KR20130130072A - 산소-연료 버너 장치 - Google Patents

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제프리 디 콜
레이타 모린 존슨
루이스 월터 먼로이그
알렉산더 게오르기 슬라브즈코프
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에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
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Abstract

산소-연료 버너 장치는 노즐 구멍이 약 2.0 이상의 종횡비, D1/D2를 지닌 제1 도관을 갖는다. 제1 도관은 제1 유체 스트림을 제공하도록 구성 및 배치되며, 제1 유체 스트림은 가연성 연료이다. 버너 장치는 제2 가스 스트림을 제1 유체 스트림 주위에 둘레 방향으로 제공하도록 구성 및 배치되는 적어도 하나의 제2 도관을 더 포함하며, 제2 가스 스트림은 산소를 포함한다. 예연소기는 제1 유체 스트림과 제2 가스 스트림을 수용하도록 구성 및 배치되며, 예연소기에서 연소-연료 화염이 생성된다. 노즐 구멍의 형상과 제1 도관의 단면 형상은 상이하다.

Description

산소-연료 버너 장치{OXY-FUEL BURNER ARRANGEMENT}
본 출원은 2011년 3월 10일자로 출원된 미국 가출원 제61/451,250호의 이점을 주장한다. 상기 가출원의 개시는 참고에 의해 그 전체가 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 글래스 용융로(glass melting furnace)를 통과하는 이송 채널에 채용되고 소형의 전문 글래스 멜터(glass melter)에 채용되는 산소-연료(oxy-fuel) 버너를 포함하는 산업용 가열을 위한 버너를 사용하는 방법 및 버너에 관한 것이다.
공기-연료(air-fuel) 글래스 컨디셔닝 버너, 예컨대 정련 시에 또는 전로(前爐)에서 사용되는 버너는 예열 공기를 사용하지 않는다. 공기-연료 버너로부터 컨디셔닝 공정에 공급되는 많은 에너지는 공기 중의 질소를 가열하는 데 사용된다. 공기-연료 버너에서 산소-연료 버너로 전환하는 것에 의해 달성 가능한 효율 개선은 60 % 이상이다. 전형적인 산소-연료 글래스 컨디셔닝 버너는, 산소 및 연료 가스 유출구에서의 연료와 산소의 신속한 혼합을 위해 높은 연료 속도를 갖도록 설계된다. 이러한 버너는 노즐로부터의 거리가 증가할수록 넓게 발산하는 화염을 생성한다. 이러한 화염을 수용하도록 요구되는 버너 블럭 개구도 역시 발산되어야만 하며, 이로 인해 휘발성 재료가 차단 채널로 진출하고 노즐 팁에 퇴적되는 기회가 제공된다. 소형 노즐 팁 개구는 이러한 퇴적물로 쉽게 막혀, 손상된 버너로부터 나온 용융 금속에 의한 글래스 오염 및 컨디셔닝 영역에서의 바람직하지 않은 글래스 온도 분포를 유발하여 글래스 품질 문제를 초래한다. 이러한 노즐 막힘 문제는 글래스 품질 문제가 발생하기 전에는 확인하기가 쉽지 않은데, 그 이유는 통상 글래스 컨디셔닝 및 전로 영역에서의 화염이 선명하게 조망되지 않기 때문이다. 더욱이, 노즐의 부분적인 막힘은 산소-연료 화염을 잘못 지향시킬 수 있고, 버너 블럭 손상 또는 글래스 표면 상의 직접적인 화염 충돌(flame impingement)을 초래할 수 있어, 글래스 오염 또는 글래스의 고비등점 성분의 휘발을 유발할 수 있다.
용융 물질을 용융로로부터 하류의 설비, 예컨대 특히 성형 기계로 이송하는 분배 커널(canal)(예컨대, 전로 내에 있음)의 경우, 버너 또는 버너들은, 하류 (성형) 설비에 진입할 시에 용융 물질이 하류 설비에서의 용융 물질의 처리에 적합한, 다른 특성들 중 특히 온도, 점도와 같은 균일한 특성을 갖도록 하는 데에 필요한 에너지를 공급한다. 분배 커널에는, 특히 분배 커널의 횡단면에서의 용융 물질의 온도의 관점에서 비균일성을 감소시키도록 분배 커널의 벽을 통한 열손실을 보상하는 것을 목적으로 하는 버너가 특히 장착될 수 있다. 이때, 분배 커널의 버너는 일반적으로, 화염이 분배 커널의 벽에 근접한 구역으로 제한되는 저출력 버너(low power burner)이다.
커널의 벽에 근접한 구역을 넘어 연장되고, 이에 따라 커널의 중앙 구역에서도 또한 용융 물질을 가열하는 화염을 분배 커널에 채용할 때, 이 구역에서 용융 물질이 재비등하고, 이에 따라 최종 제품이 비균일성과 대응하는 결함을 나타낼 상당한 위험이 존재한다.
용융 물질 분배 채널의 폭은, 최적 글래스 온도를 유지하기에 충분한 연소율로 버너를 연소하면서 균일한 온도 분포를 유지하는 데에 있어서 약간의 과제에 직면할 수 있다. 예컨대, 파이버 글래스 전로는 매우 협소하며, 통상 18 인치 미만의 폭을 갖는데, 이는 대향 벽에 대한 화염 충돌 없이 시스템에 충분한 열에너지를 공급하는 과제를 제기할 수 있다.
글래스 용융 공정에서의 버너에 대한 다른 용례는 중간 내지 높은 연소율을 활용할 수 있으며, 포트로(pot furnace) 및 데이 탱크(day tank)와 같은 전문 글래스로(glass furnace) 또는 대용량 용융 물질 분배 채널, 커널 및 리파이너(refiner)를 포함할 수 있다. 이러한 용례는 노 체적당 비교적 높은 열입력을 요구한다. 이것은 충분한 열입력을 제공하기 위해 비교적 높은 연소율의 버너를 요구한다. 이와 동시에, 노 벽들 사이의 거리는 비교적 작다. 이들과 같은 공기-연료 연소 설비는, 대향벽에 장착된 공기-연료 버너가 근처 벽에 장착된 공기-연료 버너와 정반대인 구성의 공기-연료 버너를 연소시키는 것에 의해 한정된 공간 내에서 요구되는 열입력을 달성한다. 대향 공기-연료 화염들 중 하나의 화염의 높은 모멘텀은 다른 대향 공기-연료 화염의 높은 모멘텀을 효과적으로 상쇄하여, 대향 벽이 과열되는 것을 방지한다. 이러한 대향 공기-연료 버너 구성은 연소실에 고온 스팟을 형성할 수 있는 많은 난류를 형성한다. 연소실의 고온 스팟은 또한 대향 공기-연료 버너로의 유동이 적절히 상쇄되지 않거나, 또는 버너가 설치 시에 불량하게 정렬되는 경우에도 생성될 수 있다. 이러한 대향 설치 방법이 채용되는 경우조차도, 공기-연료 버너는 대개 연소실에 소망하는 에너지를 제공하는 것이 불가능하여, 글래스 온도를 제한하고, 제품 품질을 떨어뜨리며, 생산율을 감소시킨다. 연소실 전반에 걸쳐 균일한 글래스 온도는 이러한 용례에 있어서 제품 품질을 유지하는 데에 중요하다. 내화물에 대해 또는 용융 물질 내에 고온 스팟을 생성하는 일 없이 필요한 열에너지를 제공하는 수단을 구비하는 것이 바람직하다.
버너 설계는, 유체 유동, 가스의 혼합 및 특히 버너 노즐에 대한 다른 고려사항을 포함하는 고려해야 할 다양한 요인들을 수반한다. 가스 혼합에 작용하도록 상이한 구멍 형상을 갖는 노즐로 유동을 변경하는 것이 연구되었다. 예컨대, Gutmark, E.J. 등에 의한 명칭이 "비원형 제트에 의한 유동 제어(Flow Control with Noncircular Jets)"인 1999년 논문은, 상이한 노즐 구멍 형상을 사용한 실온에서의 공기와의 혼입에 대한 경향을 기술하고 있다. 이러한 데이터는, 원형 노즐이 최저량의 혼입을 부여하고, 슬롯 및 지퍼 노즐 형상이 더 높은 혼입을 촉진한다는 것을 보여준다. 노즐 구멍 형상에 있어서 보다 높은 혼입은, 높은 혼입 구성을 지니고 산화제 스트림이 연료 스트림을 에워싸는 연료 가스 노즐을 갖도록 구성된 버너를 위한 연료 스트림과 산소 스트림 간의 보다 많은 혼합을 의미한다. Gollahalli, S.R. 등[Combustion Sci. Technol. 1992년, 86: 1-6, 267 "원형 및 타원형 노즐로부터 나온 가스 제트의 확산 화염(Diffusion Flames of Gas Jets Issued from Circular and Elliptic Nozzles")]은 질소 희석 프로판 연료(원형 노즐에 대한 Re 4740) 및 저속 동심 공기 스트림을 사용하는 원형 및 타원형(종횡비 장축/단축 3 : 1) 연료 노즐로부터의 확산 화염을 연구하였다. Gollahalli는 저온 유동 시험에 대한 Gutmark의 결과가 공기 연료 프로판 화염으로 전환될 수 있음을 확인하였다. Gollahalli는 동일한 개방 면적을 갖는 원형 연료 노즐 구멍으로부터 생성된 화염과 비교하여 타원형 연료 노즐 구멍으로부터 생성된 화염에서의 연료와 공기간의 향상된 혼합을 화염하였다. Gollahalli의 테스트는 예연소기(precombustor) 없이 버너로부터의 공기 연료 화염의 개방 공기 연소로 제한되었다. Gollahalli는 2개의 상이한 노즐 형상으로부터 생성된 화염의 길이에 있어서의 임의의 차이를 발표하지 않았다. 사실상, 중간 범위 및 노즐 팁으로부터 가장 먼 거리에서 측정된 일산화탄소 농도(측정은 때때로 화염 길이를 추정하는 데 사용됨)는, 저자에 의해 2개의 상이한 노즐 형상에 있어서 "크게 다르지 않은" 것으로 특징 지워졌다.
Zaman, K.B.M.Q. Zaman에 의한, 명칭이 "비대칭 제트의 축 전환 및 전개: 일관된 구조 동력학의 역할(Axis Switching and Spreading of an Asymmetric Jet: The Role of Coherent Structure Dynamics)"인 다른 논문은 유동이 비대칭 노즐에 있어서 전개되는 방식, 평균 속도 윤곽 슬라이스(mean velocity contour slice)를 노즐로부터의 거리의 함수로서 맵핑하는 방식을 논의한다. Zaman은 유동의 전개(spreading)가 와류 생성기를 갖는 비대칭 노즐에 대해서 향상된다는 것을 확인하였다. 이러한 와류 생성기는 기본적으로, 벽을 따라 불연속성을 형성하는, 슬롯의 벽 상에 기계 가공되는 탭이다. 저자는 또한 축 반전(axis inversion)의 개념을 소개하는데, 이 개념에서 유동은 슬롯의 종축을 따른 전개를 시작할 수 있고, 이따금 방향을 노즐 팁으로부터 방향을 180도로 전환할 수 있다. 공기가 슬롯 노즐을 통과하여 흐르는 테스트는, 노즐로부터 소정 거리에서 유동이 원형 형상으로 복귀할 때까지 유동이 비대칭 방향으로 전개되는 것을 보여준다. 와류 생성기의 효과는 매끄러운 벽을 지닌 노즐 구멍에 의해 조성되는 전형적인 유동 패턴을 방해하는 것이고, 이로 따라 축 반전이 초래되거나(슬롯의 짧은 에지에 장착된 델타 탭의 경우), 또는 유동이 원형 패턴으로 돌아가는 것을 방지한다(이에 따라, 노즐로부터 더 먼 거리에서의 유동의 전개가 안정해짐). Zaman 및 Gutmark로부터의 논문은 평면 화염의 형성에 저항하는 유동 거동을 보여주며, 여기에서 평탄한 유동 패턴은 복잡한 버너 장치를 요구하거나 단지 버너 페이스로부터의 유동의 일부에 대해서만 평탄한 유동 패턴을 갖는다. 슬롯 형상을 갖지만 매끄러운 에지가 결여(지퍼)된 노즐은 혼합을 너무 향상시켜서, 예연소기가 매끄러운 표면을 갖는 슬롯을 위해 사용되는 예연소기와 유사한 L/D를 갖는 경우에 과열하기 시작한다.
기지의 연소 방법이 USPN 제5,256,058호; US 특허 공보 제2010/0310996호; 및 USPN 제5,500,030호에 기술되어 있으며, 이들 문헌의 개시는 참고에 의해 본 명세서에 포함된다. '058호 문헌에 개시된 산소-연료 버너의 원리는, 고도로 발광하는 화염을 생성하기 위해 산소-연료 화염의 근접 노즐 부분을 예연소기 내부에 한정하면서 연료와 산소의 혼합을 지연시키는 것이다. 이러한 화염은 대형 노에 매우 효율적인 열전달을 제공하며, 버너 노즐 상의 축적물 및 부식을 억제한다. 지연 혼합 해결책의 한가지 결점은, 화염이 너무 길어서, 넓은 전로의 중앙에서 글래스를 과열하는 일 없이 또는 협소한 전로, 커널 또는 소형 전문 글래스 용융로의 대향 벽 상의 내화재를 과열하는 일 없이는 필요한 에너지를 공급할 수 없다는 것이다. 다른 결점은 '058호 문헌의 화염은 글래스 컨디셔닝 구조 내부에서 글래스의 충분한 온도 균일성을 유지하는 것이 불가능하여, 제품 품질에 악영향을 준다는 것이다.
평면 화염을 얻고자 하는 한가지 시도가 Kobayashi 명의의 미국 특허 공보 제US2003/0015604호에 개시되어 있으며, 이 특허는 참고에 의해 그 전체가 본 명세서에 포함된다. Kobayashi는 화염을 "평면화"하기 위해 연료 가스 스트림 상부 및 하부로 가스 스트림을 유입하는 것을 개시하고 있다. Kobayashi는 복잡한 구성을 활용하지만, 화염 형상을 변경하기 위해 노즐 형상으로부터의 유체 역학과 버너 공정을 활용하지 않는다.
전로 버너가 국제 공보 제WO2011/154285호에 의해 개시되어 있으며, 이 특허는 참고에 의해 그 전체가 본 명세서에 포함된다. 공보 제WO2011/154285호에는, 글래스 용융로의 전로와 함께 사용하기 위한 산소-연료 버너가 개시되어 있다. 그러나, 개시된 구성은 화염 현상을 변경하고 가열에 있어서의 균일성을 제공하는 제한된 능력을 갖는다.
당업계에서는, 효율적이고, 용융 물질의 이송 채널 전반에 걸쳐 균일한 온도를 유지하는 방식으로 열에너지를 제공하면서, 버너 구성요소의 과열을 감소시키거나 제거하고, 노의 대향 벽 상의 내화재의 과열을 감소시키거나 제거하는, 산소를 이용한 가연성 연료의 연소를 강화하는 산소-연료 버너 장치, 연소 시스템 및 방법이 바람직할 것이다.
본 발명은 산소 도관으로 둘러싸인 연료 도관을 갖는 산소-연료 버너에 관한 것이다. 산소-연료 버너는, 버너 구성요소의 과열 없이 단축된 산소-연료 화염을 생성하도록 하기 위해 한정되고 차폐된 확산 화염을 생성하는 연료와 산소 가스 간의 혼합이 증가되도록 예연소기 내에 배치된다. 본 발명은 또한 용융 물질을 위한 이송 채널에서 사용하기 위한 본 발명의 버너 장치를 사용하는 방법에 관한 것이다.
본 개시의 일양태는 산소-연료 버너 장치를 포함한다. 산소-연료 버너 장치는 종횡비, D1/D2가 약 2.0 이상인 노즐 구멍을 갖는 제1 도관을 포함한다. 제1 도관은 가연성 연료인 제1 유체 스트림을 제공하도록 구성 및 배치된다. 산소-연료 버너 장치는 제1 유체 스트림 주위에 둘레 방향으로 산소를 포함하는 제2 가스 스트림을 제공하도록 구성 및 배치된 적어도 하나의 제2 도관을 더 포함한다. 예연소기는 제1 유체 스트림과 제2 가스 스트림을 수용하도록 구성 및 배치되며, 예연소기에서 산소-연료 화염이 생성된다. 그 길이를 따른 예연소기 개구의 단면은 원형 형상이다. 노즐 구멍의 형상과 제1 도관의 단면 형상은 상이하다. 제1 도관의 노즐 구멍의 형상은 제2 가스 스트림의 혼입을 향상시켜, 버너 구성요소의 과열 없이 단축 화염을 생성한다.
본 개시의 다른 양태는 종횡비, D1/D2가 약 2.0 이상인 노즐 구멍 및/또는 적어도 하나 또는 복수 개의 와류 생성기를 지닌 노즐 구멍을 갖는 제1 도관을 구비하는 산소-연료 버너 장치를 포함한다. 제1 도관은 가연성 연료인 제1 유체 스트림을 제공하도록 구성 및 배치된다. 산소-연료 버너 장치는 제1 유체 스트림 주위에 둘레 방향으로 산소를 포함하는 제2 가스 스트림을 제공하도록 구성 및 배치된 적어도 하나의 제2 도관을 더 포함한다. 예연소기가 제1 유체 스트림과 제2 가스 스트림을 수용하도록 구성 및 배치되며, 예연소기에서 산소-연료 화염이 생성된다. 예연소기의 적어도 유출구의 단면은 비대칭 형상이며, 이 형상에서 종축은 노즐로부터의 유동의 전개 방향과 정렬된다. 노즐 구멍의 형상과 제1 도관의 단면 형상은 상이하다. 제1 도관의 노즐 구멍의 형상은 가스 유동이 노즐을 빠져나갈 때에 가스 유동의 전개를 향상시키고 안정화시켜, 평면 화염을 생성한다.
본 발명의 다른 양태는 적어도 하나의 산소-연료 버너 장치를 갖는 산소-연료 연소 시스템을 포함한다. 산소-연료 버너 장치는 종횡비, D1/D2가 약 2.0 이상인 노즐 구멍 및/또는 적어도 하나 또는 복수 개의 와류 생성기를 지닌 노즐 구멍을 갖는 제1 도관을 포함한다. 제1 도관은 가연성 연료인 제1 유체 스트림을 제공하도록 구성 및 배치된다. 산소-연료 버너 장치는 제1 유체 스트림 주위에 둘레 방향으로 산소를 포함하는 제2 가스 스트림을 제공하도록 구성 및 배치된 적어도 하나의 제2 도관을 더 포함한다. 예연소기가 제1 유체 스트림과 제2 가스 스트림을 수용하도록 구성 및 배치되고, 예연소기에서 산소-연료 화염이 생성된다. 노즐 구멍의 형상과 제1 도관의 단면 형상은 상이하다. 산소-연료 연소 시스템은 밀폐 공간을 포함하는 연소 구역을 더 포함하며, 밀폐 공간은 가열 또는 컨디셔닝할 물질을 수용하도록 구성 및 배치된다.
본 개시의 다른 양태는 평면 산소-연료 화염을 생성하는 방법을 포함한다. 상기 방법은 제1 도관, 적어도 하나의 제2 도관 및 예연소기를 포함하는 산소 연료 버너 장치를 마련하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 종횡비, D1/D2가 약 2.0 이상인 노즐 구멍 및/또는 적어도 하나 또는 복수 개의 와류 생성기를 지닌 노즐 구멍을 갖는 제1 도관에 가연성 연료인 제1 유체 스트림을 제공하는 단계를 포함한다. 제1 유체 스트림 주위에 둘레 방향으로 산소를 포함하는 제2 가스 스트림을 제공하도록 구성 및 배치되는 적어도 하나의 제2 도관도 또한 마련된다. 적어도 유출구에서의 단면이 비대칭 형상이고, 종축이 노즐로부터의 유동의 전개 방향과 정렬되는 예연소기가 마련된다. 제1 유체 스트림 및 제2 가스 스트림에 의해 산소-연료 화염이 형성된다. 노즐 구멍의 형상과 제1 도관의 단면 형상은 상이하다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은, 예로서 본 발명의 원리를 설명하는 바람직한 실시예에 관한 아래의 보다 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 본 발명의 특징은 단독으로 또는 서로 조합되어 사용될 수 있다.
도면은 본 발명의 소정 양태를 예시하기 위해 제공되며, 실축척으로 도시되지 않는다.
도 1은 본 개시의 실시예에 따른 산소-연료 버너 장치의 개략도이다.
도 2는 본 개시의 실시예에 따른 원통 형상을 지닌 예연소기를 형성하는 버너 블럭의 개략도이다.
도 3은 본 개시의 다른 실시예에 따른 원통형 및 나팔 모양 형상을 지닌 예연소기를 형성하는 버너 블럭의 개략도이다.
도 4는 본 개시의 다른 실시예에 따른, 예연소기 유출구에서 비대칭 단면 형상을 갖는 예연소기를 형성하는 버너 블럭을 측면에서 본 개략도이다.
도 5는 본 개시의 다른 실시예에 따른, 예연소기 유출구에서 비대칭 단면 형상을 갖는 예연소기를 형성하는 버너 블럭을 상부에서 본 개략도이다.
도 6은 도 1의 2-2 방향으로 본, 기지의 버너 장치를 예시하는 개략도이다.
도 7은 도 1의 2-2 방향으로 본, 본 개시의 실시예에 따른 버너 장치를 예시하는 개략도이다.
도 8 내지 도 10은 도 1의 2-2 방향으로 본, 본 개시에 포함되지 않는 다른 노즐 구멍 형상을 보여주는 개략도이다.
도 11 내지 도 13은 도 1의 2-2 방향으로 본, 본 개시에 따른 노즐 구성 형상을 보여주는 개략도이다.
도 14는 본 개시에 따른 산소-연료 버너 장치를 활용하는 글래스 용융로의 개략도이다.
가능한 경우에는, 동일한 참조번호는 도면 전반에 걸쳐 동일한 부분을 나타내도록 사용될 것이다.
이제 이하에서는, 본 개시의 바람직한 실시예를 도시한 첨부 도면을 참고로 하여 본 개시를 더 상세히 설명하겠다. 본 개시는, 그러나, 많은 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 본 명세서에 기술된 실시예로 제한되는 것으로 해석되어서는 안 되고, 오히려 이러한 실시예는 본 개시가 철저하고 완벽하며, 본 개시의 범위를 당업자에게 충분히 전달하도록 제공하는 것이다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "산소" 및 이 용어의 파생어는 O2 농도가 대기 또는 산소가 농후한 공기 및 상업적으로 이용 가능한 산소를 포함하는 주위 환경의 농도보다 큰 산화 가스를 일컫는다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "산소-연료 연소", "산소-연료" 및 이들의 파생어는 산소에 의한 연료의 연소를 일컫는다. 다양한 실시예가 특정 위치에 있는 화염을 예시하고 있지만, 화염의 위치는 예시로부터 변할 수 있다는 점을 이해할 것이다.
본 명세서에서 사용되는 "저연소율(low firing rate)"은 약 4,000 Btu/h 내지 약 15,000 Btu/h의 연소 범위를 포함한다. "중간 연소율(medium firing rate)"은 약 12,000 Btu/h 내지 약 250,000 Btu/h의 연소 범위를 포함한다. "고연소율(high firing rate)"은 약 0.5 MMBtu/h 내지 약 2.0 MMBtu/h의 연소 범위를 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 "짧은" 또는 "단축" 화염은 노의 연소 구역 내에서 연장되고, 연소 구역의 100 퍼센터 미만을 커버하는 가시적인 화염 길이를 의미한다. 노에서 가열할 물질 및 버너의 연소율과 노의 크기에 따라, 화염은 연소 구역의 약 25 %에서 75 %까지 연장될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 "평면 화염 형상", "평면 화염", "평탄한 형상" 및 이들의 파생어는 단면이 수직 치수에 비해 하나의 치수에서 긴 형상을 갖는 화염을 의미하는 것으로 의도된다. 평면 화염 형상은 바람직하게는 화염 길이 전반에 걸쳐 평탄한 형상을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 "와류 생성기(vortex generator)"는 제어식 와류 생성을 촉진하는 파형, 로브형 또는 톱니형 노즐 구멍 에지를 포함한다.
용어 "버너 장치" 및 "버너"는 등가이며, 연료와 산소의 혼합물의 연소를 위해 조립 부품으로 이루어진 장치를 규정한다. 용어 "예연소기"는 유입구에서 연소용 가스 스트림을 수용하고 이러한 가스 및 산소-연료 연소 생성물이 유출구를 통해 연소 구역으로 진입하는 것을 허용하는 공간으로서 규정된다. 예연소기는, 예컨대 버너 블럭, 버너 블럭 어댑터, 부품 집합체 또는 이들의 조합에 의해 형성되거나 개장(retrofit)될 수 있다. 용어 "연소 구역"은 예연소기로부터 하류에 있는 노와 같은 공간으로서 규정되며, 연소 구역에서 연소 반응이 일어나고, 연소 반응 중 적어도 하나는 탄소 산화물 및/또는 물과 열을 형성하는, 탄소 및/또는 수소 함유 연료와 산소의 반응일 수 있다.
본 명세서에 사용될 때 단수 표현은 상세한 설명 및 청구범위에 설명된 본 발명의 실시예의 임의의 특징에 적용될 때 하나 이상을 의미한다. 단수 표현은 이러한 한정이 구체적으로 언급되지 않으면 단일의 특징으로 의미를 한정하는 것은 아니다. 단수 또는 복수 명사 또는 명사구는 특정의 지정된 특징 또는 특정의 지정된 특징들을 나타내고, 이것이 사용되는 문맥에 의존하여 단수 또는 복수 함축 의미를 가질 수 있다. 용어 "임의의"는 어떠한 양인지에 무관하게 하나, 몇몇 또는 전체를 의미한다. 제1 독립체와 제2 독립체 사이에 놓이는 용어 "및/또는"은 (1) 제1 독립체, (2) 제2 독립체, 및 (3) 제1 독립체와 제2 독립체 중 어느 하나를 의미한다.
본 발명은 대략적으로 산소-연료 버너 및 산소-연료 연소에 관한 것이다. 산소-연료 버너가 공기-연료 버너에 의해 생성되는 화염보다 높은 온도를 지닌 화염을 생성하기 때문에, 산소-연료 버너는 동일한 연소율의 공기-연료 버너보다 더 많은 열을 연소실에 공급할 수 있다. 산소-연료 버너는 공기-연료 버너보다 60 % 넘게 효율적이며, 상당히 더 낮은 연소율에서 공기-연료 버너와 동일한 열입력을 전달할 수 있다. 산소-연료 버너에 대한 더 낮은 연소율은 글래스 용융로와 같은 재료 용융로 내에 엇갈린 구성으로의 버너의 설치를 허용하며(예컨대, 도 4 참조), 상기 구성에서 연소실의 대향 벽 상의 산소-연료 버너의 중심선은 연소실의 근처 벽 상의 2개의 버너의 중심선들 사이에 등거리로 설치된다. 연소실에 있는 버너의 최대 연소율은 산소-연료 화염의 길이에 의해 결정되는데, 그 이유는 화염이 몇몇 지점에서 대향 벽에 충돌하기 시작하기 때문이다. 본 개시에 따른 버너 장치는, 산소-연료 버너가 비교적 협소한 벽 공간을 지닌 노에서 또는 화염이 유사하게 구성된 원형 연료 노즐 구멍 형상을 지닌 종래 기술의 산소-연료 버너보다 채널 벽에 근접하게 유지되어야만 하는 분배 채널에서 더 높은 연소율로 작동 가능하다는 점에서 유리하다. 본 개시의 시스템은 기지의 산소-연료 버너 장치보다 연소실에서 더 균일한 온도 분포를 형성한다는 추가의 장점을 갖는다.
본 발명은 또한 단축 산소-연료 화염 및/또는 평면 산소-연료 화염을 생성하는 산소-연료 버너 장치, 산소-연료 연소 시스템 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 단축 화염 및/또는 평면 화염을 형성하는, 연료 도관이 산소 도관에 의해 둘러싸이는 산소-연료 버너에 관한 것이다. 일실시예에서, 연료 도관 구멍 또는 노즐의 형상은, 평면 화염을 포함하는 예정된 형태를 갖는 화염을 생성하도록 변경된다.
본 발명의 일양태에서, 산소-연료 화염은, 발광 화염 효과를 달성하고, (예컨대 도 1에 도시한 바와 같은) 제1 도관 및 제2 도관, 버너 블럭(111) 또는 예연소기(103)로의 해로운 노 오염물의 혼입을 감소시키거나 제거할 수 있는 노즐 구멍(예컨대, 도 7의 201)을 사용하여 생성된다. 본 발명에 따른 버너 장치는 적절히 단축 화염 및/또는 평면 화염을 제공하여, 버너가 노의 협소한 커널 내에서 비교적 높은 연소율로 작동 가능하도록 할 수 있다. 짧은 화염은 연료 노즐 구멍의 형상을 비원형 형상으로 하는 것에 의해 생성될 수 있다. 더욱이, 비원형 연료 노즐 구멍 형상은 소망하는 화염 특성을 나타내기 위해 약 2.0 이상, 통상적으로 적어도 3.0의 종횡비(D1/D2)를 가질 수 있다(예컨대, 도 7 참조). 원통형 단면 예연소기(도 2 및 도 3 참조)와 연결되는 높은 종횡비의 연료 노즐 구멍은 짧은 화염을 생성한다. 높은 종횡비 및/또는 델타 탭(delta tab)을 지닌 노즐 구멍(도 7, 도 11 내지 도 13 참조)이 짧은 화염 및/또는 평면 화염을 생성하는 데에 유용하다. 유출구가 비대칭 단면을 갖는 예연소기(도 4 및 도 5)와 연결되는, 선택적 델타 탭을 지닌 높은 종횡비의 연료 노즐 구멍은 평면 화염을 생성한다. 제1 도관의 노즐 구멍은 길거나, 비대칭이거나 또는 제어식 와류 생성 특징을 갖는 형상을 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에서, 비원형 연료 노즐 구멍 형상의 장점은, 예연소기 온도가 (동일한 연소율의) 원형 또는 대칭 연료 노즐을 사용하는 예연소기 온도에 비해 감소될 수 있다는 것이다. 더 낮은 예연소기 온도는 내화재 수명과 원형 버너보다 낮은 연소율로 작동되는 비원형 노즐 구멍의 능력을 증가시키고, 이에 따라 비원형 노즐 구멍 버너 설계를 더 유연하게 한다. 아래의 표 3은 원형 및 비원형 노즐 구멍을 지닌 버너 연소에 대한 버너의 고온 페이스로부터 상이한 거리에서의 예연소기의 온도 간의 차를 보여주는 예를 열거한다. 비원형 노즐 구멍을 지닌 버너 연소에 대한 예연소기 온도는 대칭 노즐 구멍을 지닌 버너 연소의 온도보다 통상적으로 낮다. 온도차는 버너 팁(즉, 고온 페이스의 영향으로부터 가장 격리되는 구역)에 더 근접할수록 가장 크다.
예컨대, Zaman 및 Gutmark 등에 의해 당업계에 알려진 고속 저온 유통 테스트와는 대조적으로, 본 개시에 따른 버너 장치(100)에 의해 생성된 화염은 축 반전과 평면 화염을 초래한다. 예컨대, 유동의 전개가 슬롯의 긴 변의 방향에 대응해야만 한다는 것을 보여주는 Zaman의 논문에 있는 개시와는 대조적으로, 본 발명의 버너 장치(100)는 축 반전과 평면 화염을 입증한다. 본 개시에 따른 버너 장치(100)는 짧은 측(즉, 도 7의 D2)에 대응하는 보다 긴 치수를 지닌 평면 화염을 갖는다. 이론 또는 설명에 국한되는 것을 바라는 것은 아니지만, 본 개시에 따른 비원형 구멍을 갖는 연료 노즐이 장착된 버너에 대해 관찰된 평면 화염 형상은 예연소기 내부의 가스 혼합을 변경하는 구멍 형상의 능력으로 인한 것이다. 종횡비, D1/D2가 2.0 미만인 노즐 구멍(201)은 원형 노즐 구멍과 비교하여 관찰되는 화염 특징을 변경시키는, 가스 혼합에 대한 충분한 효과를 갖지 않는다. 노즐 구멍(201)의 종횡비(D1/D2)가 2.0보다 큰 구멍은 예연소기 내부의 가스 혼합을 증가시켜, 보다 짧고 평면 화염을 일으키게 한다. 원통형 예연소기에 의해 생성되는 경우에, 수평 방향 장착 슬롯으로부터 관찰되는 화염의 가시적인 부분의 높이 또는 두께는 수직 방향 장착 슬롯으로부터 관찰되는 화염의 가시적인 부분의 높이보다 크다. 이러한 화염의 높이차는, 하나의 슬롯 연소 구멍이 수평 방위로 장착되고, 하나의 슬롯 연료 구멍이 수직 위치로 장착된 나란히 배치된 2개의 버너를 동일한 연소율로 연소시키는 것에 의해 수평 방향으로 관찰되었고, 화염의 발광 섹션의 높이는 수직 슬롯 방위보다, 슬롯의 종축에 수직한 수평 슬롯 방위에 대해서 더 크다. 축 반전 및 결과적인 평면 화염이 슬롯 노즐 구멍에 대해서 예연소기 내부에서 측정된 보다 낮은 블럭 온도를 초래하는 것으로도 또한 생각된다.
본 발명의 일양태에서, 버너는 저연소율의 글래스 용융로의 전로에 채용된다. 그러한 양태에서는, 버너가 짧은 화염을 갖는 것이 바람직하다. 본 발명에 의해 제공되는 화염 길이 및 형상은, 협소한 글래스 전로 채널의 대향 벽에 충돌 또는 이 대향 벽을 과열시키지 않는 (예컨대 파이버 글래스 제조에 사용되는) 고광도 산소-연료 화염을 제공할 수 있다. 본 발명에 의해 제공되는 짧은 화염 길이는 또한, 보다 넓은 폭의 채널의 중심에서 보다 고온의 용융 물질의 재비등을 방지하기 위해 전로의 벽 근처에 열을 집중시키는 화염을 제공하는 데에 유용하다. 평면 화염 형상은 보다 넓은 면적에 걸쳐 실질적으로 균일한 가열을 허용한다. 다른 실시예에서, 평면 화염 형상은 연소 시스템에 있는 버너의 개수의 감소를 허용한다.
본 발명의 다른 양태에서, 연료 및 산소 도관은 예연소기 내의 동일한 위치에서 종결될 수도 있고, 연료 노즐은 산소 도관의 종결 지점과 상이한 위치에서 종결될 수 있다. 일양태에서, 산소 도관은 연료 도관을 지나 연장되고, 예연소기의 일부를 형성한다. 다른 양태에서, 연료 및 산소 도관에는 개장 설치를 위해 공기 연료 버너 블럭에의 설치를 용이하게 하도록 어댑터가 장착될 수 있다. 본 발명의 다른 양태에서, 버너 장치는, 버너 블럭에 대한 손상을 감소시키거나 제거하는 보다 낮은 예연소기 온도를 제공한다.
이제 도면을 참고하면, 도 1은 산소-연료 버너 장치(100)의 개략적인 설비를 보여준다. 산소-연료 버너 장치(100)는 버너 노즐 섹션(101), 예연소기(103) 및 연소 구역(105)을 포함한다. 버너 노즐 섹션(101)은 제1 도관(108)과 제1 도관(108) 주위에 둘레 방향으로 배치되는 제2 도관(109)을 포함하는 버너 유입부(106, 107)를 포함한다. 제2 도관(109)은 단일의 연속적인 도관 또는 개구일 수도 있고, 복수 개의 도관, 노즐 또는 오리피스일 수 있다. 도 1에 도시한 실시예에서, 예연소기(103)는 버너 블럭(111)에 의해 형성되고, 제1 도관(108) 및 제2 도관(109)으로부터의 제1 유체 스트림(113) 및 제2 가스 스트림(115)을 수용한다. 다른 실시예에서, 예연소기(103)는 제2 도관(109)의 일부와 버너 블럭(111)의 일부에 의해 형성될 수 있다. 예연소기(103)는 일정한 직경을 지닌 원통형 형상을 가질 수도 있고, 일정한 직경의 섹션이 나팔 모양 섹션에 연결된(예컨대, 경사지거나 테이퍼진 영역을 통해 연결된) 원통형 형상을 가질 수 있다. 예연소기(103)는 너무 제한되지 않고, 버너 노즐 섹션(101)으로부터의 가스 스트림을 수용하도록 임의의 적절한 형상을 가질 수 있다. 일실시예에서, 예연소기(103)는 유입구에서의 원통형 형상과, 대응하는 화염 형상을 수용하는 도관(108, 109)으로부터의 유동의 전개 방향과 정렬되는 유출구에서의 비대칭 단면을 지닌 형상을 포함한다(예컨대, 도 7 및 도 11 내지 도 13).
버너 노즐 섹션(101)은 예연소기(103)에 제1 유체 스트림(113)과 제2 가스 스트림(115)을 제공한다. 제1 유체 스트림(113)은 가연성 연료이다. 가연성 연료는 글래스와 같은 용융 물질을 가열하기에 적절한 연소가 가능한 임의의 적절한 연료이다. 적절한 가연성 연료로는, 제한하는 것은 아니지만, 천연가스, 메탄 또는 프로판과 같은 가스상 탄화수소, 일산화탄소, 50 체적% 미만의 수소를 함유하는 가스와 같은 수소 함유 가스 및 이들의 조합이 있다. 다른 실시예에서, 연료 오일, 가열 오일, 폐유, 슬러리 등과 같은 액체 가연성 연료도 또한 사용될 수 있다. 제2 가스 스트림(115)은 산소 농도가 20.0 체적% 초과(공기) 내지 99.5 체적% 초과(고순도 산소)의 범위인 산소 함유 가스이다. 산소 함유 가스는 바람직하게는 약 50 체적% 이상의 산소 또는 80 체적%를 초과하는 산소를 포함한다.
제1 유체 스트림(113)과 제2 가스 스트림(115)은 예연소기 벽 온도를 산소-연료 화염의 온도 미만으로 만족스럽게 유지하면서 예연소기 내부에서 2상 난류 확산 화염을 달성하는 방식으로 제공된다. 본 개시에 따른 예연소기로의 제1 유체 스트림(113) 및 제2 가스 스트림(115)의 유동은 버너 블럭(111) 또는 버너 장치(100)의 다른 구성요소의 과열을 감소시키거나 제거할 수 있다. 구성요소의 과열은 공기-연료 화염의 온도보다 훨씬 높은 온도에의 노출을 포함한다. 과열을 초래하는 온도는, 예컨대 이러한 온도에의 노출이 버너 블럭(111)의 내화재 또는 버너 장치(100)의 다른 구성요소를 손상시키거나 용융시킬 수 있을 만큼 충분히 높다. 예연소기(103)로부터, 제1 유체 스트림(113) 및 제2 가스 스트림(115)이 연소 구역(105)에 제공된다. 연소를 개시하여 화염(119)을 형성하기 위해 점화 소스(도시하지 않음)가 마련된다. 화염(119)은 도시한 형상 또는 위치로 제한되지 않고, 제2 가스 스트림(115)의 산소와 제1 유체 스트림(113)의 혼합물의 연소를 포함한다. 화염(119)은 예연소기(103)에서 시작되어 연소 구역(105)으로 연장될 수 있다. 예연소기(103)는 예연소기(103)의 재료의 과열 및/또는 충돌로 인한 손상을 최소화하거나 제거하도록 형성되는 화염 형상에 대응하는 형상을 갖는다.
이제 도 2를 참고하면, 도 2는 본 개시의 실시예에 따른, 버너 블럭(111)이 제2 도관(109)과 연결되고 직선의 원통형 예연소기(103)를 형성하는 버너 장치(100)의 개략도이다.
이제 도 3을 참고하면, 도 3은 본 개시의 다른 실시예에 따른, 버너 블럭(111)이 제2 도관(109)에 연결되고, 나팔 모양이 직선 모양에 이어지는 원통형 예연소기(103)를 형성하는 버너 장치(100)의 개략도이다. 추가로, 도 2 및 도 3에 도시한 버너 장치(100)는 규정된 예연소기 길이 대 직경비, 즉 L/D를 포함하고, L은 직선 채널 (원통형) 예연소기의 길이이고, D는 직선 채널 연소기의 직경이다. 예연소기 길이 대 직경비, L/D는 바람직하게는 약 2.0 이상 또는 약 3.0 이상이다. 본 발명의 일양태에서, L/D는 약 6 미만 또는 약 5.0 미만이다.
이제 도 4 및 도 5를 참고하면, 도 4 및 도 5는 각각, 본 개시의 다른 실시예에 따른, 버너 블럭(111)이 제2 도관(109)에 연결되어 예연소기(103)를 형성하는 버너 장치(100)의 측면 조망과 상부 조망의 개략도이다. 이 실시예에서 예연소기(103)는 유출구에서 비대칭 단면 형상을 갖고, 이때 L1이 예연소기 채널 개구의 긴 쪽이고, L2가 연소기 채널 개구의 짧은 쪽이다. 예연소기 유출구의 단면의 종횡비, L1/L2는 바람직하게는 약 2.0 이상 또는 약 3.0 이상이다. 도 4 및 도 5의 버너 장치는 버너 노즐 섹션(101)에 의해 형성된 평면 화염을 수용하도록 구성된다. 예연소기 유출 채널 개구의 단면의 긴 쪽의 방위는 보다 긴 치수(L1)가 화염의 평면부와 평행하게 배치되도록 배열된다.
본 발명의 다른 양태에서, 개장형 버너는 제1 도관(108) 및 제1 도관(108)을 소정 거리만큼 지나 연장되도록 버너 블럭(111)에 연결되어 예연소기(103)를 형성하는 제2 도관(109)을 사용하여 형성될 수 있다. 그러한 연장은, 예컨대 기존의 버너 블럭(111)을 끼워넣도록 이루어질 수 있다. 본 개시에 따른 버너 장치(100)는 제2 도관(109)의 연장부가 연료와 산소의 억제된 혼합으로 인해 손상되지 않도록하는 버너의 작동을 허용한다.
이제 도 6을 참고하면, 도 6은 도 1로부터의 2-2 방향으로 도시한 기지의 동심 구멍 버너(100)의 페이스의 구성을 예시한다. 이 실시예에서, 페이스는 환형 타입 버너의 페이스이다. 제1 유체 스트림(113)을 제공하는 제1 도관(108)은 산소를 포함하는 제2 가스 스트림(115)을 제공하는 연속적인 제2 도관(109)으로 둘러싸인다. 제2 도관은 버너를 위치 설정하기 위해 내화재(111)의 원통형 섹션으로 둘러싸인다. 버너 장치(100)의 페이스는 노즐 구멍(201)이 원형 형상을 갖는 제1 도관(108)을 포함한다.
이제 도 7을 참고하면, 도 7은 본 개시의 실시예에 따른, 도 1로부터의 2-2 방향을 도시한 동심 구멍 버너(100)의 페이스의 구성을 예시한다. 본 실시예에서, 페이스는 환형 타입 버너의 페이스이다. 제1 유체 스트림(113)을 제공하는 제1 도관(108)은 산소를 포함하는 제2 가스 스트림(115)을 제공하는 연속적인 제2 도관(109)으로 둘러싸인다. 제2 도관은 버너를 위치 설정하기 위해 내화재(111)의 원통형 섹션으로 둘러싸인다. 버너 장치(100)의 페이스는 노즐 구멍(201)이 슬롯 형상인 제1 도관(108)을 포함한다. 노즐 구멍(201) 형상과 제1 도관(108)의 단면 형상은 상이하다. 일실시예에서, 제1 도관(108)은 원형 단면 형상을 갖고, 슬롯 형상 노즐 구멍(201)을 통해 연료를 주입한다. 소정 실시예에서, 노즐 구멍(210)의 형상은, D1/D2 ≥ 2.0 또는 D1/D2 ≥ 3.0 또는 D1/D2 ≥ 4.0인 종횡비 D1/D2를 포함한다. 종횡비가 2.0 이상인 노즐 구멍(201)을 포함하는 버너 장치(100)는 단축 화염 및/또는 평면 화염을 형성한다.
이제 도 8 내지 도 13을 참고하면, 도 8 내지 도 13은 도 6 및 도 7에 관하여 대체로 도시하고 전술한 버너 장치(100)에 대한 버너 페이스 구성을 예시한다. 도 8은 노즐 구멍(201)이 "눈사람" 형상을 지닌 제1 도관(108)을 포함하는 버너 페이스를 예시한다. 도 9는 노즐 구멍(201)이 "클로버" 형상을 지닌 제1 도관(108)을 포함하는 버너 페이스를 예시한다. 도 10은 노즐 구멍(210)이 "십자가" 형상을 지닌 제1 도관(108)을 포함하는 페이스를 예시한다. 도 8 내지 도 10에서와 같이, 눈사람 형상, 클로버 형상 및 십자가 형상은 2.0 미만의 종횡비(D1/D2)를 갖는다. 도 8 내지 도 10은 본 발명에 따르지 않은 노즐 구멍(201)에 대한 다양한 형상을 보여주는데, 그 이유는 D1/D2 < 2.0이고 단축 화염이 원통형 예연소기를 구비하는 버너 장치로부터 생성되지 않기 때문이다. 도 11 내지 도 13은 도 6 및 도 7에 관하여 대체로 도시하고 설명한 버너 장치(100)에 대한 버너 페이스 구성을 예시한다. 도 11은 노즐 구멍(201)이 2개의 반원부를 지닌 제1 도관(108)을 포함하는 버너 페이스를 예시한다. 도 11의 노즐 구멍은 본 발명의 양태인데, 그 이유는 반원부의 D1/D2 > 2.0이고, 단축 화염이 원통형 예연소기를 구비하는 버너 장치로부터 생성되기 때문이다.
도 12 및 도 13은 노즐 구멍(201)이 D1/D2 > 2.0이고 긴 에지에 위치 설정되는 와류 생성기(205)를 지닌 제1 도관(108)을 포함하는 버너 페이스를 예시한다. 도 12에서 이용되는 삼각형 형상의 와류 생성기(205)는 델타 탭이라고 칭한다. 와류 생성기(205)를 지닌 슬롯 형상 노즐 구멍(210)은 델타 탭을 지닌 지정 슬롯이다. 도 13은 "지퍼" 형상으로 지정되는 정사각형 형상의 와류 생성기(205)를 지닌 노즐 구멍(201)을 예시한다. 와류 생성기는 도 12 및 도 13에 예시된 본 발명의 양태로만 제한되는 것이 아니라, 원한다면 노즐을 빠져나가는 가스의 유동을 제어하거나 수정하는 데 사용될 수 있다.
도 12 및 도 13에 예시된 노즐 구멍 형상은 본 발명의 양태이며, 비대칭 유출구 단면을 갖는 예연소기와 연결될 때에 평면 화염을 생성한다. 본 개시에 따라 평면 화염을 형성하도록, 비원형 연료 노즐 개구 형상은 약 2.0 이상인 종횡비(D1/D2)와 적어도 하나, 바람직하다면 적어도 2개의 와류 생성기를 갖는다. 도 8 내지 도 10의 특정 형상이 2.0 미만의 종횡비(D1/D2)를 갖는 것으로 제시하지만, 본 개시에 따른 유사한 구성을 갖는 형상, 예컨대 노즐 구멍이 약 2.0 이상의 종횡비(D1/D2)를 갖는 긴 눈사람 또는 평탄한 십자가가 본 발명의 양태이며, 이에 따라 원통형 예연소기와 연결될 때에 단축 화염을 생성할 것이다. 이와 유사하게, D1/D2 > 2.0인 상기 노즐 구멍에 와류 생성기가 마련되면, 비대칭 유출구 단면을 갖는 예연소기와 연결될 때에 평면 화염이 생성될 것이다. 비대칭 유출구 단면을 갖는 예연소기와 연결될 때에 평면 화염을 생성하는 D1/D2 > 2.0인 노즐 구멍으로부터의 유동의 충분한 전개가 존재한다. D1/D2 > 2.0인 노즐 구멍에 의해 행성된 평면 화염은 일반적으로, D1/D2 > 2.0이고 와류 생성기를 갖는 노즐 구멍으로부터 생성된 평면 화염보다 낮은 종횡비를 갖는다.
이제 도 14를 참고하면, 도 14는 본 개시에 따른 산소-연료 버너 장치(100)를 활용하는 글래스 용융로(800)를 보여준다. 산소-연료 버너 장치(100)가 글래스 용융로(800) 전반에 걸쳐 도시되어 있지만, 산소-연료 버너 장치(100)가 글래스 용융로의 단지 선택된 섹션 또는 위치에서만 사용되는 조합을 포함하는 산소-연료 버너 장치(100)의 임의의 조합 또는 임의의 개수의 산소-연료 버너 장치(100)가 사용될 수 있다. 글래스 용융로(800)는 글래스를 형성하는 재료를 멜터(811)로 장입하는 일련의 뱃치식(batch) 장입부(801)를 포함한다. 리제네레이터(regenerator; 803)가 공기 연료를, 뱃치 재료(batch material)를 가열하고 용융시키는 화염(119)을 형성하는 버너 장치(100)에 공급하며, 뱃치 재료의 용융 물질은 멜터(811)을 방향 812로 통과하여 흐른다. 멜터(811)로부터, 글래스는 선택적 리파이너(813)로 흐르며, 리파이너에서 추가의 버너 장치(100)가 용융된 글래스에 열을 제공하여 글래스 용융물을 더 정련한다. 리파이너(813)로부터, 글래스가 커널(814)에 제공되며, 커널에서 글래스가 형성할 글래스의 타입에 요구되는 적절한 평균 온로도 냉각 또는 가열되는데, 일반적으로 냉각된다. 용융된 글래스는 커널로부터 전로(815)로 흐르며, 전로에서 글래스의 온도는 성형기(807)로 이송되기 전에 글래스 점도를 균일화하도록 유지되고 균일화된다. 전로(815)는 글래스 성형 장치(807)로 이송하고 있는 동안에 온도를 유지하기 위해 산소-연료 버너 장치(100)를 포함한다. 전로(815) 내의 글래스는 바람직하게는 균일한 온도로 유지된다. 성형 장치(807)는 글래스를 소망하는 제품, 예컨대 컨테이너 또는 파이버로 변형시킨다.
예
본 발명의 소정 양태는 아래의 예로 예시된다. 이러한 예는 본 명세서에 첨부된 청구범위의 범주를 제한하는 것은 아니다.
예 1
이 예는 도 6 내지 도 11에 도시한 연료 노즐 구멍을 사용하는, 원통형 예연소기를 구비하는 도 1의 버너 조립체로부터 생성된 화염에 대한 연료 노즐 구멍 형상의 작용을 평가한다. 버너는 노즐 연료 구멍 각각을 장착한 상태로 내화재로 라이닝된 박스에서 20,000 Btu/h의 연소율의 단일 버너 테스트 모드로 연소되었다. 이 예의 버너 테스트는 길이/직경(L/D)이 6인 원통형 예연소기를 사용하였다. 평가의 결과는 아래의 표 1에 나타낸다.
연료 노즐 구멍 종횡비 원형 노즐과 비교한 가시적인 화염 길이 연료 속도/산소 속도
원형 1.0 - 3.9
정사각형 1.0 변경되지 않음 8.1
십자가 1.0 변경되지 않음 8.1
클로버 1.07 변경되지 않음 8.1
눈사람 1.8 변경되지 않음 8.1
슬롯 3.0 단축 8.1
2개의 반원부 4.17 단축 6.4
이러한 단일 버너 연소 테스트의 결과는, 연료 노즐 구멍이 1.8 이하의 종횡비를 갖는 경우에는 연료 노즐 구멍 형상을 변경하는 것이 이 버너에 의해 생성되는 화염에 아무런 영향을 주지 않는다는 것을 보여준다. 그러나, 연료 노즐 구멍이 1.8을 초과하는 종횡비를 갖는 경우, 화염의 길이는 단축된다. 이러한 화염 단축 효과는 높은 종횡비의 노즐 구멍에 있어서 2개의 상이한 연료/산소 속도비에서 관찰되었으며, 이는 화염 길이에 있어서의 변화가 연료 속도 대 산소 속도비보다는 노즐 구멍 형상에 의해 제어된다는 것을 나타낸다.
예 2
예 2는 내화재로 라이닝된 박스 내의 단일 및 다수 버너 구성에 있어서 원형(대칭) 연료 노즐 구멍을 지닌 버너 연소 및 슬롯(비원형) 연료 노즐 구멍(도 6 및 도 7에 도시함)을 지닌 버너 연소에 있어서의 화염 특징의 평가이다. 이들 테스트에 대한 원통형 예연소기의 L/D는 6이었다. 가시적인 화염 길이가 아래의 표 2에 주어진다. 2개의 연료 노즐 구멍 형상의 경우에 가시적인 화염 길이는, 단일 버너 구성과 비교하여 버너가 다수 버너 구성으로 연소되었을 때에 단축되었다. 비원형 노즐 구멍 형상은 단일 및 다수 버너 연소 구성 모두에서 대칭 노즐 구멍 형상보다 단축 화염을 생성하였다. 2개의 상이한 연소율이 다수 버너 구성으로 테스트되었다. 비원형 노즐 구멍 형상이 2개의 연소율에서 대칭 노즐 구멍보다 짧은 화염을 생성하였다. 예연소기 형상은 이러한 버너에 의해 생성되는 가시적인 화염의 길이에 영향을 준다. 나팔 모양 예연소기를 구비하고 비원형 노즐 구멍을 지닌 버너에 의해 생성되는 가시적인 화염은 원통형 예연소기를 구비하고 비원형 노즐 구멍을 지닌 버너에 의해 생성되는 가시적인 화염보다 길다. 사실상, 비원형 노즐/나팔 모양 예연소기 구성에 의해 생성되는 가시적인 화염의 길이는 원형 노즐/원통형 예연소기 구성에 의해 생성되는 가시적인 화염의 길이와 비슷하다.
연료
노즐
타입		 연소율 (1,000 Btu/h) 화염 길이
(단일 버너 테스트 모드)		 화염 길이
(다수 버너 테스트 모드)		 원통형 실린더 채널 타입
원형 20 매우 김 중간 직선형
원형 15 중간 짧음 직선형
슬롯 20 약간 김 짧음 직선형
슬롯 15 중감 매우 짧음 직선형
슬롯 20 김 중간 나팔 모양
슬롯 15 중간 중간 나팔 모양
슬롯 12 - 굉장히 짧음 나팔 모양
예 3
예 3은 도 6 및 도 7의 대칭 및 비원형 연료 노즐 구멍을 지닌 버너 연소에 있어서 예연소기 유출구로부터 다양한 거리에 있는 예연소기 벽의 온도의 평가이다(TC1은 예연소기 유출구에 가장 근접하고, TC2는 TC1보다 예연소기 유출구로부터 멀리 있으며, TC3는 예연소기 유출구로부터 가장 멀리 있음). 온도는 열평형을 달성하기 위해, 내화재로 라이닝된 박스 내로의 4.75 시간 동안 버너당 15,000 Btu/h로 4개의 버너를 연소시킨 후에 기록하였다. 바닥 온도 범위는 전체적으로 규칙적인 간격으로 그리고 내화재로 라이닝 된 박스의 바닥에서 1 인치 위의 높이에 배치되는 4개의 열전쌍으로부터 기록된 최대 온도와 최소 온도 간의 차이다. 바닥 온도는 용융 재료 온도를 나타낸다. 평가 결과는 아래의 표 3에 나타낸다.
원형 연료 노즐
(4.75 시간 균일화됨) 		슬롯 연료 노즐
(4.75 시간 균일화됨) 		ΔT
원형 빼기
슬롯
(℃)
열전쌍 온도(℃) 열전쌍 온도(℃)
블럭 TC1 1010 블럭 TC1 973 37
블럭 TC2 1111 블럭 TC2 1029 82
블럭 TC3 904 블럭 TC3 753 151
박스 바닥 온도
범위		 39 박스 바닥 온도
범위		 40 -1
평균 박스 바닥
온도		 944 평균 박스 바닥
온도		 943 -1
표 3은, 대칭 노즐 구멍 버너 및 비원형 노즐 구멍 버너 양자에 의해 생성되는 화염이, 2개의 테스트에 대해 기록된 유사한 바닥 열전쌍 범위에 의해 증명되는 바와 같이 이러한 4개 버너 연소 구성을 사용하여 박스의 바닥을 따라 동일한 온도 분포를 형성하는 것을 보여준다. 2개의 테스트에 대해 예연소기 벽을 따라 기록되는 온도는 동일하지 않다. 뜻밖에도, 비원형 노즐 화염의 경우의 예연소기 벽 온도는 대칭 노즐의 경우의 예연소기 벽 온도보다 항상 낮다. 훨씬 더 놀라운 것은 2개 타입의 화염 간의 연소기 벽 온도차가, 챔버로부터의 방사의 영향이 최저인 연소기 유출구로부터 가장 멀리 떨어진 지점에서 가장 크다는 것이다. 비원형 노즐 버너는 연료와 산화제 간의 혼합을 증가시키는 것에 의해 더 짧은 화염을 생성하는 것으로 알려져 있다. 이러한 증가된 혼합은 예연소기 내부의 부적절하게 높은 온도를 형성할 것으로 예상된다. 사실상, 예연소기 벽 온도는 연료 및 산화제 혼합 레벨이 더 낮은 노즐보다 혼합을 촉진하는 노즐의 경우에 실제적으로 더 낮다. 감소된 예연소기 온도는 비원형 노즐 버너에 있어서의 현저한 장점인데, 그 이유는 더 낮은 온도가 쿨러 작동 버너에 대한 더 긴 수명을 초래하기 때문이다.
예 4
예 4는 단일 버너 테스트 구성에 있어서 예연소기 벽 온도에 대한 원통형 예연소기 L/D의 영향의 평가로, L은 원통형 예연소기의 길이이고, D는 원통형 예연소기의 직경(도 2 및 도 3에 도시함)이다. 평가 결과는 아래의 표 4에 나타낸다. 화염 특징에 대한 L/D의 영향은 연소율과 노즐 구멍 타입에 좌우된다. 일반적으로 그리고 이론 또는 설명에 국한되는 것을 바라는 것은 아니지만, 보다 작은 L/D는 더 낮은 모멘텀의 화염과 더 높은 화염 광도를 초래한다. 대칭 노즐 구멍의 경우의 낮은 화염 모멘텀은 예연소기에 고온 스팟을 형성하는데, 그 이유는 낮은 모멘텀의 화염은 그 자체가 예연소기 유출구에서 박스의 천장을 향해 지향되고, 이에 따라 부분적인 화염 충돌을 초래하기 때문인 것으로 생각된다. 대칭 노즐 구멍은 예연소기를 과열시키는 일 없이 화염을 생성하기 위해 전형적으로 3보다 크고 7보다 작은 예연소기 L/D를 채용한다. 예연소기 과열을 억제하도록 그리고 대부분의 경우에 예연소기 과열을 방지하도록 약 3 내지 7 미만 범위의 L/D를 갖는 경우, 비원형 노즐 구멍은 대칭 노즐 구멍과 유사하게 거동한다. 와류 생성기를 지닌 비원형 노즐은 더 작은 L/D를 지닌 원통형 예연소기를 요구하는데, 그 이유는 와류 생성기에 유발되는 유동 전개가 더 큰 L/D의 예연소기에 고온 스팟을 형성할 수 있기 때문이다. 와류 생성기를 지닌 노즐은 통상적으로 약 1 내지 약 3의 원통형 예연소기 L/D를 채용한다. 약 3 내지 7 미만의 대칭 노즐 구멍 L/D 값은 예연소기 유출구 단면이 비대칭인 경우에 와류 생성기를 지닌 비원형 노줄에 대해 유용하다. 비대칭 유출구 단면은 유동 전개를 위한 공간을 제공하고, 더 큰 L/D에서의 화염 충돌이 제거되지 않은 경우에는 감소시킨다. 바람직한 화염 모멘텀을 유지하기 위해, 비대칭 유출구 단면적은 통상적으로 비대칭 노즐 구멍의 면적의 100배 정도이다.
노즐
구멍
타입		 연소율
(1,000 Btu/h)		 L/D 화염
모멘텀		 화염 강도 연소기 벽
과열
원형 20 7 고 중 예
원형 20 6 고 고 아니오
원형 15 3.0 저 고 예
슬롯 20 6 고 고 아니오
지퍼 20 6 고 저 예
지퍼 20 3 중 고 아니오
지퍼* 20* 6* 중* 중* 아니오*
원형 90 6 고 중 아니오
지퍼 80 3 중 저 예
지퍼 80 1 중 중 아니오
* 비대칭 유출구 단면을 지닌 예연소기
예 5
예 5는 소정 연소율, 벽대벽 거리 및 단일 버너 연소 또는 2개 버너 연소 구성에 있어서의, 원통형 예연소기를 구비하고 노즐 구멍 형상이 상이한 버너 연소에 대한 내화재로 라이닝된 박스 내부의 상이한 위치에서 기록된 온도의 평가이다. 벽대벽 거리는 블럭 페이스와 박스의 대향 벽 사이의 거리이다. 대향 바닥 온도는 버너 반대측의 벽에서 박스 바닥에서 1 인치 위에서 측정된 온도이다. 대향 벽 온도는 예연소기 중심선과 동일한 높이에 있는 버너 반대측의 벽의 온도이다. 대향 벽 온도는 화염 충돌에 대한 표지를 제공한다. 대향 벽 온도에서 대향 바닥 온도를 뺀 것은 버너 구성에 있어서의 온도 분포의 균일성에 관한 표지를 제공한다.
연료
노즐
구멍		 벽대벽
거리 (mm) 		버너당 천연 가스 유량
(Nm3/h) 		대향 바닥 온도(℃)
 대향 벽 온도
(℃)
 ΔT
대향 벽 온도 빼기 대향 바닥 온도(℃)
원형 559 2.5 1191 1438 247
슬롯 559 2.5 1189 1397 208
슬롯 600 1.7* 1093 1223 130
슬롯 600 2.5* 1228 1299 71
원형 600 3.7 1150 1226 76
슬롯 600 3.7 1149 1168 19
* 2개 버너 연소 구성
표 5는 박스가 단일 버너 또는 2개 버너로 가열될 때, 연료 노즐 구멍 형상 및 연소율에 따른 내화재로 라이닝된 박스에서의 대향 바닥 온도 및 대향 벽 온도를 보여준다. 중간 연소율에서 대칭 연료 노즐 구멍과 비교한 비원형 연료 노즐의 한가지 효과는, 비원형 노즐 테스트가 대칭 노즐 테스트보다 낮은 대향 벽 온도를 항시 나타낸다는 사실에 의해 증명된다. 대칭 노즐과 비원형 노즐 간의 ΔT의 감소는 더 높은 연소율에서 더 두드러진다(3.7 Nm3/h 천연가스에서 58 ℃). 바닥 온도가 용융 물질 온도에 상응하면, 이것은 최대 연소율이 챔버 또는 분배 커널의 폭에 의해 결정되는 용례에서 비원형 연료 노즐 구멍을 지닌 버너에 대한 최대 연소율이 대칭 연료 노즐 구멍을 지닌 버너에 대한 최대 연소율보다 훨씬 높다는 것을 나타낸다. 협소한 채널폭은 전형적으로, 화염 충돌이 내화재 대향 벽 온도를 그 최대 작동값으로 상승시킬 때, 최대 연소율에 도달하는 것을 의미한다. 더 짧은 화염 길이는 본 발명이 종래 기술의 버너보다 더 높은 용융 물질 온도 또는 더 높은 완성 제품의 생산율을 달성하는 것을 가능하게 한다.
중간 연소율에서 대칭 연료 노즐 구멍과 비교하여 비원형 노즐 구멍의 장점은, 비원형 노즐 테스트가 항상 더 작은 대향벽 온도에서 대향 바닥 온도를 뺀 값을 나타낸다는 사실이다. 원형 노즐을 지닌 버너와 비교하여 비원형 노즐을 지닌 버너의 경우의 박스 내부의 보다 균일한 온도 분포는 보다 균일한 용융 물질 온도를 초래할 것으로 예상된다. 따라서, 본 발명의 버너는 종래 기술의 버너에 비해 제품 품질의 개선을 제공한다.
예 6
예 6은 상이한 연소율과 한번에 단일 버너 또는 2개의 버너를 연소할 시에, 원통형 예연소기를 구비하는 상이한 연료 노즐 구멍 형상을 갖는 버너로 박스를 가열할 때에 내화재로 라이닝된 박스에서의 온도의 평가이다.
연료 노즐 구멍 연소 버너의 개수 단일 버너
연소율(Btu/h)		 바닥 온도 범위
[TC9-12] ℃
원형 1 90,000 >138
슬롯 1 90,000 120
원형 1 130,000 384
슬롯 1 130,000 81
슬롯 2 60,000 42
슬롯 2 90,000 19
표 6은 연소 버너의 개수, 연소율 및 연료 노즐 구멍에 따른, 박스 내의 4개의 바닥 열전쌍의 바닥 온도 범위(최대 온도에서 최소 온도를 뺌)를 보여준다. 바닥 온도 범위는 전체적으로 규칙적인 간격으로 그리고 내화재로 라이닝된 박스의 바닥에서 1인치 위의 높이에 배치된 4개의 열전쌍으로부터 기록된 최대 온도와 최소 온도의 차이다. 바닥 온도는 용융 물질 온도를 나타낸다. 또 다시, 비원형 노즐 버너 테스트는 대칭 노즐 버너보다 낮은 바닥 온도 범위를 보여주며, 이러한 효과는 더 높은 연소율에서 두드러진다. 이것은 중간 연소율에서 대칭 연료 노즐 구멍 버너와 비교하여 비원형 연료 노즐 구멍 버너에 의해 생성된 가열 공간의 우수한 온도 균일성에 관한 다른 예이다. 대칭 노즐 버너와 비교하여 비원형 노즐 버너에 의한 보다 균일한 온도 분포의 형성은 보다 균일한 용융 물질 온도를 초래할 것으로 예상된다. 이에 따라, 본 발명의 버너는 종래 기술의 버너에 비해 현저한 최종 제품 품질 개선을 제공한다.
예 7
예 7은 상이한 연료 노즐 구멍 형상과 버너 개수에 대한 화염 특징의 평가이다.
상이한 크기의 와류 생성기를 지닌 2개의 노즐을 제작하여, 저속으로 예연소기와 같은 한정된 공간으로 연소될 때에 이러한 노즐 구멍 형상에 의해 생성되는 유동 패턴이 평면 화염을 형성하는지의 여부를 결정하기 위해 테스트하였다. 화염이 전개되도록 할 뿐만 아니라 버너의 원통형 형상에서 고온 페이스에 있는 예연소기 개구의 비원통형 단면까지의 매끄러운 전이부를 제공하기 위해, 이러한 노즐에 의해 생성되는 화염을 위한 예연소기를 형성하도록 특별한 버너 블럭을 설계하였다. 표 7은 연료 노즐 구멍 타입에 따라 생성된 화염에 대한 결과를 보여준다.
슬롯 노즐과, 소형 델타 탭을 갖도록 제작된 슬롯 노즐(소형 델타 탭을 지닌 노즐) 모두가 축 반전을 나타내었다. 화염의 장축은 노즐 구멍의 장축과 반대되는 방향이었다. 축 반전은 예상치 못했는데, 그 이유는 이러한 구멍 형상에 대해 Zaman이 보고한 고속 저온 유동 결과는 축 반전을 나타내지 않았기 때문이다. 이 예에 있어서 델타 슬롯 노즐 구성은 Zaman에 의한 논문 ""비대칭 제트의 축 전환 및 전개: 일관된 구조 동력학의 역할"에 기술된 "탭"과 유사하게 구성된다. 더 큰 델타 탭을 갖도록 제작된 델타 슬롯 노즐(대형 델타 탭을 지닌 슬롯)은 축 반전을 나타내지 않았다. 화염 전부는 평면 화염에 의해 제공되는 더 높은 화염 보급률(coverage)과 일치하는 어느 정도의 비대칭성을 나타내었다.
노즐 구멍 구멍 장축 방위 예연소기 장축 방위 반전된 화염 타원에 대한 화염의 종횡비 폭-높이 /원형 슬롯에 대한 폭-높이* 팁에서 가장 협소한 간극**
(인치)
슬롯 수직 수평 예 2.0/2.4 0.07
소형 델타 탭을 지닌 슬롯 수직 수평 예 3.0/3.6 0.04
대형 델타 탭을 지닌 슬롯 수평 수평 아니오 3.3/4.0 0.02
지퍼 수평 수평 아니오 3.3/4.0 0.04
* 폭/높이는 가시적인 화염의 폭 및 높이이다; 모든 구멍에 대해 D1/D2 > 2
** 가장 협소한 간극은 노즐에 있어서 가장 협소한 개구에서 측정된다.
소정 실시예를 참고하여 본 발명을 설명하였지만, 당업자라면 본 발명의 범위로부터 벗어나는 일 없이 다양한 변경이 이루어질 수 있고, 등가물이 본 발명의 요소를 대체할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 특정 상황 또는 재료를 본 발명의 교시에 적용하기 위해 본 발명의 기본적인 범위로부터 벗어나는 일 없이 다수의 수정이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 실시하기 위해 계획된 최상의 모드로서 개시된 특정 실시예로 제한되는 것이 아니라, 본 발명은 첨부된 청구범위의 범주 내에 속하는 모든 실시예를 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 산소-연료(oxy-fuel) 버너 장치로서,
    노즐 구멍이 약 2.0 이상인 종횡비, D1/D2를 지닌 제1 도관으로서, 가연성 연료인 제1 유체 스트림을 제공하도록 구성 및 배치되는 제1 도관;
    산소를 포함하는 제2 가스 스트림을 제1 유체 스트림 주위에 둘레 방향으로 제공하도록 구성 및 배치되는 적어도 하나의 제2 도관; 및
    제1 유체 스트림과 제2 가스 스트림을 수용하도록 구성 및 배치되고, 산소-연료 화염을 생성하는 예연소기(precombustor)
    를 포함하고, 노즐 구멍의 형상과 제1 도관의 단면 형상은 상이한 것인 산소-연료 버너 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 노즐 구멍은 약 3.0 이상인 종횡비, D1/D2를 갖는 것인 산소-연료 버너 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 산소-연료 버너 장치는 약 0.5 MMBtu/h 내지 약 2.0 MMBtu/h의 연소 범위를 갖는 것인 산소-연료 버너 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2 도관은 제1 도관보다 긴 거리에 걸쳐 연장되며, 예연소기의 일부를 형성하는 것인 산소-연료 버너 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 노즐 구멍의 형상은 직사각형이고, 상기 제1 도관의 단면 형상은 원형인 것인 산소-연료 버너 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 노즐 구멍의 형상은 2개의 반원부를 포함하는 것인 산소-연료 버너 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 노즐 구멍은 와류 생성기를 포함하는 것인 산소-연료 버너 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 예연소기는 수직 방향으로 배향된 타원 단면 형상을 지닌 원통형 형상을 갖는 것인 산소-연료 버너 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 예연소기는 수평 방향으로 배향된 타원 단면 형상을 지닌 원통형 형상을 갖는 것인 산소-연료 버너 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 산소-연료 버너 장치는 약 250,000 Btu/h 미만의 연소 범위를 갖는 것인 산소-연료 버너 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 산소-연료 버너 장치는 약 12,000 Btu/h 내지 약 250,000 Btu/h의 연소 범위를 갖는 것인 산소-연료 버너 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 예연소기는 2.0보다 큰 종횡비, D1'/D2'을 포함하는 단면 형상을 갖는 것인 산소-연료 버너 장치.
  13. 제1항에 있어서, 예연소기 길이 대 직경비는 약 2.0 이상 약 6.0 미만인 것인 산소-연료 버너 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제1 도관의 종횡비, L/D는 약 3.0 이상 약 5.0 미만인 것인 산소-연료 버너 장치.
  15. 산소-연료 연소 시스템으로서,
    노즐 구멍이 약 2.0 이상인 종횡비, D1/D2를 지닌 제1 도관으로서, 가연성 연료인 제1 유체 스트림을 제공하도록 구성 및 배치되는 제1 도관;
    산소를 포함하는 제2 가스 스트림을 제1 유체 스트림 주위에 둘레 방향으로 제공하도록 구성 및 배치되는 적어도 하나의 제2 도관; 및
    제1 유체 스트림과 제2 가스 스트림을 수용하도록 구성 및 배치되고, 산소-연료 화염을 생성하는 예연소기
    를 포함하는 적어도 하나의 산소-연료 버너 장치로서, 상기 노즐 구멍의 형상과 제1 도관의 단면 형상은 상이한 것인 적어도 하나의 산소-연료 버너 장치와,
    가열할 재료를 수용하도록 구성 및 배치된 밀폐 공간을 포함하는 연소 구역
    을 포함하는 산소-연료 연소 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 연소 구역은 용융 구역과 전로(forehearth)를 구비하는 글래스로(glass furnace)를 포함하며, 산소-연료 버너가 전로에 배치되고 화염을 전로 내로 연장시키도록 위치 설정되는 것인 산소-연료 연소 시스템.
  17. 제15항에 있어서, 상기 연소 구역은 용융 구역과 커널(canal)을 구비하는 글래스로를 포함하며, 산소-연료 버너가 커널에 배치되고 화염을 커널 내로 연장시키도록 위치 설정되는 것인 산소-연료 연소 시스템.
  18. 평면 산소-연료 화염을 생성하는 방법으로서.
    제1 도관, 적어도 하나의 제2 도관 및 예연소기를 포함하는 산소-연료 버너 장치를 마련하는 단계;
    노즐 구멍이 약 2.0 이상의 종횡비, D1/D2를 지닌 제1 도관에 가연성 연료인 제1 유체 스트림을 제공하는 단계;
    적어도 하나의 제2 도관에, 산소를 포함하는 제2 가스 스트림을 제1 유체 스트림 주위에 둘레 방향으로 제공하는 단계; 및
    제1 유체 스트림과 제2 가스 스트림을 사용하여 예연소기에서 산소-연료 화염을 형성하는 단계
    를 포함하고, 상기 노즐 구멍 형상과 제1 도관의 단면 형상은 상이한 것인 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 예연소기는 비대칭 유출구 단면을 갖고, 예연소기 유출구의 장축은 가스 스트림 전개 방향과 정렬되는 것인 방법.
  20. 제18항에 있어서, 상기 평면 산소-연료 화염은 글래스를 가열하기 위해 사용되는 것인 방법.
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