스 라이저(167)와 대응 내측 연료가스 배출 노즐(168)을 사용하여 중앙 벤츄리 믹서(176)를 형성할 수도 있다. 내측 가스 라이저(167)는 연료가스의 소스에 연결되고, 버너 하우징(22)의 내측에 위치한다. 가스 스퍼드(gas spud)(내부에 하나 이상의 가스 포트가 마련되어 있음) 형상의 내측 연료가스 배출 노즐(168)이 내측 가스 라이저(167)에 연결되어 있다. 벤츄리 하우징(178)은 내측 가스 라이저(167) 및 노즐(168)에 연동식으로 결합되어 있다. 벤츄리 하우징(178)은 내측 가스 라이저(167)에 부착되고, 가스 스퍼드로부터 방출된 연료가스를 받아들이기 위해 가스 스퍼드(168) 위에 위치한다. 벤츄리 하우징(178)은 입구(180)와, 출구(182), 그리고 내부에 협소부(186)가 있는 벤츄리 보디(184)를 포함한다. 벤츄리 보디(184)는 저압 영역을 형성하며, 이 저압 영역은 공기를 벤츄리 하우징(178) 안으로 유입시킨다. 연료가스와 공기의 혼합물이 벤츄리 하우징(178)에서 형성된다. 중앙 벤츄리 믹서를 사용하여 주 연료가스와 공기의 예혼합 흐름을 버너 타일(50)에 직접 분사할 수 있다. 화염 길이를 줄이고 나아가 질소산화물 배출을 줄이기 위해, 희박 예혼합 영역 또는 심지어 초희박 예혼합 영역을 형성한다. 필요에 따라 복수 개의 벤츄리 믹서(176)를 이용할 수 있다.
도 1, 도 3, 도 3a, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 주 연료가스 분사 수단(160)은 또한 버너 타일(50)의 중앙 개구(52)를 향해 연장되는 예혼합 유닛(170)을 포함할 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 예혼합 유닛(190)은 버너 타일(50)의 벽(58)의 내면(66)에서 벽 내의 가스 순환 포트(70) 아래로 어느 정도 끼워 넣어지고(안정성의 최적화를 위함) 이 내면 둘레로 연장되는 예혼합 멤브레인(192)을 포함한다. 복수 개의 예혼합 가스 포트(194)가 멤브레인(192)의 상부에 배치된다. 한 쌍의 벤츄리 믹서(196)가 연료가스와 공기의 예혼합 흐름을 멤브레인(192)에 공급한다. 각 벤츄리 믹서(196)는 연료가스의 소스에 연결된 내측 가스 라이저(198)를 포함하고, 이 내측 가스 라이저에는 가스 스퍼드(내부에 하나 이상의 가스 포트가 마련되어 있음) 형태의 내측 주 연료가스 배출 노즐(200)이 연결되어 있다. 벤츄리 하우징(202)는 라이저(198) 및 노즐(200)과 연동식으로 결합되어 있다. 벤츄리 하우징(202)은 라이저(198)에 부착되고, 노즐(200)로부터 방출된 연료가스를 받아들이도록 배치되어 있다. 벤츄리 하우징(202)은 입구(204)와, 출구(206), 그리고 바람직하게는 내부에 협소부(210)가 마련되어있는 벤츄리 보디(208)를 포함한다. 일부 용례에서, 협소부(210)는 필요하지 않다. 벤츄리 보디(208)는 저압 영역을 형성하고, 이 저압 영역은 공기를 하우징(202) 안으로 유입시킨다. 연료가스와 공기의 혼합물이 벤츄리 하우징(202)에서 형성되어 예혼합 멤브레인(192)으로 안내된다. 예혼합 유닛(190)은 주 단계의 연료가스와 공기의 예혼합 흐름을 버너 타일(50)의 벽(58)의 내면(66)의 주변으로 분사하는데 사용될 수 있다.
예혼합 유닛(190)은 주 연료가스 전체를 예혼합하거나, 또는 주 연료가스의 일부분을 예혼합하고 나머지는 확산으로 형성하는 역할을 할 수 있다. 예혼합은 열 방출을 결정할 수 있고 또는 열 방출을 버너의 나머지 부분과 유사하게 조절할 수 있다. 예혼합 유닛(190)은 턴다운 및 안정성을 향상시키기 위해 연료를 버너 타일(50)의 벽(58)의 내주부 둘레로 동시에 전달한다. 이는 또한 공기 및 연료가스가 균일하게 전달되므로 질소산화물의 배출을 줄이는데 기여하는데, 공기 및 연료가스의 균일한 전달은 대개 확산 타입의 자유 제트와 함께 관찰되는 기저 코어 온도를 감소시킨다. 예혼합 유닛(190)을 확산 기법과 관련하여 사용하는 경우, 확산 제트는 훨씬 더 희박지거나, 및/또는 분리될 수 있는데, 이는 확산 화염이 이후에 희박한 예혼합 화염에 의해 안정화되는 화염이 되기 때문이다. 확산 제트는 안정화된 화염이므로, 가스 순환 포트(70)는 소정 지점에 대한 유동 면적이, 화염의 안정성에 부정적인 영향을 미치는 일 없이, 일반적으로 확보할 수 있는 것보다 6배 이상 증대될 수 있다. 예혼합 유닛은 일정하게 열을 방출하는 상태로 유지될 수 있다. 이는 역류가 연료의 범위에 대해서 문제되지 않도록 상기 영역을 설계할 수 있게 한다. 이는 화염 안정화로 인하여 턴다운을 향상시킬 뿐만 아니라, 허용 가능한 포트의 크기를 유지하면서 주 영역을 줄이는 것을 보장한다. 이는 달성될 수 있는 주 영역의 열 방출이 주 영역의 총 연료의 1%에 불과하다는 것을 의미한다. 가스 순환 포트를 크게 하면, 저온 시동 시나리오 동안에 일산화탄소(CO)의 배출을 최소화할 수 있다. 적당히 큰 가스 순환 포트는 상당한 연도가스를 버너 안으로 끌어당기고, 이 경우 CO가 다시 연소되어 노의 박스에서 관찰되는 CO의 비율이 줄어든다.
또한, 예혼합 유닛(190)은 나머지 버너 연소 영역에 대한 점화 소스를 공급한다. 특정 용례에서 필요로 하는 바에 따라, 예혼합 유닛은 다양한 형상 및 포트 수를 취할 수 있다. 이는 질소산화물 배출을 더 줄이는데 필요한 만큼 희박한 연료가스-공기 혼합물을 형성하기 위한 설계에 따라 조절될 수 있다. 예혼합 유닛(190)은, 열 방출이 적은 탄소 제거 사이클이 화염 안정성에 영향을 미치는 일 없이 필요에 따라 달성될 수 있도록, 버너의 열 방출을 최소화하는 역할을 한다. 예혼합 유닛을 제외한 주 가스 전달 구성 요소가 턴-오프될 수 있다. 이 경우, 주 가스 전달 구성 요소는 안정성을 유지하면서 매우 적은 열 방출을 전달하는 역할을 한다. 버너의 주 부분이 다시 불붙을 때, 예혼합 유닛은 매우 낮은 압력, 즉 통상적으로 이루어질 수 있는 것보다 훨씬 낮은 압력에서 온-라인 상태로 되돌아갈 수 있다.
부 연료가스 분사 수단(162)은 연료가스의 소스에 각각 연결된 복수 개의 외측 가스 라이저를 포함하고, 이 외측 가스 라이저에는 제2 연료가스 배출 노즐(내부에 하나 이상의 포트가 마련되어 있음)이 연결되어 있다. 부 연료가스 분사 수단은 부 단계의 연료가스를 버너 타일(50)의 벽(58)의 외면(68)[예컨대, 외측 코안다 표면(들)(130)]에 분사하는 역할을 한다. 부 단계의 연료가스는 외면(68)[예컨대, 외측 코안다 표면(130)]에 직접 분사되는 것이 바람직하다. 다양한 구조의 라이저 및 노즐이 사용될 수 있다. 예컨대 도 1, 도 4 및 도 4a에 도시된 바와 같이, 부 연료가스 분사 수단의 외측 가스 라이저와 부 연료가스 배출 노즐은 주 연료가스 분사 수단의 외측 가스 라이저(164)와 노즐(166)과 마찬가지이다. 노즐(166)은 주 단계의 연료가스를 가스 순환 포트(70)에 분사하는 주 포트와, 부 단계의 연료가스를 버너 타일(50)의 벽(58)의 외면(68)[예컨대, 외측 코안다 표면(들)(130)] 상에 또는 이 외면 가까이에 분사하는 부 포트를 모두 포함한다. 다른 구조에서, 각 외측 가스 라이저(164)는 주 연료가스 배출 노즐과 부 연료가스 배출 노즐을 개별적으로 포함한다. 도 10에 도시된 바와 같은 또 다른 구성에서, 주 연료가스 분사 수단과 부 연료가스 분사 수단은 개별적인 외측 가스 라이저를 이용한다. 각각 연료가스의 소스에 연결되고, 외측 주 연료가스 배출 노즐(166)(내부에 하나 이상의 가스 포트가 마련되어 있음)이 연결되어 있는 복수 개의 외측 가스 라이저(164)는, 주 단계의 연료가스를 가스 순환 포트(70)를 통해 버너 타일(50)의 중앙 개구(52) 안으로 분사하는데 사용된다. 각각 연료가스의 소스에 연결되고, 부 연료가스 배출 노즐(216)(내부에 하나 이상의 가스 포트가 마련되어 있음)이 연결되어 있는 개별적인 외측 가스 라이저(214)는, 부 단계의 연료가스를 버너 타일(50)의 외면(68)[예컨대, 외측 코안다 표면(들)(130)] 상에 또는 이 외면 가까이에 분사하는데 사용된다. 사용되는 특정 라이저 구조는, 단계로 구분된 가스의 양과, 화염의 바람직한 형상에 따라 결정될 것이다.
버너 하우징(22)과 버너 타일(50)은 도면에 도시된 바와 같이 원형 혹은 둥근 단면 형상을 갖는 것이 바람직하다. 그러나, 하우징(22)과 버너 타일(50)은 다른 형상을 가질 수도 있다. 예컨대, 하우징(22)과 버너 타일(50)은 타원형, 정사각형, 또는 직사각형 단면 형상을 가질 수 있다. 코안다 표면이 적절히 채용되기만 한다면, 상기 형상은 대칭일 수도 있고 또는 비대칭일 수도 있다. 하우징(22)의 형상은 버너 타일(50)의 형상과 동일할 필요는 없다. 도 20 및 도 21은 직사각형 단면 형상을 갖는 버너 타일(50)을 보여준다. 직사각형 버너 타일(50)은 편평한 화염을 형성하는데 사용될 수 있고, 예컨대 벽-연소식 용례에 유용하다.
예혼합 유닛(190)을 제외하고는, 도 1에 도시된 바와 같이, 주 연료가스 분사 수단(160)과 부 연료가스 분사 수단(162)의 여러 구성 요소는 버너 가스 헤드(217)에 연결되는데, 이 버너 가스 헤더는 다시 연료가스의 소스(예컨대, 전체 노의 가스 헤더)에 연결된다. 가스 버너 헤더(217)는 헤더 입구(218) 및 복수 개의 헤더 출구(219)와, 관련 헤드 밸브(220)를 포함한다. 예혼합 유닛(190), 구체적으로는 이 예혼합 유닛의 내측 가스 라이저(198)는 (예컨대, 전체 노의 가스 헤더와는 별개인) 별도의 연료가스 소스에 직접 연결되는 것이 바람직하다. 내측 가스 라이저(198)는 대개 별도의 연료가스 소스에 연결된 도관(220)에 의해 상호 연결된다. 도관(220)의 내부에는 도관을 통과하는 연료가스의 유량을 제어하기 위한 밸브(222)가 배치되어 있다. 예혼합 유닛(190)을 독립적인 연료가스 소스에 연결하면, 예혼합 유닛(190)은 고정된 압력을 작동되면서 버너의 주 연소부의 역할을 할 수 있게 된다. 또한, 이는 예혼합 유닛으로부터의 연료가스와 공기의 혼합물의 유량이, 주 연료가스를 가스 순환 포트(70)를 통해 분사할 필요가 없는 점(이러한 구조가 필요한 경우에)까지 증대될 수 있게 한다. 필요에 따라, 예혼합 유닛도 또한 단지 별도의 커넥터에 의해서만 버너 가스 헤더(218)에 연결될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 가스 버너 장치(10)는 주 연료가스를 버너 타일(50)에서 점화하기 위해 통상의 파일럿 수단(223)을 포함할 수 있다. 파일럿 수단(223)은 연료가스의 소스에 부착된 내측 가스 라이저(226)와, 이 내측 가스 라이저에 부착된 벤츄리 믹서(228), 그리고 이 벤츄리 믹서에 부착된 가스 팁(230)(내부에 하나 이상의 포트가 마련되어 있음)을 포함한다. 가스 팁(230)은 버너 타일의 중앙 개구(52)를 향해 연장된다. 화염에 공기를 추가하여 화염을 보호함으로써 적절한 화학양론을 보장하는 것에 의해 파일럿 화염을 안정시키기 위해, 가스 팁 주위에 차폐부(232)를 배치한다. 도 9에 화살표로 도시된 바와 같이, 공기는 차폐부(232) 내의 포트를 통해 흡입된다. 화염은 차폐부의 상부에서 방출된다.
전술한 바와 같이, 버너 타일(50)의 구조와 주 연료가스 분사 수단(160) 및 부 연료가스 분사 수단(162)의 셋-업을 비롯한 가스 버너 장치(10)의 특정 구성은, 용례에 따라 바뀔 수 있다. 대부분의 경우에, 내측 코안다 표면(80)과 외측 코안다 표면(들)(130) 모두가 사용될 수 있다. 이용되는 특정 구조와는 무관하게, 화염의 안정성에 부정적인 영향을 미치는 일 없이 다량의 연도가스를 연료가스 및 공기와 혼합하는 것을 목적으로 한다. 코안다 표면은 새로운 툴이 연도가스의 유입과 혼합, 화염 성형 및 가스 전달에 적용될 수 있게 한다. 코안다 표면에 의해 혼합이 향상되어, 열 플럭스, 화염의 질 및 노의 바닥으로의 열의 전달(플럭스)이 개선된다. 단계적인 연료와 부 연소 영역은 질소산화물의 배출을 줄이는 역할을 하고 화염이 소정 형상으로 성형될 수 있게 한다. 이제, 필요하거나 또는 요망되는 화염 형상을 전달하는데 적절한 표면 곡률을 사용함으로써, 치밀한 가스 직경이 적용될 수 있다. 코안다 표면의 안정화 메카니즘은, 훨씬 더 낮은 연료 유량에서도 버너가 성공적으로 불붙는 것을 허용한다. 또한, 이러한 구조는 확산용 주 팁이 노에 얼마간 더 깊게 위치하는 것을 허용하여 유입 길이가 확장된다. 이전의 구조에서는 유입 길이를 늘이면 불안정해진다. 코안다 표면의 사용은, 내측 경계층이 연소 가능한 상태로 유지될 수 있을 정도로 농후하게 유지되는 것을 허용한다. 희박한 예혼합 링의 추가 또는 헤더의 분산은, 확산에 주 화염이 저 질소산화물의 균일한 화염에 의해 안정화된 다른 화염일 수 있게 한다. 예혼합 화염은, 불안정해지는 일 없이 버너의 턴다운이 통상의 구조의 것을 능가할 수 있게 한다. 또한, 이는 다른 버너가 불안정해지는 것이 관찰된 경우에도, 버너가 매우 안정한 것을 가능하게 한다. 이러한 기하학적 구조를 조합하면, 버너의 설계자는 동일한 기본적인 버너 구성 내에서 중간 범위의 질소산화물, 낮은 범위의 질소산화물, 또는 매우 낮은 범위의 질소산화물의 버너를 설계할 수 있게 된다. 이러한 버너의 안정성은 실질적으로 통상의 자연 통풍식 프로세스 버너 또는 강제 송풍식 프로세스 버너보다 우수하여, 코안다 표면은 주 화염 영역에 추가적인 연도가스를 추가할 수 있게 한다. 이제, 버너의 턴다운은 연료 및 버너의 작동 파라미터에 따라 10 대 1을 초과할 수 있다.
또한, 일반적으로 버너 타일(50)의 크기를 포함하는 가스 버너 장치의 전체 크기는 가스 버너 장치의 사용 방법에 따라 바뀔 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 내측 및 외측 코안다 표면의 형상, 크기, 길이, 높이 및 배향은, 소정의 다른 파라미터(예컨대, 충분한 곡률)가 유지되어 충분한 코안다 효과가 얻어진다면, 필요에 따라 조정될 수 있다.
일부 용례에서, 버너 타일(50)은 기존의 버너 플레넘을 개조한 것일 수 있다. 예컨대, 버너 타일(50)은 단계적 가스 구조의 가스 버너 장치로 개조될 수 있다. 버너 타일(50)에는, 배출을 줄이고 화염을 안정화시키기 위해 코안다 기법을 사용하는 새로운 팀과 라이저가 추가될 수 있다. 질소산화물이 고온의 노에서 줄어들 수 있는 동시에, 일산화탄소가 저온 박스 또는 시동 중에 줄어들 수 있다.
도 22 및 도 23에 도시된 바와 같이, 본 발명은 또한 코안다 가스 팁을 포함한다. 이 코안다 가스 팁은, 예컨대 (불 노우즈 팁인) 중앙 가스건(170) 또는 중앙 벤츄리 믹서(176)와 관련하여 주 연료가스 배출 노즐(168)로서 사용될 수 있다. 또한, 상기 팁은 주 연료가스 배출 노즐 혹은 부 연료가스 배출 노즐이나, 파일럿 가스 팁(230)으로서 사용될 수 있다. 도 22는 코안다 가스 팁을 파일럿 가스 팁으로 사용하는 것을 보여준다.
도 22 및 도 23에 그 전체가 도면 부호 240으로 표시된 본 발명의 코안다 가스 팁은, 연료가스의 소스에 대한 연결용의 가스 배럴(242)(예컨대, 가스 라이저)과, 이 가스 배럴에 부착된 가스 편향기(244), 그리고 가스 배럴과 가스 편향기 사이에 배치된 연료가스 출구(246)를 포함한다. 가스 편향기(244)는 암나사부가 형성된 연결 조립체(248)(그 밖의 기계적 연결 또는 용접 연결도 사용될 수 있음)에 의해 배럴(242)에 부착된다. 가스 편향기(244)는 코안다 표면(250)을 포함하는 외면을 갖는데, 이 코안다 표면 연료가스 출구로부터 방출된 연료가스가 코안다 표면의 경로를 따라 나아가도록 연료가스 출구(246)에 대해 배치된다. 코안다 가스 팁(240)의 가스 편향기(244)는, 환형 코안다 표면(250)을 편향기에 부여한 튤립 형상을 갖는 것이 바람직하다.
큰 코안다 효과를 얻으려면, 코안다 표면(250)은 실질적으로 매끄러워야 하며 실질적으로 정확한 반경 또는 균일한 원호를 가져야 한다. 또한, 코안다 표면(250)은 밖으로 나가는 가스 흐름을 충분히 끌어당길 수 있을 정도의 곡률을 갖는 것이 중요하다. 코안다 표면이 충분한 곡률 또는 표면적을 갖지 않는다면, 코안다 표면은 가스의 운동량으로 인해 코안다 효과를 촉발시키기에 충분한 면적을 가질 수 없을 것이다(즉, 가스 흐름은 코안다 표면으로 끌어당겨지지 않을 수 있다). 충분한 코안다 효과를 보장하려면, 연료가스 출구(246)의 포트의 직경이나 연료가스 출구(246)의 슬롯의 폭(슬롯이 사용되는 경우)(또는 복수 개의 포트나 슬롯이 사용된다면 평균 포트 직경이나 슬롯 폭) 대 코안다 표면(250)의 반경("팁 코안다 반경")의 비는 최소 7:1일 필요가 있다. 팁 방출 개구 직경 대 팁 코안다 반경의 비는 최소 10:1인 것이 바람직하고, 최소 12:1인 것이 가장 바람직하다. 코안다 표면(250)이 충분한 곡률 또는 표면적을 갖는다고 가정하면, 작은 가스 포트를 다루는 경우에도 가스 흐름 또는 제트는 코안다 표면의 만곡부에 대해 접선 방향으로 정렬되어 적절한 코안다 효과가 촉발된다.
일 실시예에서, 연료가스 출구(246)는 특정 용례에 따라 연료가스를 배럴(242)로부터 적절한 각도(예컨대, 0 내지 45°)로 방출하는 환형 슬롯(252)을 포함한다. 또한, 연료가스 출구(246)는 슬롯(252) 대신에 또는 이 슬롯에 추가하여, 복수 개의 작은 원형 포트(도시 생략)를 포함할 수 있다. 도 22에 도시된 바와 같이, 파일럿 용례에서 그리고 화염 안정성이 쟁점이거나 혼합의 보강이 요망되는 다른 용례에서, 편향기(244) 및 연료가스 출구(246)를 둘러싸는 차폐부(254)가 배럴(242)에 부착될 수 있다. 이 차폐부(254)는 내부에 하나 이상의 공기 입구(260)가 마련되어 있다.
코안다 가스 팁(240)의 환형 코안다 표면(250)은, 연료가스 출구로부터 방출된 연료가스가 코안다 표면의 경로를 따라 나아가도록, 연료가스 출구(246)에 관련하여 위치 설정된다. 코안다 표면은 연료가스를 얇은 필름 형태로 산개시키는데, 이는 공기 또는 연도가스 혹은 양자 모두가 연료가스 흐름에 더 많이 유입될 수 있게 하고, 연료가 농후한 내측 경계층을 갖는 빠르게 혼합된 작은 3개의 유체 혼합물을 안정성을 목적으로 형성할 수 있게 한다. 이러한 기법은, 벌크 화염이 안정적인 화염을 유지하면서 불연성에 접근할 수 있게 한다. 연료가스 흐름에 유입될 수 있는 연료가스의 양은, 안정성을 상쇄시키지 않으면서 적절히 증대될 수 있다. 배럴(242)의 길이 및 직경과 편향기(244)의 크기를 비롯한 코안다 가스 팁(240)의 전체 크기는 전체 버너의 크기와 팁의 사용 방식에 따라 바뀔 수 있다. 예컨대, 팁이 중앙 가스건(170)의 불 노우즈 팁(168)으로서 사용되면, 팁을 파일럿 팁(230)으로서 사용하는 경우에 비해 팁의 크기가 비교적 크다. 약 0.05 내지 약 1.5 MMBtuh의 열 방출을 처리하는 경우에는, 보다 작은 크기의 팁이 대개 사용된다. 예컨대 팁을 타일의 중앙에서 주 분사기로서 사용하는 경우[중앙 가스건(170)의 팁)에는, 현저히 더 많은 연료가스를 전하기 위해 보다 큰 규모의 것을 사용할 수 있다. 이 경우, 팁은 특정 용례에서 필요로 한다면, 예컨대 3백만 내지 1천만 MMBtuh 이상을 전할 수 있다. 대개 가스건에 사용되는 콘과 그 밖의 과잉 구성 요소는 불필요하다.
이제 도 1을 참조로 하여, 본 발명의 가스 버너 장치(10)의 작동을 설명한다. 가스 버너 장치(10)는 먼저 내측 파일럿에 의해 불붙여지거나 또는 외부 토치에 의해 수동으로 불붙여진다. 일단 주 예혼합 유닛(190)이 점화되고 작동되면, 여러 헤더 밸브(220)가 개방되어 연료가스를 나머지 버너 구성 요소에 공급한다. 공기가 버너 하우징의 공기 입구(32)를 통해 버너 하우징(22)에 도입된다. 공기 자동 측정기 또는 댐퍼(42)는 공기의 하우징(22)으로의 유량을 제어한다. 공기는 하우징(22)을 통과하게 안내되고, 이 하우징의 공기 출구(30)를 통해 버너 타일(50)의 중앙 개구(52) 안으로 방출된다.
주 연료가스와 공기의 혼합물이 예혼합 유닛(190)에 의해 버너 타일(50)의 중앙 개구(52) 안으로 도입된다. 연료가스-공기 혼합물은 예혼합 가스 포트(194)를 통해 버너 타일의 벽(58)의 내면(66) 주위로 방출된다. 또한, 주 연료가스는 중앙 가스건(170)에 의해 버너 타일(50)의 중앙 개구(52) 안으로 분사된다. 연료가스와 연소 공기의 유동은 도면에 화살표로 표시되어 있다. 이와 동시에, 주 연료가스는 외측 가스 라이저(164)를 통해 안내되고, 주 연료가스 배출 노즐(166)을 통해 가스 순환 포트(70) 안으로 방출되어, 이 가스 순환 포트를 통과한다. 주 연료가스 배출 노즐(166)로부터 가스 순환 포트(70) 안으로 연료가스를 분사하면, 연도가스가 노로부터 버너 타일(50)의 중앙 개구(52) 안으로 유입된다. 가스 순환 포트(70)를 통해 운반된 주 연료가스와 연도가스는 내측 코안다 표면(80)에 직면하고, 버너 타일의 정상부(56)까지 상기 코안다 표면의 경로를 따라 나아간다. 전술한 바와 같이, 내측 코안다 표면(80)은 연료가스와 연도가스가 서로 신속하게 혼합되게 하고, 이 혼합물을 버너 타일(50)의 벽(58)의 내면(66) 가까이에 유지시키며, 이는 화염의 온도를 조절하기 위해 다량의 연도가스를 중앙 개구에 유입할 수 있게 하고, 이에 의해 중앙 개구(52)에 있어서 연료가스를 과도하게 희석(예컨대, 불연성 상의 점까지)시키는 일 없이 질소산화물 및 일산화탄소의 배출을 제어할 수 있게 된다. 주 연료가스, 공기 및 연도가스의 혼합물은 중앙 개구(52)에서 예혼합 유닛(190)(또는 다른 파일럿 수단)에 의해 점화되고, 배출구(60)를 통해 방출되며, 주 반응 영역(270)에서 연소된다. 주 반응 영역(270)은 버너 타일(50)의 중앙 개구(52)의 내측과, 버너 타일의 방출구(60)에 인접한 버너 타일의 외측에 있다.
부 단계의 연료가스는 외측 가스 라이저(164)를 통해 동시에 안내되고, 부 연료가스 배출 노즐(168)(주 연료가스 배출 노즐일 수도 있음)을 통해 연속적인 외측 코안다 표면(130) 상에 또는 이 외측 코안다 표면 가까이에 방출된다. 부 단계의 연료가스는 외측 코안다 표면(130)의 경로를 따라 버너 타일의 정상부(56)까지 나아가고, 이 경우 이 연료가스는 주 연소 영역(170)에서 화염에 의해 점화되고 주 연소 영역의 주변과 위에 있는 부 연소 영역(280)에서 연소된다. 연료가스 및 연도가스의 내측 코안다 표면(80) 및 외측 코안다 표면(130)에 대한 유동이 도 4 및 도 4a에 잘 도시되어 있다. 도 4a는 순환 억제 수단(87)이 가스 순환 포트(70)를 통한 유체의 유출을 줄이는데 사용되는 경우의 가스의 유동을 예시한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 중앙 벤츄리 믹서(176)는, 저 질소산화물 배출을 위한 소화 메카니즘으로서 기능할 뿐만 아니라 보다 짧은 화염을 형성하는 중앙 가스건(170)으로 대체될 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 복수 개의 내측 가스 라이저(167)와 대응 연료가스 배출 노즐(168)은 예혼합 유닛(190) 대신에 또는 이 예혼합 유닛과 함께 사용될 수 있다. 내측 가스 라이저(167) 및 노즐(168)이 가스 순환 포트(70) 가까이에 설치되고 확산 연료가스가 가스 순환 포트를 통해 분사되지 않는 경우에, 대개 순환 억제 수단이 필요하다. 도 11 내지 도 16에 도시된 바와 같이, 다양한 구조의 벽(58)과 외면(68)[예컨대, 경사진 외측 평면(132) 혹은 연속적인 외측 평면(132)에 의해 분리된 복수 개의 외측 코안다 표면(130)]을 사용하여, 보다 작은 직경의 화염을 달성하고 화염 제어를 도울 수 있다. 도 16 내지 도 19에 도시된 바와 같이, 추가적인 혼합과 비선형 보디의 안정화를 제공하기 위해, 버너 타일(50)에 립(140)이 마련될 수 있다. 끝으로, 특정 용례에 맞춰 다양한 형상의 가스 버너 장치(10)를 사용할 수 있다.
연료가스는 열 방출을 바람직하게 만드는 소정 유량으로 노 공간(14)에서 연소된다. 연료가스와 공기의 바람직한 화학양론적 혼합물이 노 공간(14)에 생성되도록, 공기 입구(32) 및 공기 자동 기록기 혹은 댐퍼(42)에 의해 소정 유량의 공기가 하우징(22)에 도입된다. 즉, 노 공간(14)에 도입된 연료가스의 총 유량을 고려하여 소정 유량의 공기가 노 공간에 도입되므로, 화학양론적 혼합물보다 큰 공연비가 얻어진다. 공기의 비율은 화학양론적 비율보다 약 10% 내지 약 25% 더 크다. 노 공간(14)에서의 연료가스의 연소에 의해 형성된 연도가스는 질소산화물의 함량이 매우 낮다. 주 연료가스로서 사용되는 연료가스 부분은, 대개 가스 버너 장치(10)에 의해 노 공간(14)으로 방출된 총 연료가스의 체적의 약 5% 내지 약 25%이다. 즉, 노 공간으로 방출된 주 연료가스의 유량은 가스 버너 장치(10)에 전해진 총 연료가스의 유량의 약 5% 내지 약 25%이고, 부 단계의 연료가스의 방출 유량은 총 연료가스 유량의 약 95% 내지 약 75%이다. 주 연료가스와 연도가스는 가용 압력, 유입 길이 및 가스 순환 포트(70)의 크기에 따라 주 연료가스의 체적당 약 1 내지 30의 연도가스 체적의 양으로 혼합된다. 단계적 가스는 주 포트와 단계적 포트 사이에서 열 플럭스를 최적화하기 위한 임의의 비율로 대개 편향될 수 있다. 대부분의 경우에, 해당 버너의 열 방출은 서로 다른 라이저 사이에서 이용되는 분할을 결정할 것이다.
바람직한 실시예에서, 내측 코안다 표면(80) 및 외측 코안다 표면(130) 모두가 활용된다. 주 연료가스 분사 수단은 외측 가스 라이저(164) 및 예혼합 유닛(190)을 포함한다. 즉, 주 연료가스는 가스 순환 포트(70)를 통해 버너 타일(50) 안으로 분사되어, 예혼합 유닛(90) 안으로 분사된다. 다른 바람직한 실시예에서, 내측 코안다 표면(80) 및 외측 코안다 표면(170) 모두가 활용된다. 그러나, 주 연료가스 분사 수단은 단지 예혼합 유닛(190)으로만 이루어질 수 있다. 즉, 주 연료가스의 단 하나의 소스가 예혼합 유닛(190)이다. 예혼합 유닛(190)으로부터 연료가스 및 공기의 방출 및 중앙 개구(52)를 통한 공기의 흐름은, 주 연료가스가 가스 순환 포트를 통해 분사되지 않더라도 연도가스를 여전히 중앙 개구 안의 가스 순환 포트(190) 안으로 끌어들일 것이다. 버너를 통과하는 공기 흐름에 의해 끌어들여진 연도가스는 여전히 타일 내의 재순환 포트를 통해 흐를 것이며, 그 후에 연도가스의 대부분은 내부에 위치하는 코안다 표면에 부착될 것이다.
본 발명은 또한 노 내에 열을 생성하기 위해 그 노 내에 연도가스가 존재하는 상태에서 공기와 연료가스의 혼합물을 연소시키는 방법을 제공한다. 이 방법은 아래와 같은 단계를 포함한다.
먼저, 본 발명의 가스 버너 장치는 노 공간의 벽(바람직하게, 노 공간의 바닥벽 또는 플로어)을 통해 설치된다. 전술한 바와 같이, 복수 개의 가스 순환 포트(70)가 버너 타일(50)의 벽(58)을 관통한다. 벽(58)의 내면(66)은 복수 개의 내측 코안다 표면(80)을 포함하며, 각 내측 코안다 표면(80)은 가스 순환 포트(70)에 인접하여 배치된다. 적용례에 따라, 가스 버너 장치(10)는 또한 전술한 기타 구성 요소 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
공기가 버너 타일(50)의 중앙 개구(52)를 통해 분사된다. 주 연료가스는 가스 순환 포트(70)를 통해 내측 코안다 표면(80) 상에 또는 이 내측 코안다 표면 가까이에 분사되어, 연도가스를 벽(58)의 외부(예를 들면, 노 공간)로부터 버너 타일(50)의 중앙 개구(52) 안으로 끌어들여, 공기, 연료가스 및 연도가스의 균일한 혼합물을 중앙 개구(52) 내에 형성한다. 공기, 연료가스 및 연도가스의 혼합물은 버너 타일(50)의 상단부(56)의 배출구(60)로부터 노 공간(14) 안으로 배출되며, 공기와 연료가스의 혼합물은 노의 연도가스에 의해 심하게 희석되면서 노 공간 내에서 연소한다.
다른 실시예에서, 노 내에 열을 생성하기 위해 그 노 내에 연도가스가 존재하는 상태에서 공기와 연료가스의 혼합물을 연소시키는 방법은 아래와 같은 단계를 포함한다.
본 발명의 가스 버너 장치(10)는 노 공간(14)의 벽[바람직하게, 노 공간(14)의 바닥벽 또는 플로어]을 통해 설치된다. 버너 타일(50)의 벽(58)의 외면(68)은 이 외면으로부터 바깥쪽으로 연장되는 외측 코안다 표면(130)을 포함한다.
공기와 연료가스는 버너 타일(50)의 중앙 개구(52) 안으로 분사되어, 공기와 연료가스의 혼합물이 중앙 개구 내에 형성된다. 이 공기와 연료가스의 혼합물은 이어서 버너 타일(50)의 배출구(60)로부터 노 공간(14) 안으로 배출되며, 그 혼합물은 노 공간 내의 주 반응 영역(270)에서 연소한다. 또한, 단계적 연료가스가 연도가스를 노 공간(14)으로부터 끌어들여 단계적 연료가스/연도가스 혼합물을 생성하고, 이 단계적 연료가스/연도가스가 버너 공간 내의 부 반응 영역(280)에서 연소되게 하는 방식으로 외측 코안다 표면(130) 상에 또는 그에 인접하게 분사된다.
필요에 따라, 전술한 방법들의 단계들은 단일 방법으로 조합될 수 있다.
본 발명을 더 설명하기 위해, 다음의 예를 제공한다.
예
본 발명의 가스 버너 장치(10)에 대해 성능 시험을 행하였다. 내측 코안다 표면(80) 및 연속적인 코안다 표면(130)이 버너 타일(50)의 벽(58)에 포함되어 있다. 시험 대상인 특정 버너의 구성에 있어서의 주 연료가스 분사 수단은 외부 가스 라이저(164) 및 연료가스 배출 노즐(166)을 포함하였다. 연료가스 배출 노즐은 가스 순한 포트(80)를 통해 주 연료가스를 분사하기 위한 포트 및 외측 코안다 표면(130) 상에 또는 그에 인접하게 부 연료가스를 분사하기 위한 포트를 모드 구비하였다. 예혼합 유닛(190) 또한 질소산화물 배출물을 감소시키기 위해 활용되었다. 예혼합 맴브레인(192)은 직경이 0.261 인치인 36개의 예혼합 가스 포트(194)를 포함하였다. 이들 포트는 예혼합 맴브레인(192)의 상면 둘레에 간격을 두고 배치되었다. 각 0.261 인치의 포트는 그 사이에 0.125 인치의 포트를 구비하였으며, 이 포트는 또한 그 위에 겹쳐진 0.125 인치의 포트에 의해 카운터 보어(counter-bore) 되었다. 보다 작은 포트의 용도는 보다 큰 포트를 함께 묶는 데에 사용되는 점화 포트로서 기능하도록 한 것이었다. 내부 가스 라이저(167), 중앙 가스 건(170) 또는 중앙 벤츄리 믹서(176) 중 어느 것도 활용되지 않았다. 일반적으로, 시험 대상인 가스 버너 장치(10)는 중앙 가스 건(170)이 포함되지 않았다는 점을 제외하면 도 1 내지 도 7에 도시한 버너 장치(10)와 유사하게 구성되었다.
예혼합 유닛이 수동으로 점화된 후에 버너의 나머지 부분이 점화되었다. 댐퍼(42)는 전체 시험 시점 동안에 완전히 개방 상태로 놓아두었다. 예혼합 주 유닛은 점화되어, 버너 타일의 내주부 둘레에 일군의 균일한 푸른색 작은 화염을 확실하게 생성하였다. 이어서, 버너의 주 부분이 약 0.1 psig의 압력에서 점화되었다. 이어서, 버너는 노의 가열을 개시하도록 열 방출을 대략 0.84 MMBtuh까지 증가되었다. 화염은 강하였으며, 매우 안정적인 것으로 보였다. 일산화탄소 및 질소산화물의 수준은 모든 시험 시점에서 매우 양호하여, 점화에서 포화까지 기록 가능한 배출물을 26ppmv(평균) 미만으로 유지하였다. 버너 타일(50)은 전체 시험 기간 내내 붉게 달아오른 것이 관찰되었다.
다음 시험 데이터가 생성되었다.
시험 데이터
열 방출 0.85 MMBtuh
팁 압력 0.4 psig
연료가스 100% TNG*
스퍼드 크기 #52 MTD
예혼합 가스
NOx 배출 5.31 ppmv
CO 배출 34.80 ppmv
O2 비율 18.63%
화염의 질 매우 양호
믹서 타입 Std. Brnr. Pilot
예혼합 팁(대형 포트) 0.261"
예혼합 팁(소형 포트) 0.125"
노 플로어 온도 336℉
노 온도 384℉
* 툴사 천연 가스(Tulsa Natural Gas)
열 방출 2.07 MMBtuh
팁 압력 2.6 psig
연료가스 100% TNG*
스퍼드 크기 #52 MTD
예혼합 가스
NOx 배출 11.2 ppmv
CO 배출 9.04 ppmv
O2 비율 16.15%
화염의 질 매우 양호
믹서 타입 Std. Brnr. Pilot
예혼합 팁(대형 포트) 0.261"
예혼합 팁(소형 포트) 0.125"
노 플로어 온도 683℉
노 온도 717℉
* 툴사 천연 가스(Tulsa Natural Gas)
열 방출 3.0 MMBtuh
팁 압력 5.4 psig
연료가스 100% TNG*
스퍼드 크기 #52 MTD
예혼합 가스
NOx 배출 12.42 ppmv
CO 배출 12.33 ppmv
O2 비율 14.38%
화염의 질 매우 양호
믹서 타입 Std. Brnr. Pilot
예혼합 팁(대형 포트) 0.261"
예혼합 팁(소형 포트) 0.125"
노 플로어 온도 859℉
노 온도 893℉
* 툴사 천연 가스(Tulsa Natural Gas)
열 방출 4.00 MMBtuh
팁 압력 9.4 psig
연료가스 100% TNG*
스퍼드 크기 #52 MTD
예혼합 가스
NOx 배출 10.19 ppmv
CO 배출 26.62 ppmv
O2 비율 12.56%
화염의 질 매우 양호
믹서 타입 Std. Brnr. Pilot
예혼합 팁(대형 포트) 0.261"
예혼합 팁(소형 포트) 0.125"
노 플로어 온도 1015℉
노 온도 1036℉
* 툴사 천연 가스(Tulsa Natural Gas)
열 방출 4.97 MMBtuh
팁 압력 15.3 psig
연료가스 85% TNG*와 15% H2
스퍼드 크기 #52 MTD
예혼합 가스
NOx 배출 9.95 ppmv
CO 배출 10.99 ppmv
O2 비율 10.22%
화염의 질 매우 양호
믹서 타입 Std. Brnr. Pilot
예혼합 팁(대형 포트) 0.261"
예혼합 팁(소형 포트) 0.125"
노 플로어 온도 1138℉
노 온도 1161℉
* 툴사 천연 가스(Tulsa Natural Gas)
열 방출 6.01 MMBtuh
팁 압력 20.9 psig
연료가스 85% TNG*/15% H2
스퍼드 크기 #52 MTD
예혼합 가스
NOx 배출 10.74 ppmv
CO 배출 9.30 ppmv
O2 비율 8.12%
화염의 질 매우 양호
믹서 타입 Std. Brnr. Pilot
예혼합 팁(대형 포트) 0.261"
예혼합 팁(소형 포트) 0.125"
노 플로어 온도 1216℉
노 온도 1256℉
* 툴사 천연 가스(Tulsa Natural Gas)
열 방출 6.50 MMBtuh
팁 압력 23.6 psig
연료가스 85% TNG*/15% H2
스퍼드 크기 #52 MTD
예혼합 가스
NOx 배출 12.99 ppmv
CO 배출 1.10 ppmv
O2 비율 7.01%
화염의 질 매우 양호
믹서 타입 Std. Brnr. Pilot
예혼합 팁(대형 포트) 0.261"
예혼합 팁(소형 포트) 0.125"
노 플로어 온도 1242℉
노 온도 1322℉
* 툴사 천연 가스(Tulsa Natural Gas)
열 방출 7.04 MMBtuh
팁 압력 26.7 psig
연료가스 85% TNG*/15% H2
스퍼드 크기 #52 MTD
예혼합 가스
NOx 배출 13.66 ppmv
CO 배출 0.00 ppmv
O2 비율 8.12%
화염의 질 매우 양호
믹서 타입 Std. Brnr. Pilot
예혼합 팁(대형 포트) 0.261"
예혼합 팁(소형 포트) 0.125"
노 플로어 온도 1271℉
노 온도 1367℉
* 툴사 천연 가스(Tulsa Natural Gas)
열 방출 7.28 MMBtuh
팁 압력 28.1 psig
연료가스 85% TNG*/15% H2
스퍼드 크기 #52 MTD
예혼합 가스
NOx 배출 13.37 ppmv
CO 배출 0.00 ppmv
O2 비율 4.68%
화염의 질 매우 양호
믹서 타입 Std. Brnr. Pilot
예혼합 팁(대형 포트) 0.261"
예혼합 팁(소형 포트) 0.125"
노 플로어 온도 1283℉
노 온도 1376℉
* 툴사 천연 가스(Tulsa Natural Gas)
열 방출 7.98 MMBtuh
팁 압력 31.9 psig
연료가스 85% TNG*/15% H2
스퍼드 크기 #52 MTD
예혼합 가스
NOx 배출 11.32 ppmv
CO 배출 0.00 ppmv
O2 비율 2.56%
화염의 질 매우 양호
믹서 타입 Std. Brnr. Pilot
예혼합 팁(대형 포트) 0.261"
예혼합 팁(소형 포트) 0.125"
노 플로어 온도 1294℉
노 온도 1469℉
* 툴사 천연 가스(Tulsa Natural Gas)
열 방출 8.10 MMBtuh
팁 압력 32.4 psig
연료가스 85% TNG*/15% H2
스퍼드 크기 #52 MTD
예혼합 가스
NOx 배출 10.82 ppmv
CO 배출 0.00 ppmv
O2 비율 1.93%
화염의 질 매우 양호
믹서 타입 Std. Brnr. Pilot
예혼합 팁(대형 포트) 0.261"
예혼합 팁(소형 포트) 0.125"
노 플로어 온도 1286℉
노 온도 1475℉
* 툴사 천연 가스(Tulsa Natural Gas)
열 방출 8.33 MMBtuh
팁 압력 34.0 psig
연료가스 85% TNG*/15% H2
스퍼드 크기 #52 MTD
예혼합 가스
NOx 배출 10.24 ppmv
CO 배출 0.00 ppmv
O2 비율 2.08%
화염의 질 매우 양호
믹서 타입 Std. Brnr. Pilot
예혼합 팁(대형 포트) 0.261"
예혼합 팁(소형 포트) 0.125"
노 플로어 온도 1282℉
노 온도 1499℉
* 툴사 천연 가스(Tulsa Natural Gas)
열 방출 8.58 MMBtuh
팁 압력 35.1 psig
연료가스 85% TNG*/15% H2
스퍼드 크기 #52 MTD
예혼합 가스
NOx 배출 10.34 ppmv
CO 배출 0.00 ppmv
O2 비율 0.67%
화염의 질 매우 양호
믹서 타입 Std. Brnr. Pilot
예혼합 팁(대형 포트) 0.261"
예혼합 팁(소형 포트) 0.125"
노 플로어 온도 1282℉
노 온도 1532℉
* 툴사 천연 가스(Tulsa Natural Gas)
열 방출 8.62 MMBtuh
팁 압력 35.3 psig
연료가스 85% TNG*/15% H2
스퍼드 크기 #52 MTD
예혼합 가스
NOx 배출 9.71 ppmv
CO 배출 2.44 ppmv
O2 비율 0.37%
화염의 질 매우 양호
믹서 타입 Std. Brnr. Pilot
예혼합 팁(대형 포트) 0.261"
예혼합 팁(소형 포트) 0.125"
노 플로어 온도 1284℉
노 온도 1537℉
* 툴사 천연 가스(Tulsa Natural Gas)
열 방출 8.65 MMBtuh
팁 압력 35.3 psig
연료가스 85% TNG*/15% H2
스퍼드 크기 #52 MTD
예혼합 가스
NOx 배출 9.22 ppmv
CO 배출 131.8 ppmv
O2 비율 0.15%
화염의 질 양호
믹서 타입 Std. Brnr. Pilot
예혼합 팁(대형 포트) 0.261"
예혼합 팁(소형 포트) 0.125"
노 플로어 온도 1283℉
노 온도 1501℉
* 툴사 천연 가스(Tulsa Natural Gas)
따라서, 본 발명의 가스 버너 장치는 매우 양호하게 작동되었다. 예혼합 유닛(190)은 잘 작동되었다. 점화, 웜업 및 안정적인 운전 동안에 관찰되는 일산화탄소는 대부분 존재하지 않았다. 또한, 질소산화물 배출도 매우 낮은 것으로 관찰되었다.
10 : 가스 버너 장치
12 : 노 벽
14 : 노 공간
22 : 하우징
28 : 측벽
30 : 공기 출구
50 : 버너 타일
58 : 버너 타일의 벽
70 : 가스 순환 포트
80 : 내측 코안다 표면
87 : 순환 억제 수단
88 : 차폐부
130 : 외측 코안다 표면
140 : 립
164 : 외측 가스 라이저
167 : 내측 가스 라이저
166 : 부 연료가스 배출 노즐

Claims (4)

  1. 공기, 연료가스 및 연도가스를 연소 이전에 혼합하기 위한 혼합 영역을 갖는 가스 버너 장치가 사용되는 노의 공간에서 열을 발생시키기 위해, 상기 노의 공간에서 공기, 연료가스 및 연도가스의 혼합물을 연소시키는 방법으로서,
    상기 혼합 영역에 코안다 표면을 마련하는 단계;
    상기 혼합 영역 외부로부터 혼합 영역 안으로 연도가스를 유입시켜 상기 혼합 영역에서 상기 연도가스가 상기 공기 및 연료가스와 혼합되게 하는 방식으로, 연료가스를 상기 코안다 표면 상에 또는 상기 코안다 표면 가까이에 분사하는 단계;
    상기 공기, 연료가스 및 연도가스의 혼합물을 상기 혼합 영역으로부터 상기 노의 공간 안으로 방출하는 단계; 및
    상기 혼합 영역으로부터 방출된 상기 연소 공기, 연료가스 및 연도가스의 혼합물을 상기 노의 공간에서 연소시키는 단계
    를 포함하는 연소 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 혼합 영역은 벽으로 둘러싸이고, 상기 공기, 연료가스 및 연도가스의 혼합물은 상기 혼합 영역으로부터 상기 노 공간의 주 반응 영역으로 방출되며, 상기 연소 방법은:
    상기 벽의 외면에 외측 코안다 표면을 마련하는 단계; 및
    연도가스를 부 단계의 연료가스의 흐름에 유입시켜 부 연료가스/연도가스 혼합물을 형성하고 상기 부 연료가스/연도가스 혼합물이 상기 노 공간의 부 반응 영역에서 연소되게 하는 방식으로, 부 단계의 연료가스의 흐름을 상기 외측 코안다 표면 상에 또는 상기 외측 코안다 표면 가까이에 분사하는 단계
    를 더 포함하는 것인 연소 방법.
  3. 공기, 연료가스 및 연도가스를 연소 이전에 혼합하기 위한 혼합 영역을 둘러싸는 벽을 포함하는 가스 버너 장치가 사용되는 노의 공간에서 열을 발생시키기 위해 공기, 노의 공간에서 연료가스 및 연도가스의 혼합물을 연소시키는 방법으로서,
    버너 장치의 벽의 외면에 코안다 표면을 마련하는 단계;
    주 연료가스가 상기 혼합 영역에서 공기와 혼합되게 하는 방식으로, 주 연료가스를 상기 혼합 영역에 분사하는 단계;
    공기와 연료가스의 혼합물을 상기 혼합 영역으로부터 방출하는 단계;
    상기 혼합 영역으로부터 방출된 공기와 연료가스의 혼합물을 상기 노의 공간의 주 반응 영역에서 연소시키는 단계; 및
    연도가스를 부 단계의 연료가스의 흐름에 유입시켜 부 연료가스/연도가스 혼합물을 형성하고 상기 부 연료가스/연도가스 혼합물이 상기 노의 공간의 부 반응 영역에서 연소되게 하는 방식으로, 부 단계의 연료가스의 흐름을 상기 외측 코안다 표면 상에 또는 상기 외측 코안다 표면 가까이에 분사하는 단계
    를 포함하는 연소 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 가스 버너 장치의 벽의 내면은 내측 코안다 표면을 포함하고, 상기 혼합 영역에 분사된 연료가스는, 상기 혼합 영역 외부로부터 혼합 영역 안으로 연도가스를 유입시켜 상기 혼합 영역에서 상기 연도가스가 상기 공기 및 연료가스와 혼합되게 하는 방식으로, 상기 내측 코안다 표면 상에 또는 상기 내측 코안다 표면 가까이에 분사되는 것인 연소 방법.
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