KR20130137036A - 산소-연료 용광로 및 산소-연료 용광로 내에서 물질을 가열하는 방법 - Google Patents

산소-연료 용광로 및 산소-연료 용광로 내에서 물질을 가열하는 방법 Download PDF

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KR20130137036A
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그레고리 제이. 부라기노
샤일레쉬 프라딥 강올리
시아오이 헤
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에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
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Abstract

산소-연료 용광로 및 산소-연료 용광로 내에서 물질을 가열하는 방법이 개시된다. 방법은, 연소 가스들을 형성하는 산소-연료 용광로 내의 산소-연료 버너 장치로 산소와 연료를 연소하는 것, 및 산소-연료 용광로의 격리실의 중앙 영역 내부에 연소 가스들을 포함하는 와류를 유지하는 것을 포함한다. 산소-연료 버너 장치는, 와류를 생성하기 위해, 격리실의 용광로 벽 경계에 대해 15°보다 크고 75°보다 작은 각도로 갖도록 배열되는, 다수의 고운동량 산소-연료 버너를 포함하며, 와류는 0.07 rad/s 보다 큰 각속도를 갖는다. 용광로는 고형상계수의 노즐 형상을 구비하는 적어도 2개의 고운동량 산소-연료 버너를 포함하는 산소-연료 버너 장치 및 격리실을 포함한다. 와류는 격리실 내부에서의 대류 가열 및 격리실 내부에서의 가열의 균일성을 증가시킨다.

Description

산소-연료 용광로 및 산소-연료 용광로 내에서 물질을 가열하는 방법{OXY-FUEL FURNACE AND METHOD OF HEATING MATERIAL IN AN OXY-FUEL FURNACE}
본 출원은, 그의 전체적으로 여기에 참고로 통합되는, 2011년 4월 5일 제출된 미국 가출원번호 제61/471,900호의 우선권의 이익을 주장한다.
본 출원은 물질을 가열하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 산소-연료 용광로들 및 산소-연료 용광로들을 사용함에 의해 물질을 가열하는 방법들에 관한 것이다.
질소 산화물들(NOx)은 연소 과정들에 의해 배출되는 주된 대기 오염물질들 중에 포함된다. 질소 산화물들이 스모그를 야기하는 유해한 대기의 반응의 형성을 향상시키기 때문에, 대기환경기준이 대기로 배출될 수 있는 질소 산화물들의 양을 제한하기 위해 다양한 정부기관들에 의해 부과되어 왔다. 많은 나라에서의 증가하는 환경적 입법 및 증가하는 대기 오염에 대한 세계적인 인식의 결과로서, 근대적인 연소 기술이 많은 유형의 연소 장비로부터의 질소 산화물들의 배출을 감소시키기 위해 개선되어 왔다.
2차 금속 산업은 일반적으로 질소 산화물 오염의 주된 근원인 것으로 생각되며, 따라서 질소 산화물 배출에 대한 엄격한 규제들을 받는다. 연소 과정들에서의 질소 산화물 생성의 감축은, 질소 산화물에 대한 환경적 규제들이 점진적으로 엄격해지는 가운데 금속들에 대한 수요가 증가함에 따라, 이러한 산업에서 더욱 중요해지고 있다. 완전한 산소-연료 연소는 이론적으로, 산화제에서의 질소의 부족으로 인해, 매우 낮은 질소 산화물 배출을 생성할 수 있다.
2차 금속 산업은 질소 산화물 배출을 감소시키는 혁신을 수행해왔다. 그러한 공지의 시스템이, 그 전체가 여기에 참고로 통합되는, 미국 특허공개공보 제2007/0254251호에 설명된다. 공지의 시스템은 화염 영역 내부로 용광로 가스들을 유입시킴에 의해 광대한 연소를 달성한다. 그러한 시스템은 질소 산화물 배출을 감소시킨다. 그러나, 예를 들어 복사 열전달 성분과 대류 열전달 성분의 균형을 유지함에 의해, 특히 추가적인 연소 질소 산화물의 감소가 열 에너지 소비 우려와 균형을 이루게 된다면, 추가적인 감소가 바람직하다,
전통적인 저운동량(low momentum)의 산소-연료 연소는 복사 열전달이 우위를 차지하고 반면에 대류 성분의 열이 부족하다. 대류 성분의 부족은 낮은 가스 체적으로 인한 것이며, 비일관적 또는 불균등 가열, 열점들, 및 질소 산화물의 생성에 대한 가능성을 증가시킬 수 있다. 대조적으로, 대기 연료 연소는, 질소(N2) 희박 때문에, 복사 가열의 효율이 부족하다. 그러나, 대기 연료 연소는, 복사와 결합될 때 생성물을 가열하는데 유용하게 될 수 있는 더 높은 연도 가스(flue gas) 체적 때문에, 강한 대류 열전달 성분을 구비할 수 있다. 그러나. 대기-연료 화염으로부터의 복사가 산소-연료 화염으로부터의 복사보다 매우 낮다.
하나 이상의 단점들로부터 영향 받지 않는 산소-연료 용광로 및 산소-연료 용광로에서 물질을 가열하는 방법이 당해 기술분야에 요구될 것이다.
예시적인 실시예에서, 산소-연료 용광로에서 물질을 가열하는 방법은, 연소 가스들을 형성하는 산소-연료 용광로 내에서 산소-연료 버너 장치로 산소와 연료를 연소시키는 것, 및 산소-연료 용광로의 격리실(enclosure)의 중앙 영역 내부에 연소 가스들을 포함하는 와류(vortex)를 유지하는 것을 포함한다. 산소-연료 버너 장치는, 와류를 생성하기 위해, 격리실의 용광로 벽 경계에 대해 15°보다 크고 75°보다 작은, 각도로 배열되는 다수의 고운동량 산소-연료 버너(high momentum oxy-fuel burner)를 포함한다.
다른 예시적인 실시예에서, 산소-연료 용광로에서 물질을 가열하는 방법은, 연소 가스들을 형성하는 산소-연료 용광로 내에서 산소-연료 버너 장치로 산소와 연료를 연소시키는 것, 및 산소-연료 용광로의 격리실 중앙 영역 내부에 연소 가스들을 포함하는 와류를 유지하는 것을 포함한다. 와류는 0.07 rad/s 보다 큰 각속도를 갖는다.
다른 예시적인 실시예에서, 산소-연료 용광로는, 높은 형상 계수의 노즐들을 구비하는 2개 이상의 고운동량 산소-연료 버너 및 격리실을 포함하는, 산소-연료 버너 장치를 포함한다. 산소-연료 버너 장치는, 와류를 생성하기 위해, 격리실의 용광로 벽 경계에 대해 15°보다 크고 75°보다 작은, 각도로 배열되는 다수의 고운동량 산소-연료 버너를 포함한다. 와류는 격리실 내부에서 대류 열 및 격리실 내부에서 열의 균일성을 증가시킨다.
본 발명의 다른 특징들 및 장점들은, 예로서 본 발명의 원리들을 예시하는 첨부되는 도면들과 함께 취해지는, 바람직한 실시예에 대한 뒤따르는 더욱 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1 내지 도 4는 본 개시의 실시예에 따른 산소-연료 용광로들의 개략적인 도면들이다.
도 5는 본 개시의 실시예에 따른 산소-연료 용광로의 개략적인 3차원 도면이다.
도 6은 본 개시에 따른 산소-연료 용광로에서의 예시적인 물질 가열 방법과 다른 물질 가열 방법을 도식적으로 비교한 도면이다.
도 7은 본 개시에 따른 예시적인 산소-연료 용광로에 대한 시간의 함수로서 표면 온도를 도식적으로 예시한 도면이다.
도 8은 와류의 형성이 없는 산소-연료 용광로의 작동으로 인한 용광로 벽들 및 물질의 표면 온도를 도식적으로 비교 예시한 도면이다.
도 9는 본 개시에 따른 와류를 형성하는 산소-연료 용광로의 작동으로 인한 용광로 벽들 및 물질의 표면 온도를 도식적으로 예시한 도면이다.
가능하다면 어디서나, 동일한 참조 부호들이 도면들 전체에서 동일한 부분을 나타내도록 사용될 것이다.
제공되는 것은 예시적인 산소-연료 용광로 및 산소-연료 용광로에서 물질을 가열하는 방법이다. 본 개시의 실시예들은 산소-연료 가열 과정에서 열전달의 대류 기여를 증가시키고, 특정 온도를 달성하기 위한 사이클 시간을 감소시키며, 효율 또는 이들의 조합을 증가시킨다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 실시예에 따른, 산소-연료 용광로(100)는 적어도 2개의 고운동량 산소-연료 버너(102) 및 산소-연료 용광로(100) 내부에 연소 영역을 대략 한정하는 격리실(104)을 포함한다. 격리실(104)은 임의의 적당한 기하학적 형상이며, 용광로 벽 경계(108)에 의해 한정된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 격리실(104)은 입방형 또는 대략 입방형 형상이다. 다른 실시예에서, 격리실(104)은 원통형 또는 대략 원통형 형상이다. 격리실은, 예를 들어, 각각의 버너(102)의, 버너의 중간으로부터 연장되는 선인, 버너 축에 의해 한정되는, 중앙 구역을 포함한다. 산소-연료 용광로(100)는, 연소, 가열, 다른 작동 조건들 또는 이들의 조합을 유지하기 위해 필요한, 다른 적당한 특징을 포함한다.
격리실(104)은, 용광로-규모 와류와 같은, 연소 가스들의 와류(106)의 적어도 일부분을 수용하도록 구성된다. 와류(106)는, 격리실(104) 내부의 화염 영역 내부로 주변 연소 가스들을 유입시키는, 버너들(102)의 치우친 발화(offset firing)에 의해 형성되며, 그로 인해 결과적으로, 예를 들어 연소 가스들을 이동시킴에 의해 와류(106)를 형성하는, 교반(churning)(또는 가스들의 평형)이 일어나게 한다. 일 실시예에서, 와류(106)는 광범위한 연소로 사용되며, 연소는 화염 영역에서의 용광로 가스들의 유입에 의해 달성된다. 일 실시예에서, 버너들(102)은, 예를 들어, 격리실(104) 내부의 서로 다른 압력으로 인해 와류(106)를 구속하는 수평 성분 및 수직 성분과 같은, 2개의 서로 다른 용광로 가스 재순환 흐름을 형성한다.
버너들(102)은 와류(106)를 형성하도록 배열되고 배치된다. 산소-연료 용광로(100)는 2개의 버너(102)(도 1 및 도 2 참조), 3개의 버너(102), 4개의 버너(102)(도 3 참조), 또는 4개 초과의 버너(102)를 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 버너들(102)이, 용광로 벽 경계(108) 상의 격리실(104)의 대향하는 측면들 위에, 서로 엇갈린 방향으로 위치하게 된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 2개의 버너(102)가, 각도를 갖는 배치 형태로, 용광로 벽 경계(108) 상에 위치하게 된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 4개의 버너(102)가 각도를 갖는 배치 형태로, 용광로 벽 경계(108) 상에 위치하게 된다. 다른 실시예는 이러한 실시예들의 조합을 포함한다.
버너들(102)은, 그 전체가 참고로 통합되는 미국 특허공개번호 제2007/0254251호에 개시된 버너 및/또는 고형상계수 버너와 같은, 고운동량 조건 하에서 사용될 수 있는 임의의 적당한 버너들이다. 여기서 사용되는 바와 같은, 용어 "고운동량"은, 대략 5 lb-ft/s2 보다 큰, 버너의 통로의 적어도 하나의 채널을 통한 가스들의 유동을 말한다. 일부 실시예에서, 버너(102)의 통로의 적어도 하나의 채널을 통한 가스들의 유동은, 예를 들어, 더 높은 속도의 발화, 사이클 시간의 개선, (열전대(thermocouple)의 과열과 같은) 국부적인 과열 감소, 또는 이들의 조합을 가능하게 하는, 대략 10 lb-ft/s2 와 70 lb-ft/s2 사이의 유량을 구비하는 천연 가스와 같이, 대략 10 lb-ft/s2 보다 크다. 여기서 사용되는 바와 같은, 용어 "고형상계수 버너"는 원형 노즐의 둘레(perimeter)보다 더 큰 노즐 둘레 또는 복수의 둘레들을 구비하는, 버너를 말한다. 예를 들어, 상대적 둘레비(relative perimeter ratio)(Prel)는, 원형 노즐의 둘레에 비교한 (비-원형 버너와 같은) 고형상계수 버너의 노즐(들)의 둘레의 비율이다. 열전달 in2의 면적을 구비하는 노즐들에 대해, 원형 노즐은 3.54 인치의 둘레를 구비한다. 따라서, 1.0 in2의 면적을 구비하는 노즐을 구비하는 고형상계수 버너는 3.54 인치보다 큰 둘레를 구비한다. 일 실시예에서, 고형상계수 버너는 1.96의 상대적 둘레비를 구비한다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 일 실시예에서, 2개 이상의 버너(102)가 용광로 벽 경계(108)에 대해 각도(θ)로 기울어짐에 의해 와류(106)를 형성한다. 각도(θ)는, (예를 들어, 기하학적 형상, 크기 또는 이들의 조합과 같은) 산소-연료 용광로(100)의 구체적인 형태, (예를 들어, 금속 또는, 잉곳들, 시트들, 주물들, 단조된 물질들, 알루미늄, 철, 강철, 철을 함유한 물질들, 철을 함유하지 않은 물질들, 또는 이들의 조합과 같은, 금속이 함유된 물질들과 같은) 가열될 물질들, (예를 들어, 유량들, 산소-연료 조성들, 격리실 압력, 격리실 소재 등과 같은) 다른 적당한 작동적 고려사항들, 또는 이들의 조합에 대응한다. 가열될 물질은, 예를 들어 격리실(104)의 바닥 위와 같은, 격리실(104) 내부의 임의의 적당한 부분에 위치하게 된다. 일 실시예에서, 산소-연료는, (예를 들어, 95mol%의 산화제 흐름으로부터의) 산화제 및 (예를 들어, 천연가스, 프로판, 합성 가스, 저열량(low Btu) 연료들, 등과 같은) 연료에서 적어도 50 mol% 산소의 조성을 포함한다.
일 실시예에서, 각도(θ)는 15°보다 크거나, 30°보다 크거나, 45°보다 크거나, 60°보다 크거나, 75°보다 작거나, 60°보다 작거나, 45°보다 작거나, 30°보다 작거나, 또는 임의의 적당한 범위, 부속-범위, 이들의 조합 또는 부속-조합이다.
일 실시예에서, 산소-연료 용광로(100)는, 최고 화염 온도 및 열적 질소 산화물 생성을 감소시키는, 혼합 및 용광로 가스 유입을 향상시킨다. 향상된 혼합은, 와류(106) 내부의 제1 압력을 구비하는 저압 영역 및 격리실(104)의 용광로 벽 경계(108)에 인접하게 되는 제2 압력을 가지는 고압 영역을 생성하는, 버너들(102)에 의해 야기된다.
버너(102)를 통한 연소가스들의 유동에 의해 용광로(100)의 격리실(104) 내부에 작용하는 힘(Finl)은, 방정식 1로 나타낸 바와 같이, 표현될 수 있다.
Finl = ρinl · Qinl · υinl (방정식 1)
방정식 1에 사용된 바와 같은, ρinl 은 (예를 들어, lb/ft3 단위로 측정되며, 화염 온도에 의존하는) 격리실(104)로 진입하는 연소 유동의 밀도를 말한다. υinl 은 (예를 들어, ft/s 단위로 측정되는 것과 같은) 격리실(104)로 진입하는 입구 유동의 속도를 말한다. Qinl 은 (예를 들어, ft3/s 단위로 측정되는 것과 같은) 격리실(104)로 진입하는 전체 입구 유량을 말한다.
일 실시예에서, 화염 속으로의 용광로 가스들의 유입은 고형상계수를 구비하는 하나 이상의 버너들(102)의 노즐들을 사용함에 의해 향상된다. 용광로 가스들과의 노즐들의 상한 상호작용에 의해 달성되는 실제 유동은, 방정식 2로 나타낸 바와 같이, 표현될 수 있다.
Finl = ρinl · (Qinl · Prel)· υinl (방정식 2)
방정식 2에 사용된 바와 같은, Prel 은 상대적 둘레 비를 말하고, Qinl · Prel 는 (예를 들어, ft3/s 단위로 측정되는 것과 같은) 전체 실제 입구 유량을 말한다. 와류는, 용광로 내부로 작용하는 힘들 및, 방정식 3에 의해 주어지는, 용광로 내에서 이러한 유동들의 점성 손실(viscous dissipation)(Fvisc)의 균형에 의해 생성된다.
Fvisc = ρfurn · Vfurn ·(υt 2 / de) (방정식 3)
방정식 3에 사용된 바와 같은, ρfurn 은 (예를 들어, lb/ft3 단위로 측정되며, 화염 온도에 의존하는) 격리실(104) 내부의 용광로 가스들의 밀도를 말한다. Vfurn 은 (예를 들어, ft3 단위로 측정되는) 산소-연료 용광로(100) 내의 격리실(104)의 체적을 말한다. υt 는 (예를 들어, ft/s 단위로 측정되는) 격리실(104) 내부에서 와류의 직경(de)에서의 법선속도를 말한다. de 는 (예를 들어, ft 단위로 측정되는 상응하는 직경과 같은) 와류(106)의 특성 치수를 말한다.
일 실시예에서, 와류(106)의 각속도(υω)는, 방정식 2 및 방정식 3의 통합에 근거하게 되는, 방정식 4를 사용하여 정의된다.
υω = √(ρrat · ((Qinl · υinl · de)/Vfurn))/πde (방정식 4)
도 4에 사용된 바와 같은, ρrat 은 용광로 가스들(ρfurn)에 대한 입구 유동들(ρinl)의 밀도비를 말한다. 밀도비는 화염 온도의 차이로 인해 공기-연료 연소에 대한 0.8 및 산소-연료 연소에 대한 0.6 사이이다.
일 실시예에서, 버너들(102)은 가열의 균일성 및/또는 효율을 증가시키기 위해 (복사 열전달 성분에 부가하여) 대류 열전달 성분을 향상시킨다. 예를 들어, 일 실시예에서, 대류 열전달 성분의 와류-유도 성분은 버너들(102)을 사용함에 의해 균일성 및 효율을 증가시킨다. 와류-유도 성분은 와류(106)가 격리실(104) 내부에 형성되고 유지되도록, 버너들(102)을 배열하고 지향시킴에 의해 달성된다. 일 실시예에서, 대류 열전달은 가열될 물질 상에서 화염의 직접적인 충격을 감소시키거나 제거시킨다.
일 실시예에서, 대류 열전달 성분의 와류-유도 성분은 격리실(104)의 (평면) 면적의 15% 내지 75% 사이에 영향을 미친다. 다른 실시예에서, 대류 열전달 성분은 30% 내지 60% 사이, 30% 내지 45%, 45% 내지 60% 사이, 대략 15%, 대략 20%, 대략 45%, 대략 60%, 대략 75%, 또는 임의의 적당한 범위, 부속-범위, 이들의 조합 또는 부속-조합에 영향을 미친다. 일 실시예에서, 와류-유도 성분은 와류(106)의 각속도(υω)를 증가시킴에 의해 증가된다.
도 6을 참조하면, 와류(106)를 형성하는 버너들(102)의 가열의 균일성 및 효율은 일-측면 발화 및 (엇갈리지 않은) 대향하는 발화와 비교하여 개선된다. 도 6은 서로 다른 배치 형태 하에서 우묵한 용광로 내에 있는 격리실(104)로 강철 잉곳들(steel ingots)을 가열하는 프로파일들을 도시한다. 와류-유도 가열 프로파일(602)은, 여기서 설명되는 바와 같은, 와류(106)를 형성하기 위한 버너들(102)을 사용하는 것에 근거한다. 일-측면-버너 가열 프로파일(604)은, 버너로부터 먼 단부에 강철 잉곳들을 위치시키고 주된 단부를 향해 버너로 강철 잉곳들을 이동시키는 가운데, 일-측면 발화를 사용하는 것에 근거한다. 대향-버너 가열 프로파일(606)은 용광로의 대향하는 벽들에 2개의 버너를 구비하는 것에 근거한다. 분출물들은 부딪히고, 우묵한 용광로의 중심에서 강철 잉곳들을 과열시키는 경향을 구비한다. 대향-버너 가열 프로파일(606)은 또한 다른 배치 형태와 비교하여 큰 열 유속 기울기(heat flux gradients)를 생성한다.
도 6에 도시한 바와 같이, 와류-유도 성분을 포함하는, 와류-유도 가열 프로파일(602)은 25°F 미만의 온도 범위 이내에 유지된다. 다른 실시예에서, 와류-유도 성분을 포함하는 와류-유도 가열 프로파일(602)은, 10°F 미만, 5°F 미만의 온도 범위 이내에 유지되거나, 실질적으로 일정하다. 대조적으로, 일-측면-버너 가열 프로파일(604) 및 대향-버너 가열 프로파일(606)은 25°F 의 온도 범위를 초과한다.
도 7을 참조하면, 이상에서 설명된 와류-유도 가열 프로파일(602) 및 대향-버너 가열 프로파일(606) 하에서 가열되는 물질의 표면 온도가 시간에 걸쳐 도시된다. 각 프로파일은 최대 표면 면온도 프로파일(702) 및 평면 면온도 프로파일(704)에 대응한다. 최대 표면 면온도 프로파일(702)은 와류-유도 가열 프로파일(602) 및 대향-버너 가열 프로파일(606)에 대해 시간에 걸쳐 실질적으로 일관적이다. 평면 면온도 프로파일(704)은, 대향-버너 가열 프로파일(606)과 비교하여 와류-유도 가열 프로파일(602) 하에서 사전결정된 면온도를 달성하기 위한 사이클 시간의 감소를 허용하도록, 시간에 걸쳐 두 갈래로 나뉜다. 일 실시예에서, 사이클 시간의 감소는 적어도 10%, 10% 와 20% 사이, 대략 15% 또는 임의의 적당한 범위, 부속-범위, 이들의 조합 또는 부속-조합이다.
도 8 및 도 9는 대향-버너 가열 프로파일(606)(도 8 참조)에 대조적인 와류-유도 가열 프로파일(602)(도 9 참조)에 따른 격리실(104) 내부에서의 물질의 가열을 비교 예시한다. 구체적으로, 도 8은 대향-버너 가열 프로파일(606)에 의해 가열되는 격리실 내부의 벽들의 온도를 예시하며, 도 9는 와류-유도 가열 프로파일(602)에 의해 가열되는 용광로 벽 경계(108)의 온도를 예시한다. 도 8은 대향-버너 가열 프로파일(606)이 열 점(hot spot: 802)을 형성한다는 것을 보여준다. 도 9는, 와류-유도 가열 프로파일(602)이, 예를 들어, 버너(102)에 인접한 용광로 벽 경계(108)의 온도를 초과하는 용광로 벽 경계(108)의 영역들을 구비하지 않고, 그로 인해 산소-연료 용광로(100) 내부로의 입력 에너지의 양을 증가시키는 것을 허용하고 및/또는 예정된 온도를 달성하기 위한 사이클 시간들을 감소시키는, 더욱 균일한 온도 기울기를 형성한다는 것을 보여준다.
일 실시예에서, 격리실(104)은 24ft × 9ft × 14ft 의 치수들을 구비한다. 격리실(104)에서 달성되는 가열 과정에서, 가열 과정은, 와류를 형성하기 위해, 대략 10 MMBTU/hr 의 평균 공기-연료 발화속도 및 대략 6 MMBTU/hr의 평균 산소-연료 발화속도를 사용한다(각각 격리실(104) 내에서 45% 및 75% 이용 가능한 열을 가정함). 와류(106)의 각속도(υω)는, 예를 들어, 이상의 방정식 1 내지 방정식 4에 근거하여, 계산되고, 사용되는 연료 및 사용되는 버너에 의존한다. 예를 들어, 엇갈린 버너 배치 형태(도 1참조)를 갖는 공기 연료 연소는 0.099 rad/s 의 각속도(υω)를 생성하고, 각도를 갖는 버너 배치 형태(도 2 참조)를 구비하는 공기 연료 연소는 0.087 rad/s 의 각속도(υω)를 생성한다. 엇갈린 버너 배치 형태(도 1 참조)를 갖는 저-운동량 산소-연료 연소는 0.035 rad/s 의 각속도(υω)를 생성하고, 각도를 갖는 배치 형태(도 2 참조)를 구비하는 저-운동량 산소-연료 연소는 0.031 rad/s 의 각속도(υω)를 생성한다. 엇갈린 버너 배치 형태(도 1 참조)를 갖는 고-운동량 산소-연료 연소는 0.079 rad/s 의 각속도(υω)를 생성하고, 각도를 갖는 배치 형태(도 2 참조)를 구비하는 고-운동량 산소-연료 연소는 0.070 rad/s 의 각속도(υω)를 생성한다. 엇갈린 버너 배치 형태(도 1 참조) 및 비-원형 노즐들을 갖는 고-운동량 산소-연료 연소는 0.111 rad/s 의 각속도(υω)를 생성하고, 각도를 갖는 배치 형태(도 2 참조) 및 비-원형 노즐들을 갖는 고-운동량 산소-연료 연소는 0.097 rad/s 의 각속도(υω)를 생성한다.
그러한 차이들의 관점에서, 본 개시의 일 실시예에서, 용광로(102)의 버너들(102)은, 와류가, 예를 들어 적어도 0.07 rad/s 인, 공기-연료 연소에 의해 형성되는 공기-연료 연소 와류에 대한 상응하는 각속도보다, 더 큰 각속도를 갖도록, 배열되고 지향하게 된다. 일 실시예에서, 비-원형 노즐들을 구비하는 버너(102)로 산소-연료를 연소시킴에 의해 형성되는 와류(106)는, 공기-연료 연소에 의해 형성되는 와류 보다 10% 크고, 원형 노즐들을 구비하는 버너(102)들에 의해 생성되는 와류(106) 보다 40% 크며, 저-운동량 산소-연료 연소 또는 이들의 조합에 의해 형성되는 와류 보다 200% 큰 각속도를 구비한다.
비록 본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 범위로부터 벗어남 없이, 다양한 변경들이 이루어질 수 있고 균등물들이 그의 구성요소들을 위해 대체될 수 있다는 것이, 당업자에 의해 이해될 것이다. 부가적으로, 많은 수정들이, 본 발명의 본질적인 범위로부터 벗어남 없이, 본 발명의 사상에 특정한 상황 또는 재료를 적합하게 하도록 하기 위해, 이루어질 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 이 발명을 수행하기 위해 예상되는 최상의 모드로서 개시되는 특정 실시예에 국한되지 않는 대신, 본 발명은 첨부되는 특허청구범위의 범위 이내에 있는 모든 실시예를 포함할 것이라는 것이 의도된다.

Claims (20)

  1. 산소-연료 용광로 내에서 물질을 가열하기 위한 방법으로서,
    연소 가스들을 형성하는 산소-연료 용광로 내에서 산소-연료 버너 장치로 산소 및 연료를 연소시키는 것; 및
    산소-연료 용광로의 격리실의 중앙 영역 내부에 연소 가스들을 포함하는 와류를 유지하는 것을 포함하고,
    상기 산소-연료 버너 장치는, 상기 와류를 생성하기 위해, 상기 격리실의 용광로 벽 경계에 대해 15°보다 크고 75°보다 작은 각도로 배열되는, 다수의 고운동량 산소-연료 버너(high momentum oxy-fuel burner)를 포함하는 것인 산소-연료 용광로 내에서 물질을 가열하기 위한 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 다수의 고운동량 산소-연료 버너 중 적어도 하나는 고형상계수 노즐을 포함하는 것인 산소-연료 용광로 내에서 물질을 가열하기 위한 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 다수의 고운동량 산소-연료 버너는 엇갈리게 배열되는 버너들을 포함하는 것인 산소-연료 용광로 내에서 물질을 가열하기 위한 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 다수의 고운동량 산소-연료 버너는 2개의 버너를 포함하는 것인 산소-연료 용광로 내에서 물질을 가열하기 위한 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 다수의 고운동량 산소-연료 버너는 4개의 버너를 포함하는 것인 산소-연료 용광로 내에서 물질을 가열하기 위한 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 다수의 고운동량 산소-연료 버너는 4개 초과의 버너를 포함하는 것인 산소-연료 용광로 내에서 물질을 가열하기 위한 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 와류는 0.07 rad/s 보다 큰 각속도를 갖는 것인 산소-연료 용광로 내에서 물질을 가열하기 위한 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 각도는 대략 30°에서 대략 60°사이인 것인 산소-연료 용광로 내에서 물질을 가열하기 위한 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 와류는 상기 격리실의 영역에 대류 열을 유도하며, 상기 영역은 격리실의 대략 15% 에서 대략 75% 사이인 것인 산소-연료 용광로 내에서 물질을 가열하기 위한 방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 와류는 상기 격리실의 영역에 대류 열을 유도하며, 상기 영역은 격리실의 대략 30% 에서 대략 60% 사이인 것인 산소-연료 용광로 내에서 물질을 가열하기 위한 방법.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 격리실은, 상기 격리실의 상기 용광로 벽 경계에 인접한 제2 압력보다 작은, 와류 내부의 제1 압력을 가지는 것인 산소-연료 용광로 내에서 물질을 가열하기 위한 방법.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 격리실 내부에서 금속을 가열하는 것을 더 포함하는 것인 산소-연료 용광로 내에서 물질을 가열하기 위한 방법.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 격리실 내부에서 알루미늄을 가열하는 것을 더 포함하는 것인 산소-연료 용광로 내에서 물질을 가열하기 위한 방법.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 와류는 상기 격리실 내부에서 대류 가열을 증가시키는 것인 산소-연료 용광로 내에서 물질을 가열하기 위한 방법.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 와류는 상기 격리실 내부에서 가열의 균일성을 증가시키는 것인 산소-연료 용광로 내에서 물질을 가열하기 위한 방법.
  16. 산소-연료 용광로 내에서 물질을 가열하기 위한 방법으로서,
    연소 가스들을 형성하는 산소-연료 용광로 내에서 산소-연료 버너 장치로 산소 및 연료를 연소시키는 것; 및
    산소-연료 용광로의 격리실의 중앙 영역 내부에 연소 가스들을 포함하는 와류를 유지하는 것을 포함하고,
    상기 와류는 0.07 rad/s 보다 큰 각속도를 갖는 것인 산소-연료 용광로 내에서 물질을 가열하기 위한 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 다수의 고운동량 산소-연료 버너 중 적어도 하나는 비-원형 형상의 노즐을 포함하는 것인 산소-연료 용광로 내에서 물질을 가열하기 위한 방법.
  18. 제 16항에 있어서,
    상기 다수의 고운동량 산소-연료 버너는 엇갈리게 배열되는 버너들을 포함하는 것인 산소-연료 용광로 내에서 물질을 가열하기 위한 방법.
  19. 제 16항에 있어서,
    상기 각도는 상기 격리실의 용광로 벽 경계에 대해 15°보다 크고 75°보다 작은 것인 산소-연료 용광로 내에서 물질을 가열하기 위한 방법.
  20. 산소-연료 용광로로서,
    고형상계수 노즐들을 구비하는 적어도 2개의 고운동량 산소-연료 버너를 포함하는 산소-연료 버너 장치; 및
    격리실을 포함하고,
    상기 산소-연료 버너 장치는 와류를 생성하기 위해 각도를 갖도록 배열되는 다수의 고운동량 산소-연료 버너를 포함하며, 상기 각도는 상기 격리실의 용광로 벽 경계에 대해 15°보다 크고 75°보다 작고;
    상기 와류는 상기 격리실 내부에서의 대류 가열 및 상기 격리실 내부에서의 가열의 균일성을 증가시키는 것인 산소-연료 용광로.
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