KR20200007008A - 와류 재순환 연소 버너 헤드 - Google Patents

와류 재순환 연소 버너 헤드 Download PDF

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Abstract

버너 용 와류 재순환 연소 헤드는, 관통-보어, 상류 단부 및 하류 단부를 가지고, 상기 관통-보어의 대향 측면에 배치된 상류 및 하류 단부를 가지며, 연소 공기를 수용하도록 구성된 하우징; 상기 하우징 내로 1차 연료 스트림을 도입하도록 구성된 하우징의 상류 단부에 인접하게 배치된 1차 연료 유입구; 상기 하우징 내로 2차 연료 스트림을 도입하도록 구성된 1차 연료 유입구의 하류에 배치된 2차 연료 유입구; 디퓨저 플레이트는 복수의 개구, 복수의 핀 및 링을 포함하고, 상기 하우징의 하류 단부에 고정된 상기 디퓨저 플레이트를 포함하는 화염 유지 헤드; 및 상기 화염 유지 헤드의 외부 표면에 고정된 연장 부재를 포함한다.

Description

와류 재순환 연소 버너 헤드
본 발명은 일반적으로 연소 버너 헤드에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 저농도의 일산화탄소 및 질소 산화물 배출물을 발생시키는 와류 재순환 연소 버너 헤드에 관한 것이다.
화석 연료 연소와 관련된 일반적인 문제는 일산화탄소 및 질소 산화물(NOx)의 생성과 배출이다. 가스 및 석유 연소 보일러에서, 연료 및 공기는 버너에서 혼합되고 점화 장치는 연소실에서 혼합물을 점화시키기 위해 제공된다. 열은 연소실 내에서 발생하고 열교환기에 의해 전달된다. 연도 가스(Flue gases)는 열 교환기의 스택에서 방출되며 연소 과정으로 재순환되어 질소 산화물의 배출을 줄일 수 있다. 이러한 공정은 연도 가스 재순환(FGR)이라고 알려져 있다. 연도 가스 재순환(FGR)은 화염의 온도를 낮추고 따라서 열적 NOx 배출량을 감소시킨다. 연도 가스 재순환(FGR)도 일산화탄소(CO) 수준을 최소화하는 역할을 한다.
산화제 및 연료의 연료 희박 예비-혼합, 공기 스테이징(staging), 및 연료 스테이징과 같은, 다른 공정도 질소 산화물의 배출을 감소시키기 위해 사용된다. 연료 스테이징에는 2차 연료 스트림의 점화원으로 소량의 1차 연료 스트림을 연소시키는 것이 포함된다. 연료 스테이징은 메인 챔버의 온도를 낮추어 열적 질소 산화물 배출량을 줄인다.
현재의 규정에는 예를 들어, 백만분의 9 이하 (ppm) 및 5 ppm 이하와 같은 한 자리 NOx 수준이 요구된다. 불행하게도, NOx 수준이 감소함에 따라, 화염 안정성도 감소한다. 화염 안정성과 관련하여 화염 위치와 부착이 중요하다. 예를 들어, 유효 보일러 면적을 최대화하기 위해 화염을 버너에 가능한 가깝게 위치시키는 것이 바람직하다. 부가적으로, 화염이 가능한 한 적게 움직여 최대 성능을 달성하도록 조정하는 것이 바람직하다. 다른 사람들은 연소 버너에서 유해한 CO 및 NOx 배출량을 줄이려고 시도했지만, 화염 안정성을 유지하면서 생성 및 배출되는 일산화탄소 및 질소 산화물의 양을 추가로 줄이기 위해 개선이 필요하다.
본 발명은 감소된 농도의 일산화탄소 및 질소 산화물이 방출되고 화염 안정성이 유지되도록 연소 버너를 작동시키기 위한 독창적인 연소 헤드에 관한 것이다.
상기 연소 헤드는 와류 및 균일한 스핀을 제공하기 위해 복수의 핀들(fins)을 갖는 디퓨저 플레이트(diffuser plate)를 포함한다. 상기 연소 헤드는 또한 와류의 안정화를 돕기 위해 디퓨저의 외부 표면에 고정된 링을 포함한다. 시스템은 또한 연도 가스 재순환을 포함할 수 있다.
버너 용 연소 헤드의 일 실시예의 장점은 버너의 노즈(nose)와 보일러의 벽 사이에서 화염이 안정화된다는 것이다. 연소 헤드의 일 실시예에서, 상기 화염은 버너의 전방에 고정된다. 상기 연소 헤드의 일 실시예의 다른 장점은 화염 베이스가 연소실에 있다는 것이다.
본원에 기술된 와류 재순환 연소 버너는 세라믹, 중합체, 철 및 비철 금속 및 이들의 합금 및 복합물을 포함하는, 임의의 적합한 재료로 제조될 수 있다.
일반적으로, 일 양상에서, 제공된 버너 용 와류 재순환 연소 헤드는, 관통-보어(bore), 상류 단부 및 하류 단부를 가지고, 상기 관통-보어의 대향 측면에 배치된 상류 및 하류 단부를 가지며, 연소 공기를 수용하도록 구성된 하우징; 상기 하우징 내로 1차 연료 스트림을 도입하도록 구성된 하우징의 상류 단부에 인접하게 배치된 1차 연료 유입구; 상기 하우징 내로 2차 연료 스트림을 도입하도록 구성된 1차 연료 유입구의 하류에 배치된 2차 연료 유입구; 디퓨저 플레이트는 복수의 개구부, 복수의 핀 및 링을 포함하고, 상기 하우징의 하류 단부에 고정된 상기 디퓨저 플레이트를 포함하는 화염 유지 헤드; 및 상기 화염 유지 헤드의 외부 표면에 고정된 연장 부재를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 복수의 핀은 원주 방향으로 동일하게 이격 된다.
일 실시예에 따르면, 상기 연장 부재는 화염 유지 헤드의 하류 단부에 배치된다.
일 실시예에 따르면, 복수의 개구부 중 하나 내에 고정된 적어도 하나의 접선 오리피스가 포함되며, 적어도 하나의 접선 오리피스는 1차 연료 스트림의 일부를 링으로부터 멀어지게 방향 전환시키도록 구성된다.
일 실시예에 따르면, 복수의 핀 각각은 제1 단부 및 제1 단부가 자유롭고 제2 단부가 링에 인접하는 제2 단부를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 제2 단부는 링에 인접한다.
일 실시예에 따르면, 복수의 핀 각각은 각도가 5 내지 50도인 연소 헤드의 수직 축에 대한 각도로 배치된다.
일 실시예에 따르면, 복수의 핀의 각각은 각도가 20 내지 40도인 연소 헤드의 수직 축에 대한 각도로 배치된다.
일 실시예에 따르면, 복수의 핀 각각은 각도가 대략 30도인 연소 헤드의 수직 축에 대한 각도로 배치된다.
일 실시예에 따르면, 복수의 접선 오리피스가 복수의 개구부 내에 포함되고 고정되며, 각각의 접선 오리피스는 중공 몸체 및 중공 몸체와 개구부가 연결되어 연료가 통과할 수 있는 개구부를 갖는 헤드를 포함하며 개구는 중공 몸체에 대해 대략 90도로 배치된다.
일반적으로, 다른 양상에서, 제공된 버너 용 와류 재순환 연소 헤드는, 관통-보어, 상류 단부 및 하류 단부를 가지고, 상기 관통-보어의 대향 측면에 배치된 상류 및 하류 단부를 가지며, 연소 공기를 수용하도록 구성된 하우징; 상기 하우징 내로 1차 연료 스트림을 도입하도록 구성된 하우징의 상류 단부에 인접하게 배치된 1차 연료 유입구; 상기 하우징 내로 2차 연료 스트림을 도입하도록 구성된 1차 연료 유입구의 하류에 배치된 2차 연료 유입구; 디퓨저 플레이트는 복수의 개구부, 복수의 핀 및 링을 포함하고, 상기 하우징의 하류 단부에 고정된 상기 디퓨저 플레이트를 포함하는 화염 유지 헤드; 및 상기 화염 유지 헤드의 외부 표면에 고정된 연장 부재를 포함한다. 복수의 개구부는 링의 반경방향 외측으로 배치되고 복수의 핀은 링의 반경방향 내측으로 배치된다.
일 실시예에 따르면, 상기 연장 부재는 화염 유지 헤드의 하류 단부에 배치된다.
일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 접선 오리피스가 복수의 개구부 중 하나 내에 포함되고 고정되며, 적어도 하나의 접선 오리피스는 1차 연료 스트림의 일부를 링으로부터 멀어지게 방향 전환시키도록 구성된다.
일 실시예에 따르면, 복수의 핀 각각은 각도가 5 내지 50도인 연소 헤드의 수직 축에 대한 각도로 배치된다.
일 실시예에 따르면, 복수의 접선 오리피스가 복수의 개구부 내에 포함되고 고정되며, 각각의 접선 오리피스는 중공 몸체 및 중공 몸체와 개구부가 연결되어 연료가 통과할 수 있는 개구부를 갖는 헤드를 포함하며 개구는 중공 몸체에 대해 대략 90도로 배치된다.
일반적으로, 또 다른 양상에서, 제공된 버너 용 와류 재순환 연소 헤드는, 관통-보어, 상류 단부 및 하류 단부를 가지고, 상기 관통-보어의 대향 측면에 배치된 상류 및 하류 단부를 가지며, 연소 공기를 수용하도록 구성된 하우징; 상기 하우징 내로 1차 연료 스트림을 도입하도록 구성된 하우징의 상류 단부에 인접하게 배치된 1차 연료 유입구; 상기 하우징 내로 2차 연료 스트림을 도입하도록 구성된 1차 연료 유입구의 하류에 배치된 2차 연료 유입구; 디퓨저 플레이트는 복수의 개구부, 복수의 핀 및 링을 포함하고, 상기 하우징의 하류 단부에 고정된 상기 디퓨저 플레이트를 포함하는 화염 유지 헤드; 및 상기 화염 유지 헤드의 외부 표면에 고정된 연장 부재를 포함한다. 화염은 작동 중에 화염 유지 헤드의 반경방향 외측으로 안정화된다.
이하에서 더 상세히 논의되는 (이러한 개념이 서로 일치하지 않는 경우) 전술 한 개념 및 추가 개념의 모든 조합은 본원에 개시된 본 발명의 주제의 일부인 것으로 고려된다는 것을 이해해야 한다. 특히, 본 개시의 끝에 나타나는 청구된 주제의 모든 조합은 본원에 개시된 본 발명의 주제의 일부인 것으로 고려된다.
본 발명의 이들 및 다른 측면은 후술하는 실시예로부터 명백할 것이다.
본원에 기재되어 있음.
전술 한 내용은 유사한 도면 부호가 상이한 도면 전체에 걸쳐 동일한 부분을 나타내는 첨부 도면에 도시된 바와 같이, 본 개시의 예시적인 실시예의 이하의 보다 특정한 설명으로부터 명백할 것이다. 도면은 반드시 축척대로 도시된 것은 아니며, 대신 본 개시의 실시예를 설명하기 위해 강조된다.
도 1은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른, 버너 용 와류 재순환 연소 헤드의 사시도이다.
도 2는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른, 도 1의 와류 재순환 연소 헤드의 우측 단부 정면도이다.
도 3은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른, 도 1의 와류 재순환 연소 헤드의 좌측 단부 정면도이다.
도 4는 본 개시의 예시적인 실시예에 따라, 일반적으로 도 2의 A-A 선을 따라 취한, 도 1의 와류 재순환 연소 헤드의 단면도이다.
본 발명의 예시적인 실시예들의 설명이 이어진다.
도면을 참조하면, 동일한 참조 번호는 전체에 걸쳐 동일한 부분을 지칭하고, 저농도의 일산화탄소 및 질소 산화물 배출을 발생시키면서 개선된 화염 안정성을 제공하는 버너 용 와류 재순환 연소 헤드(100)가 도시되어 있다. 도면은 상향 배향으로 배치된 1차 및 2차 연료 유입구를 포함하는 와류 재순환 연소 헤드를 도시하지만, 작동 시, 와류 재순환 연소 헤드는 1차 및 2차 연료 유입구가 하향 배향 또는 임의의 배향으로 배치되도록 배치된다는 것을 이해해야 한다.
버너 용 와류 재순환 연소 헤드(100)의 사시도가 실시예에 따라 도 1에 도시되어 있다. 도 2는 도 1의 와류 재순환 연소 헤드의 우측 단부 정면도이다. 도 3은 도 1의 와류 재순환 연소 헤드의 좌측 단부 정면도이다. 도 4는 일반적으로 도 2의 A-A 선을 따라 취한, 도 1의 와류 재순환 연소 헤드의 단면도이다. 다음은 도 1-4에 기초하여 보여 져야한다. 와류 재순환 연소 헤드(100)는 일반적으로 입구 플랜지(102) 내의 구멍을 통해 볼트를 갖는 연소 공기 팬 또는 송풍기와 연결되도록 구성된 입구 플랜지(102), 하우징(104), 연소실과 연결되도록 구성된 장착 플랜지(106), 화염 유지 헤드(108), 및 1차 및 2차 연료 유입구(110, 112)를 포함한다. 장착 플랜지(106)의 위치는 상이한 버너/연소실 구성에 따라 변경될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 장착 플랜지는 도면에 도시된 위치로부터 더 하류에 배치될 수 있다. 임의의 적절한 위치가 사용될 수 있다.
하우징(104)의 상류 단부에 배치된, 입구 플랜지(102)는 연소 공기 팬 또는 송풍기에 연결되고 산화제는 연소 공기 팬을 통해 하우징(104)에 공급된다.
1차 연료 스트림은 1차 유입구(110)에서 버너로 전달되며 및 연료 튜브(114)를 통해 하우징(104)의 관통-보어를 통해, 매니폴드(115)를 통해, 및 산화제와 혼합되어 1차 화염을 생성하는 1차 연소 구역으로 전달된다.
2차 연료 스트림은 2차 유입구(112)에서 하우징(104)의 관통-보어를 통해, 매니폴드(116)를 통해, 및 복수의 원주방향으로 배치된 연료 분사기(118) 내로 버너로 전달된다. 상기 연료 분사기는 공기를 포함하는 플레넘(plenum) 내에서 하우징(104)의 외부 표면(128) 주위에 배치된다. 2차 연료 스트림은 2차 공기 및 가스 흐름을 제공하기 위해 공기와 혼합된다.
화염 유지 헤드(108)는 입구 플랜지(102)가 배치되는 하우징의 상류 단부에 대향하는 하우징(104)의 하류 단부에 고정된다. 화염 유지 헤드(108)는 복수의 핀(120), 복수의 개구(122), 볼트를 위한 복수의 장착 볼트 개구(123), 및 링(124)을 포함하는 디퓨저 플레이트(109)를 포함한다. 디퓨저 플레이트(109)는 연소 헤드의 수직 축을 따라 배치된다. 일 실시예에서, 복수의 개구(122)는 장착 볼트 개구(123), 링(124), 및 복수의 핀(fin)(120)에 대해 방사상으로 외측에 배치된다. 복수의 핀(120)은 링(124) 및 개구(122 및 123)에 대해 방사상으로 내측에 배치된다. 즉, 개구(122 및 123), 복수의 핀(120), 및 링(124)은 원주방향으로 배치된다.
일 실시예에 따르면, 복수의 핀(120)의 각각의 핀은 각도가 5도 내지 50도인 연소 헤드의 수직 축에 대한 각도로 배치된다. 일 실시예에 따르면, 복수의 핀(120)의 각각의 핀은 각도가 20 내지 60도인 수직 축에 대한 각도로 배치된다. 일 실시예에 따르면, 복수의 핀(120)의 각각의 핀은 각도가 대략 30도인 수직 축에 대한 각도로 배치된다. 일 실시예에 따르면, 복수의 핀(120)의 각각의 핀은 실질적으로 직사각형 형상이다. 그러나, 임의의 적합한 구성 및/또는 형상이 대신 사용될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 복수의 핀(120)은 원주방향으로 동일하게 이격 된다. 도면에 도시된 실시예에 도시된 8개의 핀이 있지만, 추가 또는 더 적은 수의 핀이 대신 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 예시적인 실시예에서, 원주방향으로 동일하게 이격 된 4 개의 핀이 있다. 일 실시예에 따르면, 복수의 핀(120)의 각각의 핀은 제1 단부 및 제1 단부가 자유롭고 제2 단부가 링(124)에 인접한 제2 단부를 포함한다. 각각의 핀은 증가된 안정성을 위해 링(124)에 고정되고 링(124)에 인접할 수 있다. "자유"라는 용어는 다른 물리적 구조에 연결되지 않음을 의미한다. 일 실시예에 따르면, 복수의 핀(120)은 레이저 절단, 플라즈마 절단, 또는 임의의 다른 적절한 방법에 의해 개구를 형성함으로써 강철 디퓨저 플레이트(109) 내에서 제조될 수 있다. 개구가 형성된 후, 블레이드는 예를 들어 용접 또는 임의의 다른 적절한 방법에 의해 개구의 상부에 고정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 점화원(130)은 링(124) 및 복수의 핀(120)의 반경방향 외측에 제공된다. 일 실시예에 따르면, 1차 및 2차 연료 유입구(110, 112)는 점화원(130)으로부터 원주방향으로 대략 180도로 배치된다. 예시적인 실시예에서, 스캐너 튜브(132)를 위한 홀은 점화원(130)으로부터 대략 90도로 배치된다. 다른 예시적인 실시예에서, 스캐너 튜브(132)는 점화원(130)으로부터 원주 방향으로 90도 미만으로 배치된다. 다른 예시적인 실시예에서, 스캐너 튜브(132)는 점화원(130)으로부터 원주 방향으로 (시계 방향 또는 반시계 방향으로) 90 내지 180도 사이에 배치된다.
일 실시예에 따르면, 화염 스캐너 튜브 용 홀(132)은 화염 유지 헤드(108) 내에 제공된다. 일 실시예에서, 화염 스캐너 튜브는 링(124) 및 복수의 개구(122)의 반경방향 내측으로 홀(132) 내에 배치되고 복수의 핀 (120)에 근접한다. 일 실시예에서, 홀 및 스캐너 튜브(132)는 복수의 핀(120)의 2 개의 인접한 핀 사이에 배치된다. 뜨거운 FGR 가스로 인해 스캐너가 파손될 수 있으므로 스캐너 자체는 하우징 안에 배치되지 않는다. 대신에, 스캐너는 홀(132)에서 디퓨저(109)를 통해 하우징(도시되지 않음)의 후방으로부터 연장되는 UV 스캐너 튜브 (도시되지 않음) 내에 배치되어 스캐너의 각도를 고정시키고 스캐너가 적절하게 위치되도록 한다. 튜브는 임의의 적합한 위치에서 하우징의 후면에 고정될 수 있음을 이해되어야 한다. 예를 들어, 일 실시예에서, UV 스캐너는 1차 및 2차 연료 유입구(110, 112)로부터 원주방향으로 180도 미만으로 튜브 내에 배치된다 (도 2에 도시된 바와 같이 반시계 방향). 홀 및 스캐너 튜브(132)는 또한 시계 방향으로 연료 유입구(110, 112)로부터 원주방향으로 180도 미만으로 배치될 수 있음이 이해되어야 한다. 예시적인 실시예에서, 홀 및 스캐너 튜브(132)는 연료 유입구(110, 112)로부터 시계 방향 또는 반시계 방향으로 원주 방향으로 90도 미만으로 배치된다.
도 2에서, 8 개의 장착 볼트 개구(123)의 반경방향 외측에 배열된 20 개의 개구(122)가 있다. 그러나, 추가 또는 더 적은 개구 및/또는 볼트 개구가 사용될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 개구(122)는 접선 오리피스(125)로 채워진다. 접선 오리피스(125)를 포함하는 예시적인 실시예에서, 접선 오리피스의 1/4, 반, 또는 3/4이 사용될 수 있다 (또는 임의의 다른 적절한 수의 접선 오리피스). 예시적인 실시예에서, 각각의 접선 오리피스(125)는 파일럿 구역에 가스를 제공하고 버너를 점화시키도록 배열된다. 각각의 접선 오리피스(125)는 중공 몸체 및 개구를 포함하는 헤드를 포함한다. 각각의 접선 오리피스의 중공 몸체의 외부를 둘러싸는 것은 개구(122) 내에 그것을 고정하기 위해 사용되는 외부 나사산이다. 예시적인 실시예에서, 헤드는 육각형이며; 그러나, 임의의 적합한 형상이 대신 사용될 수 있다. 작동 시, 1차 연료 스트림은 중공 몸체를 먼저 통과한 다음 헤드의 개구를 통과함으로써 각각의 접선 오리피스를 통과한다. 예를 들어 육각형 헤드를 사용하여, 헤드의 개구는 중공 몸체 중심으로부터 헤드의 6 개의 측면 중 하나를 통해 연장되도록 배열된다. 따라서, 헤드의 개구는 1차 연료 스트림을 링(124)으로부터 반경방향 외측으로 방향 전환시킨다. 예시적인 실시예에서, 헤드의 개구는 중공 몸체에 대해 대략 90도로 배치된다. 도 1에서, 육각형 헤드 내의 예시적인 개구(127)가 도시되어 있다. 헤드 내의 개구(127)는 중공 몸체보다 훨씬 작기 때문에 1차 연료 스트림이 제어된 방식으로 방향 전환된다. 예를 들어, 접선 오리피스(125)는 직경이 0.203"인 중공 몸체 및 헤드의 너비는 0.375”인 직경이 0.062"인 헤드의 개구를 포함하는 0.578" 길이일 수 있다. 가스를 똑바로 향하게 하는 종래의 개구와 달리, 본원에 기술된 접선 오리피스는 가스를 방사상으로 방향 전환시켜, 가스를 1차 구역 내에 유지시켜, 점화를 시작한다. 접선 오리피스(125)는 중공 몸체를 형성하기 위해 볼트로부터 중간을 천공(drilling)하고 헤드에서 연결 측면 구멍을 천공함으로써 제조될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 헤드의 추가 측면에 추가 개구가 있거나 헤드의 동일한 측면에 추가 개구가 있을 수 있다.
일 실시예에 따르면, 화염 유지 헤드(108)는 화염 유지 헤드(108)의 외부 표면(128)에 고정된 연장 부재(126)를 포함한다. 연장 부재(126)는 화염 유지 헤드(108)의 하류 단부에 배치된다. 예시적인 실시예에서, 연장 부재(126)는 ¼”원형 스톡의 원통형 링이다. 예시적인 실시예에서, 연장 부재(126)는 3/8" 원형 스톡의 원통형 링이다. 그러나, 임의의 적절한 대안적인 형상 및 크기가 대신 사용될 수 있다. 예를 들어, 직사각형 링이 사용될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 3/8”높이 및 ½” 길이의 직사각형 링이 제공된다. 다른 예시적인 실시예에서, ¼” 높이 및 3/8” 길이의 직사각형 링이 제공된다.
작동하는 동안, 디퓨저 플레이트(109)는 이를 통해 흐르는 연소 공기 상에 혼합 회전을 생성하고 중심의 1차 공기로 인해 버너의 노즈의 하류에서 재순환이 발생된다 (도 4에 화살표 A로 도시 됨). 화염 유지 헤드(108)의 외부 표면(128) 외부로 도입된 2차 공기 및 가스 흐름으로 인해 연소실의 베이스 벽에 인접한 연소실 내에서 재순환이 또한 발생한다. 이러한 재순환은 버너의 노즈의 상류에 그리고 버너의 반경방향 외부에 위치된다 (도 4에 화살표 B 및 C로 도시됨). 재순환 된 2차 공기 및 가스 흐름은 1차 화염에 의해 점화된다. 화염 유지 헤드(108)의 디퓨저 플레이트(109)는 유리하게 와류 및 균일한 스핀을 제공한다. 화염 유지 헤드(108)의 외부 표면(128)에 고정된 연장 부재(126)는 유리하게 와류를 안정화시킨다. 버너의 1차 구역에 유지되는 것과 달리, 작동 중 화염은 버너의 노즈의 반경방향 외측으로 안정화된다. 예시적인 실시예에서, 작동 중 화염은 버너의 노즈와 보일러의 연소실의 벽 사이에서 안정화된다. 작동 동안, 화염 유지 헤드(108)의 외부에서 시작하여 연소실의 벽을 향해 외향으로 연장되는 도 4에 도시된 화염 경계를 갖는 화염이 생성된다.
일 실시예에 따르면, 본원에 기술된 와류 재순환 연소 헤드를 포함하는 버너는 연소실에 연결된 열교환기를 포함한다. 연도 가스 재순환 시스템은 열교환기의 열 스택과 결합될 수 있고 연도 가스를 버너의 윈드박스(windbox)로 재순환하도록 구성될 수 있다. 재순환 된 연도 가스는 연료/공기 혼합물을 희석하고 열적 NOx 메커니즘을 억제함으로써 NOx 배출을 줄인다. 재순환 된 연도 가스는 또한 1 차 화염 구역에서 산소 농도를 낮추어 NOx의 형성을 감소시킨다. 하우징(104)으로의 연소 공기의 흐름을 제어하기 위해, 버너의 윈드박스에 근접하여 댐퍼가 배치될 수 있다.
FGR을 포함하는 와류 재순환 연소 버너 헤드는 펜실베니아 주 랭커스터에 위치한 번햄 커머셜(Burnham Commercial)에서 이용할 수 있는 4-패스 워터백 스카치 보일러인 4S-350 모델에서 테스트되었다. 특정 버너는 수직 축에 대하여 30도에서 구부러진 8개의 슬롯을 갖는 평평한 디퓨저(109)를 포함하였다. 평평한 슬롯형 디퓨저(109)는 7.125”의 12 Ga 디퓨저 링을 포함하였다. 슬롯을 3”x ¾” 핀(120)으로 덮어서 공기가 전방 방향으로 움직이지 않도록 한다. 외부 디퓨저 링의 높이는 1” 이다. 2차 가스 튜브는 오리피스를 포함하지 않았다. 버너(1차)의 전면에는 9개의 #51 x 1 오리피스 및 10 개의 블랭크가 포함되어 있다. 1 차 구역에는 8 개의 볼트가 설치되었다. 디퓨저 뒤에 와셔가 설치되지 않았지만, 개스킷이 대신 사용되었다. 길이가 37.75”로 절단된 ¼” 로드(126)를 1 차 구역의 팁 상에 말고 용접하여 화염을 외측으로 민다.
저연소에서 위의 설정을 사용하면, 1 차 영역에서 2 차 영역으로의 스트릭(streak)이 관찰되어 완전한 1 차 및 2 차 영역이 접촉하고 있음을 나타낸다. 따라서, 이 예시적인 실시예에서 화염이 부착된다. 화염 경계는 연장 부재(126)로부터 연소실의 벽을 향해 반경방향 외측으로 (하류 방향의 각도로) 연장된다. 또한, 본 예시적인 실시예의 작동 동안 화염은 움직이지 않는다. 다음 표에는 위 설정의 테스트 결과가 포함되어 있다. 아래 표에서 볼 수 있듯이, 포인트 7에서 NOx 배출량은 0.0 ppm O2 이다:
Figure pct00001
이전 케와니 보일러 회사 (Kewanee Boiler Company) (모델 LM888)의 보일러를 사용한 다른 예제 테스트에서는 다음의 예시적인 파라미터가 사용되었다. 포인트 1에서 MBTU/h의 총 속도는 3,329,802이며 다음 액추에이터는 다음 위치에 배치된다: 2 차 연료 버터플라이 위치는 22.2도, 에어 버터플라이 위치는 12.9도, 1 차 연료 버터플라이 위치는 6도, 및 FGR 버터플라이 위치는 9.5 도이다. 또한, 포인트 1에서 다음 작동 압력이 사용된다: 헤드의 1 차 가스 압력은 12.2 인치의 워터 컬럼 (IWC), 헤드의 2 차 가스 압력은 0.7 IWC, 송풍기 하우징 압력은 1.7 IWC, 보일러 챔버 압력은 0.06 IWC, 팬 유입 압력은 -16.8 IWC이다. 송풍기 하우징 O2 백분율은 17.3이고 송풍기 하우징 온도는 128°F이다. 포인트 1에서의 이러한 동일한 실시예에서, 대기 온도는 66°F이고 스택 온도는 339°F이다. 포인트 1에서 이러한 파라미터와 함께, O2 배출량은 3.7이고, CO 배출량은 3% O2에서 보정된 8 ppm이고, NOx 배출량은 3% O2에서 보정된 3.5 ppm이고, CO2 배출량은 9.6%이다.
케와니 LM888 보일러를 사용하는 예시적인 실시예에서, 윈드박스에서 O2의 백분율이 15-16%의 범위에 있을 때, NOx 배출은 3% O2에서 보정된 4.8-5 ppm의 범위에 있다. 상기 동일한 예시적인 실시예에서, 윈드박스에서 O2의 백분율이 (17-20%의 범위에서) 상승할 때, 상기 NOx 배출은 3% O2에서 보정된 2-3 ppm의 범위의 수준으로 감소한다.
본 발명의 몇몇 실시예들이 본원에서 설명되고 도시되었지만, 당업자는 기능을 수행하고/하거나 결과 및/또는 본원에 기술된 하나 이상의 이점을 얻기 위한 다양한 다른 수단 및/또는 구조를 용이하게 구상할 것이며, 이러한 변형 및/또는 수정 각각은 본원에 기술된 본 발명의 실시예의 범위 내에 있는 것으로 간주된다. 보다 일반적으로, 당업자는 본원에 기술된 모든 파라미터, 치수, 재료 및 구성이 예시적인 것이며 실제 파라미터, 치수, 재료 및/또는 구성이 본 발명의 교시가 사용되는 특정 적용 또는 적용들에 의존할 것이라는 것을 쉽게 이해할 것이다. 당업자는 단지 일상적인 실험을 사용하여 본원에 기술된 특정 발명의 실시예들과 많은 등가물을 인식하거나 확인할 수 있을 것이다. 따라서, 전술한 실시예들은 단지 예로서 제시된 것이며 첨부된 청구 범위 및 그 등가의 범위 내에서, 본 발명의 실시예는 구체적으로 설명되고 청구된 것과 다르게 실시될 수 있음이 이해되어야 한다. 본 개시의 발명의 실시예는 본원에 설명된 각각의 개별적인 특징, 시스템, 물품, 재료 및/또는 방법에 관한 것이다. 또한, 이러한 특징, 시스템, 물품, 재료 및/또는 방법이 서로 일치하지 않는 경우, 둘 이상의 이러한 특징, 시스템, 물품, 재료 및/또는 방법의 임의의 조합이 본 개시의 발명 범위 내에 포함된다.
100: 와류 재순환 연소 헤드
102: 입구 플랜지
104: 하우징
106: 장착 플랜지
108: 화염 유지 헤드

Claims (16)

  1. 버너 용 와류 재순환 연소 헤드에 있어서,
    관통-보어, 상류 단부, 및 하류 단부를 가지고, 상기 관통-보어의 대향 측면에 배치된 상류 및 하류 단부를 가지며, 연소 공기를 수용하도록 구성된 하우징;
    상기 하우징 내로 1차 연료 스트림을 도입하도록 구성된 하우징의 상류 단부에 인접하게 배치된 1차 연료 유입구;
    상기 하우징 내로 2차 연료 스트림을 도입하도록 구성된 1차 연료 유입구의 하류에 배치된 2차 연료 유입구;
    디퓨저 플레이트는 복수의 개구, 복수의 핀 및 링을 포함하고, 상기 하우징의 하류 단부에 고정된 상기 디퓨저 플레이트를 포함하는 화염 유지 헤드; 및
    상기 화염 유지 헤드의 외부 표면에 고정된 연장 부재,
    를 포함하는,
    와류 재순환 연소 헤드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 핀은 원주 방향으로 동일하게 이격 되는,
    와류 재순환 연소 헤드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연장 부재는 화염 유지 헤드의 하류 단부에 배치되는,
    와류 재순환 연소 헤드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    복수의 개구 중 하나 내에 고정된 적어도 하나의 접선 오리피스가 더 포함되며, 적어도 하나의 접선 오리피스는 1차 연료 스트림의 일부를 링으로부터 멀어지게 방향 전환시키도록 구성되는,
    와류 재순환 연소 헤드.
  5. 제 1 항에 있어서,
    복수의 핀 각각은 제1 단부 및 제1 단부가 자유롭고 제2 단부가 링에 인접하는 제2 단부를 포함하는,
    와류 재순환 연소 헤드.
  6. 제 5 항에 있어서,
    제2 단부는 링에 인접하는,
    와류 재순환 연소 헤드.
  7. 제 1 항에 있어서,
    복수의 핀 각각은 각도가 5 내지 50도인 연소 헤드의 수직 축에 대한 각도로 배치되는,
    와류 재순환 연소 헤드.
  8. 제 1 항에 있어서,
    복수의 핀의 각각은 각도가 20 내지 40도인 연소 헤드의 수직 축에 대한 각도로 배치되는,
    와류 재순환 연소 헤드.
  9. 제 1 항에 있어서,
    복수의 핀 각각은 각도가 대략 30도인 연소 헤드의 수직 축에 대한 각도로 배치되는,
    와류 재순환 연소 헤드.
  10. 제 1 항에 있어서,
    복수의 개구 내에 고정된 복수의 접선 오리피스를 더 포함하고, 각각의 접선 오리피스는 중공 몸체 및 중공 몸체와 개구가 연결되어 연료가 통과할 수 있는 개구를 갖는 헤드를 포함하며 개구는 중공 몸체에 대해 대략 90도로 배치되는,
    와류 재순환 연소 헤드.
  11. 버너 용 와류 재순환 연소 헤드에 있어서,
    관통-보어, 상류 단부 및 하류 단부를 가지고, 상기 관통-보어의 대향 측면에 배치된 상류 및 하류 단부를 가지며, 연소 공기를 수용하도록 구성된 하우징;
    상기 하우징 내로 1차 연료 스트림을 도입하도록 구성된 하우징의 상류 단부에 인접하게 배치된 1차 연료 유입구;
    상기 하우징 내로 2차 연료 스트림을 도입하도록 구성된 1차 연료 유입구의 하류에 배치된 2차 연료 유입구;
    디퓨저 플레이트는 복수의 개구, 복수의 핀 및 링을 포함하고, 상기 하우징의 하류 단부에 고정된 상기 디퓨저 플레이트를 포함하는 화염 유지 헤드; 및
    상기 화염 유지 헤드의 외부 표면에 고정된 연장 부재,
    를 포함하고,
    복수의 개구는 링의 반경방향 외측으로 배치되고 복수의 핀은 링의 반경방향 내측으로 배치되는,
    와류 재순환 연소 헤드.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 연장 부재는 화염 유지 헤드의 하류 단부에 배치되는,
    와류 재순환 연소 헤드.
  13. 제 11 항에 있어서,
    복수의 개구 중 하나 내에 고정되는 적어도 하나의 접선 오리피스를 더 포함하고, 적어도 하나의 접선 오리피스는 1차 연료 스트림의 일부를 링으로부터 멀어지게 방향 전환시키도록 구성되는,
    와류 재순환 연소 헤드.
  14. 제 11 항에 있어서,
    복수의 핀 각각은 각도가 5 내지 50도인 연소 헤드의 수직 축에 대한 각도로 배치되는,
    와류 재순환 연소 헤드.
  15. 제 11 항에 있어서,
    복수의 개구 내에 고정된 복수의 접선 오리피스를 더 포함하고, 각각의 접선 오리피스는 중공 몸체 및 중공 몸체와 개구가 연결되어 연료가 통과할 수 있는 개구를 갖는 헤드를 포함하며 개구는 중공 몸체에 대해 대략 90도로 배치되는,
    와류 재순환 연소 헤드.
  16. 버너 용 와류 재순환 연소 헤드에 있어서,
    관통-보어, 상류 단부 및 하류 단부를 가지고, 상기 관통-보어의 대향 측면에 배치된 상류 및 하류 단부를 가지며, 연소 공기를 수용하도록 구성된 하우징;
    상기 하우징 내로 1차 연료 스트림을 도입하도록 구성된 하우징의 상류 단부에 인접하게 배치된 1차 연료 유입구;
    상기 하우징 내로 2차 연료 스트림을 도입하도록 구성된 1차 연료 유입구의 하류에 배치된 2차 연료 유입구;
    디퓨저 플레이트는 복수의 개구, 복수의 핀 및 링을 포함하고, 상기 하우징의 하류 단부에 고정된 상기 디퓨저 플레이트를 포함하는 화염 유지 헤드; 및
    상기 화염 유지 헤드의 외부 표면에 고정된 연장 부재,
    를 포함하고,
    화염은 작동 중에 화염 유지 헤드의 반경방향 외측으로 안정화되는,
    와류 재순환 연소 헤드.
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