KR20160144975A - 버너 - Google Patents

Abstract

불꽃 없는 연소로 작동하는 버너는 조연제가 공급되는 방출기(1)에 의해 연소실로부터 직접 재순환연도가스를 흡입하기 위한 시스템, 재순환연도가스와 조연제 사이에 위치한 열교환시스템, 조연제를 포함하고 있거나 또는 포함하지 않은 재순환연도가스 속으로 연료를 직접 주입하기 위한 시스템, 및 조연제 방출기의 출구 주위의 영역 내에서 연료-재순환연도가스-조연제의 혼합물의 형성 및 뒤이어 이 혼합물을 연소실로 도입하는 것을 포함한다.

Description

버너{Burner}

본 발명은 연료용 버너 및 그 이행공정에 관한 것이다.

버너는, 스팀 또는 전력을 생산하기 위한 산업 보일러, 금속을 용해하기 위한 용광로 등과 같은, 다양한 산업분야의 적용을 위한 열을 생산하기 위한 장치이다.

버너에서의 연소는 일반적으로 불꽃이 일어나고 액체, 고체 또는 기체연료가 적절한 장치들에 의해 연소제어가 가능하도록 공급된다.

선행기술의 불꽃 버너가 도 4에 길이방향 단면도로 도시되어 있다. 도면에서 23은 버너의 내부부분이고, 21은 연료주입기 또는 연료주입노즐, 22는 불꽃안정판, 20은 연료공급노즐, 24는 버너덮개이다. 도면에 있어서, 흰색 화살표들은 조연제, 일반적으로 공기의 흐름을 보여주고 있다. 도면은 특히 주입노즐(21)을 통하여 주입된 연료(흑색 화살표로 도시된)와 함께 노즐 하류로 혼합될 수 있도록, 버너 내부의 조연제 흐름이 불꽃 안정판(22)에 의해 편향되는 것을 보여주고 있다. 수직라인(25)의 좌측 상에, 도면에 도시되지는 않았지만, 연소실이 있고, 그 안에서 불꽃에 의해 점화되어 연소공정이 일어난다. 이러한 선행기술의 버너들은 여러 가지 단점을 갖는 것으로서: 즉, 불꽃전단의 완전연소가 보장되지 않고 공급된 연료의 완전연소를 보장하기 위하여 과잉의 조연제를 사용하여야만 한다. 뿐만 아니라, 연소실 내부에서 열의 피크의 형성을 피할 수 없다. 어떤 경우에도 이들 선행기술의 버너들은 공해를 발생시킨다. 부가하여 초과 공기 조연제가 작동을 위해 필요한 것으로서 연소효율은 제한적이고, 그 초과 조연제는 용량으로 최소 8%로서, 1.6%와 동일한 연도가스 내의 잔류 산소의 %와 일치한다. 그러나, 일반적으로 그 조연제의 초과량은 더 많은 것으로서, 용량으로 적어도 2%의 연도가스 내의 잔류산소의 %를 갖는다.

미국특허출원 US 2012/0186,265호는 특히 저 부하 조건하에서의 가스터빈의 불꽃을 안정화하는 버너에 관한 것이다. 배경기술에서, 제트화염이 더운 재순환 가스로 혼합함에 의해 안정화된다는 것을 기재하고 있다. 그러나, 가스터빈 작동 동안, 특히 저 부하에서, 항상 불꽃을 안정화하는데 적절한 재순환 가스의 온도를 보장할 수는 없다. 그러므로, 이 조건들 아래에서의 제트화염 안정화를 획득하기 위한 장치가 요구된다. 상기 특허출원은, 도 4에 도시된 바와 같이, 노즐 주위에 위치된 환형 갭(8)을 장치한 노즐에 의해 이 문제를 해결한다. 환형 갭(8)은 노즐의 출구부분(22) 앞에 배치된 개구를 통한 유체분출과 감응한다. 재순환가스가 노즐 내에서 유체흐름과 반대방향으로 환형 갭(8)속으로 빨아들여 진다. 이 재순환가스는 노즐의 앞에 위치된 개구를 통과하여 노즐 내측에서 제트유체와 혼합된다: 이와 같은 방식으로, 이 출원에 따르면, 불꽃의 안정화가 보장된다. 재순환가스를 빨아들이기 위하여, 연소실과 노즐 내에서 고속으로 흐르는 유체 사이에 존재하는 정압의 차이가 이용된다. 다른 실시예로서, 동일한 특허출원의 도 4를 참조하면, 버너로 공기 및/또는 연료를 이송하기 위하여 제2환형 채널(20)이 제1환형 갭(8)과 공동 축을 가지고 바깥에 위치하고 있다. 바람직한 실시예로서, 분출유체는 연료와 사전 혼합된, 부분적으로 사전 혼합된 또는 사전 혼합되지 않은 압축공기이다. 저 부하 작동에 있어서, 유체는 바람직하게는 연료/압축공기 혼합물로 형성된다. 전 부하 작동에 있어서, 유체는 연료를 포함하는 또는 포함하지 않는 압축공기로 형성된다. 이 버너의 사용은, 불꽃 전단 변동(연소실 해밍(hamming))을 피하기 위하여 확산안정화 "안내판(pilots)"(확산 안정판)이 사용되지 않기 때문에, 기본하중 작동 동안 발생되는 NO_x 증가를 피하는 것을 허용한다. 사실 이들 불꽃 안정판들이 NO_x가 증가된 배기로 인도한다는 것은 잘 알려져 있다. 어떤 경우던, 이들 버너들은 발생되는 NO_x의 량이 높다.

더 높은 연소효율을 갖고 동시에 보일러 내의 연소온도의 균일한 확산을 얻기 위하여 화학량적으로 접근하여 연소반응균형을 갖는 선행기술에 비하여 매우 감소된 조연제를 사용함에 의해, 대기가 포함된 다른 조연제들로 작동될 수 있는 연료버너의 필요성이 느껴졌고, 따라서 상기 선행 기술의 버너들에 비하여 높은 온도 피크들의 영역의 형성을 회피하고 더 작은 량의 오염배기, 특히 NO_x 및 CO가 거의 없는 매연을 발생하게 된다.

발명자는 예기치 않게 그리고 놀랍게도 상기에 언급된 기술적 문제를 해결하는 버너를 발견하게 되었다.

본 발명의 목적은 MILD(Moderate and Intense Low oxygen Dilution)연소가 일어나는, 또한 불꽃없는 연소로 알려진, 버너를 제공하는 것이다.

본 발명의 버너는 조연제가 공급되는 방출기에 의해 연소실로부터 직접 재순환연도가스를 흡입하기 위한 시스템, 재순환연도가스와 조연제 사이의 열교환에 적합한 열교환시스템, 조연제를 포함하고 있거나 또는 포함하지 않은 재순환연도가스 속으로 연료를 직접 주입하기 위한 시스템, 및 조연제 방출기의 출구 주위의 영역 내에서 연료-재순환연도가스-조연제의 혼합물의 형성 및 뒤이어 이 혼합물을 상기 연소실로 도입하는 것을 포함한다.

본 발명의 버너는 매우 감소된 대기가 포함된 다른 조연제들로 작동되므로 선행 기술들의 버너들에 비하여 높은 온도 피크들의 영역의 형성을 회피하고 더 작은 량의 오염배기, 특히 NO_x 및 CO가 거의 없는 매연을 발생하게 된다.

또한, 본 발명은 재순환 팬의 사용이 필요치 않으므로, 재순환연도가스의 높은 온도 상태에서 작동되어 져야만 하는 재순환 팬의 사용과 관련된 투자 및 소비비용을 줄일 수 있는 이점이 있다

도 0은 본 발명에 따른 버너의 종단면도이다;
도 1는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 버너의 종단면도이다;
도 1a는 본 발명의 더 바람직한 실시예에 따른 버너의 종단면도이다;
도 2은 도 1a의 더 바람직한 실시예에 따른 버너의 조연제 순환을 상세히 보여주는 사시도이다;
도 3는 도 1의 바람직한 실시예의 버너에 적용된 본 발명의 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a는 도 0의 버너를 작동하는 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3b는 두 주입시스템들(5 및 8)이 사용될 때 도 1a의 버너의 작동방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 종래기술의 불꽃 버너이다.

첨부한 도면들은 본 발명의 상세한 설명을 위한 예시적 도면이고 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

바람직하게는 조연제 주입시스템은 연료주입시스템들의 것들과 관련하여 버너 내의 다른 위치에 배치된다.

도 0은 본 발명의 버너의 종단면도로서, 12는 연소실로부터 직접 재순환연도가스의 흡입시스템에 구성된 환형 덕트이고, 2는 이송 및 혼합 챔버, 5 및 8은 연료주입시스템, 1은 원뿔형 출구(11)를 향한 출구부분으로서 서로 평행한 튜브들(1a)로 형성된 조연제와 함께 공급되는 방출기 또는 주입시스템, 11은 원뿔형 버너출구이다.

재순환연도가스 흡입시스템은, 환형덕트(12)의 옆에, 도 0에 도시되지는 않았지만, 환형덕트(12) 앞에 위치한 연소실로부터 재순환연도가스를 흡입하기 위한 흡입기를 포함한다.

도 0에 있어서, 미 도시된 연소실은 원뿔형 출구(11)의 좌측에 위치되고, 재순환연도가스의 흡입시스템의 흡입기와 연통한다.

본 발명의 버너에 있어서 조연제는 연행 또는 구동 유체이고 재순환연도가스 또는 연소 가스는 연행 유체이다. 도 0에 도시하지는 않았지만, 버너의 열교환시스템은 재순환연도가스와 접촉하는 부분 또는 표면을 갖는 조연제 흐름을 구획하는 도관벽들로 구성되고; 여기서 이 조연제 흐름은 환형덕트(12) 속으로 흐르는 주입되는 연도가스에 대하여 역류한다.

본 발명자는 예기치않게 그리고 놀랍게 본 발명의 버너를 작동함에 의해 고효율의 연소가 일어나고 버너출구로 배출되는 연도가스가 선행기술의 버너들과 비교하여 특히 CO 및 NO_x 가 더 낮은 매우 낮은 량의 공해물질이 얻어지는 것을 발견하였다. 이것은 상기에서 언급한 선행기술에서는 전혀 예기치 않았다.

또한, 이 버너는 환형덕트(12), 재순환연도가스와 조연제 사이의 열교환에 적합한 열교환시스템, 연료-재순환연도가스-조연제의 혼합물의 방출기(1)를 형성하는 튜브들(1a)의 출구부분들의 앞부분 주위에 영역의 형성과 함께, 튜브들(1a)의 출구부분들에 동축인 이송버너(2)의 내외부에서 재순환연도가스 속으로 직접 연료를 주입하기 위한 시스템, 및 뒤이어 이 혼합물을 연소실로 도입하는 도입기를 포함한다. 방출기(1)를 형성하는 튜브들(1a)의 출구부분들의 앞부분은 방출기(1)의 출구전단부분 또는 방출기(1)의 전단부분으로도 불리운다.

바람직하게, 본 발명의 버너는 환형덕트(12), 재순환연도가스와 조연제 사이의 열교환시스템 및 버너의 길이방향 또는 대칭 축에 대하여 실질적으로 동축인 이송실(2)로 구성되는 구조를 갖는다.

도 1는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 버너의 종단면도이다;

도 1a는 본 발명의 더 바람직한 실시예에 따른 버너의 종단면도이다;

도 2은 도 1a의 더 바람직한 실시예에 따른 버너의 조연제 순환을 상세히 보여주는 사시도이다.

이후의 기재에 있어서, "앞의" 또는 "앞쪽으로"로 표기되는 것은 버너부품의 부분이 연소실을 향하여 또는 향하여 위치된 것을 의미하고, "뒤의" 또는 "뒤쪽으로"는 그 반대인 것을 의미한다. 이하에서 각 도면을 중심으로 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1는 연소실로부터 재순환연도가스를 흡입하기 위한 흡입구(7), 환형덕트(12), 조연제 환형 확산실(13), 출구가 도시된 방사상 덕트(14)(도 2에 완전히 도시됨), 이송실(2), 연료주입시스템(5 및 8), 조연제의 방출기(1), 원뿔형 출구(11), 및 케이스(20)를 포함하는 버너에 관한 도면이다. 여기서, 흡입구(7)를 통하여 상기 연소실과 연통하는 환형덕트(12)는 환형 확산실(13)을 외부적으로 그리고 뒤쪽으로 한계를 정한다.

환형 확산실(13)은 앞쪽으로 방출기(1)와 연통하고 뒤쪽으로 방사상 덕트(14)와 연통하며 이송실(2)을 외부적으로 한계를 정한다. 이 이송실(2)은 앞쪽으로 방출기(1)의 출구전단부에 의해 한계가 정해지고 뒤쪽으로 케이스(20)의 벽에 의해 한계가 정해진다.

방출기(1)의 출구전단부는 앞쪽으로 원뿔형 출구(11) 또는 원뿔형 돌출부(11)와 접촉하는 확산실(13)에 대하여 수직이다. 연료주입시스템(5)은 방출기(1)의 상류 상에 버너의 케이스(20)의 뒷벽 상에 위치되고, 연료주입시스템(8)은 방출기(1)의 출구전단부의 하류 상에 위치된다. 여기서, 흡입구(7)를 통하여 상기 연소실로부터 직접 흡입된 재순환연도가스는 환형덕트(12)를 통하여 흐르고, 환형 확산실(13)로 역류해 들어오는 조연제를 가열하며, 재순환연도가스는 이송실(2)로 들어가고 방출기(1)의 전단부로 나오는 조연제에 의해 발생되는 감압에 의해 구동되고, 그들은 방출기(1)의 출구전단부의 하류에서 조연제와 혼합하며, 조연제는 연행 또는 구동 유체이고 재순환연도가스는 연행유체이며, 연료는 주입시스템(5)에 의한 재순환연도가스 속으로 방출기(1)의 상류에서 직접 주입되고 및/또는 방출기(1)의 출구전단부의 하류에서 주입시스템(8)에 의해 조연제-재순환연도가스 혼합물로 직접 주입되며, 후자의 경우에 있어서 재순환연도가스는 주입시스템(5)이 또한 사용될 때 이미 연료를 함유하고 있다.

바람직하게는 이 연료는 주입시스템(5)에 의해 버너로 공급된다.

사실 주입시스템(5)으로 작동함에 의해 연소연도가스는 더 낮은 함량의 공해물질 CO 및 NO_x을 보여주는 것을 예기치않게 그리고 놀랍게 발견하였다.

연료주입시스템(5)은 또한 버너에 공급된 연료가 액체연료일 때 더 바람직하다.

바람직하게는, 원뿔형 출구(11), 흡입구(7), 환형덕트(12) 및 조연제 환형 확산실(13)은, 도 1에서 버너를 두 대칭부분들로 나누는 점선에 의해 도시된 바와 같이, 버너의 종축 주위에 원주상으로 그리고 길이로 배치되어 있다. 바람직하게는 이송실(2)은 버너의 종축을 따라 배치된다. 도 1에 있어서, 재순환연도가스와 조연제 사이의 열교환시스템은 실질적으로 방사상 덕트(14)의, 환형 확산실(13)의 그리고 방출기(1)를 형성하는 튜브들(1a)의 벽들에 의해 형성되고, 이 벽들은 재순환연도가스 흐름으로부터 조연제 흐름을 분리하고 있다.

환형 확산실(13)에 대하여 수직인 출구전단부와 함께 배치된 방출기(1)는 바람직하게는 좋은 유체역학을 갖기 위하여 버너의 종축을 따라 위치된다.

방출기(1)는 조연제 확산실(13)에 연결되고 거기에 방사상으로 배치된 인입구를 갖는 튜브들(1a)을 포함한다. 상기 튜브들(1a)의 출구부분들 또는 노즐들은 버너의 종축에 평행하고 그들의 출구는 원뿔형 출구(11)를 향하고 있다. 상기 출구부분들은 바람직하게는 버너의 종축에 대하여 공동축을 가지고 원형으로 배치된다.

연료주입시스템들(5 및 8)은 버너의 종축을 따라 그리고 주위로 위치된 더 많은 주입기들, 바람직하게는 다수-노즐을 포함할 수 있다.

주입시스템(8)의 연료주입기들은 버너의 종축 주위에 원형으로 배치되고, 버너의 케이스(20)의 뒷벽으로부터 이송실(2) 및 조연제 방출기(1)의 출구전단부를 가로지르는 버너의 종축에 평행하게 배치된 튜브들의 단부에 위치된다.

버너의 케이스(20)의 뒷벽에 배치된 주입시스템(5)은 버너의 종축 상에 원형으로 배치된다.

케이스(20)는 전형적으로 버너의 축을 향하여 내부에 내화세라믹이 입혀진 금속 또는 강철 또는 세라믹물질로 형성된다.

원뿔형 출구(11)는 내화 또는 세라믹 물질로 이루어진다.

사용된 내화물질은 바람직하게는 크롬 및/또는 지르코늄을 함유하는, 일반적으로 중량%로서 약 10%의 크롬 및 약 4%의 지르코늄을 함유하는, 알루미늄 형태이다.

방출기(1)의 출구전단부 또는 전단부는 원뿔형 출구(11)를 향하는 튜브들(1a)의 주변 단부들을 포함하는 평면이다.

도 1a는 본 발명에 따른 버너의 더욱 바람직한 실시예에 관한 것으로서, 조연제의 부가 플렌지(3), 조연제의 환형 공급드럼(4), 주입시스템(5)으로 연료의 부가 플렌지(6)를 더 포함하고 있다. 도 1a에 있어서, 머플(muffle)(9) 및 덮개(10)는 도 1의 케이스를 형성한다(도 1a에는 미 도시).

머플(9) 및 환형 공급드럼(4)은 버너의 종축 주위에 원형으로 그리고 길이로 위치된다(도 1a에 미 도시).

바람직하게는 흡입구(7)가 머플(9)에 의해 바깥으로 한계 지워 진다. 일반적으로 머플(9)은 고정되고(보일러 벽에 연결된다) 버너를 보일러로부터 차단하는 것을 허용한다.

덮개(10) 및 머플(9)은 케이스(20)를 위하여 언급된 동일한 물질로 이루어진다.

부가 플렌지(6)는 버너 케이스(20)의 뒷벽에 대하여 바깥으로 위치되고 연료주입시스템(5)과 연통한다.

도 2은 환형 공급드럼(4) 속으로의 조연제 인입을 제공하는 것으로서, 환형 공급드럼(4)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 방사상 덕트(14) 를 통하여 연료 환형 확산실(13)과 연결되어 있다.

버너 부품의 원형의 길이방향 배치는 부품이 버너의 축 방향으로 종축을 갖는 원통형 껍질의 것과 실질적으로 유사한 형상을 갖는다는 것을 의미한다.

원뿔형 출구(11)는 방출기(1)의 출구전단부로 연소가스의 공기역학 흐름을 갖도록 조연제의 방출기(1)의 하류에 위치된다. 이 원뿔형 출구(11)의 전단부 내에는 바람직하게는, 일부가 도 1a에 도시된 바와 같은, 공기역학적 튜블레이터(turbulator)들(11a)이 구비된다.

원뿔형 출구(11) 및 머플(9)은 버너 앞쪽으로 한계를 정하고 그것을 연소실로부터 분리한다.

조연제는 산소를 함유하는 가스 유체를 의미한다.

환형덕트(12) 내의 재순환연도가스의 온도는, 부하에 따라 그리고 연소실의 가열조건에 따라, 바람직하게는 1000℃ 내지 1500℃의 범위에 있다.

조연제는 일반적으로 대기, 농축 공기, 산소 및 기술적 산소로부터 선택된다. 바람직하게 조연제는 대기이다. 대기압 하에서 또는 대기압 보다 약간 더 높은 기압, 바람직하게는 0.2 바(bar)까지, 더 바람직하게는 0.15 바까지의 대기를 조연제로서의 사용은 선행기술에 비하여 본 발명의 이점이 있다. 만약 바람직하다면, 압축된 조연제가 또한 사용될 수 있다.

대기는 평균적으로 (건조상태에서의 용적%) 78.09%의 질소, 20.95%의 산소, 0.93%의 아르곤, 0.039%의 CO₂, 및 더 낮은 량의 다른 기체들을 함유한다. 대기는 또한 가변 량의 수증기, 일반적으로 보통 1%의 수증기를 함유할 수 있다.

농축공기는 일반적으로 더 많은 %의 산소, 즉 20.95% 보다 많고 약 용적%로 55%까지, 의 산소를 함유하는 대기이고, 100%가 되는데에 있어서 하나 이상의 불활성 가스, 예를 들면 질소의 량이 차이가 있다.

기술적 산소란 산소와 불활성 가스의 혼합물을 의미하고, 여기서 산소는 용적%로 80% 보다 더 많은, 90%까지도 갖는다. 적정농도가 92-94% VSA(vacuum swing absorption) 및 88-92% VPSA(vacuum pressure swing absorption)를 갖는 산소가 또한 사용될 수 있고, 불활성 가스 및/또는 질소와 함께 100%가 된다.

상기 바람직한 조연제가 대기이기 때문에, 그것의 사용은 재순환연도가스 유동률의 결과적 증가로 방출기(1)의 효력이 향상되는 것을 허용한다. 이러므로 본 발명의 방법에서 알려진 범위 내에서의 재순환연도가스/조연제 유동률비는 재순환 팬의 사용이 필요치 않게 된다. 이것은 재순환 팬의 사용과 관련된 투자 및 소비비용을 피할 수 있는 것을 허용하는 이점이 있다. 그러나, 재순환연도가스의 높은 온도 상태에서는 또한 팬이 작동되어져야만 하지만 이것 또한 특별히 설계된 팬들을 요구할 수 있다.

바람직한 연료는 액체 및/또는 기체 연료이다. 본 발명의 연소과정의 작동상태에서 액체형태로 또는 기체상태로 될 수 있는 고체연료, 예를 들면, 탄화수소는 또한 사용될 수 있다.

사용될 수 있는 기체연료의 예들로는 수소, 천연가스, 정유가스, 프로판, 헥산, 펜탄, 부탄 등이다.

액체연료로는 디젤 오일, 메탄올, 오일 No. 2, 페트롤 등이 언급될 수 있다.

도 2은 특히 조연제를 인입구(3)로부터 환형 확산실(13) 그리고 궁극적으로 방출기(1)를 형성하는 튜브들(1a)로 이송하는 방사상 덕트(14)를 도시하고 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 MILD 연소 또는 불꽃없는 연소가 일어나는 본 발명의 버너를 작동하는 방법으로서, 조연제가 공급된 방출기에 의해 연소실로부터 직접 재순환연도가스를 흡입하는 단계; 재순환연도가스와의 열교환에 의해 조연제를 가열하는 단계; 하나 이상의 주입시스템에 의해 연료를 직접 재순환연도가스 속으로 주입하는 단계; 연료-재순환연도가스-조연제의 혼합물을 형성하는 단계; 이 혼합물을 연소실로 공급하는 단계를 포함한다.

본 발명자는 위와 같은 공정으로 본 발명의 버너를 작동함에 의해 높은 효율의 연소는 물론 버너로부터 나오는 연도가스에서 매우 낮은 오염농도, 특히 CO 및 NO_x가 현저히 낮은, 이것은 선행기술의 버너들의 연소연도가스에서 발견된 것보다 훨씬 낮은, 것을 예기치않게 그리고 놀랍게 발견하였다. 사실 가스연료의 사용에 의해 NOx의 방출은 10 ppmv(parts by million by volume)보다 더 낮고 CO의 방출은 20ppmv보다 더 낮다. 액체연료의 사용에 의해서는 CO 및 NOx의 방출은 선행기술의 버너의 불꽃과 동일한 조건, 예를 들면 동일한 연료 및 조연제를 사용하고 동일한 파워상태에서 조작할 때, 하에서 얻어진 것보다 적어도 2-4배 더 낮다(실시예들 참조).

이것은 상기한 연소공정에 따라 본 발명의 버너를 작동함에 의해 상기 언급한 선행기술에 비하여 예기치 않은 놀라운 결과를 획득하였음을 보여준다.

도 3a에 있어서, 도 0의 버너를 작동하는 공정을 도시하고 있는데, 그 공정은:

1) 조연제 배출 방출기(1)의 구동에 의해, 재순환연도가스를 연소실로부터 환형덕트(12)로 직접 흡입하는 단계(회색 화살표 참조);

2) 재순환연도가스와 조연제 사이에 열교환 하는 단계;

3) 주입시스템(5 및/또는8)에 의해 이송실(2)의 내부 또는 외부의 연도가스 속으로 연료를 주입하는 단계(흑색 화살표 참조);

4) 방출기(1)에 의해 버너 속으로 방출되는 조연제와 함께, 연료-재순환연도가스-조연제의 혼합물을 형성하는 단계(백색 화살표 참조);

5) 혼합물을 연소실로 주입하는 단계를 포함한다.

단계 1)에 있어서, 조연제는 연행 또는 구동 유체이고 재순환연도가스 또는 연소 매연은 연행 유체이다.

단계 2)에 있어서, 조연제 흐름은 환형덕트(12)로 흘러들어가는 주입연도가스에 대하여 역류한다.

방출기(1)는 주입시스템(5 및 8)에 대하여 버너 내의 다른 위치에 배치된다.

도 3는 도 1의 바람직한 실시예의 버너에 적용된 본 발명의 공정을 설명하기 위한 도면이다.

도면에 있어서, 재순환연도가스는 방출기(1)로부터 나오는 조연제의 흐름에 의해 발생한 감압에 의해 흡입되는 흡입구(7)를 통해 버너로 들어가고(회색 화살표 참조), 그들은 환형덕트(12)를 통하여 흐르고 방사상 덕트(14)를 통하여 흘러들어가는 재순환연도가스에 대하여 역류로 환형 확산실(13)로 흐르는 조연제를 열교환에 의해 가열하며, 그 다음 그들은 이송실(2) 및 방출기(1)의 주입전단부 하류로 들어가고 그들은 조연제와 혼합되며; 연료는 주입시스템(5) 및/또는 주입시스템(8)에 의해 재순환연도가스 속으로 직접 주입된다(흑색 화살표 참조).

도 3b는 두 주입시스템들(5 및 8)이 사용될 때 도 1a의 버너의 작동방법을 설명하기 위한 도면이다. 이 도면은 또한 관련 연료 부가 플렌지(6)(도 1a 참조)를 구비한 주입시스템(5)을 도시하고 있다. 이 도면은 조연제의 공급 시스템 및 내부에서의 조연제의 흐름을 자세히 보여주고 있다(백색 화살표 참조).

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 공정에서 바람직하게는 연료는 주입시스템(5)을 통하여 공급된다.

특히, 버너에 가스연료가 공급될 때, 주입시스템(5) 또는 주입시스템(8)의 어느 하나가 사용될 수 있고, 선택적으로 둘 다 사용될 수도 있으며, 액체연료가 공급될 때는 주입시스템(5)이 바람직하고, 선택적으로 주입시스템(8)이 사용된다.

본 발명의 버너에 액체연료 및 가스연료가 동시에 독립적으로 공급될 수가 있는데, 이때 액체연료는 바람직하게는 주입시스템(5)을 통하여 주입되고 가스연료는 주입시스템(8)을 통하여 주입된다.

발명자는 이런 식에 있어서 재순환연도가스의 흡입구(7) 근처에서 더 높은 온도를 얻는 것이 가능하다는 사실을 발견하였다. 이것은 주입시스템(5)을 통하여 주입된 액체연료의 실질적으로 순간적 증기화를 용이하게 한다.

이송실(2) 내에서 재순환연도가스의 균일한 유동률이 형성되고, 방출기(1)의 출구전단부의 영역 내의 모든 지점에서 실질적으로 동질의 매연 및 조연제로 구성된 가스 덩어리의 형성을 유도한다.

연료가 주입시스템(5)을 통하여 주입될 때에도 동일한 현상이 발생한다.

발명자는 연료주입시스템(8)의 레벨에서 일어나는 연소반응이 반응물질의 온도및 농도와 관련하여 둘 다 비동질성을 보이지 않고 가스 흐름의 모든 지점들에서 실질적으로 균일한 것을 발견하였다. 뿐만 아니라, 연료 및 조연제가 각각 주입시스템(8)의 튜브들 속으로 그리고 조연제를 위하여는 방사상 덕트(14), 환형 확산실(13), 방출기(1)를 형성하는 튜브들(1a)로 흐르는 가스 흐름 속으로 주입되기 전에 가열되기 때문에, 버너(원뿔형 출구(11))로 나오는 가스 덩어리 내에 온도적 피크점이나 또는 한랭영역이 없다는 것을 발견하였다.

본 발명자는 본 발명의 버너에 있어서, 조연제 및 연료의 각 유동률을 적절히 조정함에 의해, 화학량적 량에 가까운 연소반응균형을 얻을 수 있다는 것을 발견하였다. 특히, 건조상태에서의 용량%로서, 일반적으로 동일하거나 또는 액체연료를 사용할 때 1.2%보다 더 낮고 가스연료를 사용할 때 0.4%보다 더 낮은 연소연도가스 내의 산소의 량을 갖도록, 조연제가 화학량적 량에 동일하거나 그보다 약간 더 높은 량이 공급된다. 이것은 스택(stack)에서 잃어버리는 에너지의 량이 오히려 낮고 최소 값으로 감소 된다는 것을 의미한다. 조연제 및 연료의 유동률은 관련하는 공급압력을 조작함에 의해 제어할 수 있다. 이것은 연도가스 내의 산소농도 값이 용량으로 최소 1.6% 그리고 일반적으로 적어도 2%를 보여주는 종래기술의 버너들과 비교하여 이점이 있는 것을 나타낸다. 사실, 선행기술의 버너들에 있어서 연소가 화학량적 량에 가까운 산소농도로 작동되어 졌을 때, 매우 높은 CO의 배출이 있었고, 이것은 유럽에서 이행규정에 의해 설정된 공해발생의 한계를 넘어선 것이다.

연료가 주입시스템(5)을 통하여 방출기(1)의 상류로 주입될 때, 이송실(2) 내에서 재순환연도가스는 가스상태의 그러나 아직 연소는 일어나지 않은 상태의 연료와 혼합된다.

이 실시예는, 이송실(2) 내에 존재하는 높은 온도, 예를 들면 850℃ 내지 1050℃ 사이의 온도의 재순환연도가스가 액체연료를 거의 순간적으로 가스상태로 변화시키기 때문에, 바람직하게는 액체연료가 사용된다. 이와 같이 또한 주입시스템(5)을 통한 액체연료를 공급할 때 이송실(2) 내부에서 가스의 균일한 유동률 장을 형성하고 그것이 방출기(1)의 출구전단부에 도달할 때 균질의 가스혼합물을 얻을 수 있었고, 따라서 열적 피크점 이나 한랭영역이 생성되지 않는다는 것을 발견하였다.

이것은, 알고 있는 바와 같이, 액체연료의 연소가 주목할 만한 량의 공해물질을 생성하는 종래기술의 버너들이 비하여 주목할 만한 이점을 얻는다. 한편, 언급한 바와 같이, 액체연료를 사용하는 본 발명의 공정에 있어서, 연도가스와 함께 연소실로 나오는 CO 및 NO_x의 량은 매우 감소된다. 그 외에도 그것은 액체연료를 사용할 때 연도가스의 재순환을 위한 또는 공급물의 사전가열을 위한 팬과 같은 전용기계를 구비할 필요가 없다. 또한, 언급한 바와 같이, 본 발명의 버너에 있어서는 대기가 사용될 수 있으므로 뛰어난 경제적 이점을 갖는다.

재순환연도가스/조연제 사이의 유동률 비는, 용량%로, 바람직하게는 약 30%로부터 약 60%의 범위, 더욱 바람직하게는 40 내지 45%의 범위를 갖는다. 본 발명의 버너에 있어서 재순환 팬이 사용될 때 100%에 달하는 이들 유동률 사이의 비를 얻을 수 있다.

본 발명의 버너에 사용된 가스 및 액체연료를 위한 주입압력은 선행기술 버너들에서 알려진 바와 같다.

조연제는 바람직하게는 1,000 내지 15,000 Pa 사이의 압력에서 방출기(1)로 주입된다.

본 발명의 버너에 있어서 부하를 최대부하(100% 부하)로부터 일반적으로 산업적 응용에 있어서 사용되는 최소부하(20-15% 부하)로 낮출 때조차, 연소를 유지하는데 필요한 초과공기의 증가가 요구되지 않는다는 사실을 본 발명자는 놀랍게도 예기치않게 발견하였다. 그러므로, 이 버너에 있어서는 최대부하의 화학량적 량(상기에 언급한 한계치 보다 더 낮은 연소 매연 내의 조연제 초과량)에 가까운 동일 연소조건이 낮은 부하에서도 또한 유지된다.

튜브들(1a)의 세트에 의해 형성된 방출기(1)의 사용에 의해 조연제 및 이송실(2)로부터 오는 가스상의 연료의 혼합이 매우 효과적이라는 사실을 발명자는 발견하였다. 방출기(1)를 사용함에 의해 연소를 위하여 필요한 초과 조연제는 매우 감소되고 상기한 한계치 보다 더 낮다는 사실을 발견하였다.

버너작동의 시작에 있어서, 연료는 바람직하게는 주입시스템(8)을 통하여 주입되고 그 다음 버너가 안정된 상태에서 작동할 때 주입시스템(5) 및/또는 주입시스템(8)이 사용된다.

본 발명의 또 다른 목적은 버너의 작동을 위하여 상술한 공정을 사용함에 의해 공정 스팀 또는 전력을 생산하기 위한 산업스팀제너레리터를 작동하기 위하여 본 발명의 버너를 사용하는 것에 있다.

다음의 실시예들은 단지 설명의 목적이지 본 발명의 범위를 제한하지는 않는다.

실시예

초과공기

초과공기는 용량%로서 다음 식으로 정의된다:

[(W_연소공기/W화학량적 량 _공기) - 1)] x 100

여기서, W_연소공기는 실질적으로 사용된 공기 유동률이고 W화학량적 량 _공기는 연소반응의 화학량적 량 균형을 위하여 요구되는 공기 유동률이다.

실시예 1

연소과정은 도 0a에 도시되고 산업적 내화보일러에 연결된 본 발명에 따른 버너로 수행된다. 이 버너는 100%의 열적 파워(100% 부하)에 사용된다. 공급된 연료는 천연가스이다(용량%로서, 약 95%의 메탄, 2.5%의 에탄, 0.2%의 프로판, 0.06%의 부탄, 0.02%의 펜탄 + C₁₀H₂₂의 혼합물, 1.6%의 니트로겐, 0.7%의 CO₂, H₂O계 및 H2S). 조연제는 실온에서의 대기이다.

공기 공급압력은 12,000 Pa 이다. 가스연료가 방출기(1)의 하류에서 주입시스템(8)을 통하여 주입된다. 연료공급압력은 250,000 Pa 이다.

초과공기는 1.5%이다. 연도가스에 함유된 산소는 건조가스상에서 계산하여 0.3 용량%이다. 보일러로 나오는 연도가스의 온도는 1320℃이다.

재순환연도가스/조연제의 용량에 의한 비는 45%이다. CO의 배기는 ≤20 ppmv 이고 NO_x는 ≤15 ppmv이다.

실시예 2

실시예 1이 반복되지만, 천연가스의 주입은 방출기(1)의 상류에 주입시스템(5)을 통하여 수행된다.

CO의 배기는 ≤10 ppmv 이고 NO_x는 ≤10 ppmv이다.

실시예 3 비교

선행기술의 불꽃연소버너가 사용된다(도 4 참조). 이 버너는 100%의 열적파워에서 사용된다. 사용된 연료 및 조연제는 실시예 1과 동일하다. 공기공급압력은 2,000 Pa이다. 연료는 200,000 Pa의 압력에서 공급된다.

초과공기는 10%이다. 연도가스에 함유된 산소는 건조가스상에서 계산하여 2 용량%이다. 보일러로 나오는 연도가스의 온도는 1300℃이다.

CO의 배기는 50 및 100 ppmv 사이에 있고 NO_x는 90 내지 130 ppmv이다.

실시예 4

연소과정은 산업적 보일러에 연결된 본 발명에 따른 버너로 수행된다. 이 버너는 100%의 열적 파워에서 사용된다. 연료오일은 0.2 중량%의 질소 함량을 갖고 사용된다. 사용된 조연제는 실시예 1과 동일하다.

공기 공급압력은 12,000 Pa 이다. 연료는 방출기(1)의 상류에서 주입시스템(5)을 통하여 주입된다. 연료공급압력은 10 및 15 bar(10,000 - 15,000 KPa) 사이에 있다. 초과공기는 5%이다. 연도가스에 함유된 산소는 건조가스상에서 계산하여 1 용량%이다. 보일러로 나오는 연도가스의 온도는 1250℃이다.

재순환연도가스/조연제의 용량에 의한 비는 42%이다. CO의 배기는 ≤40 ppmv 이고 NO_x는 ≤80 ppmv이다.

실시예 5 비교

선행기술의 불꽃연소버너가 도 4에 도시된 바와 같이 사용된다. 이 버너는 100%의 열적파워에서 사용된다. 연료 및 조연제는 실시예 4와 동일하다.

공기공급압력은 2,000 Pa이다. 연료는 10-15 Bar의 압력에서 공급된다.

초과공기는 15 내지 20% 사이에 있다. 연도가스에 함유된 산소는 건조가스상에서 계산하여 약 3-4 용량%이다. 보일러로 나오는 연도가스의 온도는 1230℃이다.

CO의 배기는 70 및 170 ppmv 사이에 있고 NO_x는 190 내지 250 ppmv이다.

1: 방출기(1) 2: 이송실
5, 8: 주입시스템 7: 흡입구
11: 원뿔형 출구 12: 환형덕트
13: 확산실 14: 방사상 덕트
20: 케이스

Claims (27)

1. MILD 연소가 일어나는 버너에 있어서, 조연제가 공급되는 방출기에 의해 연소실로부터 직접 재순환연도가스를 흡입하기 위한 시스템, 재순환연도가스와 조연제 사이의 열교환에 적합한 열교환시스템, 조연제를 포함하고 있거나 또는 포함하지 않은 재순환연도가스 속으로 연료를 직접 주입하기 위한 시스템, 및 조연제 방출기의 출구 주위의 영역 내에서 연료-재순환연도가스-조연제의 혼합물의 형성 및 뒤이어 이 혼합물을 상기 연소실로 도입하는 것을 포함하는 버너.
2. 제 1항에 있어서, 재순환연도가스의 흡입시스템인 환형덕트(12), 이송실(2), 연료주입시스템들(5 및 8), 출구부분들에서 평행한 튜브들(1a)로 구성된 조연제의 방출기(1), 및 버너의 원뿔형 출구(11)를 포함하는 버너.
3. 제 2항에 있어서, 환형덕트(12), 환형덕트(12)에 동 축이고 재순환연도가스 및 조연제 사이의 열교환에 적합한 열교환시스템, 연료-재순환연도가스-조연제의 혼합물의 방출기(1)를 형성하고 뒤이어 이 혼합물을 연소실로 도입하는 튜브들(1a)의 출구부분에 동 축이고 이송실(2)의 내 외부 양측에 위치하며 연료를 직접 재순환연도가스 속으로 공급하기 위한 연료주입시스템들을 포함하는 버너.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 환형덕트, 연도가스 및 조연제 사이의 열교환시스템, 및 이송실은 버너의 종 축에 대하여 동 축인 버너.
5. 제 4항에 있어서, 연소실로부터 재순환연도가스를 흡입하기 위한 흡입구(7), 환형덕트(12), 조연제 환형 확산실(13), 방사상 덕트(14), 이송실(2), 연료주입시스템(5 및 8), 조연제의 방출기(1), 원뿔형 출구(11), 및 케이스(20)를 포함하고;
   여기서, 흡입구(7)를 통하여 상기 연소실과 연통하는 환형덕트(12)는 조연제 환형 확산실(13)을 외부적으로 그리고 뒤쪽으로 한계를 정하고;
   조연제 환형 확산실(13)은 앞쪽으로 방출기(1)와 연통하고 뒤쪽으로 방사상 덕트(14)와 연통하며 이송실(2)을 외부적으로 한계를 정하고;
   이송실(2)은 앞쪽으로 방출기(1)의 출구전단부에 의해 한계가 정해지고 뒤쪽으로 케이스(20)의 벽에 의해 한계가 정해지며;
   방출기(1)의 출구전단부는 앞쪽에서 원뿔형 출구(11)와 접촉하는 확산실(13)에 대하여 수직이고;
   연료주입시스템(5)은 방출기(1)의 상류 상의 버너의 케이스(20)의 뒷벽 상에 위치되고, 연료주입시스템(8)은 방출기(1)의 출구전단부의 하류 상에 위치되고; 여기서, 흡입구(7)를 통하여 상기 연소실로부터 직접 흡입된 재순환연도가스는 환형덕트(12)를 통하여 흐르고, 조연제 환형 확산실(13)로 역류해 들어오는 조연제를 가열하며, 재순환연도가스는 이송실(2)로 들어가고, 방출기(1)의 전단부로 나오는 조연제에 의해 발생되는 감압에 의해 구동되고, 그들은 방출기(1)의 출구전단부의 하류에서 조연제와 혼합하며, 조연제는 연행 또는 구동 유체이고 재순환연도가스는 연행유체이며, 연료는 주입시스템(5)에 의한 재순환연도가스 속으로 방출기(1)의 상류에서 직접 주입되고 및/또는 방출기(1)의 출구전단부의 하류에서 주입시스템(8)에 의해 조연제-재순환연도가스 혼합물로 직접 주입되며, 후자의 경우에 있어서 재순환연도가스는 주입시스템(5)이 또한 사용될 때 이미 연료를 함유하고 있는 버너.
6. 제 5항에 있어서, 연료는 주입시스템(5)에 의해 공급되는 버너.
7. 제 6항에 있어서, 공급된 연료는 액체연료인 버너.
8. 제 5항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 원뿔형 출구(11), 흡입구(7), 환형덕트(12), 및 조연제 환형 확산실(13)은 버너 축 둘레의 주위에 그리고 종축으로 위치되는 버너.
9. 제 5항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 이송실(2) 및 방출기(1)는 버너의 종축을 따라 위치되는 버너.
10. 제 5항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 방출기(1)의 튜브들(1a)은 연료 환형 확산실(13)에 방사상으로 위치되고 연결된 인입구, 및 원뿔형 출구(11)를 향하는 인출구와 함께 버너의 종축에 평행한 상기 튜브의 출구부분을 포함하고; 상기 튜브들(1a)의 출구부분은 버너의 종축 주위에 축으로 배치된 버너.
11. 제 5항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 주입시스템(8)은 버너 종축 주위에 원형으로 위치되고, 버너 축에 평행하며 버너의 뒷벽으로부터 이송실(2) 및 방출기(1)의 출구전단부를 가로지르는 튜브들의 단부에 배치되는 버너.
12. 제 5항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, 주입시스템(5)은 버너의 케이스(20)의 뒷벽상에 있고 버너의 종축상에 원형으로 위치되는 버너.
13. 제 5항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, 케이스(20)는 그것의 내부가 내화물 또는 세라믹으로 된 버너.
14. 제 5항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서, 부가 플랜지(3), 조연제의 환형 공급드럼(4), 주입시스템(5)으로 연료의 부가 플랜지(6)를 포함하는 버너.
15. 제 5항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서, 케이스(20)는 머플(9) 및 덮개(10)로 형성되고; 머플(9) 및 환형 공급드럼(4)은 버너 축 주위에 원형으로 그리고 길이로 위치되며; 흡입구(7)는 머플(9)에 의해 외부적으로 제한되고; 부가 플랜지(6)는 버너의 케이스(20)의 뒷벽에 대하여 외부적으로 위치되며, 플랜지(3)는 방사상 덕트(14)를 통하여 연료 확산실(13)에 연결된 환형 공급드럼(4) 속으로 조연제를 인입하는 버너.
16. 제 1항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서, 조연제는 대기, 농축공기, 산소 및 기술적 산소로부터 선택되는 버너.
17. 제 1항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서, 사용된 연료는 액체 및/또는 가스, 또는 버너의 작동조건 하에서 액체 또는 가스로 되는 고체연료인 버너.
18. 제 1항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 따른 버너의 작동 방법에 있어서, 조연제가 공급된 방출기에 의해 연소실로부터 직접 재순환연도가스를 흡입하는 단계; 재순환연도가스와의 열교환에 의해 조연제를 가열하는 단계; 하나 이상의 주입시스템에 의해 연료를 직접 재순환연도가스 속으로 주입하는 단계; 연료-재순환연도가스-조연제의 혼합물을 형성하는 단계; 이 혼합물을 연소실로 도입하는 단계를 포함하는 버너의 작동방법.
19. 제 18항에 있어서,
    1) 조연제가 공급된 방출기(1)에 의해, 재순환연도가스를 연소실로부터 흡입하는 단계;
    2) 재순환연도가스와 조연제 사이에 열교환 하는 단계;
    3) 주입시스템(5 및/또는8)에 의해 조연제 공급 시스템과 동 축인 이송실(2)의 내부 및/또는 외부의 연도가스 속으로 연료를 주입하는 단계;
    4) 방출기(1)에 의해 버너 속으로 주입되는 조연제와 함께, 연료-재순환연도가스-조연제의 혼합물을 형성하는 단계;
    5) 혼합물을 연소실로 인입하는 단계를 포함하는 버너의 작동방법.
20. 제 18항 또는 제 19항에 있어서, 재순환연도가스는 방출기(1)로부터 나오는 조연제의 흐름에 의해 발생한 감압에 의해 흡입되는 흡입구(7)를 통해 버너로 들어가고, 그들은 환형덕트(12)를 통하여 흐르고 방사상 덕트(14)를 통하여 들어오는 조연제를 열교환에 의해 가열하며 조연제 환형 확산실(13) 속으로 재순환연도가스에 대하여 역류로 흐르고, 그 다음 그들은 이송실(2) 및 방출기(1)의 하류로 들어가고 그들은 조연제와 혼합되며; 연료는 주입시스템(5) 및/또는 주입시스템(8)에 의해 재순환연도가스 속으로 직접 주입되는 버너의 작동방법.
21. 제 18항 내지 제 20항 중 어느 한 항에 있어서, 주입시스템(5) 및/또는 주입시스템(8)은 가스연료가 버너로 공급될 때 사용되는 버너의 작동방법.
22. 제 18항 내지 제 20항 중 어느 한 항에 있어서, 주입시스템(5)과, 선택적으로 주입시스템(8)은 액체연료가 버너로 공급될 때 사용되는 버너의 작동방법.
23. 제 18항 내지 제 20항 중 어느 한 항에 있어서, 액체연료 및 가스연료가 동시에 버너로 공급될 때, 주입시스템(5)은 액체연료를 위하여 사용되고 주입시스템(8)은 가스연료를 위하여 사용되는 버너의 작동방법.
24. 제 18항 내지 제 23항 중 어느 한 항에 있어서, 연도가스의 산소량(건조상태에서의 용량%)은 액체연료를 사용할 때 1.2%와 동일하거나 더 낮고 가스연료를 사용할 때 0.4%보다 더 낮은 버너의 작동방법.
25. 제 18항 내지 제 24항 중 어느 한 항에 있어서, 재순환연도가스/조연제의 유동률 비는, 용량%로, 30%로부터 60%까지의 범위에 있는 버너의 작동방법.
26. 제 18항 내지 제 25항 중 어느 한 항에 있어서, 버너작동의 시작에 있어서 연료는 주입시스템(8)에 의해 주입되고, 버너가 안정상태에서 작동할 때, 주입시스템(5) 및/또는 주입시스템(8)이 사용되는 버너의 작동방법.
27. 제 18항 내지 제 26항 중 어느 한 항에 따른 버너의 작동방법을 사용함에 의해 프로세스 스팀 또는 전력을 생산하기 위한 산업적 스팀 제너레이터를 작동시키는데 제 1항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 따른 버너의 용도.
    

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