KR20140004668A - 버너 - Google Patents

Abstract

본원은 (a) 버너 파이프, (b) 산소 함유 가스와 연료 가스를 혼합하고 또한 상기 버너 파이프내의 결과적으로 얻은 가스 혼합물을 배출하기 위해 상기 버너 파이프에 배열된 혼합 수단, 및 (c) 상기 버너 파이프의 중심에서 상기 혼합 수단의 하류측에 있는 안정화 수단을 포함하는 버너에 관한 것이고, 상기 안정화 수단은 유동 방향으로 넓어지는 원뿔 형상체를 포함한다.

Description

버너 {BURNER}

본 발명은 연료 가스 및 산소 함유 가스가 점화 이전에 미리 혼합되는 버너, 보다 자세하게는 가스 버너에 관한 것이다. 본 발명의 버너는 가스성 탄화수소 함유 연료의 부분 산화에 의해 합성 가스를 제조하는 부분 산화 반응기에서 보조 버너 또는 가열 버너로서 특히 적합하다.

부분 산화 공정은, 예를 들어, 가압 합성 가스, 연료 가스 또는 환원 가스를 제조하는데 사용된다. 이를 위해, 가스성 또는 액체 탄화수소 연료 및 산소 함유 가스는, 예를 들어 WO-A-96/03345 에 개시된 바와 같은, 메인 가스화 버너를 통하여 반응기안으로 도입된다. 반응기내에서는 화염이 유지되고, 이 화염내에서 연료가 산소 함유 가스와 반응하여 일산화탄소 및 수소를 포함하는 가스를 형성한다.

부분 산화 반응기를 시동하기 위해서, 반응기 및 이 반응기의 내화성 라이닝의 온도는, 연료가 산소 함유 가스와 자체 점화할 수 있도록 충분히 높은 레벨로 높아져야 하고, 그리하여 부분 산화 반응이 개시된다. 이를 위해 보조 버너가 사용될 수 있다. 보조 버너는, 반응물들이 메인 가스화 버너를 통하여 반응기안으로 도입될 때 산소 함유 가스와 탄화수소 연료의 혼합물이 자발적으로 점화되도록 하는 높은 레벨로 반응기 및 이 반응기의 내화성 라이닝의 온도를 증가시키기에 충분히 높은 용량을 가져야 한다. 따라서, 항상 보조 버너의 용량, 즉 버너 입구에서의 단위 면적당 생성되는 동력을 최대화하는 것이 목표이다.

보조 버너는 그의 중심 축선을 따라서 메인 가스화 버너 내측에 영구적으로 또는 철회가능한 방식 (retractable manner) 으로 적절하게 위치된다. 이러한 방식으로, 반응기에서 별도의 노즐 및 내화성 플러그에 대한 필요성이 없어진다. 메인 가스화 버너의 치수는 제한되기 때문에, 보조 버너는 상기 메인 가스화 버너내에 장착되도록 컴팩트해야 한다.

예를 들어, EP-A-2,085,696 에는, 제 1 연료 공급 라인 및 점화기 버너의 하류측에 거리를 두고 버너 입구에 각각 이어지는 1 개 이상의 제 2 연료 공급 라인들에 연결되는 점화기 버너를 포함하는 보조 버너가 개시되어 있다. 산소 함유 가스의 유동을 위한 공급부는 점화기 버너의 상류측에 위치된다. 제 2 연료 공급 라인들의 버너 입구들은 각각 유동 방향으로 넓어지는 원뿔형 디스크에 의해 적절하게 둘러싸인다. 버너 입구에서의 노즐 개구들은 원뿔형 디스크의 내측을 따라서 가스 유동을 안내하도록 배향된다. 그 결과, 제 2 연료 공급 라인들의 버너 입구들로부터 나오는 화염의 안정성을 개선시킨다.

EP-A-2,085,696 에 따른 보조 버너로부터 나오는 화염은, 화염의 안정성 제어를 보다 어렵게 만드는 많은 화염으로 구성된다. 더욱이, EP-A-2,085,696 의 보조 버너에서는, 연료 및 산소 함유 가스의 예비 혼합이 실시되지 않고, 이는 버너 내측에서의 검댕이 (soot) 형성 위험을 증가시킨다. 마지막으로, 중심의 점화기 버너 둘레에 대칭적으로 배열되어야 하는 다수의 연료 공급 라인들로 인해 보조 버너의 제조는 비교적 복잡하다.

본 발명의 목적은 개선된 버너를 제공하는 것이다.

따라서, 본 발명은,

(a) 버너 파이프,

(b) 산소 함유 가스와 연료 가스를 혼합하고 또한 상기 버너 파이프내의 결과적으로 얻은 가스 혼합물을 배출하기 위해 상기 버너 파이프에 배열된 혼합 수단, 및

(c) 상기 버너 파이프의 중심에서 상기 혼합 수단의 하류측에 있는 안정화 수단을 포함하는 버너에 관한 것으로서,

상기 안정화 수단은 유동 방향으로 넓어지는 원뿔 형상체를 포함한다.

본 발명의 버너는 높은 가열 용량을 가지고 또한 매우 컴팩트하다. 게다가, 본원의 버너는 단일 연료 공급 라인을 가지고 또한 제조하기가 덜 복잡하다. 또한, 안정화기의 특별한 형상으로 인해, 화염의 안정성이 매우 우수하고, 동시에 높은 연료 처리량을 얻을 수 있음을 알았다. 본원의 버너의 컴팩트함, 높은 가열 용량, 양호한 화염 안정성, 및 높은 연료 처리량은, 본 발명의 버너가 부분 산화 반응기의 메인 버너에서의 보조 버너로서 매우 적합하도록 해준다.

본원에 사용된 "유동 방향", "상류" 및 "하류" 라는 용어는 버너가 작동중일 때 버너에서의 가스 (즉, 연료 가스, 산소 함유 가스, 및 연료 가스와 산소 함유 가스의 혼합물) 의 유동 방향을 나타낸다.

안정화 수단 또는 안정화기는, 그의 종축선을 따라 버너 파이프의 중심에 배치된다. 안정화 수단의 기능은 안정화 수단과 버너 파이프의 내부벽 사이의 영역에서 연료 가스와 산소 함유 가스의 혼합물의 안정적이고 균질한 유동을 보장해주는 것이고, 그리하여 버너 헤드쪽으로 안정화 수단의 하류측에 안정적인 화염이 있게 한다.

본 발명에 따르면, 안정화 수단은 이 안정화 수단의 하류측 단부에 원뿔 형상체를 포함하고, 이 원뿔 형상체는 유동 방향으로 넓어진다. 안정화 수단의 위치가 정해지면, 안정화 원뿔 형상체의 축선은 버너 파이프의 종축선과 일치한다. 안정화 원뿔 형상체와 관련하여 사용되는 "축선" 이라는 용어는, 원형 베이스의 중심 및 안정화 원뿔 형상체의 (가상) 정점을 관통하는 직선을 말하고, 이 직선을 중심으로 안정화 원뿔 형상체의 측방향 또는 외부면이 회전 대칭을 이룬다.

이러한 원뿔 형상체 이외에, 안정화 수단은 또한 원뿔 형상체의 상류측 단부 및/또는 하류측 단부에 연결되는 1 개 이상의 원통 형상체를 포함할 수 있고, 이 원통 형상체(들)는, 이 원통 형상부(들)의 중심 종축선이 원뿔 형상부의 축선과 일치하도록 원뿔 형상체와 연결된다. 원뿔 형상부의 하류측 단부에 연결되는 안정화기의 어떠한 원통 형상부는 원뿔 형상부의 원형 베이스와 실질적으로 동일한 직경을 가지는 것이 적합할 것이다. 본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 안정화 수단은 원뿔 형상체의 상류측 단부에 연결되는 원통 형상체를 더 포함한다. 안정화기의 하류측 원형 단부, 즉 안정화기의 원통형부의 하류측 단부 또는 원뿔 형상부의 베이스는, 폐쇄된 원형 평면일 수 있거나 또는 개방될 수 있다. 따라서, 원뿔 형상부 및/또는 상류측 또는 하류측 단부에서 이와 연결되는 어떠한 원통 형상부는 중실 또는 중공일 수 있다. 바람직한 일 실시형태에 있어서, 상기 원뿔 형상체는 중실체 (massive body) 이다. 다른 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 원뿔 형상체는 중공체이다. 또 다른 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 안정화기는 그의 상류측 단부에서 원통형부와 연결되는 원뿔형부로 구성되고, 원뿔형부 및 원통형부 둘 다는 원통형부가 그의 상류측 단부에서 폐쇄되는 중공체이다.

원뿔각 (α) 은 안정화 원뿔 형상체의 축선 및 측방향 표면 사이의 각이다. 이러한 원뿔각 (α) 은 5 ~ 45 도, 바람직하게는 8 ~ 30 도, 보다 바람직하게는 10 ~ 20 도 범위이다.

안정화 수단의 치수는 버너 파이프의 치수에 따라 변할 수 있다. 안정화기의 원뿔 형상체의 원형 베이스의 직경과 이 원형 베이스에서의 상기 버너 파이프의 내경 사이의 비는 0.35 ~ 0.95, 바람직하게는 0.45 ~ 0.92, 보다 바람직하게는 0.50 ~ 0.90 범위인 것이 적합하다. 원뿔 형상부 및 이 원뿔 형상부의 상류측의 원통 형상부를 포함하는 안정화기의 경우에, 원통형부의 직경은 통상적으로 원뿔 형상부의 원형 베이스의 직경의 40 ~ 90%, 바람직하게는 45 ~ 85%, 보다 바람직하게는 50 ~ 80% 일 것이다. 안정화기의 다양한 부분들의 길이들 사이의 비는, 그 중에서, 산소 함유 가스와 탄화수소 연료 가스의 혼합물의 가스 속도 및 필요한 듀티에 의존할 것이고 또한 당업자의 통상적인 역량내에서 예상된 환경에 대하여 적합한 비를 잘 선택하게 된다.

버너 파이프 및 안정화기의 절대 치수는, 그 중에서, 버너의 의도된 용도, 가스 속도 및 필요한 듀티에 의존할 것이고 또한 당업자의 통상적인 역량내에서 적합한 치수를 잘 선택하게 된다. 예를 들어, 안정화기의 원뿔 형상체의 원형 베이스의 직경은 25 ~ 80 ㎜ 인 것이 적절할 수 있고, 전술한 원형 베이스가 배열되는 장소에서 버너 파이프의 직경은 어디에서든지 원형 베이스 직경의 1.1 ~ 2 배일 수 있는 것이 적절하다.

버너에서 공통으로 겪는 현상은 버너를 통하여 높은 속도에서 이동하는 가스의 공명이다. 버너가 작동중일 때, 이러한 공명은, 예를 들어, 버너에서 큰 소음을 형성하고 그리고/또는 버너가 진동하기 시작하게 만든다. 버너가 작동되는 장소에 따라서, 소리 세기 (sound intensity) 는 허용가능한 한계내에 유지되어야 한다. 소음이 허용가능하지 않게 크게 되면, 즉 소리 세기가 너무 크면, 이 소음을 저감시키도록 대책을 취해야 한다. 진동이 너무 격렬하면, 이는 버너에 심각한 손상을 유발할 수 있고 또한 버너의 듀티 및 수명에 영향을 줄 것이다. 게다가, 이는 메인 버너의 손상을 유도할 수 있다. 어떠한 공명 영향을 어떻게든 억제하거나 방지하기 위해서, 본 발명의 버너는 또한 배플, 베인 또는 블레이드 등의 1 개 이상의 공명 억제 수단을 포함할 수 있다. 이러한 공명 억제 수단은 통상적으로 예를 들어 그 상류측 단부에서 원뿔 형상부에 연결되는 원통형부상에서 안정화기의 원뿔 형상부의 상류측에 배열될 것이다.

버너 파이프는 종축선을 가진 관형체, 예를 들어 개방 실린더이다. 버너 입구, 즉 화염이 버너에서 나오는 버너 파이프의 단부는 이 버너 파이프의 상류측 부분과 동일한 직경을 가질 수 있지만 더 작거나 더 큰 직경을 가질 수도 있다. 버너 파이프는 또한 안정화기의 원뿔 형상부가 시작되는 지점에서 시작하는 하류측 방향으로 넓어지고, 예를 들어 안정화기의 원뿔 형상부와 평행하게 넓어질 수 있다. 당업자는, 그 중에서, 의도된 용도, 원하는 가스 처리량, 가스 속도 및 필요한 용량에 따라서 버너 파이프의 최적 형상을 선택할 수 있다.

버너의 다양한 구성품들을 형성하는 재료는, 버너에 통상적으로 사용되는 재료이고 또한 작동중일 때 버너내에서 도달될 수 있는 최대 허용가능한 온도에 따라서 당업자의 통상적인 역량내에서 적절한 재료를 잘 선택하게 된다. 공통으로 사용되는 재료의 예로서는 내열성 강이다.

본 발명에 따른 버너는 예비 혼합 유형의 버너이다. 따라서, 안정화기의 상류측에서 산소 함유 가스 및 연료 가스를 혼합하기 위한 혼합 수단을 포함하고, 여기에서 산소 함유 가스 및 연료 가스는 안정화기 주변으로 유도되어 점화되기 전에 혼합된다. 다른 유형의 버너들로서는, 연료 가스와 산소 함유 가스가 버너 개구 근방에서만 혼합되고 그리고 그 결과로 얻은 혼합물은 그 후에 점화되는 버너를 들 수 있다. 이러한 유형의 버너의 예는 전술한 EP-A-2,085,696 에 개시되어 있다.

본 발명에 따른 버너에 있어서, 혼합 수단은 적절하게는 연료 가스를 공급하기 위한 1 개 이상의 유입구, 산소 함유 가스를 공급하기 위한 1 개 이상의 유입구, 및 버너 파이프의 내부벽과 혼합 튜브 사이의 공간에서 혼합 튜브로부터 연료 가스와 산화 가스의 혼합물을 배출하기 위한 1 개 이상의 유출구를 구비하는 혼합 튜브인 것이 적절하다. 혼합 튜브는 그의 종축선이 버너 파이프의 종축선과 일치하도록 배열되는 것이 적절하다. 본 발명의 바람직한 일 실시형태에 있어서, 혼합 튜브는 연료 가스용 유입구의 하류측에서 연료 가스용 단일 유입구와 산소 함유 가스용 다수의 유입구를 구비한다. 연료 가스는, 예를 들어, 혼합 튜브의 상류측 단부에서 노즐을 통하여 주입될 수 있고, 산소 함유 가스는 혼합 튜브내의 1 개 이상의 구멍 또는 슬릿을 통하여 혼합 튜브에 유입할 수 있다. 통상적으로, 구멍 또는 슬릿의 개수는 어느 정도로 혼합 튜브의 치수 및 필요한 산소의 양에 의해 결정될 것이다. 실제로, 혼합 튜브는 산소 함유 가스를 위해 1 ~ 10 개의 구멍, 슬릿 또는 다른 형상의 유입구를 포함할 수 있다. 연료 가스가 높은 속도로 송풍되면, 이 연료 가스는 산소 함유 가스에 흡인되어, 그 결과로 생긴 혼합 튜브 내측의 난류에서 가스 둘 다 밀접하게 혼합된다. 대안으로, 산소 함유 가스와 연료 가스 둘 다는 적합한 노즐들을 통하여 혼합 튜브 안으로 주입되고 또한 그 결과로 생긴 난류에서 가스 둘 다 혼합된다. 혼합 튜브 내의 어떠한 난류는 베인 등의 특별한 내장물에 의해 향상될 수 있다.

산소 함유 가스 및 연료 가스의 결과로 얻은 혼합물은 산소 함유 가스용 유입구의 하류측에서 다수의 유출구를 통하여 혼합 파이프로부터 방출되는 것이 적절하다. 명백하게는, 산소 함유 가스용 유입구와 산소 함유 가스와 연료 가스의 혼합물의 유출구 사이의 거리는 효과적인 혼합이 가능하도록 충분히 길어야 한다. 더욱이, 가스 혼합물은 점화될 안정화기 쪽으로 유동하는 반면, 또한 버너 및 이 버너 내부 구성품용 냉각 수단으로서 작용한다. 버너 및 이 버너의 구성품을 냉각하는 것은, 버너를 작동중으로 유지하는데 있어서 중요하다. 너무 높은 온도는 구성품의 열화를 유도하여, 결국에는 열 용량 저감 및 성능 불량을 유도할 수 있다.

산소 함유 가스는, 예를 들어, 주변 공기 또는 산소 농후 공기, 즉 21 부피% 초과의 산소를 포함하는 공기일 수 있다.

사용될 연료 가스는 탄화수소 함유 가연성 가스, 적절하게는 일산화탄소 및 수소의 혼합물을 형성하도록 부분 산화 반응으로의 공급물로서 사용될 수 있는 탄화수소 함유 가스이다. 적합한 공급물의 예로서는, 메탄 함유 공급물, 예를 들어 천연 가스, 관련 가스 또는 C_{1 -4} 탄화수소의 혼합물이다. 바람직하게는, 공급물은 주로, 즉 80 부피% 초과, 특히 90 부피% 초과의 C_{1 -4} 탄화수소를 포함한다. 매우 적절하게는, 천연 가스 또는 일산화탄소 및 수소의 혼합물을 형성하도록 천연 가스가 후속의 부분 산화 반응을 위해 예비 개질되는 예비 개질 반응기의 방출물이 사용된다.

바람직하게는, 버너는 연료 가스와 산소 함유 가스의 가연성 혼합물을 점화시키도록 스파크 플러그, 고온 와이어 또는 이들의 조합 등의 점화 수단을 포함한다. 점화 수단은 산소 함유 가스와 연료 가스의 가연성 가스 혼합물이 버너 입구 쪽으로 점화하도록 하는 위치에서 버너 내에 형성되어, 안정적인 화염이 얻어지는 것이 적절하다. 본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 점화 수단은 안정화기에 부착되는 1 개 이상, 통상적으로 4 개 이하의 스파크 플러그이다. 안정화기가 상류측 원통형부를 포함하면, 스파크 플러그(들)는 상기 원통형부상에 배치되는 것이 적절하다.

버너에는 또한 화염 검출 수단이 형성되는 것이 적절하다. 이러한 화염 검출 수단은 화염을 효과적으로 검출할 수 있도록 하는 버너 파이프내의 위치에 배열될 것이다. 통상적으로, 이 화염 검출 수단은 안정화기 내에, 안정화기 상에 또는 안정화기의 하류측에 있을 것이다. 예를 들어, 이온화 또는 UV 스캐닝에 의해 화염 검출이 실시될 수 있다. 바람직하게는, 화염 검출 수단은 안정화기 본체의 하류측 단부에서 원형 베이스의 중심으로부터 유동 방향으로 연장되는 이온화 로드이다. 화염 아이 (flame eye) 등의 UV 검출 수단은 또한 적절하게 사용될 수 있지만, 이러한 유형의 검출 수단은 내열성이 적기 때문에, 화염의 최대 열에 노출되지 않는 위치에 위치되어야 한다. 예를 들어, UV 검출 수단은 중공 안정화기의 경우에 이 안정화기의 내측에 배열되는 것이 바람직하다.

본 발명의 버너는 상기 유형의 버너에 통상적으로 존재하는 부품 및 구성품, 예를 들어 가스켓, 하우징, 플랜지, 림, 연료 가스와 산소 함유 가스를 공급하기 위한 파이프 및 노즐 등을 더 포함할 수 있다.

본원에 따른 버너는 부분 산화 반응기를 위한 높은 듀티, 컴팩트한 보조 버너 또는 가열 버너로서 특히 유용하다. 선택적으로, 버너는 메인 가스화 버너 등의 일체 부품일 수 있고, 예를 들어 철회가능한 부품 또는 고정 부품일 수 있다. 본 발명에 따른 버너가 보조 버너로서 사용되고 또한 메인 버너의 일체 부품을 형성하면, 메인 버너용 산소 함유 가스는 상기 보조 버너 둘레를 유동한다. 이러한 방식으로, 산소 함유 가스의 상기 유동은 또한 보조 버너의 버너 파이프의 외부벽용 냉각 수단으로서 사용된다. 버너 파이프를 냉각시키는 추가의 방법 또는 다른 방법으로는 폐쇄 루프식 버너 냉각수 시스템에 의한 것이다. 적절하게는, 본 발명의 버너는, 화염과 버너 입구 간의 직접적인 접촉을 최소화하도록 구성되어, 상기 버너 입구의 연소 및 상기 버너 입구 내측에 코크스 형성을 방지하게 된다.

이하, 본원은 첨부된 도면을 참조하여 실시예의 방식으로만 보다 자세히 설명된다.

도 1 은 본원에 따른 버너의 하류측 부품의 종방향 단면도이다.

도 1 에서, 원뿔 형상부 (3) 및 이 원뿔 형상부 (3) 의 상류측 단부에 연결되는 원통 형상부 (4) 로 구성되는 안정화기 (2) 는 버너 파이프 (1) 의 종축선 (7) 을 따라서 버너 파이프 (1) 의 중심에 배치된다. 화살표는 산소 함유 가스 및 연료 가스의 가연성 혼합물의 유동 방향을 나타내고, 이 혼합물은 버너 파이프의 상류측 섹션에 배열된 혼합 수단에서 연료 가스와 산소 함유 가스를 혼합함으로써 얻어진다. 안정화기의 원통 형상부 (4) 는 스파크 플러그 (5) 를 포함하는 반면, 이온화 로드 (6) 는 그의 하류측 단부에서 안정화기 (2) 의 원형 베이스로부터 연장된다. 중심 파이프 (8) 는 안정화기 (2) 를 지지하고 또한 이온화 로드 (6) 로의 전기 연결을 안내하는데 사용된다.

실시예

이하의 치수로 된 도 1 에 따른 하류측 부품을 구비하는 버너는;

- 파이프 (1) 의 내경 54 ㎜,

- 중실의 원뿔 형상부 (3) 의 원형 베이스의 직경 46 ㎜

688 kg/hr 의 공기 유동 및 40 kg/hr 의 천연 가스 유동으로 17.2 의 공기 대 가스비에서 작동되었다. 버너는 우수한 화염 안정성을 나타내는 19.9 mA 의 강한 이온화 신호를 제공하였다.

Claims (9)

1. (a) 버너 파이프,
   (b) 산소 함유 가스와 연료 가스를 혼합하고 또한 상기 버너 파이프내의 결과적으로 얻은 가스 혼합물을 배출하기 위해 상기 버너 파이프에 배열된 혼합 수단, 및
   (c) 상기 버너 파이프의 중심에서 상기 혼합 수단의 하류측에 있는 안정화 수단을 포함하며,
   상기 안정화 수단은 유동 방향으로 넓어지는 원뿔 형상체를 포함하는, 버너.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 원뿔 형상체는 중실체 (massive body) 인, 버너.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 원뿔 형상체는 중공체인, 버너.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 안정화 수단은 상기 원뿔 형상체의 상류측 단부에 연결되는 원통 형상체를 더 포함하는, 버너.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 원뿔 형상체의 원뿔각은 5 ~ 45 도의 범위인, 버너.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 원뿔 형상체의 원형 베이스의 직경과 상기 원형 베이스에서의 상기 버너 파이프의 내경 사이의 비는 0.35 ~ 0.95 범위인, 버너.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 혼합 수단은, 그의 종축선이 상기 버너 파이프의 종축선과 일치하도록 배열되는 혼합 튜브인, 버너.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 버너는 화염 검출 수단을 더 포함하는, 버너.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 버너는 점화 수단을 더 포함하는, 버너.

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