KR20220102150A - 연료 연소를 위한 연소기 및 연소기를 위한 연소 방법 - Google Patents

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레미 티시아바
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팅 장
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레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레뜌드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
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Abstract

연료 연소를 위한 연소기 및 연소기를 위한 연소 방법이 개시된다. 연소기는 1차 산화제-연료 전달 조립체, 2차 산화제 전달 조립체, 및 3차 산화제 전달 조립체를 포함한다. 2차 산화제 전달 조립체와 3차 산화제 전달 조립체는 1차 산화제-연료 전달 조립체의 동일한 측면 상에 제공되고, 2차 산화제 전달 조립체는 3차 산화제 전달 조립체와 1차 산화제-연료 전달 조립체 사이에 위치된다. 본 발명이 스테이징된 연소 기법과 희박 연소 기법을 결합하여, 연소기가 넓은 화염 조정 범위를 가져서, 화염 연소 위치, 화염 속도 범위, 화염 국부적 대기 및 화염 길이의 조정을 실현하고, NOx의 생성을 효과적으로 감소시키고 또한 높은 열전달 효율을 달성한다.

Description

연료 연소를 위한 연소기 및 연소기를 위한 연소 방법
본 발명은 연료 연소를 위한 연소기 및 연소 방법, 더 구체적으로, 다단계 구성으로 단계화된 화염을 생성할 수 있고, 산업용 용융로에서 사용될 때 NOx를 더 적게 배출하는 연소기에 관한 것이다.
종래의 공기 연소(예를 들어, 야금 또는 유리 산업을 위함)와 비교하여, 산업용 용융로에서, 산소-연료 연소가 더 낮은 투자비, 더 높은 연소 효율, 더 낮은 NOx 배출 및 더 높은 생성물 품질을 갖는다는 것이 알려져 있다.
종래 기술에서, 흔한 단계화된 산소-연료 연소기는 연료 채널 및 산화제 채널을 갖고, 화염으로부터 산소의 일부를 전환시키고 따라서 연소를 지연시키기 위해 산소 스테이징(staging)을 사용한다. 연소기의 노즐 단부가 실질적으로 평평한 연료-풍부 화염을 생성하고, 스테이징 노즐이 연료-풍부 화염 아래로부터 산화제의 일부를 도입하고, 연료-풍부 화염의 더 적은 부분을 비말동반하는 연료-희박 화염이 생성된다.
중국 특허 제CN1134610C호는 전형적인 단계화된 연소기를 개시하였다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 단계화된 산소-함유 연료 연소기는 연료-풍부 화염 구역 및 연료-희박 화염 구역을 가진 실질적으로 평면 화염을 생성할 수 있다. 연소기의 연료 채널은 노즐로 종결된다. 또한, 유사한 단계화된 연소기가 또한 도 1b에 도시된 바와 같이 있을 수 있고; 연료-일차 산화제로부터 떨어져 있는 2차 산화제 또는 스테이징된 산화제가 여전히 스테이징된 연소에 참여한다. 이 유형의 연소기의 한계는 산소 분포 및 화염 형상의 유연한 조정이 매우 어려우면서, 특정한 구역에서 필요한 산화 대기 또는 환원 대기를 획득하는 것이 또한 매우 어렵다는 것이다.
도 2에 도시된 바와 같은 이중-단계화된 산소-연료 연소기가 또한 종래 기술에 개시되었다. 중국 특허 제CN108458339B호는 산소-연료 연소기가 중심 도관 및 환형 도관을 포함하고, 연료가 중심 도관으로부터 배출되고, 산화제가 상부 도관 및 하부 도관으로부터 배출되는 것을 상술하였다. 그러나, 이 단계화된 연소기의 단점은 용융된 원자재의 표면에서 대기를 조정할 때 큰 한계를 갖고, 화염의 조정 범위가 제한된다는 것이다. 하부층의 산화제 배출량을 감소시키거나 또는 중단하는 방법이 채용된다면, 산화제는 중간층 및 상부층에 집중될 것이고, 그 결과, 산화제 스테이징된 연소의 조정 방법이 제한된다.
도 3은 종래 기술의 또 다른 희박 산소 연소(dilute oxygen combustion: DOC) 연소기 내 연료 및 산소의 배출 스테이지의 개략적인 도면이고, 연료 및 산소는 독립적인 배출 유출부로부터 배출된다. 희박 산소 연소기가 국부적 고온 지점의 발생을 방지할 수 있고 동시에 더 균일한 온도 분포를 생성할 수 있지만; 더 나은 환원 대기를 달성하기 위해, 산소 배출 유출부와 연료 배출 유출부가 서로로부터 꽤 먼 거리에서 유지되어야 해서, 산소 및 연료가 고속으로 배출되어 혼합되고 연소된 후에, 연소로부터 발생된 폐기 기체가 산화제 및 연료 스트림에 비말동반될 수 있어서 이들이 이어서 연료/산소와 따로따로 반응할 수 있다. 희박 산소에 의한 이 연소의 형태는 연료 및 산화제의 배출 속도가 매우 고속이길 요구하고, 또한 더 복잡한 제어 과정을 필요로 하며; 이 요인에 기인하여, 산업에서 이것의 사용은 달성하기 더 어렵다.
위의 논의에 기초하여, 이 단점을 극복하기 위해 시장은 더 효율적인 연소기 및 연소 방법을 필요로 한다. 초기 혼합이 발생할 때 연료 스트림과 산화제 스트림 간의 평균 속도차를 최소화하고자 하는 바람이 있다. 또한 안정적인 더 긴 연료-풍부 화염을 생성하기 위해, 더 높은 모멘텀 및 더 큰 수의 스테이지를 가진 연소기를 작동시킴으로써 용융로 성능을 개선시키고자 하는 바람이 또한 있다. 게다가, 총 열전달 속도를 증가시키고, 용융로 성능을 개선시키고, 유리의 결함을 감소시키고, 출력을 증가시키고자 하는 바람이 또한 있다. 동시에, 특정한 국부적 구역 내 대기를 유연하게 제어하고, 대기의 조정기능을 증가시키고, 산화질소(NOx)의 배출을 감소시키는 것이 가능하다.
본 발명은 종래 기술의 다음의 기술적 문제를 해결하길 희망한다: 화염 강도, 화염 길이 및 커버리지 구역의 조정 범위가 좁고; 화염 연소 위치 및 속도의 조정 범위가 제한되고; 화염의 부분 내 대기의 조정을 위한 공간이 제한되므로, 특정한 구역 내 특정한 대기의 제어가 매우 어렵고; 열전달 계수(복사 및 대류)를 변화시킴으로써 요구를 처리하기 위해 조정하는 것이 매우 어렵고; 산소 농도가 편리하게 조정될 수 없고, 점화 온도 제한 조정성이 불량하고, 국부적 화염 온도가 매우 높은 등이다.
본 발명의 목적은 스테이징된 연소와 희박 연소의 기술을 결합하여, 연소기가 화염 조정의 더 넓은 범위를 가져서, 화염 연소 위치, 화염 속도 범위, 화염 국부적 대기 및 화염 길이의 조정을 가능하게 하는 것이고, NOx의 생성을 효과적으로 감소시키면서 더 높은 열전달 효율을 달성하는 것이 또한 가능하다.
위의 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제1 양상에서, 연료 연소를 위한 연소기가 제공되고, 연소기가 축방향으로 연장되는 연소기 본체를 포함하고, 가열될 물질을 가열하기 위한 화염이 연소기 본체의 전방 단부면에서 형성되고, 연소기 본체가 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트, 2차 산화제 전달 컴포넌트 및 3차 산화제 전달 컴포넌트를 포함하고;
2차 산화제 전달 컴포넌트 및 3차 산화제 전달 컴포넌트가 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트의 동일한 측면에 배열되고, 2차 산화제 전달 컴포넌트가 3차 산화제 전달 컴포넌트와 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트 사이에 위치되고;
1차 산화제-연료 전달 컴포넌트는,
연료를 흐르게 하기 위한 적어도 하나의 연료 공급 채널로서, 이의 일단부에는 연료 노즐이 제공되는, 적어도 하나의 연료 공급 채널; 및
1차 산화제를 흐르게 하기 위한 적어도 하나의 1차 산화제 공급 채널로서, 1차 산화제 공급 채널이 연료 공급 채널의 외벽을 둘러싸도록 구성되고, 이의 일단부에는 연료 노즐을 둘러싸는 환형 노즐이 제공되는, 적어도 하나의 1차 산화제 공급 채널을 포함하고;
2차 산화제 전달 컴포넌트는 2차 산화제를 흐르게 하기 위한 적어도 하나의 2차 산화제 공급 채널을 포함하고, 이의 일단부에는 2차 산화제 노즐이 제공되고;
3차 산화제 전달 컴포넌트는 3차 산화제를 흐르게 하기 위한 적어도 하나의 3차 산화제 공급 채널을 포함하고, 이의 일단부에는 3차 산화제 노즐이 제공된다. 이 구성은 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트가 2차 산화제 전달 컴포넌트와 가열될 물질의 용융 표면 사이에 위치되고, 3차 산화제 전달 컴포넌트가 2차 산화제 전달 컴포넌트와 용융로의 상단부 사이에 위치되는 것일 수 있다.
게다가, 적어도 하나의 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트에서, 1차 산화제 공급 채널은 연료 공급 채널과 동축으로 배열된다.
게다가, 2차 산화제 노즐 및 3차 산화제 노즐의 유출 단부는 연소기 본체의 전방 단부면 상에 배열되고 2차 산화제 및 3차 산화제를 각각 분무하고, 2차 산화제는 3차 산화제 전에 연료와 혼합된다.
게다가, 적어도 하나의 상기 연료 노즐은 연소기 본체의 축방향으로 연료를 분무한다.
게다가, 적어도 하나의 상기 연료 노즐의 전방 단부는 2차 산화제 노즐을 향하여 경사진 제1 비스듬한 흐름 경로를 갖는다.
게다가, 적어도 하나의 연료 노즐 및 상기 연료 노즐을 둘러싸는 환형 노즐에는 연소기 본체의 외부를 향하는 편향의 제1 수평 확산각(α1)이 제공되고, 제1 수평 확산각(α1)은 0 내지 20°, 바람직하게는 0 내지 10°, 그리고 더 바람직하게는 3° 내지 6°의 범위 내에 있다. 제1 수평 확산각(α1)에 기인하여, 연료 노즐로부터 분무된 연료와 환형 노즐로부터 분무된 1차 산화제 둘 다는 연소기 본체의 외부를 향하여 확산된다. 제1 수평 확산각(α1)은 연료 노즐의 중심축과 연소기 본체의 축방향 간의 각을 나타내고; 연소기 본체의 외부는 연소기 본체의 중심으로부터 먼 곳을 의미한다.
게다가, 연료 공급 채널은 이의 단부에서 연료 노즐과 동축이도록 배열되고, 제1 수평 확산각(α1)을 갖는다.
게다가, 적어도 하나의 상기 2차 산화제 노즐은 2차 산화제를 연소기 본체의 축방향으로 분무한다.
게다가, 적어도 하나의 상기 2차 산화제 노즐의 전방 단부는 연료 노즐을 향하여 경사진 제2 비스듬한 흐름 경로를 갖는다. 산화제의 분무 방향이 산화제를 위한 비스듬한 흐름 경로에 의해 변화되어, 용광로 형상 및 가열될 물질의 특성에 따라 화염 형상을 유연하게 변화시킬 수 있다.
게다가, 적어도 하나의 상기 2차 산화제 노즐에는 연소기 본체의 외부를 향하는 편향의 제2 수평 확산각(α2)이 제공되고, 제2 수평 확산각(α2)은 0 내지 15°, 바람직하게는 0 내지 10°, 그리고 더 바람직하게는 3° 내지 8°의 범위 내에 있다. 제2 수평 확산각(α2)에 기인하여, 2차 산화제 노즐로부터 분무된 2차 산화제는 연소기 본체의 외부를 향하여 확산된다. 제2 수평 확산각(α2)은 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트가 있는 XY 평면 상으로 2차 산화제 노즐이 돌출될 때, 2차 산화제 노즐의 중심축과 연소기 본체의 축방향 간의 각을 나타낸다.
게다가, 적어도 하나의 상기 2차 산화제 공급 채널은 이의 단부에서 2차 산화제 노즐과 동축이도록 배열되고, 제2 수평 확산각(α2)을 갖는다.
게다가, 적어도 하나의 상기 3차 산화제 노즐은 3차 산화제를 연소기 본체의 축방향으로 분무한다.
게다가, 적어도 하나의 상기 3차 산화제 노즐의 전방 단부는 연료 노즐을 향하여 경사진 제3 비스듬한 흐름 경로를 갖는다.
게다가, 적어도 하나의 상기 3차 산화제 노즐에는 연소기 본체의 외부를 향하는 편향의 제3 수평 확산각(α3)이 제공되고, 제3 수평 확산각(α3)은 0 내지 15°, 바람직하게는 2° 내지 10°, 그리고 더 바람직하게는 4° 내지 10°의 범위 내에 있다. 제3 수평 확산각(α3)에 기인하여, 3차 산화제 노즐로부터 분무된 3차 산화제는 연소기 본체의 외부를 향하여 확산된다. 제3 수평 확산각은 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트가 있는 XY 평면 상으로 3차 산화제 노즐이 돌출될 때, 3차 산화제 노즐의 중심축과 연소기 본체의 축방향 간의 각을 나타낸다.
게다가, 적어도 하나의 상기 3차 산화제 공급 채널은 이의 단부에서 3차 산화제 노즐과 동축이도록 배열되고, 제3 수평 확산각(α3)을 갖는다.
게다가, 적어도 하나의 상기 연료 노즐에는 2차 산화제 노즐을 향하는 편향의 제1 수직각(β1)이 제공되고, 각(β1)은 0 내지 10°, 바람직하게는 0 내지 3°의 범위 내에 있다. 제1 수직각(β1)은 연료 노즐이 XZ 평면 상으로 돌출될 때, 연료 노즐의 중심축과 연소기 본체의 축방향 간의 각을 나타낸다.
게다가, 적어도 하나의 상기 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트는, 연료 공급 채널을 이의 연료 노즐에 연결시키도록 사용되고, 필요할 때 제1 수평 확산각(α1) 및/또는 제1 수직각(β1)을 갖도록 연료 노즐을 조정할 수 있는 제1 조정 연결 부재를 더 포함한다. 제1 조정 연결 부재는 자재 이음쇠, 파형관 또는 유사한 연결 기구를 포함할 수 있지만 이들로 제한되지 않고; 이들은 연료 공급 채널이 연료 노즐에 부착되게 하고, 특정한 범위 내에서 회전하여 연료 노즐이 바람직한 또는 디폴트 제1 수평 확산각(α1) 및/또는 제1 수직각(β1)을 갖게 할 수 있다.
게다가, 적어도 하나의 상기 2차 산화제 노즐에는 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트를 향하는 편향의 제2 수직각(β2)이 제공되고, 각(β2)은 0 내지 20°, 바람직하게는 0 내지 10°, 그리고 더 바람직하게는 2° 내지 7°의 범위 내에 있다. 제2 수직각에 기인하여, 2차 산화제 노즐로부터 분무된 2차 산화제는 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트를 향하여 편향된다. 제2 수직각은 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트가 있는 XY 평면에 대해 수직인 XZ 평면 상으로 2차 산화제 노즐이 돌출될 때, 2차 산화제 노즐의 중심축과 연소기 본체의 축방향 간의 각을 나타낸다.
게다가, 적어도 하나의 상기 2차 산화제 공급 채널은 이의 단부에서 2차 산화제 노즐과 동축이도록 배열되고, 제2 수직각(β2)을 갖는다.
게다가, 2차 산화제 전달 컴포넌트는, 2차 산화제 공급 채널을 이의 2차 산화제 노즐에 연결시키고, 2차 산화제 노즐의 제2 수평 확산각(α2) 및/또는 제2 수직각(β2)을 조정하도록 사용되는 제2 조정 연결 부재를 더 포함한다. 제2 조정 연결 부재는 자재 이음쇠, 파형관 또는 유사한 연결 기구를 포함할 수 있지만 이들로 제한되지 않고; 이들은 2차 산화제 공급 채널이 2차 산화제 노즐에 부착되게 하고, 특정한 범위 내에서 회전하여 연료 노즐이 바람직한 또는 디폴트 제2 수평 확산각(α2) 및/또는 제2 수직각(β2)을 갖게 할 수 있다.
게다가, 적어도 하나의 상기 3차 산화제 노즐에는 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트를 향하는 편향의 제3 수직각(β3)이 제공되고, 각(β3)은 0 내지 20°, 바람직하게는 0 내지 9°의 범위 내에 있다. 제3 수직각에 기인하여, 3차 산화제 노즐로부터 분무된 3차 산화제는 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트를 향하여 편향된다. 제3 수직각(β3)은 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트가 있는 XY 평면에 대해 수직인 XZ 평면 상으로 3차 산화제 노즐이 돌출될 때, 3차 산화제 노즐의 중심축과 연소기 본체의 축방향 간의 각을 나타낸다.
게다가, 적어도 하나의 상기 3차 산화제 공급 채널은 이의 단부에서 3차 산화제 노즐과 동축이도록 배열되고, 제3 수직각을 갖는다.
게다가, 3차 산화제 전달 컴포넌트는, 3차 산화제 공급 채널을 이의 3차 산화제 노즐에 연결시키도록 사용되고, 필요할 때 3차 산화제 노즐의 제3 수평 확산각(α3) 및/또는 제3 수직각(β3)을 조정할 수 있는 제3 조정 연결 부재를 더 포함한다. 제3 조정 연결 부재는 자재 이음쇠, 파형관 또는 유사한 연결 기구를 포함할 수 있지만 이들로 제한되지 않고; 이들은 3차 산화제 공급 채널이 3차 산화제 노즐에 부착되게 하고, 특정한 범위 내에서 회전하여 연료 노즐이 바람직한 또는 디폴트 제3 수평 확산각(α3) 및/또는 제3 수직각(β3)을 갖게 할 수 있다.
게다가, 연소기는 1차 산화제 공급 채널, 2차 산화제 공급 채널 및 3차 산화제 공급 채널 내 산화제 유량을 독립적으로 제어하기 위한 산화제 스테이징 제어 기구를 더 포함한다.
게다가, 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트, 2차 산화제 전달 컴포넌트 및 3차 산화제 전달 컴포넌트는 동일한 연소기 블록 본체에 통합되거나, 또는 상이한 연소기 블록 본체에 분포되고 함께 끼워맞춰진다.
게다가, 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트, 2차 산화제 전달 컴포넌트 및 3차 산화제 전달 컴포넌트는 하단부로부터 상단부로의 순서로 배열된다.
게다가, 연료 노즐, 환형 노즐, 2차 산화제 노즐 및 3차 산화제 노즐은 각각 원형, 타원형, 정사각형 또는 불규칙한 형상 중 임의의 하나이다.
게다가, 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트에서, 적어도 하나의 연료 공급 채널은 제1 연료 공급 채널 및 제2 연료 공급 채널을 포함하도록 구성되고, 제1 연료 공급 채널은 대응하는 제2 연료 공급 채널 내에 포개지고, 제1 연료와 제2 연료는 고체 연료, 액체 연료 또는 기체 연료로부터 각각 독립적으로 선택된다.
본 발명의 제2 양상에서, 연료 연소를 위한 연소기의 연소 방법이 위에서 설명된 바와 같은 적어도 하나의 연소기에 의해 형성되는 화염을 사용하여 제공되고, 방법은,
1차 산화제-연료 전달 컴포넌트를 통해 연료 및 연료를 둘러싸는 1차 산화제를 가이드하여, 연료와 1차 산화제가 연소기 본체의 전방 단부면의 부근에서 혼합 후 연소 공간으로 함께 분사되게 하는 단계로서, 공급되는 1차 산화제의 양은 연료를 완전히 연소시키는 데 필요한 산화제 양 미만이어서, 1차 연소 생성물과 불완전하게 연소된 연료의 1차 혼합물을 생성하는, 단계;
2차 산화제 전달 컴포넌트를 통해 2차 산화제를 가이드하여, 1차 혼합물과 2차 산화제가 설정된 위치에서 서로 접촉하고 혼합되어서, 연소되어 2차 혼합물을 생성하는 단계; 및
3차 산화제 전달 컴포넌트를 통해 3차 산화제를 가이드하여, 3차 산화제가 2차 혼합물과 접촉하고 혼합되어서, 연소되어 최종 연소 생성물을 생성하는 단계를 포함한다.
게다가, 1차 산화제는 용적 유량의 비의 관점에서, 전체 산화제 유량의 1 내지 20%, 바람직하게는 1 내지 15%, 그리고 최적으로 2 내지 5%를 차지하고; 2차 산화제 유량은 용적 유량의 비의 관점에서, 전체 산화제 유량의 5 내지 70%, 바람직하게는 10 내지 50%, 그리고 최적으로 15 내지 30%를 차지하고; 3차 산화제 유량은 용적 유량의 비의 관점에서, 전체 산화제 유량의 5 내지 90%, 바람직하게는 20 내지 80%, 그리고 최적으로 50 내지 75%를 차지한다.
게다가, 1차 산화제의 배출 속도는 0.5 내지 30 m/s로 설정되고, 연료의 배출 속도는 5 내지 130 m/s로 설정되고, 2차 산화제의 배출 속도는 2.5 내지 80 m/s로 설정되고, 3차 산화제의 배출 속도는 5 내지 160 m/s로 설정되고; 화염이 형성되고, 화염은 가열될 물질을 가열하기 위해 사용된다.
본 발명에 의해 제공되는 연소기 및 연소 방법은 다음의 이점을 갖는다:
1. 본 발명에 의해 제공되는 연소기에서, 고도로 단계화된 방식의 연료 및 산화제의 전달은 저 NOx 배출을 달성하고 가열될 물질의 표면과 가까운 대기의 제어를 가능하게 한다.
2. 각각의 스테이징된 산화제의 속도, 유량 및 분포의 조정을 통해, 본 발명에 의해 제공되는 연소기는 용융로 내 고온 연기 및 산화제의 희석 정도를 더 잘 제어할 수 있고, 화염 길이 및 강도를 조정할 수 있고, 화염 커버리지 구역을 조정할 수 있다.
3. 연소기는 용광로 내 온도를 효과적으로 제어하여, 원하지 않은 국부적 과열을 방지할 수 있다.
4. 연소기는 열효율 및 수율을 향상시켜서, 가열될 물질에서 더 강한 대류를 형성하는 것을 돕고, 불순물의 더 완전한 제거를 촉진하고, 생성물 품질을 개선시킬 수 있다.
5. 연소기는 비용을 감소시킬 수 있고, 통합된 연소기로서 쉽게 제작될 수 있어서, 따라서 연소기가 차지하는 공간을 감소시킨다.
본 발명의 이점 및 정신의 추가의 이해는 본 발명의 다음의 상세한 설명 및 첨부된 도면을 통해 획득될 수 있다.
도 1a는 특허 번호 제CN1134610C호인 중국 특허에 개시된 단계화된 연소기의 레이아웃을 도시하는 개략도이다.
도 1b는 종래 기술의 또 다른 전형적인 단계화된 연소기의 레이아웃을 도시하는 개략도이다.
도 2는 특허 번호 제CN108458339B호인 중국 특허에 개시된 이중-단계화된 산소-연료 연소기의 레이아웃을 도시하는 개략도이다.
도 3은 종래 기술의 또 다른 희박 산소 연소(DOC) 연소기 내 연료 및 산소의 배출 스테이지의 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 전체 연료 유입부 및 전체 산화제 유입부를 가진 예시적인 연소기의 (XZ 평면의 방향에서) 단면의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 연소기의 개략도를 도시한다.
도 6a는 본 발명에 따른 연소기의 각각의 노즐 유출 단부의 단면도를 도시하고; 도 6b는 연소기의 3차원 도면을 도시한다.
도 7은 XY 평면의 방향에서 본 발명에 따른 예시적인 1차 연료-산화제 전달 컴포넌트의 개략적인 단면도이다.
도 8은 XY 평면의 방향에서 본 발명에 따른 예시적인 2차 산화제 전달 컴포넌트(20)의 개략적인 투사도이다.
도 9는 XY 평면의 방향에서 본 발명에 따른 예시적인 3차 산화제 전달 컴포넌트(30)의 개략적인 투사도이다.
도 10a 및 도 10b는 XY 평면의 방향에서 본 발명에 따른 예시적인 연소기의 개략적인 투사도이다.
도 11은 본 발명에 따른 산화제 공급 채널의 각을 획정하는 예시적인 개략적인 단면도를 도시한다.
도 12는 알루미늄 용해로 상에 설치될 때 본 발명의 제1 실시형태의 연소기의 개략적인 평면도를 도시한다.
도 13은 본 발명의 제1 실시형태의 연소기의 개략적인 3차원 도면을 도시한다.
도 14a는 도 1b에 도시된 바와 같은 단계화된 연소기에 의해 생성되는 NOx 농도 분포의 개략적인 컬러 코드 도면을 도시하고; 도 14b는 알루미늄 용해로에 배치될 때 본 발명의 제1 실시형태의 연소기에 의해 생성되는 NOx 농도 분포의 개략적인 컬러 코드 도면을 도시한다.
도 15는 본 발명의 제1 실시형태의 연소기 및 도 1b에 도시된 바와 같은 단계화된 연소기에 대해, 산업용 용광로 유출부의 위치에서 산화질소의 용적 유량을 비교하는 개략도이다.
도 16은 본 발명의 제1 실시형태의 연소기 및 도 1b에 도시된 바와 같은 단계화된 연소기에 대해, 용광로 내 화염 길이의 조정기능의 비교를 도시한다.
도 17은 본 발명에 따른 다수의 연료 노즐이 제공된 예시적인 연소기의 개략도를 도시한다.
도면의 기호 설명: 연소기 본체: 1, 연소기 블록: 2, 연소기 금속 부재: 3, 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트: 10, 연료 공급 채널: 11, 연료 노즐: 111, 1차 산화제 공급 채널: 12, 환형 노즐: 121, 2차 산화제 전달 컴포넌트: 20, 2차 산화제 공급 채널: 21, 2차 산화제 노즐: 211, 3차 산화제 전달 컴포넌트: 30, 3차 산화제 공급 채널: 31, 3차 산화제 노즐: 311, 제1 연료 분무 파이프라인: 422, 제1 연료 유입 단부: 426, 제2 연료 유입 단부: 427, 연료 유출 단부: 424, 제2 연료 분무 파이프라인: 425.
본 발명의 기술적 해결책은 첨부 도면과 함께 분명히 그리고 완전히 아래에 설명될 것이다. 분명히, 설명된 실시형태는 모든 실시형태라기보다는 본 발명의 실시형태의 일부이다. 본 발명의 실시형태에 기초하여, 창작 없이 당업자에 의해 획득되는 모든 다른 실시형태는 본 발명의 보호 범위 내에 속할 것이다.
본 발명의 설명에서, 용어, 예컨대, "위", "아래", "좌측", "우측", "수직", "수평", "내부" 및 "외부"로 나타낸 방향 또는 위치 관계가 도면에 도시된 방향 또는 위치 관계에 기초하고, 언급된 장치 또는 구성요소가 특정한 방향을 가져야 하거나 또는 특정한 방향에서 구성되고 작동되어야 하고 따라서 본 발명을 제한하는 것으로서 이해되지 않아야 하는 것을 나타내거나 또는 암시하는 일 없이, 본 발명의 설명을 용이하게 하기 위해 의도된 단지 간략화된 설명임이 설명되어야 한다. 또한, 용어 "제1", "제2" 및 "제3"은 단지 설명 목적을 제공하고, 상대적인 중요성을 나타내거나 또는 암시하는 것으로 이해되지 않아야 한다.
본 발명의 설명에서, 달리 분명히 명시되고 규정되지 않는다면, 용어 "설치된", "함께 연결된" 및 "연결된"은 넓은 의미로 이해되어야 하고, 예를 들어, '고정된 방식으로 연결된'을 의미할 수 있지만, 또한 '제거 가능하게 연결된' 또는 '일체형으로 연결된'을 의미할 수 있고; '기계적으로 연결된'을 의미할 수 있고; '직접적으로 함께 연결된'을 의미할 수 있지만, '중간 매체를 통해 간접적으로 함께 연결된'을 의미할 수도 있고; 2개의 구성요소 간의 내부 연통을 의미할 수 있다는 것이 설명되어야 한다. 당업자는 특정한 상황에 따른 본 발명의 위의 용어의 특정한 의미를 이해할 수 있다.
달리 분명히 나타내지 않는 한, 본 명세서에서 규정된 각각의 양상 또는 실시형태는 임의의 다른 양상(들) 또는 실시형태(들)와 결합될 수 있다. 특히, 나타낸 임의의 선호되거나 또는 유리한 특징은 나타낸 임의의 다른 선호되거나 또는 유리한 특징과 결합될 수 있다.
본 명세서에서 사용될 때, 표현 "연소기 본체의 축방향"은 연소기 본체의 회전축, 대칭축 또는 중심선과 실질적으로 평행인 방향을 의미하고, 대략적으로 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트 내 연료의 전달 방향을 의미한다. 예를 들어, 도 13에 도시된 XY 평면에서, X축을 따르거나 또는 그와 평행한 방향은 연소기 본체의 축방향이다. 이에 대응하여, Y축 방향은 X축과 직교하는 방향을 의미하는 것으로 결정될 수 있다. 이에 대응하여, Z축 방향은 오른손 법칙에 따라 결정될 수 있다.
본 명세서에서 사용될 때, 표현 "연소기 본체의 외부"는 연소기 본체가 전체로서 고려될 때, 연소기 본체의 중심으로부터 멀어지는 외향 연장 방향을 의미한다.
본 명세서에서 사용될 때, 표현 "주위의" 또는 "둘러싸는"은 본질적으로 링 형상을 형성하는 것을 의미하고, 대략적으로 내부층과 외부층 사이에 특정한 갭이 존재하도록 내부 링이 외부 링 내에 둘러싸이는 것을 의미한다. 이 갭은 환형 갭 또는 비-환형 갭일 수 있다. 본 명세서에서 사용될 때, 이것은 1차 산화제 공급 채널이 연료 공급 채널의 원주의 일부(예를 들어, 절반 초과)를 둘러싸거나 또는 1차 산화제 공급 채널이 연료 공급 채널의 모든 원주를 둘러싸는 것을 의미할 수 있다. 후자의 경우는 1차 산화제 공급 채널이 원주 방향으로 연료 공급 채널의 원주를 완전히 둘러싸는 방식으로 배열되는 것을 의미하는 것으로 해석될 수 있다. 연료 노즐 및 환형 노즐의 설계는 유사한 방식으로 이해될 수 있다.
본 명세서에서 사용될 때, 표현 "스테이징"은 연료와 산화제가 상이한 시간에 그리고 상이한 위치에서 혼합되어, 용융된 물질의 표면과 가까운 기체 대기의 제어 및 산화질소의 저배출을 달성하는 것을 가능하게 한다는 것을 의미한다. 스테이징의 의미는 산화제가 연료 노즐로부터 이격된 또 다른 노즐을 통해 상이한 비 또는 흐름 속도로 공급될 수 있다는 것이다. 예를 들어, 2차 산화제 및 3차 산화제의 스테이징이 95%일 때, 이것은 산화제의 나머지 5%가 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트로 연료와 함께 공급된다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용될 때, 표현 "연료"는 서로 대신에 사용되거나 또는 조합하여 사용될 수 있는 기체, 액체 또는 고체 연료를 의미한다. 기체 연료는 천연 가스(주로 메탄), 프로판, 수소 또는 임의의 다른 탄화수소 화합물 및/또는 황-함유 화합물일 수 있다. 고체 또는 액체 연료는 주로 탄소-함유 및/또는 탄화수소 및/또는 황-함유 형태의 임의의 화합물일 수 있다. 당업자는 기체, 액체 또는 고체 연료가 필요할 때 도입되는 방식을 결정할 수 있고; 본 발명의 의도는 이 점에서 임의의 제한을 두는 것이 아니다. 본 명세서에서 제공된 데이터의 일부가 연료로서 천연 가스를 사용하지만, 결과는 다른 연료, 예를 들어, 수소 및 다른 기체 연료를 위해 적합한 것으로 고려된다.
본 명세서에서 사용될 때, 표현 "산화제"는 산화제, 예컨대, 공기 또는 산소-풍부 공기로 구성될 수 있다. 산화제 스트림은 바람직하게는, 적어도 50%, 바람직하게는 적어도 80%, 더 바람직하게는 적어도 90% 그리고 가장 바람직하게는 적어도 95%의 몰 산소 농도를 가진 산화제로 구성된다. 이 산화제는 적어도 50용적% 산소, 예컨대, 극저온 공기 분리 공장에 의해 생성되는 99.5% 순수한 산소, 또는 진공 압력 변동 흡착 공정에 의해 생성되는 순수하지 않은 산소(88용적% 이상), 또는 임의의 다른 소스에 의해 생성되는 산소를 함유하는 산소-풍부 공기를 포함한다.
본 명세서에서 산소-함유 연료의 사용은 용융 작동에서 질소를 제거할 수 있고 NOx 및 미립자 배출물을 표준 미만으로 감소시킬 수 있다. 산소-연료 연소기의 사용은 상이한 화염 모멘텀, 용융 커버리지 비율 및 화염 방사 특성을 달성할 수 있다. 용광로에서, 질소의 주요 소스는 공기 누출, 진공 압력 변동 흡착 또는 압력 변동 흡착 장치로부터 공급되는 저 순도의 산소, 연료(예를 들어, 천연 가스) 내 질소, 또는 용광로에 가득찬 용융된 원자재에 포함된 질소이다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 "노즐"은 수개의 상이한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로, 이 명세서에서 노즐은 분무화 분사 시스템의 말단에서 원추형 부분인 것으로 이해될 수 있고, 분무된 미스트는 말단에서 원추형 부분으로부터 결국 배출된다. 예를 들어, 메리엄-웹스터(Merriam Webster)의 사전에서 노즐의 정의를 참조한다: 유체의 흐름을 가속하거나 또는 지향시키기 위해 (호스로서) 사용되는 테이퍼지거나 또는 수축되는 짧은 관. 이 명세서에서 "노즐"은 연소기의 단부에 위치되고 연료 및 산화제가 연소되도록 이들을 공급하는 컴포넌트를 나타낸다.
본 명세서에서 사용될 때, 연료 공급 채널, 1차 산화제 공급 채널, 2차 산화제 공급 채널 및 3차 산화제 공급 채널은 실질적으로 환형 채널일 수 있고, 유입부 및 유출부를 가진 구역일 수 있다. 축방향 흐름 방향에 대해 수직인 평면의 단면에서 볼 때, 실질적으로 환형 채널의 각각이 바람직하게는 환형이지만, 이 형상은 또한 비-환형일 수 있다.
본 명세서에서 사용될 때, 표현 "연소면"은 연소기 블록의 전방 단부면 상에 확립되는 것으로 이해될 수 있고; 환형 노즐, 2차 산화제 노즐 및 3차 산화제 노즐은 이 연소면에서 종결될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 전체 연료 유입부 및 전체 산화제 유입부를 가진 예시적인 연소기의 단면(XZ 단면)의 개략도를 도시한다. 연소기 금속 부재(3)는 실질적으로 직육면체 형상의 연소기 블록(2)에 삽입된 금속 본체일 수 있고; 이들은 연소기 본체의 일부를 함께 형성한다. 전체 연료 유입부, 전체 산화제 유입부, 산화제 스테이징 제어 기구 및 별개의 채널이 연소기 금속 부재(3)에 제공된다. 산화제 스테이징 제어 기구 및 별개의 채널은 연료 또는 산화제가 연료 공급 채널(11), 1차 산화제 공급 채널(12), 2차 산화제 공급 채널(21) 및 3차 산화제 공급 채널(31)로 비례해서 전달되게 할 수 있다.
연료는 전체 연료 유입부를 통해 연료 공급 채널(11)로 전달되고; 연료 공급 채널(11)은 연료 노즐(111)로 종결된다. 연료 노즐(111)은 원형 단면을 가질 수 있거나 또는 특정한 길이 대 폭 비를 가진 비-원형 단면을 가질 수 있다. 모든 산화제가 전체 산화제 유입부를 통해 연소기 금속 부재(3)로 전달되고; 연소기 금속 부재 내 산화제 스테이징 제어 기구는 전체 산화제를 1차 산화제 공급 채널(12), 2차 산화제 공급 채널(21) 및 3차 산화제 공급 채널(31) 중 적어도 하나로 비례해서 분포시킨다. 도 4에 도시된 바와 같은 1차 산화제 흐름을 위한 1차 산화제 공급 채널(12)은 연료 공급 채널(11)의 외벽을 둘러싸고, 연료 공급 채널(11)과 동축이다. 연료 노즐(111)을 둘러싸는 환형 노즐(121)은 1차 산화제 공급 채널(12)의 일단부에 제공된다.
산화제 스테이징 제어 기구가 스테이징 분포 밸브일 수 있고, 연소기의 연소기 금속 부재에 끼워맞춰질 수 있고, 이의 기능은 분포를 위해 연소기 금속 부재로부터 각각의 산화제 공급 채널로 산화제의 스테이징된 부분을 전달하는 것이다. 산화제 스테이징 제어 기구는 1차 산화제 제어 밸브, 2차 산화제 제어 밸브 및 3차 산화제 제어 밸브를 포함할 수 있다.
연료 공급 채널은 적합한 물질(예를 들어, 고온-저항성 금속 또는 세라믹)로 형성된 연료 도관일 수 있다. 연료 도관의 시작 단부가 연소기 금속 부재에 제거 가능하게 연결되지만, 또한 이것과 일체형으로 형성될 수 있다. 연료 도관의 유출 단부는 연료 노즐에 연결된다. 산화제 공급 채널은 특정한 물질(예를 들어, 고온-저항성 금속 또는 세라믹)로 형성된 산화제 공급 도관일 수 있지만, 연소기 블록에 형성된 형상-끼워맞춤 공동부 또는 채널일 수 있다. 후자의 경우에, 연소기 금속 부재가 연소기 블록의 대응하는 공동부 또는 채널의 시작 구역에 삽입되어, 산화제가 이 공동부 또는 채널로 흐른다.
2차 산화제 전달 컴포넌트(20)는 2차 산화제 흐름을 위한 2차 산화제 공급 채널(21)을 포함하고; 2차 산화제 노즐(211)은 이의 단부에 제공된다.
3차 산화제 전달 컴포넌트(30)는 3차 산화제 흐름을 위한 3차 산화제 공급 채널(31)을 포함하고; 3차 산화제 노즐(311)은 이의 단부에 제공된다.
연료 공급 채널(11), 2차 산화제 공급 채널(21) 및 3차 산화제 공급 채널(31)은 Z축 방향으로 하단부로부터 상단부로의 순서로 배열된다.
전체 산화제는 3개의 스트림, 즉, 1차 산화제 스트림, 2차 산화제 스트림 및 3차 산화제 스트림으로 분할될 수 있다. 1차 산화제 스트림이 연료 노즐을 둘러싸고, 이의 용적 유량은 전체 산화제의 매우 작은 비율, 바람직하게는 20% 미만 또는 10% 미만 또는 5% 미만 또는 약 2% 내지 5%만을 차지한다. 나머지 산화제는 2차 산화제 스트림 및 3차 산화제 스트림의 역할을 한다. 이것은 적어도 10% 또는 적어도 20% 또는 적어도 40% 또는 적어도 50% 또는 적어도 60% 또는 심지어 적어도 70%의 선호되는 스테이징 비율과 각각 같을 것이다. 이것은 스테이징을 위해, 충분한 양의 산화제가 2차 산화제 공급 채널 또는 3차 산화제 공급 채널을 통해 흐르거나 또는 2개의 공급 채널 간에 분포되는 것을 의미한다. 이것은 NOx의 생성을 감소시킬 뿐만 아니라, 가열되는 물질의 용융 표면과 인접한 기체 대기를 제어하기 위한 능력을 상당히 증가시킨다. 용융 표면과 가까운 대기를 제어할 수 있도록, 공정 상황에 따라 선택적으로 산화 또는 환원을 위해, 연소기의 작동이 편리하게 전환될 수 있는 것이 요망된다. 이 목적을 위해, 1차, 2차 및 3차 산화제 공급 채널 내 산화제 유량(즉, 스트림)은 산화제 스테이징 제어 기구에 의해 독립적으로 제어될 수 있다. 산화제 스트림은 전부 서로 독립적이고, 따라서 연소의 정밀 제어가 달성될 수 있다.
1차 산화제 스트림이 0인 것이 이상적이지 않고; 이것이 1차 산화제 공급 채널에 공극 또는 진공을 발생시킬 것이고, 따라서 연소기를 매우 신속하게 파괴할, 고온의 부식성 용광로 기체를 흡입하고 뿐만 아니라 화염 불안정성을 유발한다는 것에 주목해야 한다. 게다가, 1차 산화제 스트림이 매우 작다면, 화염 안정성이 또한 실패될 것이고; 게다가, 기체 연료와 산화제의 혼합 상태가 악화되어, 실제 사용을 위한 화염을 획득하기가 어려울 것이다. 특정한 상황에서, 2차 산화제 스트림 또는 3차 산화제 스트림이 0에 가까워질 수 있고; 이 경우에, 연소기가 본질적으로 이중-단계화된 연소기에 유사해지거나 또는 동등해지고, 대응하는 연소 효과 및 특성이 당업자의 지식에 따라 예측되고 조정될 수 있다.
예로서, 환형 노즐(121)이 연료 노즐(111)을 둘러싸고, 환형 노즐(121)의 유출 단부가 연소기 본체의 전방 단부면에서 종결되어, 가열될 물질을 가열하기 위한 화염을 형성할 수 있고; 연소기 본체의 전방 단부면이 또한 "연소면" 또는 "고온면"으로 불릴 수 있다. 연료 노즐(111)의 유출 단부가 약 2 ㎝ 내지 5 ㎝만큼 연소면으로 가라앉을 수 있고; 이러한 구성은 연료 및 1차 산화제가 연소면의 부근에서 혼합된 후 더 안정된 화염을 형성하게 한다.
도 5는 본 발명의 연소기의 개략도를 도시한다. 금속 등을 위한 야금 용광로, 또는 산업용 용광로, 예컨대, 유리 용융로는 일반적으로 용광로 내부의 하부 구역에 배치된, 가열될 물질, 예컨대, 용융된 원자재를 갖고, 화염은 용광로 내 상부 공간에 형성되고, 가열될 물질은 화염으로부터의 열방사에 의해 가열되거나 또는 용융된다.
이 실시형태에서, 3차 산화제 및 2차 산화제가 연료-일차 산화제의 동일한 측면 위에 위치된다. 일반적으로, 1차 산화제와 2차 산화제가 3차 산화제 전에 연료 스트림과 접촉하여, 연료-풍부 화염을 형성하고 연료-풍부 연소 혼합물을 생성하고, 이는 연소 생성물, 반응하지 않은 연료 및 산화제 등을 포함할 수 있다. 그을음 생성이 이 연료-풍부 연소 혼합물의 열분해에 의해 향상되고, 이는 발광 화염의 형성에 더 도움이 된다.
특정한 상황에서, 유리 용융로가 종종 더 높은 화염 광도를 필요로 하고; 이 경우에, 2차 산화제가 더 빠른 속도로 분사되므로, 더 빠른 연소가 발생할 것이다. 이것이 종종 연료와 산화제의 혼합을 가속화하기 때문에, 화염 길이가 단축되므로, 국부적 온도가 신속하게 상승한다. 당업자는 원하는 산화제 분사 속도가 다양한 방식으로 달성될 수 있다는 것을 알고, 본 발명의 의도는 이 점에서 제한을 두는 것이 아니며, 산화제 유량의 조정, 산화제 노즐 크기의 조정 및 산화제 온도의 조정 등에 대한 제한은 없다.
특정한 상황에서, 예를 들어, 알루미늄 용융 산업용 용광로에서, 더 긴 화염 길이가 종종 열전달 효율을 증가시키기 위해 필요하고, 3차 산화제의 분사 속도가 적합한 범위로 계속해서 증가될 수 있다. 고속으로 배출된 3차 산화제가 이전의 2개의 단계의 연소 생성물 혼합물에서 더 희석되고, 3차 산화제가 주위의 혼합물 대기에 더 비말동반되고; 이것이 더 긴 화염 길이를 형성하는 것을 도우면서, NOx의 생성이 또한 더 감소된다.
도 6a 및 도 6b에서, 동일한 참조 부호가 도 4에 도시된 연소기와 동일한 구조적 부분을 위해 사용된다. 도 6a 및 도 6b가 본 발명의 제1 실시형태의 전형적인 연소기 설계를 도시하고, 도 6a가 연소기의 각각의 노즐 유출 단부의 단면도를 도시하고, 도 6b가 연소기의 3차원 도면을 도시한다. 연소기는 3개의 구역, 즉, 구역(A), 구역(B) 및 구역(C)으로 분할된다. 연소기 본체(1)는 구역(C)에 위치된 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트(10), 구역(B)에 위치된 2차 산화제 전달 컴포넌트(20) 및 구역(A)에 위치된 3차 산화제 전달 컴포넌트(30)를 포함한다. 실질적으로 직육면체 형상의 연소기 블록(2)은 다양한 내화성 물질로 이루어질 수 있다. 연소기 블록(2)의 전방 단부면은 전체 연소기 본체의 단부면을 형성할 수 있다.
1차 산화제-연료 전달 컴포넌트(10)는 2차 산화제 전달 컴포넌트(20) 및 3차 산화제 전달 컴포넌트(30)로부터 이격된다. 2차 산화제 전달 컴포넌트(20) 및 3차 산화제 전달 컴포넌트(30)는 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트(10)의 동일한 측면, 즉, 상부 측면에 배열된다. 게다가, 2차 산화제 전달 컴포넌트(20)는 3차 산화제 전달 컴포넌트(30)와 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트(10) 사이에 위치된다.
각각의 산화제 노즐은 연소기 블록(2)의 연소면으로 종결될 수 있다. 연료 노즐(111)의 유출 단부가 약 2 ㎝ 내지 5 ㎝만큼 연소면으로 가라앉을 수 있고, 즉, 연소면으로부터 먼 특정한 위치에서 사전에 종결될 수 있다. 이러한 구성은 연료 및 1차 산화제가 연소면의 부근에서 혼합된 후 더 안정된 화염을 형성하게 한다. 너무 일찍 종결되는 경우에, 연료 노즐의 유출 단부가 연소면으로 가라앉는 거리가 2 ㎝ 미만이라면, 연료와 1차 산화제의 혼합 시간이 매우 짧고, 혼합 결과가 좋지 않으며; 거리가 5 ㎝ 초과라면, 과도하게 빠른 연소에 의해 유발된 국부적 과열이 연소기가 연소에 의해 손상되는 것을 쉽게 발생시킨다.
도 7은 XY 평면의 방향에서 본 발명에 따른 예시적인 1차 연료-산화제 전달 컴포넌트의 개략적인 단면도이다. 적어도 하나의 연료 노즐(111) 및 연료 노즐을 둘러싸는 환형 노즐(121)에는 연소기 본체의 외부를 향하는 편향의 제1 수평 확산각(α1)이 동시에 제공되고; 전반적으로, 이것은 연료 노즐(111)로부터 분무된 연료 및 환형 노즐(121)로부터 분무된 1차 산화제가 연소기 본체의 외부를 향하여 확장되게 하여, 따라서 화염의 커버리지 범위를 넓힌다. 제1 수평 확산각(α1)은 연료 노즐(111)의 중심축과 연소기 본체의 축방향 사이의 각을 나타낸다. 여기서, 표현 "연소기 본체의 외부"는 연소기 본체의 중심으로부터 떨어진 측면 구역을 의미한다. 제1 수평 확산각(α1)은 0 내지 20°, 바람직하게는 0 내지 10°, 그리고 더 바람직하게는 3° 내지 6°이다. 특정한 연료 노즐의 제1 수평 확산각(α1)이 0일 때, 이것으로부터 분무되는 연료의 방향은 실질적으로 연소기 본체의 축방향에 있다.
하나의 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트에서, 1차 산화제 공급 채널(12) 및 환형 노즐(121)이 연료 공급 채널(11) 및 이들을 둘러싸는 연료 노즐(111)과 각각 동축일 때, 이들은 동일한 제1 수평 확산각(α1)을 갖는다. 당업자는 환형 노즐이 항상 연료 노즐을 둘러싸는 것이 보장되는 한, 연료 노즐(111)과 환형 노즐(121)이 비-동축으로 구성될 수 있다는 것을 알 것이다.
예로서, 상황에 따라, 연소기 본체의 외부를 향하는 편향의 상이하거나 또는 동일한 제1 수평 확산각이 각각의 연료 노즐에 제공되는 구성이 가능하다. 예로서, 연료 공급 채널(11)은 이의 단부에서 연료 노즐(111)과 동축이도록 배열되고, 즉, 또한 제1 수평 확산각을 갖는다. 물론, 제작의 편의성을 위해, 연료 공급 채널(11)과 연료 노즐(111)이 고정된 방식으로 연결될 수 있고 일체형으로 형성될 수 있다.
도 8은 XY 평면의 방향에서 본 발명에 따른 예시적인 2차 산화제 전달 컴포넌트(20)의 개략적인 투사도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 연소기 본체의 외부를 향하는 편향의 제2 수평 확산각(α2)이 2개의 2차 산화제 노즐(211)에 각각 제공되어, 2차 산화제 노즐(211)로부터 분무된 2차 산화제의 분무 평면이 더 넓고, 화염의 커버리지 영역이 더 넓고; 이것은 평면 화염의 형성에 더 도움이 된다. 제2 수평 확산각(α2)은 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트가 있는 XY 평면 상으로 2차 산화제 노즐(211)이 돌출될 때, 2차 산화제 노즐(211)의 중심축과 연소기 본체의 축방향 간의 각을 나타낸다. 당업자는 필요성에 따라, 연소기 본체의 외부를 향하는 편향의 상이하거나 또는 동일한 제2 수평 확산각이 각각의 2차 산화제 노즐에 제공되는 구성이 가능하다는 것을 안다.
제2 수평 확산각(α2)의 범위는 0 내지 15°, 바람직하게는 0° 내지 10°그리고 더 바람직하게는 3° 내지 8°이다. 제2 수평 확산각이 15° 초과라면, 국부적 산화제 농도가 매우 낮아서, 불완전한 연소를 발생시킬 것이다. 임의로, 2차 산화제 공급 채널(21)과 이에 연결된 2차 산화제 노즐(211)의 제2 수평 확산각은 0일 수 있다.
예로서, 적어도 하나의 2차 산화제 공급 채널(21)이 이의 단부에서 2차 산화제 노즐(211)과 동축이도록 배열되는 것이 또한 가능하고, 둘 다는 제2 수평 확산각(α2)을 갖는다.
도 9는 XY 평면의 방향에서 본 발명에 따른 예시적인 3차 산화제 전달 컴포넌트(30)의 개략적인 투사도이다. 도 9에 도시된 구성에 따르면, 연소기 본체의 외부를 향하는 편향의 제3 수평 확산각(α3)이 2개의 3차 산화제 노즐(311)에 각각 제공되어, 3차 산화제 노즐(311)로부터 분무된 3차 산화제의 분무 평면이 더 넓고, 화염의 커버리지 영역이 더 크고; 이것은 평면 화염의 형성에 더 도움이 된다. 제3 수평 확산각(α3)은 XY 평면 상으로 3차 산화제 노즐(311)이 돌출될 때, 3차 산화제 노즐(311)의 중심축과 연소기 본체의 축방향 간의 각을 나타낸다. 당업자는 필요성에 따라, 연소기 본체의 외부를 향하는 편향의 상이하거나 또는 동일한 제3 수평 확산각이 각각의 3차 산화제 노즐에 제공되는 구성이 가능하다는 것을 안다.
제3 수평 확산각(α3)의 범위는 0 내지 15°, 바람직하게는 2° 내지 10°그리고 더 바람직하게는 4° 내지 10°이다. 제3 수평 확산각이 15° 초과라면, 국부적 산화제 농도가 매우 낮아서, 불완전한 연소를 발생시킬 것이다. 임의로, 3차 산화제 공급 채널(31)과 이에 연결된 2차 산화제 노즐(311)의 제3 수평 확산각은 0일 수 있다.
예로서, 적어도 하나의 3차 산화제 공급 채널(31)이 이의 단부에서 3차 산화제 노즐(311)과 동축이도록 배열되는 것이 또한 가능하고, 둘 다는 제3 수평 확산각(α3)을 갖는다.
도 10a 및 도 10b는 XY 평면의 방향에서 본 발명에 따른 예시적인 연소기의 개략적인 투사도이다. 구역(C)에 위치된 연료 노즐의 제1 수직각(β1)의 범위는 0 내지 10°, 바람직하게는 0 내지 3°이다. 제1 수직각(β1)은 연료 노즐이 XZ 평면 상으로 돌출될 때, 연료 노즐의 중심축과 연소기 본체의 축방향 간의 각을 나타낸다. β1이 0이라면, 이것은 연료 노즐의 분무 방향이 연소기 본체의 축방향과 실질적으로 동일하다는 것을 의미한다. β1이 0° 초과라면, 이것은 연료 노즐의 분무 방향이 전반적으로, 연료가 2차 산화제 노즐과 더 가깝거나 또는 더 가까이 지향되게 한다. β1을 0 내지 10° 간에 설정하는 것은 2차 산화제 노즐을 향하여 더 편향되는 연료 노즐의 분무 방향에 도움이 된다. β1이 10° 초과라면, 2차 산화제와 3차 산화제가 연료와 너무 일찍 접촉하고 혼합될 것이므로, 필요한 화염 길이가 유지될 수 없다.
Z축을 따라 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트를 향하는 편향의 상이하거나 또는 동일한 제2 수직각(β2)이 구역(B)에 위치된 각각의 2차 산화제 노즐(211)에 더 제공되어, 2차 산화제 노즐(211)로부터 분무된 2차 산화제가 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트를 향하여 편향된다. 제2 수직각은 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트가 있는 XY 평면에 대해 수직인 XZ 평면 상으로 2차 산화제 노즐이 돌출될 때, 2차 산화제 노즐(211)의 중심축과 연소기 본체의 축방향 간의 각을 나타낸다. 제2 수직각(β2)은 20° 미만, 바람직하게는 0 내지 10°, 그리고 더 바람직하게는 2° 내지 7°이다. 제2 수직각(β2)이 20° 초과라면, 2차 산화제가 너무 일찍 연료와 접촉하고 혼합되므로, 원하지 않은 조기 연소를 발생시킬 것이다.
당업자는 필요성에 따라, Z축을 따라 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트를 향하는 편향의 상이하거나 또는 동일한 제2 수직각(β2)이 각각의 2차 산화제 노즐에 제공되는 구성이 가능하다는 것을 안다. 게다가, 적어도 하나의 2차 산화제 공급 채널(21)이 이의 단부에서 2차 산화제 노즐(211)과 동축이도록 배열되는 것이 또한 가능하고, 둘 다는 제2 수직각(β2)을 갖는다.
1차 산화제-연료 전달 컴포넌트를 향하는 편향의 동일하거나 또는 상이한 제3 수직각(β3)이 구역(A)에 위치된 3차 산화제 노즐(311)에 각각 제공되어, 3차 산화제 노즐(311)로부터 분무된 3차 산화제가 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트를 향하여 편향된다. 제3 수직각은 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트가 있는 XY 평면에 대해 수직인 XZ 평면 상으로 3차 산화제 노즐(311)이 돌출될 때, 3차 산화제 노즐의 중심축과 연소기 본체의 축방향 간의 각을 나타낸다.
제3 수직각(β3)은 0° 내지 20°, 바람직하게는 0° 내지 9°일 수 있다. β3이 20° 초과라면, 3차 산화제가 연료와 너무 일찍 접촉하고 혼합되므로, 화염 길이가 유지될 수 없고, 화염이 용융 표면의 평면으로 더 확산되지 않아서 효과적인 가열 화염을 형성하지 못할 것이다.
게다가, 상황에 따라, Z축을 따라 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트를 향하는 편향의 상이하거나 또는 동일한 제3 수직각이 각각의 3차 산화제 노즐(311)에 제공되는 구성이 가능하다.
게다가, 적어도 하나의 3차 산화제 공급 채널(31)이 이의 단부에서 3차 산화제 노즐(311)과 동축이도록 배열되는 것이 또한 가능하고, 둘 다는 제3 수직각을 갖는다.
도 11은 산화제 공급 채널의 각을 획정하는 개략적인 단면도를 도시한다. 2차 산화제 공급 채널(21)과 3차 산화제 공급 채널(31) 둘 다가 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트가 있는 XZ 평면 상으로 돌출될 때, 2차 산화제 노즐과 3차 산화제 노즐의 분무 방향의 연장선이 연소기 본체의 축방향(여기서 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트의 축방향인 것으로 또한 이해될 수 있음)과 교차하는 위치가 도시되고, 이 위치는 제3 교차 위치 및 제2 교차 위치로서 아래에서 지칭되고; 제2 교차 위치는 연소기 금속 부재와 더 가깝고, 즉, 제3 교차 위치보다 연소면과 더 가까울 것이다. 연료 및 1차 산화제가 분무되는 방향이 P1이라고 가정하면, 2차 산화제가 분무되는 방향은 P2이고 3차 산화제가 분무되는 방향은 P3이다.
다음의 관계는 더 시각적인 설명을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 제3 교차 위치와 연소면 사이의 거리(d3)(즉, d2/tgβ2) > 제2 교차 위치와 연소면 사이의 거리(d4)(즉, d1/tgβ3) > 1차 산화제 공급 채널의 대응하는 교차 위치와 연소면 사이의 거리(d5)이며, 즉, d3＞d4＞d5이다. d1은 2차 산화제 공급 채널의 중심과 연료 공급 채널의 중심 사이의 거리를 나타내고; d2는 3차 산화제 공급 채널의 중심과 연료 공급 채널의 중심 사이의 거리를 나타낸다.
순전히 예로서, 3개의 1차 산화제/연료 전달 컴포넌트, 2개의 2차 산화제 전달 컴포넌트 및 2개의 3차 산화제 전달 컴포넌트가 하나의 연소기에 제공될 수 있고; 당업자는 각각의 컴포넌트의 대응하는 수뿐만 아니라 각각의 컴포넌트의 매개변수가 산업용 용광로의 크기, 용융된 물질의 유형 및 화염 제어 요건 등에 따라 선택될 수 있다는 것을 알 것이다.
각각의 산화제 공급 채널의 단면 형상이 상이할 수 있고, 원형, 타원형, 정사각형 또는 불규칙한 형상 등을 가질 수 있다. 게다가, 연료 노즐, 환형 노즐, 2차 산화제 노즐 및 3차 산화제 노즐은 원형, 타원형, 정사각형 또는 불규칙한 형상 중 각각의 임의의 하나이다.
내화성 벽돌 물질 또는 또 다른 고온-저항성 합금 물질은 연소기 블록의 물질로서 선택될 수 있다. 산소-연료 연소기는 다양한 산업 분야, 예를 들어, 비철 금속과 같은 분야(예컨대, 알루미늄 산업), 유리, 시멘트 및 세라믹에서 사용될 수 있다. 연소기는 화염을 생성할 수 있고 화염의 하부 구역이 중성 또는 환원 대기이고, 게다가, 화염 커버리지 영역이 크고, 화염 길이가 더 길며, 화염 온도가 더 균일하고, 화염 내 국부적 온점이 현저하지 않고; 이러한 이유로, 연소기는 특히 비철 금속을 위한 야금 용광로(예컨대, 알루미늄 용해) 등에 적합하다.
본 발명의 연소기의 산화제 및 연료가 연소 과정을 달성하기 위해 용광로 내부에서 적합한 방식으로 서로 접촉하고 혼합될 것이다:
1) 연소기의 하나의 측면(예를 들어, 하부 부분)에서의 연료 공급 채널이 1차 산화제 공급 채널에 의해 둘러싸이고, 1차 산화제가 전체 산화제 중 매우 작은 비율만을 차지한다. 연소기 본체의 전방 단부면의 부근에서의 혼합 후, 연료와 1차 산화제가 연소 공간으로 함께 분사되어, 1차 연소 생성물과 불완전하게 연소된 연료의 1차 혼합물을 생성한다.
2) 위의 단계로부터의 1차 연소 생성물과 불완전하게 연소된 연료의 1차 혼합물이 적합한 위치에서 2차 산화제와 먼저 만나서, 2차 혼합물을 생성할 것이다. 이 만남 후 연소율은 각각의 스트림의 흐름 속도 및 연료/산화제의 화학량 비에 의해 공동으로 제어된다.
3) 3차 산화제가 연소기의 또 다른 측면(예를 들어, 상부 부분)에서 또 다른 산소 공급 채널로부터 분무되고, 2차 혼합물과 접촉한 후, 연소를 겪고 최종 연소 생성물을 형성한다.
2차 산화제와 3차 산화제가 예상된 위치에서 미리 결정된 각으로부터 연료와 혼합될 수 있고, 이것은 화염 온도 및 화염 광도의 제어뿐만 아니라 연소율 및 산화질소(NOx)의 감소된 생성의 제어를 가능하게 한다.
연소기에서 사용되는 다양한 스트림에 관해서, 연료의 배출 속도 범위가 5 내지 130 m/s로 설정될 수 있고, 1차 산화제의 배출 속도 범위가 0.5 내지 30 m/s로 설정될 수 있고, 2차 산화제의 배출 속도 범위가 2.5 내지 80 m/s로 설정될 수 있고, 3차 산화제의 배출 속도 범위가 5 내지 160 m/s로 설정될 수 있다. 적합한 연소기 전력 부하 범위는 0.6 내지 5 MW이다.
본 발명의 실시형태에서, 연료는 고체 연료, 기체 연료 또는 액체 연료일 수 있다. 고체 연료는 석유 코크, 석탄 가루, 바이오매스 입자 또는 또 다른 화석 연료로부터 선택될 수 있고, 고체 연료는 일반적으로 전달을 위한 전달 바람을 형성하기 위한 캐리어 가스(예컨대, 공기 또는 이산화탄소)를 필요로 한다. 액체 연료는 액체 탄화수소 또는 콜타르로부터 선택될 수 있다. 기체 연료는 천연 가스, 수소 또는 또 다른 탄화수소 기체로부터 선택될 수 있다. 특허 번호 제CN109489038B호(발명의 명칭: "Burner capable of adjusting feed ratios of multiple fuels")인 중국 발명 특허의 전체 텍스트가 참조에 의해 본 명세서에 전문이 원용된다. 본 발명의 연소기에는 또한 다수의 연료가 제공될 수 있고, 연소기는 각각의 연료의 공급비를 조정하여 연소 결과를 제어할 수 있다. 특히 기체 연료로서 수소를 사용하는 데 적합하게, 본 발명은 고체 또는 액체 연료를 수소 연료의 중심에서 제어된 양으로 도입하고, 용융 표면으로의 직접적인 열전달의 관점에서 화염의 효과를 현저하게 개선시키고 뿐만 아니라 연소 폐기 기체의 물 함량을 감소시킴으로써 화염 흑도를 상당히 변경할 수 있다.
제1 연료 유입 단부(426) 및 제2 연료 유입 단부(427)가 상이한 유형의 연료를 도입할 수 있는, 예가 도 17에 도시된다. 각각의 제1 연료 분무 파이프라인(422)은 각각의 대응하는 제2 연료 분무 파이프라인(425) 내에 포개진다. 제1 연료와 제2 연료 둘 다는 연료 유출 단부(424)를 통해 최종적으로 분무된다. 제1 연료와 제2 연료는 이들의 각각의 파이프라인으로 흐르고, 제2 연료는 제1 연료 분무 파이프라인의 외벽 및 제2 연료 분무 파이프라인의 내벽에 의해 획정된 환형 파이프라인으로 흐를 수 있다.
제1 연료는 고체 연료, 기체 연료 또는 액체 연료일 수 있다. 고체 연료는 석유 코크, 석탄 가루, 바이오매스 입자 또는 또 다른 화석 연료로부터 선택될 수 있고, 고체 연료는 일반적으로 전달을 위한 바람 가루를 형성하기 위한 캐리어 가스 형태를 필요로 한다. 액체 연료는 액체 탄화수소 또는 콜타르로부터 선택될 수 있다. 기체 연료 스트림은 고체 연료를 환형으로 둘러싸고, 화염 휘도를 증가시킬 수 있고 연소 결과를 개선시킬 수 있다. 일반적으로, 높은 발화점(예를 들어, 종래의 액체 연료 또는 고체 연료) 또는 높은 발열량을 가진 연료가 제1 연료로서 사용될 것이다. 바이오매스로부터 생성되는 기체 또는 석탄으로부터 생성되는 기체가 사용될 때, 다소 낮은 발열량을 가진 이 유형의 불안정한 연료가 제2 연료로서 사용되는 경향이 있고, 반면에 높은 발열량을 가진 천연 가스가 제1 연료로서 선택된다.
제2 연료는 기체 연료일 수 있다. 수소가 제2 연료로서 사용될 때, 수소 화염의 특성에 기인하여, 화염이 고온 용광로에서 거의 보이지 않고; 고체 연료 또는 액체 연료가 중심에 위치된 제1 연료로서 사용될 때, 화염의 흑도가 매우 큰 변화를 겪을 것이고, 가열될 물질로의 직접적인 열전달의 관점에서 화염의 유효성이 현저하게 증가될 것이다.
실시형태 1
본 발명의 연소기는 길이 5 m 및 폭 3 m의 산업용 용광로에서 사용된다. 연소기의 연소율은 약 500 KW(공통 범위는 400 내지 700 KW임)이다. 연소기는 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트, 2차 산화제 전달 컴포넌트 및 3차 산화제 전달 컴포넌트를 포함한다. 도 12는 산업용 용광로 상에 설치될 때 본 발명의 연소기의 개략적인 평면도를 도시한다.
도 13은 이 실시형태의 연소기의 개략적인 3차원 도면을 도시한다. 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트에서, 3개의 연료 노즐(111)이 제공되고; 외부에 위치된 2개의 연료 노즐(111)이 연소기 본체의 외부를 향하는 5°의 제1 수평 확산각(α1)을 갖고, 반면에 중간 위치의 연료 노즐(111)은 0의 제1 수평 확산각을 갖는다. 각각의 환형 노즐은 이것이 둘러싸는 연료 노즐에 대응하도록 배열된다. 2차 산화제 전달 컴포넌트에서, 2개의 2차 산화제 노즐(211)의 제2 수직각(β2)이 연료 노즐(111)을 향하여 6°로 설정되고, 반면에 제2 수평 확산각(α2)은 연소기의 외부를 향하여 5°로 설정된다.
3차 산화제 전달 컴포넌트에서, 2개의 3차 산화제 노즐(311)의 제3 수직각(β3)은 연료 노즐(111)을 향하여 8°로 설정된다. 제3 수평 확산각(α3)은 연소기의 외부를 향하여 5°로 설정된다.
전체 연료 유입부를 통해 연소기에 진입한 후에, 연료는 연소기 금속 부재(3)에 의해 3개의 연료 공급 채널(11)로 고르게 분포된다. 전체 산화제 유입부를 통해 진입한 후에, 산화제는 연소기 금속 부재(3) 내 산화제 스테이징 제어 기구에 의해 3개의 산화제 전달 컴포넌트로 분포되고, 최종적으로 연소 공간으로 분사된다.
연소 반응의 속도는 혼합 스트림의 속도 및 연료/산화제의 화학량 비에 의해 공동으로 제어된다. 이 실시형태에서, 1차 산화제는 전체 산화제 유량의 5%를 차지하고; 연소기 본체의 전방 단부면의 부근에서의 혼합 후, 연료 및 1차 산화제가 연소 공간으로 분사된다. 2차 산화제는 전체 산화제 유량의 30%를 차지하고, 분무된 후에, 용광로 내 일부 위치에서 1차 혼합물과 만나고 이어서 이것과 혼합된다. 3차 산화제는 전체 산화제 유량의 65%를 차지하고, 분무된 후에, 용광로 내 2개의 연소 단계로부터의 혼합물과 혼합되어, 연소 과정을 완료한다.
도 14b는 정규화 후 위에서 언급된 산업용 용광로 내 NOx 농도 분포를 도시하고; 도 14a는 도 1b에 도시된 바와 같은 종래 기술의 단계화된 연소기에 의해 생성되는 NOx 농도 분포를 도시한다. NOx 농도 분포를 나타내는 컬러 코드의 컬러가 더 밝을수록, NOx의 농도가 더 높다. 알 수 있는 바와 같이, NOx 농도는 본 발명의 연소기가 위에서 언급된 산업용 용광로에서 사용될 때 현저하게 더 낮다. 이 실시형태에서 연소기에 의해 생성된 긴 화염은 가열될 물질의 표면의 커버리지의 더 큰 영역을 형성하고, 화염 온도는 국부적 과열 스폿 없이, 전반적으로 균일하다. 이 유형의 화염과 가열될 물질 간의 대기가 환원 대기와 더 가깝고; 이 유형의 화염이 특히 알루미늄 용해로를 위해 적합하고, 고효율로 알루미늄 용해 물질로 열을 전달할 수 있고, 국부적 과열에 기인하여 물질의 산화 또는 휘발을 방지할 수 있으면서, NOx 생성이 또한 이에 대응하여 감소되는 것이라고 확신할 수 있다.
도 1b에 도시된 바와 같은 종래 기술의 단계화된 연소기 및 본 발명의 실시형태의 연소기에 대해, 도 15에 도시된 바와 같이, 상이한 스테이징된 산소 비율이 설정되고 연소 생성물 내 NOx의 용적 농도가 테스트된다. 연소기 구조의 차이 이외에, 연소 공간의 치수, 연소 공간의 최대 온도, 용광로 압력(킬른 화염 공간 연소 동안 압력의 측정된 값), 산소-연료 비 및 외부 환경을 포함하는, 모든 다른 조건이 동일하다.
3개의 테스트 세트(a, b 및 c)가 1차 산화제의 비율을 각각 약 35%, 약 20% 및 약 5%로 설정하여, 도 1b에 도시된 바와 같은 단계화된 연소기를 사용하여 수행되었다. 3개의 테스트 세트(a, b 및 c)의 결과의 정규화 후에, 화염 구역 내 연소 생성물의 NOx의 용적 농도는 각각 약 1.30, 1.00 및 0.78이었다. 3개의 테스트 세트(d, e 및 f)가 1차 산화제와 2차 산화제의 비율의 합을 각각 약 40%, 약 25% 및 약 15%로 설정하여, 본 발명의 실시형태에 도시된 바와 같은 연소기를 사용하여 수행되었다. 3개의 테스트 세트(d, e 및 f)의 결과의 정규화 후에, 화염 구역 내 연소 생성물의 NOx의 용적 농도는 각각 약 0.91, 0.62 및 0.30이었다. 유사한 스테이징 비율에 대해, 본 발명의 연소기 내 산화질소의 생성이 용광로 내부의 공간에서, 특히, 화염 구역에서 현저하게 감소되고, 감소 정도가 각각 30%, 38% 및 61%이라는 것이 결정될 수 있다.
1차 산화제의 비율이 도 1b에 도시된 바와 같은 단계화된 연소기에서 약 35%로 설정되고, 1차 산화제와 2차 산화제의 비율의 합이 본 발명의 실시형태에 도시된 연소기에서 약 40%로 설정될 때, 달성되는 연소 효과는 본질적으로 더 짧은 화염, 높은 휘도 및 큰 화염 방사 계수이다.
1차 산화제의 비율이 도 1b에 도시된 바와 같은 단계화된 연소기에서 약 5%로 또는 심지어 더 낮게 설정되고, 1차 산화제와 2차 산화제의 비율의 합이 본 발명의 실시형태에 도시된 연소기에서 약 15%로 또는 심지어 더 낮게 설정될 때, 달성되는 연소 효과는 본질적으로 더 긴 화염, 화염 커버리지의 큰 영역 및 화염 온도의 우수한 균일성이고, 이 조건하에서 연소에 의해 생성되는 NOx의 양은 더 적다.
1차 산화제의 비율이 도 1b에 도시된 바와 같은 단계화된 연소기에서 20%로 설정되고, 1차 산화제와 2차 산화제의 비율의 합이 본 발명의 실시형태에 도시된 연소기에서 약 25%로 설정될 때, 달성되는 연소 효과는 위의 2개의 상황 간에 있다.
도 1b에 도시된 바와 같은 종래 기술의 단계화된 연소기와 비교하여, 1차 산화제, 2차 산화제 및 3차 산화제가 연료 스트림으로부터 연속적으로 그리고 점진적으로 더 멀어지게 구성되고; 이 방식으로, 1차 산화제 및 2차 산화제가 화염을 안정화하기 위해 먼저 연료 스트림과의 예비 혼합을 겪도록 보장되는 전제 조건하에서, 따라서 생성된 연료-풍부 불완전하게 연소된 물질이 3차 산화제와 혼합되고, 완전한 산화 환원 반응을 겪어서, 따라서 화염 커버리지 영역이 크고, 화염 온도가 균일하고 NOx 배출이 적은 결과를 달성한다.
예로서 폭 3 m의 실험 용광로를 고려하면, 도 16은 이 실시형태의 연소기와 도 1b에 도시된 바와 같은 종래 기술의 단계화된 연소기의 용광로 내 화염 길이의 조정기능의 비교를 도시한다. 동일한 용광로 내 압력이 유지되었고, 천연 가스가 연료로서 선택되었고, 순수한 산소가 산화제로서 선택되었다. 연소기는 산업용 용광로의 단부 벽(도 12에 도시된 바와 같음) 상에 배열되었고; 각각의 연소기는 약 500 KW의 연소율을 가졌다. 테스트는 도 1b에 도시된 바와 같은 단계화된 연소기의 화염 길이 조정 범위가 0.9 내지 1.9 m이었고, 반면에 이 실시형태의 연소기의 화염 길이 조정 범위가 0.8 내지 2.75 m이었다는 것을 발견했다. 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의해 제공된 연소기가 넓은 화염 조정 범위를 가지므로, 이러한 것들이 변화할 때 상이한 생산 부하, 상이한 원자재, 및 생성 조건, 예컨대, 생성물 특성의 요구를 충족시킬 수 있다.
요약하면, 본 발명에 의해 제공된 연소기는 다단계 구성을 가진 연료-산화제 연소 기법을 채용한다. 1차 산화제와 2차 산화제는 연료에 의해 연료-풍부 화염을 형성하고, 그을음 생성은 발광 화염을 형성하기 위해 연료-풍부 혼합물의 열분해에 의해 향상된다. 1차 산화제의 유량을 더 감소시키고 2차 산화제의 유량(또는 속도)을 증가시키는 것은 화염 길이를 증가시킬 것이다. 3차 산화제의 속도를 적합한 범위로 더 증가시키는 것이 더 긴 화염 길이를 형성하여, NOx 생성을 감소시키고, 더 높은 열전달 효율을 달성할 것이다. 1차 산화제, 2차 산화제 및 3차 산화제의 분포 비율을 제어함으로써, 화염 길이 및 커버리지 구역이 조정될 수 있고, 국부적 산화 또는 환원 대기가 제어될 수 있고, 화염 방향이 또한 생성물 과정 요건에 따라 조정될 수 있다.
본 발명의 내용이 위의 바람직한 실시형태에 의해 상세히 제시되었지만, 위의 설명이 본 발명을 제한하는 것으로 여겨지지 않아야 한다는 것이 인지되어야 한다. 본 발명에 대한 다양한 수정 및 치환은 당업자에 의한 위의 내용의 정독 후에 분명해질 것이다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해 규정되어야 한다.

Claims (22)

  1. 연료 연소를 위한 연소기로서, 상기 연소기가 축방향으로 연장되는 연소기 본체를 포함하고, 가열될 물질을 가열하기 위한 화염이 상기 연소기 본체의 전방 단부면에서 형성되고, 상기 연소기 본체가 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트, 2차 산화제 전달 컴포넌트 및 3차 산화제 전달 컴포넌트를 포함하고;
    상기 2차 산화제 전달 컴포넌트 및 상기 3차 산화제 전달 컴포넌트가 상기 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트의 동일한 측면에 배열되고, 상기 2차 산화제 전달 컴포넌트가 상기 3차 산화제 전달 컴포넌트와 상기 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트 사이에 위치되고;
    상기 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트는,
    연료를 흐르게 하기 위한 적어도 하나의 연료 공급 채널로서, 일단부에 연료 노즐이 제공되는, 적어도 하나의 연료 공급 채널; 및
    1차 산화제를 흐르게 하기 위한 적어도 하나의 1차 산화제 공급 채널로서, 상기 1차 산화제 공급 채널이 상기 연료 공급 채널의 외벽을 둘러싸도록 구성되고, 일단부에 상기 연료 노즐을 둘러싸는 환형 노즐이 제공되는, 적어도 하나의 1차 산화제 공급 채널
    을 포함하고;
    상기 2차 산화제 전달 컴포넌트는 2차 산화제를 흐르게 하기 위한 적어도 하나의 2차 산화제 공급 채널을 포함하고, 상기 2차 산화제 공급 채널의 일단부에는 2차 산화제 노즐이 제공되고;
    상기 3차 산화제 전달 컴포넌트는 3차 산화제를 흐르게 하기 위한 적어도 하나의 3차 산화제 공급 채널을 포함하고, 상기 3차 산화제 공급 채널의 일단부에는 3차 산화제 노즐이 제공되는, 연소기.
  2. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트에서, 상기 1차 산화제 공급 채널은 상기 연료 공급 채널과 동축으로 배열되는, 연소기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 2차 산화제 노즐 및 상기 3차 산화제 노즐의 유출 단부는 상기 연소기 본체의 상기 전방 단부면 상에 배열되고 상기 2차 산화제 및 상기 3차 산화제를 각각 분무하고, 상기 2차 산화제는 상기 3차 산화제 전에 상기 연료와 혼합되는, 연소기.
  4. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 상기 연료 노즐의 전방 단부는 상기 2차 산화제 노즐을 향하여 경사진 제1 비스듬한 흐름 경로를 갖는, 연소기.
  5. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 상기 연료 노즐 및 상기 연료 노즐을 둘러싸는 상기 환형 노즐에는 상기 연소기 본체의 외부를 향하는 편향의 제1 수평 확산각(α1)이 제공되고, 상기 제1 수평 확산각(α1)은 0° 내지 20°, 바람직하게는 0° 내지 10°, 그리고 더 바람직하게는 3° 내지 6°의 범위 내에 있는, 연소기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 연료 공급 채널은 단부에서 상기 연료 노즐과 동축이도록 배열되고, 상기 제1 수평 확산각(α1)을 갖는, 연소기.
  7. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 상기 2차 산화제 노즐의 전방 단부는 상기 연료 노즐을 향하여 경사진 제2 비스듬한 흐름 경로를 갖는, 연소기.
  8. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 상기 2차 산화제 노즐에는 상기 연소기 본체의 외부를 향하는 편향의 제2 수평 확산각(α2)이 제공되고, 상기 제2 수평 확산각(α2)은 0 내지 15°, 바람직하게는 0 내지 10°, 그리고 더 바람직하게는 3° 내지 8°의 범위 내에 있는, 연소기.
  9. 제8항에 있어서, 적어도 하나의 상기 2차 산화제 공급 채널은 단부에서 상기 2차 산화제 노즐과 동축이도록 배열되고, 상기 제2 수평 확산각(α2)을 갖는, 연소기.
  10. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 상기 3차 산화제 노즐의 전방 단부는 상기 연료 노즐을 향하여 경사진 제3 비스듬한 흐름 경로를 갖는, 연소기.
  11. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 상기 3차 산화제 노즐에는 상기 연소기 본체의 외부를 향하는 편향의 제3 수평 확산각(α3)이 제공되고, 상기 제3 수평 확산각(α3)은 0 내지 15°, 바람직하게는 2° 내지 10°, 그리고 더 바람직하게는 4° 내지 10°의 범위 내에 있는, 연소기.
  12. 제11항에 있어서, 적어도 하나의 상기 3차 산화제 공급 채널은 단부에서 상기 3차 산화제 노즐과 동축이도록 배열되고, 상기 제3 수평 확산각(α3)을 갖는, 연소기.
  13. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 상기 연료 노즐에는 상기 2차 산화제 노즐을 향하는 편향의 제1 수직각(β1)이 제공되고, 상기 각(β1)은 0 내지 10°, 바람직하게는 0 내지 3°의 범위 내에 있는, 연소기.
  14. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 상기 2차 산화제 노즐에는 상기 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트를 향하는 편향의 제2 수직각(β2)이 제공되고, 상기 각(β2)은 0 내지 20°, 바람직하게는 0 내지 10°, 그리고 더 바람직하게는 2° 내지 7°의 범위 내에 있는, 연소기.
  15. 제14항에 있어서, 적어도 하나의 상기 2차 산화제 공급 채널은 이의 단부에서 상기 2차 산화제 노즐과 동축이도록 배열되고, 상기 제2 수직각(β2)을 갖는, 연소기.
  16. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 상기 3차 산화제 노즐에는 상기 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트를 향하는 편향의 제3 수직각(β3)이 제공되고, 상기 각(β3)은 0 내지 20°, 바람직하게는 0 내지 9°의 범위 내에 있는, 연소기.
  17. 제16항에 있어서, 적어도 하나의 상기 3차 산화제 공급 채널은 단부에서 상기 3차 산화제 노즐과 동축이도록 배열되고, 상기 제3 수직각(β3)을 갖는, 연소기.
  18. 제1항에 있어서, 상기 연소기는 상기 1차 산화제 공급 채널, 상기 2차 산화제 공급 채널 및 상기 3차 산화제 공급 채널 내 산화제 유량을 독립적으로 제어하기 위한 산화제 스테이징 제어 기구를 더 포함하는, 연소기.
  19. 제1항에 있어서, 상기 1차 산화제-연료 전달 컴포넌트에서, 상기 적어도 하나의 연료 공급 채널은 제1 연료 공급 채널 및 제2 연료 공급 채널을 포함하도록 구성되고, 상기 제1 연료 공급 채널은 대응하는 제2 연료 공급 채널 내에 포개지고, 상기 제1 연료와 상기 제2 연료는 고체 연료, 액체 연료 또는 기체 연료로부터 각각 독립적으로 선택되는, 연소기.
  20. 연료 연소를 위한 연소기의 연소 방법으로서, 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 연소기가 화염을 형성하도록 사용되고,
    1차 산화제-연료 전달 컴포넌트를 통해 연료 및 상기 연료를 둘러싸는 상기 1차 산화제를 가이드하여, 상기 연료와 상기 1차 산화제가 상기 연소기 본체의 상기 전방 단부면의 부근에서 혼합 후 연소 공간으로 함께 분사되게 하는 단계로서, 공급되는 1차 산화제의 양은 상기 연료를 완전히 연소시키는 데 필요한 산화제 양 미만이어서, 1차 연소 생성물과 불완전하게 연소된 연료의 1차 혼합물을 생성하는, 단계;
    상기 2차 산화제 전달 컴포넌트를 통해 2차 산화제를 가이드하여, 상기 1차 혼합물과 상기 2차 산화제가 설정된 위치에서 서로 접촉하고 혼합되어서, 연소되어 2차 혼합물을 생성하는 단계; 및
    상기 3차 산화제 전달 컴포넌트를 통해 3차 산화제를 가이드하여, 상기 3차 산화제가 상기 2차 혼합물과 접촉하고 혼합되어서, 연소되어 최종 연소 생성물을 생성시키는 단계
    를 포함하는, 연소 방법.
  21. 제20항에 있어서, 용적 유량의 비의 관점에서, 상기 1차 산화제는 전체 산화제 유량의 1 내지 20%, 바람직하게는 1 내지 15%, 그리고 최적으로 2 내지 5%를 차지하고; 상기 2차 산화제 유량은 상기 전체 산화제 유량의 5 내지 70%, 바람직하게는 10 내지 50%, 그리고 최적으로 15 내지 30%를 차지하고; 상기 3차 산화제 유량은 상기 전체 산화제 유량의 5 내지 90%, 바람직하게는 20 내지 80%, 그리고 최적으로 50 내지 75%를 차지하는, 연소 방법.
  22. 제20항에 있어서, 상기 1차 산화제의 배출 속도는 0.5 내지 30 m/s로 설정되고, 상기 연료의 배출 속도는 5 내지 130 m/s로 설정되고, 상기 2차 산화제의 배출 속도는 2.5 내지 80 m/s로 설정되고, 상기 3차 산화제의 배출 속도는 5 내지 160 m/s로 설정되고; 화염이 형성되고, 상기 화염은 가열될 물질을 가열하기 위해 사용되는, 연소 방법.
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