KR20220119114A - 환형 슈라우드 버너를 포함하는 연소 시스템 - Google Patents

환형 슈라우드 버너를 포함하는 연소 시스템 Download PDF

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KR20220119114A
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fuel
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KR1020227025123A
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오텐 브라이져 반
스티븐 해럴드 크림스키
케빈 데비스
앤드류 폴 치오도
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주피터 옥시젠 코포레이션
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Abstract

본 개시내용은 CO2의 포집을 비용 효율적으로 가능하게 하는 높은 화염 온도 산소 연소를 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본원에 개시된 주제의 한 부분은 효율을 최대화하기 위해 높은 화염 온도를 발생시키기 위해 희석되지 않은 산소의 공급 및 최소의 연통 가스 재순환을 이용하는 환형 슈라우드 버너를 포함한다. 환형 슈라우드 버너는 산소와 연료 흐름이 혼합되는 연소 구역으로 산소를 전달할 수 있다. 연소 시스템의 출구에서 재순환된 연통 가스는 석탄을 반응 구역으로 운반하는 동시에 새로운 슈라우드 냉각 설계를 통해 높은 입사 열 유속으로부터 보호하고 국부 냉각을 제공하는 이중 목적을 제공한다. 환형 슈라우드 버너는 산소와 연료의 혼합 속도를 제어하여 열 방출을 확장하는 축 방향 제트 화염을 생성하도록 구성될 수 있다. 산소와 석탄은 최대 화염 온도가 4,500°F(2,482°C)를 초과하는 비율로 혼합될 수 있으며 재순환된 연통 가스의 흐름은 화염 온도를 제어하고 버너 컴포넌트와 버너 근처 표면을 보호하기 위해 조절된다.

Description

환형 슈라우드 버너를 포함하는 연소 시스템
본 개시는 연소 및 탄소 포집을 위한 방법 및 시스템, 보다 구체적으로 연료의 높은 화염 온도(flame temperature) 산소 연소(oxy-combustion) 및 이산화탄소의 효율적인 포집을 포함하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
화석 연료는 오늘날 세계, 특히 발전, 산업 및 운송 산업의 주요 에너지원이다. 그러나 화석 연료 사용과 관련된 많은 CO2 생산으로 인해 많은 사람들이 이를 지구 온난화의 주요 원인으로 간주한다. 이러한 화석 연료 중 하나는 석탄이며, 석탄을 발전 및 산업 어플리케이션을 위한 연료로 미래에 사용하려면 연소 과정의 산물로 배출되는 CO2를 포집하고 저장하는 데 사용할 수 있는 새로운 경제적 기술에 달려 있다. 이러한 탄소 포집 기술은 일반적으로 탄소 포집 및 저장(CCS) 및 탄소 포집 활용 및 저장(CCUS)이라고 한다.
이용 가능한 기술 중 일부는 공기 연료(air-fueled) 및 산소 연료(oxy-fueled) 연소 기술을 포함한다. 공기-연료 연소의 경우(공기는 약 79%의 질소와 21%의 산소로 구성됨), NOx 및 CO2 및 SO2와 같은 기타 온실 가스가 연소 과정의 결과로 생성된다. 공기-연료 연소의 경우 불순물 비율이 높기 때문에 탄소 포집(예를 들어, CCS 및 CCUS)은 산소-연료 연소보다 더 복잡하고 비용이 많이 든다. 이러한 단점에 더하여, 공기-연료 연소는 공기에 존재하는 질소를 가열하는 데 필요한 연료의 양으로 인해 연료 효율이 낮아진다.
보다 유리한 시스템은 산소 연료 연소 시스템(또는 산소 연소)이다. 산소 연소의 경우 순도가 95% 이상인 산소가 연소 과정에서 공기 대신 산화제로 사용된다. 고순도 산소를 사용하면 불순물 비율이 현저히 낮아지고 CO2 및 H2O 농도가 높아져 CCS 및 CCUS와 같은 공정이 공기-연료 연소보다 비용 효율적이다. CO2와 H2O를 쉽게 분리될 수 있으며 CO2는 탄소 정제 유닛(CPU)에서 정제되어 CCS 또는 CCUS 프로세스의 일부로 가치 있는 상품으로 재활용, 저장 또는 활용될 수 있는 고순도 CO2를 남긴다. 이것은 생산되는 온실 가스의 양을 줄인다.
그러나 이 공정에는 종종 극저온 증류를 통해 얻어지는 순수한 산소(O2)가 필요하다. 극저온 증류는 1930년대부터 운영되어 온 매우 성숙한 공정이지만 여전히 고가의 공정이다. 증가된 비용 외에도 전통적인 산소 연료 연소는 높은 자본 비용, 공기 유입 및 관련 높은 불순물, 높은 산소 요구량, 낮은 탄소 포집, 활용 및 CO2 격리와 같은 다른 결함으로 어려움을 겪고 있다.
연료의 전통적인 산소 연소와 관련된 단점에도 불구하고 이는 여전히 공기 연료 연소보다 개선된 것이다. 따라서, 기존 연료 처리 플랜트의 보일러 및 공정 히터에 존재하는 공기 연료 연소 버너를 보다 환경 친화적인 산소 연소 버너로 교체하려는 요구가 존재한다.
일반적으로, 기존 연료 처리 플랜트의 시스템은 공기 연료 연소 버너와 관련된 부정적인 결과를 제한하면서 최적의 성능을 제공하도록 구성되었다. 따라서 하나의 버너를 다른 버너로 교체하는 것은 쉽지 않으며 공기 연료 연소를 산소 연료 연소 프로세스로 교체하는 것은 훨씬 더 어렵다. 이러한 유형의 변경과 관련된 잠재적인 단점은 다양한 시스템 간의 열 전달이 크게 변경될 뿐만 아니라 다른 가열 특성, 스트림 흐름 및 스트림 특성으로 인한 컴포넌트 손상 가능성이 증가하는 것을 포함한다. 이러한 어려움의 한 가지 이유는 산소 연소 버너가 전통적인 공기 연료 버너보다 더 뜨거운 화염 온도를 생성한다는 사실이다. 예를 들어, 기존의 공기 연료 연소 버너를 산소 연소 버너로 교체하면 피크 온도가 증가하여 산소 연소 버너를 둘러싼 컴포넌트들로의 열 전달(열유속) 양이 증가한다. 이를 위해서는 플랜트의 기존 부품을 수정해야 하며, 이 프로세스는 시간과 비용이 많이 든다.
다른 시스템에 적용하기에 적합한 산소 석탄 버너를 설계하려는 이전 시도에 대한 보고서는 지나치게 복잡한 설계로 구성된다(미국 특허 번호 제8,584,605호, 제7,028,622호 및 제6,843,185호 참조). 이것은 부분적으로 산화제로서 공기가 아닌 순수한 산소를 사용하여 연료를 연소시키는 산소 연소의 특성에서 기인한다. 연소로부터의 열은 공기 중의 질소 가열 쪽으로 가지 않기 때문에 산소 연소로 화염 온도는 급격히 증가한다. 또 다른 문헌들은 최소 FGR을 사용하고 고온 화염을 생성하는 산소 연소 기술을 설명한다(미국 특허 번호 제6,436,337호 및 제6,596,220호의 Gross 참조). 그러나 이 간행물에 설명된 버너는 설계의 특성으로 인해 산소 탄소 버너를 둘러싼 시스템에 손상을 줄 가능성이 있다.
다른 문헌들은 산소와 연통 가스(flue gas) 재활용(FGR)의 혼합물로 구성된 합성 기류를 생성함으로써 산소 연소 화염 온도를 템퍼링하여 예비 연소기의 사용에 추가하여 화염 온도를 낮추는 결과를 초래한다(미국 특허 번호 제9,243,799호, 제8,689,710호 참조). 미국 특허 제9,243,799호 및 제8,689,710호에 기술된 버너는 훨씬 낮은 화염 온도에서 작동할 수 있으므로 시스템 환경에 반드시 손상을 일으키지는 않을 수 있지만 다른 설계 및 작동상의 문제가 있다. 대량의 FGR은 용광로에 들어가기 전에 가열하기 위해 추가 에너지가 필요할 수 있다(공기 예열기와 유사). FGR이 증가함에 따라 공기 유입도 증가할 수 있다. 더 많은 FGR은 용광로를 떠나는 다량의 연통 가스로 이어지며, 이는 다운스트림 장비 크기를 증가시켜야 한다(예를 들어, 대기 오염 제어 디바이스, 덕트, 팬, 탄소 포집 및 정화 장비).
요약하면, 위에서 언급한 기존 특허는 높은 화염 온도 산소 연소 방식을 사용할 때 버너 컴포넌트와 노 벽에 대한 열유속을 효과적으로 활용하고 조절하기에 적합한 버너 설계 특성이나 작동 방식이 존재하지 않는다.
이와 같이, 선행 기술의 결점을 해결하는 산소 연소 시스템, 즉, 석탄 연소를 위한 높은 화염 온도의 산소 연소 조건을 효율적이고 비용 효율적으로 생성하고 유지할 수 있는 버너 설계의 개발이 필요하다. 또한 기존 연료 연소 시스템에서 기존의 공기 연료 연소 버너를 대체할 수 있는 동시에 높은 열 유속으로 인해 발생하는 버너 컴포넌트 및 노 내부 표면의 손상을 방지할 수 있는 산소 연소 시스템이 필요하다.
일 양태에서, 본 명세서에 기술된 주제는 높은 화염 온도 산소 연소 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 일 실시예에서 높은 화염 온도 산소 연소 시스템은 중앙에 O2 고리, 석탄용 연료 고리, O2 고리, 마지막으로 외부 연통 가스 재활용(FGR) 고리가 있는 4중 동심 버너 디자인을 포함하는 환형 슈라우드 버너이다. 퀄(quarl)이 FGR 고리 바깥쪽에 더 위치한다.
환형 슈라우드 버너를 작동시키는 설계 및 방법은 연소 영역의 주변에 더 차가운 가스의 슈라우드와 함께 연소 영역의 중심을 향해 국부화된 고온 화염의 생성을 허용한다. 따라서 환형 슈라우드 버너는 국부 냉각을 제공하는 동시에 버너의 높은 화염 온도 특성을 유지하여 효율성과 화염 안정성을 극대화한다.
다른 실시예에서, 4중 동심 버너 설계를 갖는 환형 슈라우드 버너는 제1, 제2, 제3 및 제4 도관을 포함하는 설계를 갖고, 각각의 도관은 제1, 제2, 제3 및 제4 흐름을 제1, 제2, 제3 및 제4 고리로 개별적으로 주입하고, 여기서
제1 흐름은 제1 산소 공급원을 포함하고,
제2 흐름은 연료를 전달하기 위한 연료와 캐리어 가스의 혼합물을 포함하고,
제3 흐름은 제2 산소 공급원을 포함하고,
제4 흐름은 FGR을 포함하고,
여기서 환형 슈라우드 버너의 중심에는 점화기가 있고, 제4 고리 외부에는 퀄이 있다.
다른 실시예에서, 연료를 연소시키는 방법은:
환형 슈라우드 버너를 제공하는 단계,
제1 도관을 통해 제1 고리로 제1 O2 스트림을 공급하는 단계,
연료와 캐리어의 혼합물을 제2 도관을 통해 제2 고리에 공급하는 단계,
제3 도관을 통해 제3 고리에 제2 O2 스트림을 공급하는 단계,
제4 도관을 통해 FGR을 제4 고리에 공급하는 단계, 및
환형 슈라우드 버너의 중앙에 위치한 점화기를 사용하여 화염을 점화하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 높은 화염 온도 산소 연소 시스템은:
적어도 하나의 환형 슈라우드 버너,
연소를 위한 노,
공기 분리 유닛,
적어도 하나의 도관, 및
제어 시스템을 포함하고, 여기서 환형 슈라우드 버너는 도 4에 도시된 것과 유사한 열 프로파일 시그니처와 함께 적어도 4,000oF(2,204oC)의 피크 화염 온도를 제공하여, 환형 슈라우드 버너를 둘러싸는 시스템에 대한 복사열 및 잠재적 손상이 최소화하도록 구성된다.
또 다른 실시예에서, 높은 화염 온도 산소 연소 시스템을 작동시키는 방법이 제공되며, 여기서 상기 방법은:
연료, 캐리어 및 실질적으로 순수한 산소를 환형 슈라우드 버너에 공급하는 단계,
연료, 캐리어 및 실질적으로 순수한 산소를 연소시켜 화염을 발생시키는 단계-여기서, 화염은 도 4에 도시된 것과 유사한 복사 열 프로파일 특징을 가짐-,
높은 화염 온도 산소 연소 환형 슈라우드 버너로 보일러의 물을 가열하여 물을 증기로 변환하는 단계를 포함한다.
이들 및 다른 양태는 아래에서 보다 완전하게 설명된다.
도 1a 및 도 1b는 환형 슈라우드 버너(shroud burner)를 도시한다. 도 1a는 환형 슈라우드 버너의 일반적인 구성을 보여준다. 도 1b는 환형 슈라우드 버너의 4가지 특정 영역들, 특히 중앙 O2 포트, 연료 고리, 외부 O2 고리 및 국부 냉각을 위한 FGR 고리를 보여준다.
도 2a 내지 도 2c는 환형 슈라우드 버너의 다른 양태를 도시한다.
도 3은 높은 화염 온도 산소 연소 시스템의 공정 흐름도를 도시한다.
도 4는 역청탄(bituminous coal)을 연소할 때 4,572oF(2,522oC)의 피크 온도를 갖는 환형 슈라우드 버너에 대한 가스 온도 프로파일을 도시한다.
도 5는 피크 온도가 4,581oF(2,527oC)인 별개의 O2 포트를 갖는 산소 연소 버너에 대한 가스 온도 프로파일을 도시한다.
도 6은 아역청탄(sub-bituminous coal)을 연소할 때 4,133oF(2,278oC)의 피크 온도를 갖는 환형 슈라우드 버너에 대한 가스 온도 프로파일을 도시한다.
도 7은 퀄(quarl)이 환형 슈라우드 버너에 있고 버너가 단일 버너 모델인 퀄 표면 온도의 모델을 도시한다.
도 8은 버너가 단일 버너 모델인 버너의 가스 온도의 모델을 도시한다. 턴다운(turndown)은 전체 부하의 60%이지만 슈라우드 FGR 유량은 유지되었고 최고 온도는 4,251oF(2,344oC)이다.
도 9는 보일러 복사 및 대류 섹션에 대한 에너지 균형 요약을 도시한다.
도 10은 석탄을 연소시키는 높은 화염 온도 산소 연소 시스템의 공정 흐름도를 도시한다.
도 11은 단일 벽 연소 아임계(sub-critical) 보일러용 버너 유닛의 버너 레이아웃 및 지오메트리를 도시한다.
도 12는 단일 벽 연소 아임계 보일러에 대한 순 열 유속을 도시한다.
도 13은 단일 벽 연소 아임계 보일러에 대한 튜브 OD 표면 온도를 도시한다.
도 14는 단일 벽 연소 아임계 보일러에 대한 가스 온도를 도시한다.
도 15는 단일 벽 연소 아임계 보일러에 대한 O2 농도를 도시한다.
도 16은 단일 벽 연소 아임계 보일러에 대한 CO 농도를 도시한다.
도 17은 단일 벽 연소 아임계 보일러에 대해 NOx 값이 제어되지 않는(전체 시스템에서 NOx 제거 없음) NOx 농도를 도시한다.
도 18은 턴다운 후의 순 열 유속을 도시한다.
본 명세서에 개시된 주제는 희석되지 않은 산소 및 최소 연통 가스 재순환(FGR)을 사용하여 석탄을 연소시키도록 설계된 고온 화염 온도 산소 석탄 연소 시스템을 포함한다. 일 실시예에서, 시스템은 4,000°F(2,204oC)를 초과하는 피크 온도를 갖는 축 방향 제트 화염을 생성할 수 있는 4중 버너를 포함한다. 추가 실시예에서, 연소 구역 주위에 분포된 FGR의 양은 고온 화염으로부터 최적의 냉각 및 차폐를 보장하도록 조절될 수 있다. 본 명세서에서 슈라우드라고 하는 이 FGR 분포는 피크 화염 온도 영역을 둘러싸고 있다. 이 슈라우드는 극한의 온도와 열 유속으로 인한 버너 컴포넌트 및 버너 근처 표면의 손상을 방지하는 동시에 최고 화염 온도에 대한 영향을 최소화하는 기능을 한다.
다른 실시예에서, 복합 혼합 전략과 함께 희석되지 않은 지향성 산소를 사용하는 환형 슈라우드 버너 시스템은 안정적인 높은 화염 온도를 생성하는데 효과적이다. 이 기술을 스팀 발생에 의한 전력 생산과 같은 다양한 시스템에 적용하면 효율성이 증가하고 자본 비용이 절감되며 CO2 포집 및 격리가 개선되는 시스템이 만들어진다. 이 기술은 또한 신규 개발 분야 및/또는 기존 스팀 발생 발전소에 대한 개조로 사용될 수 있다. 이 기술의 장점은 발전 산업에만 국한되지 않는다. 순수한 산소로 석탄 연소를 향상시키는 것은 석탄이나 기타 화석 연료의 연소를 연료원으로 사용하는 모든 산업에 도움이 될 가능성이 있다.
본 발명은 이하의 본 발명의 상세한 설명 및 이에 포함된 실시예를 참조하면 보다 쉽게 이해될 수 있다.
본 시스템, 디바이스, 및/또는 방법이 추가로 개시 및 설명되기 전에, 달리 명시되지 않는 한 특정 방법으로 제한되지 않는 것으로 이해되어야 하며, 당연히 달라질 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정 양태를 설명하기 위한 것이며 제한하려는 의도가 아님을 이해해야 한다. 본 명세서에 기재된 것과 유사하거나 등가인 임의의 방법 및 재료가 본 발명의 실시 또는 시험에 사용될 수 있지만, 예시적인 시스템, 디바이스 및 방법이 이제 설명된다.
본 발명의 양태는 시스템 법정 클래스(statutory class)와 같은 특정 법정 클래스에서 설명 및 청구될 수 있지만, 이것은 단지 편의를 위한 것이며 본 발명의 각 양태가 임의의 법정 클래스에서 설명 및 청구될 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 본 명세서에 설명된 임의의 방법 또는 양태는 그 단계가 특정 순서로 수행되어야 하는 것으로 해석되지 않는다. 따라서, 방법 청구가 청구 범위 또는 설명에서 단계가 특정 순서로 제한되어야 한다고 구체적으로 명시하지 않은 경우, 어떤 점에서 든지 순서가 유추되도록 의도된 것은 아니다. 이것은 단계 또는 동작 흐름의 배열과 관련된 논리 문제, 문법적 구성이나 구두점에서 파생된 단순한 의미, 또는 사양에 설명된 양태의 수 또는 유형을 포함하여 해석을 위한 모든 가능한 비명시적 근거에 적용된다.
본 출원 전반에 걸쳐 다양한 간행물이 참조된다. 이들 간행물의 개시 내용 전체는 이에 관련된 최신 기술을 보다 완전하게 설명하기 위해 본 출원에 참고로 포함된다. 개시된 참고문헌은 또한 참고문헌에 의존하는 문장에서 논의된 내용에 포함된 자료에 대해 개별적으로 그리고 구체적으로 참고문헌으로 포함된다.
A. 정의
본 발명을 설명하는 데 사용되는 다양한 용어의 정의가 아래에 나열되어 있다. 이러한 정의는 특정 경우에 개별적으로 또는 더 큰 그룹의 일부로 달리 제한되지 않는 한 본 명세서 전체에서 사용되는 용어에 적용된다.
명세서 및 첨부된 청구범위에 사용된 바와 같이, 단수형("a", "an" 및 "the")은 문맥이 명백하게 달리 지시하지 않는 한 복수의 지시 대상을 포함한다.
범위는 본 명세서에서 "약" 하나의 특정 값 및/또는 "약" 다른 특정 값으로 표현될 수 있다. 이러한 범위가 표현될 때, 다른 양태는 하나의 특정 값 및/또는 다른 특정 값을 포함한다. 유사하게, 값이 근사치로 표현될 때, 선행사 "약"을 사용하여 특정 값이 또 다른 양태를 형성함을 이해할 것이다. 각각의 범위의 종점은 다른 종점과 관련하여 그리고 다른 종점과는 독립적으로 모두 중요하다는 것이 더 이해될 것이다. 본 명세서에 다수의 값이 개시되어 있고, 각각의 값은 또한 그 값 자체에 추가하여 그 특정 값 "약"으로서 본 명세서에 개시되어 있음을 이해해야 한다. 예를 들어 값 "10"이 개시되면 "약 10"도 포함된다. 2개의 특정 유닛들 사이의 각각의 유닛이 또한 개시되는 것으로 이해된다. 예를 들어 10과 15가 개시되면 11, 12, 13, 14도 포함된다. 또한, 본 명세서에 사용된 바와 같이, 값을 언급할 때 용어 "약"은 명시된 양으로부터 일부 실시예에서 ± 20%, 일부 실시예에서 ± 15%, 일부 실시예에서 ± 10%, 일부 실시예에서 ± 5%, 일부 실시예에서 ± 1%, 일부 실시예에서 ± 0.5%, 및 일부 실시예에서 ± 0.1%의 변형을 포함하는 것을 의미하고, 이러한 변형은 개시된 방법을 수행하거나 개시된 조성물을 사용하는 데 적절하다.
값의 범위가 제공되는 경우, 문맥에서 달리 명시하지 않는 한, 범위의 상한과 하한 사이의 하한 단위의 10분의 1까지의 각 중간 값과 해당 범위의 다른 언급 또는 중간 값이 포함된다는 것이 이해된다. 더 작은 범위에 독립적으로 포함될 수 있는 이러한 작은 범위의 상한 및 하한도 포함되며, 명시된 범위에서 구체적으로 제외된 제한이 적용된다. 명시된 범위가 제한 중 하나 또는 둘 다를 포함하는 경우 포함된 제한 중 하나 또는 둘 다를 제외한 범위도 포함된다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "선택적" 또는 "선택적으로"는 이후에 설명되는 이벤트 또는 상황이 발생할 수 있거나 발생할 수 없음을 의미하고, 설명은 상기 이벤트 또는 상황이 발생하는 경우 및 발생하지 않는 경우를 포함한다.
본 명세서에 사용된 용어 "포함하는"(및 그 문법적 변형)은 "로 구성된"의 배타적 의미가 아니라 "갖는" 또는 "포함하는"의 포괄적인 의미로 사용된다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "연료"는 연소 목적에 적합한 임의의 연료를 지칭한다. 예를 들어, 본 개시는 다음을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 유형의 연료와 함께 사용될 수 있다: 천연 가스, 수소, 정제소 오프 가스, 정제소 연료 가스, 고로 가스, 프로판, 연료유, 석탄(예를 들어, 이탄, 무연탄, 반무연탄, 슈퍼 무연탄, 역청탄, 아역청탄, 반역청탄 및 갈탄); 타르; 역청; 석유 코크스; 제지 공장 슬러지 고형물 및 하수 슬러지 고형물; 목재; 이탄; 잔디; 및 조합 및 모든 연료의 혼합물.
본원에 사용된 용어 "산소"는 약 30mol% 초과; 일반적으로 약 90 mol% 초과의 O2 농도를 갖는 산화제를 지칭하며 산소 FGR을 포함한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 산소/석탄 연소라는 용어는 산소 중 석탄 연소를 의미하며, 공기/석탄 연소라는 용어는 공기 중 석탄 연소를 의미하며, 산소/연료 연소라는 용어는 산소에서의 연료 연소를 의미하며, 공기/연료 연소라는 용어는 공기 중 연료 연소를 의미한다.
본원에 사용된 용어 "O2 스트림"은 적어도 90mol%의 산소인 산소(O2)의 스트림을 지칭한다.
본원에 사용된 용어 "실질적으로 순수한 산소"는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 원하는 연소 및 부산물에 대한 연료 및 산소의 정확한 비율을 제공하는 데 필요한 산소의 순도를 지칭한다. 실질적으로 순수한 산소의 비제한적인 예는 90% 또는 99% 순수함이다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "연소 유체"는 연소 생성물로부터 형성 및/또는 혼합된 유체를 지칭하며, 이는 복사 및 대류 열 전달에 사용될 수 있다. 이 용어는 연소 생성물에 제한되지 않고 연소 시스템의 적어도 일부와 혼합되거나 달리 이를 통해 이동하는 유체를 포함할 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "재순환된 연통 가스" 또는 "RFG"라는 용어는 시스템의 임의의 부분으로 재순환되는 대류 섹션을 따라(단부를 포함하여) 임의의 적합한 위치에서 나가는 유체를 지칭한다. 원하는 경우, 산소는 임의의 적절한 위치에서 RFG에 추가될 수 있다(예를 들어, RFG는 버너 및/또는 예비연소기로 도입되기 전에 최대 30mol%의 O2를 포함할 수 있음).
본 명세서에 사용된 바와 같이, "연통 가스 재순환" 또는 "FGR"이라는 용어는 연소 유체가 재활용된 연통 가스로 재순환되도록 하는 구성을 지칭한다. 임의의 적절한 연통 가스 공급원이 사용될 수 있지만(이에 한정되지 않고 인접 또는 별개의 공정으로부터의 연통 가스를 포함함), 일반적으로 연통 가스는 본 발명의 시스템의 사용으로 인한 연소 생성물을 포함한다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "예비연소기"라는 용어는 버너 또는 노에 들어가기 전에 버너 스트림이 혼합되고 점화되는 장치를 지칭한다. 존재하는 경우, 예비연소기는 버너 앞에 물리적으로 위치할 수 있다. 이러한 예비연소기의 예는 미국 특허 제9,243,799호에 개시되어 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "도관" 또는 "파이프"라는 용어는 상호교환적으로 사용되며 연료, O2 스트림, 또는 다른 물질을 한 영역에서 다른 영역으로 운반하기 위한 통로를 지칭한다.
B. 환형 슈라우드 버너
a. 버너 설계
본 명세서에서 환형 슈라우드 버너(annular shroud burner)로 지칭되는 높은 화염 온도 산소 연소 버너가 본 명세서에 개시되어 있다. 도면을 참조하면, 환형 슈라우드 버너의 일 실시예가 도 1a 및 1b에 도시되어 있다. 더 구체적으로, 도 1b는 O2 내부 고리(301), 그 다음 석탄용 연료 고리(302), 그 다음 O2 외부 고리(303), 마지막으로 외부 연통 가스 재순환(FGR) 고리(304)가 있는 4중 동심 버너 디자인을 가진 고리형 슈라우드 버너를 도시한다. 외부 FGR 고리(304)는 고온 화염으로부터의 부정적인 영향을 최소화하면서 국부 냉각을 제공한다. 이러한 부정적인 영향은 화염 형상이나 온도의 변화를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, FGR 고리(304)는 본 명세서에서 슈라우드(shroud)로 지칭되는 가스 스트림을 생성한다. 환형 슈라우드 버너는 또한 퀄(quarl)(305)을 포함한다.
퀄(305)은 연소 과정 동안 열 확산을 위한 주요 표면을 제공한다. 일 실시예에서, 퀄은 고온 작업을 위해 설계되고 연료와 산화제가 주입되는 노 벽을 관통한다. 퀄은 버너 면에서 노 내부 벽까지 뻗어 있는 발산하는 원뿔 형상일 수 있다. 의 모양은 재순환 구역들을 통해 공기 역학적 화염 안정화를 허용한다. 일 실시예에서, 퀄은 열 확산을 위한 표면을 제공하고, 결과적으로 버너에 가까운 표면으로의 열 유속을 감소시킨다. 일 실시예에서, 퀄은 환형 슈라우드 버너로 달성되는 높은 화염 온도로부터 주변 재료의 추가적인 보호를 제공한다.
본 명세서에 보다 상세하게 개시되어 있는 바와 같이, 다중 레지스터(multi-register) 환형 슈라우드 버너는 열 방출 및 열 유속이 확장되어 화염 안정성을 유지하면서 버너 부근의 표면에 대한 손상을 방지하도록 한다. 구체적으로, 외부 FGR 고리(304)는 버너 및 버너 근처 표면에 적절한 냉각을 제공할 수 있으며, 동시에 산업용 노에서 통상적으로 사용되는 재료의 허용 한계 내에서 표면 온도를 유지한다. 따라서 이 환형 슈라우드 버너는 4,000°F(2,204oC)를 초과하는 높은 화염 온도를 제공하는 동시에 높은 열 유속으로 인해 발생하는 버너 컴포넌트 및 노 내부 표면의 손상을 방지한다.
환형 슈라우드 버너의 결과적인 기능적 양태는 높은 화염 온도 또는 버너 주변 시스템에 악영향을 미치지 않으면서 연소 과정에서 최대량의 에너지를 추출(생성물의 연소로 인한 열전달의 형태로)한다는 것이다. 따라서 더 높은 화염 온도를 최대한 효과적으로 사용할 수 있다. 예를 들어, 환형 슈라우드 버너는 보다 전통적인 버너 디자인과 비교할 때, 원하지 않는 영역으로의 원치 않는 복사열 유속이 없이 연소 생성물로부터 원하는 영역(예를 들어, 보일러 튜브 및/또는 작동 유체)으로 훨씬 더 많은 열 전달을 제공한다.
본 명세서에 개시된 환형 슈라우드 버너로 관찰된 다른 이점은 다음과 같다: 연료, 산소 및 연통 가스의 도입의 용이성; 이전 버너 설계보다 단순한 설계; 유량 및 가스 소스와 같은 많은 특성의 제어 용이성 개선; 복사열 전달 및 효율을 향상시키는 고온 화염; 효율성을 최대화하기 위해 화염 온도 영향을 최소화하는 새로운 슈라우드 냉각 설계; 복사 열 유속 감소; 피크 화염 온도, 화염 형상 및 안정성과 같은 개선된 화염 특성; 및 재생 연통도 가스를 사용하는 능력.
온도가 증가함에 따라 복사 열전달은 T4에 비례하는 것으로 알려져 있으며, 여기서 T는 화염 온도이다. 따라서, 미국 특허 제9,353,945호에 기술된 바와 같이, 화염 온도가 증가함에 따라 복사 열 전달이 증가하여 전체 시스템 효율이 증가한다.
일 실시예에서, 도 2a 및 2b에 개략적으로 도시된 바와 같이, 환형 슈라우드 버너가 있다. 도 2a는 4개의 레지스터들을 갖는 환형 슈라우드 버너의 실시예를 도시한다. 도 2b는 연료(310), FGR(320), O2(331) 및 O2(336)를 갖는 동일한 환형 슈라우드 버너를 도시한다. 연료(310)는 FGR 도관(312)을 통해 FGR 고리(304)로 흐른다. O2(331)는 도관(330)을 통해 O2 내부 고리(301)로 흐른다. O2(336)는 도관(335)을 통해 O2 외부 고리(303)로 흐른다. FGR(320)은 도관(325)을 통해 FGR 고리(304)로 흐른다. 도 2c는 연료(310), FGR(320), 및 O2(331) 및 O2(336)에 대한 배출 포인트들을 갖는 환형 슈라우드 버너의 정면도를 도시한다.
일 실시예에서, 환형 슈라우드 버너 흐름도가 도 3에 도시되어 있다. 버너의 중심에는 점화기(ignitor)(315)가 위치한다. 일 실시예에서, 석탄과 같은 연료(310)는 캐리어(311)와 결합되고 내부 고리(301)로 공급되는 도관(312)을 통해 버너로 도입된다. 일 실시예에서, 캐리어(311)는 재순환된 연통 가스이다. 추가 실시예에서, 재순환 연통 가스는 처리된 재순환 연통 가스이며, 여기서 처리된 재순환 연통 가스는 CO2 포집 공정의 일부로서 탈수되고 불순물이 제거된다. 환형 슈라우드 버너의 별도 부분에서 FGR(320)은 FGR 도관(321)을 통해 공급되며, 이는 도관(325)을 통해 FGR 고리(304)로 공급된다. 추가 실시예에서, 산소는 연통 가스와 혼합된다.
일 실시예에서, O2 도관은 2개의 개별 경로들을 공급한다. 하나의 경로는 도관(330)을 통해 O2 내부 고리(301)로 희석되지 않은 O2 스트림을 공급한다. 다른 경로에서, 희석되지 않은 O2 스트림은 도관(335)을 통해 O2 외부 고리(303)로 전달되며, 이는 연료 도관(312)의 바로 외부에 있다(연료 고리(302)로 이어짐). 일 실시예에서, O2 스트림들은 동일한 소스로부터 파생된다. 다른 실시예에서, O2 스트림들은 대체 소스들로부터 파생된다. 일 실시예에서, O2 외부 고리(303)는 연료 고리(302)와 FGR 고리(304) 사이에 위치된다. 바람직한 실시예에서, O2 스트림은 연료 고리(302)로 이어지는 연료(310)의 양 측들에 있다. 이 구성은 향상된 화염 안정성 및 제어를 제공한다. 희석된 O2 스트림과 대조적으로, 일 실시예에서 사용되는 희석되지 않은 O2 스트림은 피크 화염 온도가 4,000oF(2,204oC)를 초과할 수 있도록 한다.
일 실시예에서, 연료(310)는 화석 연료일 수 있다. 화석 연료는 석유, 석탄 및 천연 가스를 포함한다. 일 실시예에서, 연료(310)는 석탄일 수 있다. 석탄은 이탄, 무연탄, 반무연탄, 슈퍼 무연탄, 역청탄, 아역청탄, 반역청탄 또는 갈탄일 수 있다. 참고로 2010년 미국 석탄 생산량을 석탄 종류별로 더 설명하면 다음과 같다. 톤수별 생산량은 역청 45%, 아역청 47%, 갈탄 7%, 무연탄 0.2%을 포함하였다. 총에너지별 생산량은 역청 54%, 아역청 41%, 갈탄 4.7, 무연탄 0.3%였다. 일 실시예에서, 연료는 역청탄 또는 아역청탄이다.
연료, 산소 및 재순환된 연통 가스는 종래의 장치 및 방법에 따라 각각의 도관 또는 파이프에 연결되고 공급된다. 각 스트림은 연료가 산화제와 반응하고 슈라우드 FGR이 온도 보호막으로 작용하는 연소 구역(350)으로 직접 공급된다. 환형 슈라우드 버너에서 산소와 연료가 반응하면 연료가 연소된다. 산소와 연료 반응은 외부 소스에서 흡수된 열이나 점화기 또는 파일럿 화염과 같은 별개의 에너지 소스에 의해 시작될 수 있다. 일 실시예에서, 산소 및 연료 반응은 점화기(315)에 의해 개시된다. 일 실시예에서, 점화기(315)는 환형 슈라우드 버너의 중심에 위치된다.
연료 전달을 위한 추진력(motive force)을 공급하는 것 외에도, FGR(320)은 FGR 고리(304)로 향할 수 있으며, 이는 생성된 높은 열 유속으부터 버너 내부 및 버너 근처 표면을 보호한다. 노로 들어가는 각 스트림의 유입구는 생성된 화염이 노에서 연료와 O2의 혼합 속도를 확장하는 축 방향 제트(axial jet)가 되도록 구성된다. 결과적인 열 방출 프로파일은 소용돌이 및/또는 무딘 오브젝트를 포함하는 연료와 산화제를 빠르게 혼합하도록 구성된 다른 버너 설계와 비교하여 신장(elongation)을 통해 확장된다. 이 확장된 열 방출 프로파일은 고온 화염에 의해 생성되는 강렬한 복사 유속로부터 보호한다.
추가 실시예에서, 환형 슈라우드 버너는 연료 흐름에 대한 FGR 흐름의 비율과 O2 흐름에 대한 연료 흐름의 비율을 제어하는 데 필요한 대로 연료의 흐름, FGR의 흐름 및 O2의 흐름을 개별적으로 조절하는 제어 방식을 포함한다.
O2 스트림의 유속은 유속이 약 25ft/s 내지 약 125ft/s 범위에 있도록 제어된다. 일 실시예에서, 유속은 30 내지 110 ft/s, 40 내지 90 ft/s, 또는 50 내지 70 ft/s의 범위에 있다. 일 실시예에서, 유속은 약 30 ft/s, 40 ft/s, 50 ft/s, 60 ft/s, 70 ft/s, 80 ft/s, 90 ft/s, 또는 100 ft/s보다 크다. 일 실시예에서, 유속은 약 30 ft/s, 35 ft/s, 40 ft/s, 45, ft/s, 50 ft/s, 55 ft/s, 60 ft/s, 65 ft/s, 70 ft/s, 75 ft/s, 80 ft/s, 85 ft/s, 90 ft/s, 95 ft/s, 100 ft/s, 105 ft/s, 또는 110 ft/s이다.
일 실시예에서, O2 스트림 중 산소의 백분율은 적어도 90% 산소일 수 있다. 실시예에서, O2 스트림은 적어도 약 91%, 적어도 약 92%, 적어도 약 93%, 적어도 약 94%, 적어도 약 95%, 적어도 약 96%, 적어도 약 97%, 적어도 약 98%, 적어도 약 99%, 적어도 약 99.5%, 적어도 약 99.6%, 적어도 약 99.7%, 적어도 약 99.8%, 또는 적어도 약 99.9%의 산소일 수 있다. O2 스트림은 90%에서 100%, 95%에서 100%, 97%에서 100%, 98%에서 100%, 또는 99%에서 100% 사이의 산소를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, O2 스트림은 91% 내지 99.5%, 92% 내지 99%, 93% 내지 98%, 또는 94% 내지 97%의 산소를 함유할 수 있다.
화염 온도를 제어하기 위해 O2 스트림의 산소 비율이 조정될 수 있다. 일 실시예에서, 희석되지 않은 O2 스트림의 사용은 환형 슈라우드 버너의 피크 화염 온도가 4,000oF보다 더 크도록 허용한다. 대조적으로, O2 스트림이 다른 가스로 희석되거나 90% 미만의 산소를 포함하는 경우 4,000oF 이상의 피크 화염 온도를 얻을 수 없다.
1차 연료의 유속은 유속이 약 20ft/s 내지 약 150ft/s 범위에 있도록 제어된다. 일 실시예에서, 유속은 30 내지 125 ft/s, 40 내지 100 ft/s, 또는 50 내지 75 ft/s의 범위에 있다. 일 실시예에서, 유속은 약 30 ft/s, 40 ft/s, 50 ft/s, 60 ft/s, 70 ft/s, 80 ft/s, 90 ft/s, 100 ft/s, 110 ft/s, 120 ft/s, 130 ft/s, 또는 140 ft/s보다 크다. 일 실시예에서, 유속은 약 30 ft/s, 35 ft/s, 40 ft/s, 45, ft/s, 50 ft/s, 55 ft/s, 60 ft/s, 65 ft/s, 70 ft/s, 75 ft/s, 80 ft/s, 85 ft/s, 90 ft/s, 95 ft/s, 100 ft/s, 105 ft/s, 110 ft/s, 115 ft/s, 120 ft/s, 125 ft/s, 130 ft/s, 135 ft/s, 140 ft/s, 145 ft/s, 또는 150 ft/s이다. 일 실시예에서, 연료 스트림의 유속은 사용된 연료의 유형과 직접적으로 관련이 있다. 일 실시예에서, 연료 유속은 화염이 발생하는 위치의 변화를 초래할 수 있다. 일 실시예에서, 화염은 버너 면에서 시작된다. 다른 실시예에서, 화염은 버너 면으로부터 멀어지는 위치에서 시작된다. 환형 슈라우드 버너가 연료 처리 공장 및 보일러 부근에 설치된 경우, 이것은 화염 발생 지점이 버너 면에서 보일러 쪽으로 이동함에 따라 보여진다.
일 실시예에서, 캐리어 내 산소의 백분율은 0% 내지 30% 산소이다. 실시예에서, 산소의 백분율은 0% 내지 3%, 3% 내지 10%, 10% 내지 20%, 또는 20% 내지 30%일 수 있다. 대안적인 실시예에서, 산소의 백분율은 약 3% 내지 25%, 약 5% 내지 20%, 약 10% 내지 15%, 또는 10% 내지 23.5%이다. 실시예에서, 산소의 백분율은 약 0%, 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 10%, 15%, 20%, 23.5%, 25%, 또는 30%이다. 일부 실시예에서, 산소의 백분율은 적어도 약 1%, 적어도 약 5%, 적어도 약 10%, 적어도 약 15%, 적어도 약 20%, 또는 적어도 약 23.5%이다. 일 실시예에서, 산소의 백분율은 약 30% 미만, 약 23.5% 미만, 약 20% 미만, 약 15% 미만, 약 10% 미만, 약 5% 미만, 약 3% 미만, 또는 약 1% 미만이다. 존재하는 산소의 양은 목표 피크 화염 온도에 영향을 미친다. 실시예에서, 산소의 백분율은 가변적이며, 예를 들어 산소의 백분율은 일정 기간 동안 23.5%이고 그 다음 산소의 백분율이 감소되며, 여기서 이러한 감소는 약 0% 산소가 될 수 있다.
고순도 산소(>95%)를 사용하면 공기 연소 버너와 비교할 때 몇 가지 장점이 있다. 장점 중 하나는 보일러 시스템에 배치될 때 산소 연료 연소로 인해 보일러가 기존 보일러보다 물리적으로 작아질 수 있다는 것이다. 즉, 공기가 아닌 산소를 산화제(연소제)로 사용하기 때문에, 전체 산화제를 연소에 사용할 수 있고 보일러에 유입되는 가스의 양이 산화제로 공기를 사용하는 경우 필요한 것보다 적다(최대 21% 더 적음). 따라서 공기보다 실질적으로 고순도 산소를 사용하기 때문에 보일러는 상당히 작을 수 있다.
추가적인 O2 스트림이 있거나 없는 FGR 스트림(320)의 유속은 유속이 약 10ft/s 내지 약 75ft/s의 범위에 있도록 제어된다. 일 실시예에서, 유속은 10 내지 30 ft/s, 30 내지 50 ft/s, 또는 50 내지 75 ft/s의 범위에 있다. 일 실시예에서, 유속은 약 10 ft/s, 20 ft/s, 30 ft/s, 40 ft/s, 50 ft/s, 또는 60 ft/s보다 크다. 일 실시예에서, 유속은 약 10 ft/s, 15 ft/s, 20 ft/s, 25 ft/s, 30 ft/s, 35 ft/s, 40 ft/s, 45 ft/s, 50 ft/s, 55 ft/s, 60 ft/s, 65 ft/s, 70 ft/s, 또는 75 ft/s이다.
일 실시예에서, FGR 스트림(320)에서 FGR의 백분율은 적어도 90%일 수 있다. 실시예들에서, FGR은 적어도 약 91%, 적어도 약 92%, 적어도 약 93%, 적어도 약 94%, 적어도 약 95%, 적어도 약 96%, 적어도 약 97%, 적어도 약 98%, 적어도 약 99%, 적어도 약 99.5%, 적어도 약 99.6%, 적어도 약 99.7%, 적어도 약 99.8%, 또는 적어도 약 99.9%일 수 있다. FGR 스트림은 90% 내지 100%, 95% 내지 100%, 97% 내지 100%, 98% 내지 100%, 또는 99% 내지 100% 산소를 함유할 수 있다. 일부 실시예에서, FGR 스트림은 91% 내지 99.5%, 92% 내지 99%, 93% 내지 98%, 또는 94% 내지 97% 산소를 함유할 수 있다.
일 실시예에서, 산소 대 연료 비율은 변경될 수 있다. 이 비율은 산소 공급의 순도와 연료의 특성에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 산소가 100% 순수한 일 실시예에서, 산소/연료 비율은 약 2:1일 수 있다. 당업자는 비율이 연료 및 산소의 순도에 따라 변할 수 있고 비율이 그에 따라 조정될 수 있음을 이해할 것이다. 일 실시예에서, 산소 대 연료의 비는 약 1:1, 약 1.5:1, 약 2:1, 약 2.5:1, 또는 약 3:1이다.
연료에 대한 산소의 비율은 많은 이점을 제공한다. 예를 들어, 대략적인 화학량론적 비율은 연료의 완전 연소를 제공하므로 NOx 및 기타 유해 배출물과 같은 불순물의 부피가 상당히 작아진다. 또한, 연료에 대한 산소의 비율을 정확하게 제어함으로써 연료의 완전 연소를 용이하게 한다.
일 실시예에서, 도관들(312, 325, 330, 335)은 전술한 것과 상이한 스트림들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 연료 도관(312)은 연료 스트림보다는 O2 스트림을 포함할 수 있다. 대안적인 실시예에서, O2 도관(330)은 연료 스트림을 포함할 수 있다. 이러한 예는 환형 슈라우드 버너에서 다양한 도관들을 통해 대체 스트림을 공급하는 것이 가능하기 때문에 제한하려는 의도가 아니다.
본 명세서에 개시된 환형 슈라우드 버너는 단순성 측면에서 뿐만 아니라 O2 및 FGR 분포의 균일성 측면에서 이점을 제공하는 설계를 제공한다. 일 실시예에서, 설계는 개별 O2 및 FGR 포트들을 환형 레지스터들로 대체함으로써 O2 및 FGR의 전달을 단순화한다. 따라서, 일 실시예에서, 환형 슈라우드 버너는 다중 레지스터 축방향 제트 버너로 설명될 수 있으며, 이는 열 방출 및 열 유속이 확장되어 버너 근처 표면의 손상을 방지하면서 안정적인 화염을 생성할 수 있도록 한다. 또한, FGR의 외부 고리(304)는 버너 및 버너 근처 표면에 적절한 냉각을 제공할 수 있으며, 따라서 산업 용광로에서 일반적으로 사용되는 재료의 허용 한계 내에서 표면 온도를 유지한다.
추가 실시예에서, 환형 슈라우드 버너는 예비연소기를 포함하지 않는다.
대안적인 실시예에서, FGR은 O2 스트림들 중 하나에 추가될 수 있다.
추가 실시예에서, 스트림들(310, 320, 331, 및/또는 336)은 공기와 관련된 질소의 포함을 피한다. 실시예에서, 스트림들(310, 320)은 약 20% 미만, 약 15% 미만, 약 10% 미만, 약 5% 미만, 또는 약 1% 미만의 공기를 포함할 수 있다. 실시예에서, 스트림들(310, 320, 331, 및/또는 336)은 약 0%의 공기를 포함한다.
b. 환형 슈라우드 버너의 화염 특성
4,000°F(2,204°C) 이상의 화염 온도를 생성하도록 설계된 소성 시스템(firing system)은 높은 열 유속으로 인해 발생하는 버너 컴포넌트 및 로 내부 표면의 손상을 방지하도록 구성되어야 한다. 본 문에서 개시된 환형 슈라우드 버너는 슈라우드라고 하는 더 차가운 가스 흐름으로 높은 화염 온도 영역을 둘러싸서 이러한 목표를 달성한다. 슈라우드가 있으면 기존 버너 설계와 비교할 때 주변 시스템이 높은 열 유속에 노출되는 것을 줄이고 손상을 줄인다.
본 명세서에 더 자세히 설명된 바와 같이 산소 석탄 연소 조건 하에서 희석되지 않은 산소 투입량에 대한 열 유속 데이터가 있다. FGR이 최소인 지향된 희석되지 않은 산소를 사용하는 대기 산소 석탄 시스템에 대한 설계 고려 사항은 버너 공기 역학의 함수로서 적절한 복사 열 전달 프로파일에 대한 이해가 포함되어야 한다.
높은 화염 온도 산소 탄소 연소 유닛에서 열 전달 및 표면 온도를 정확하게 예측하기 위한 모델이 본 명세서에서 설명된다. 열 전달과 표면 온도는 산소 석탄 연소 어플리케이션이 의존하는 중요한 매개변수이다. 이러한 예측 모델을 사용하면 메커니즘 개발 및 전산 유체 역학(CFD) 모델링과 결합된 다중 규모 실험을 평가할 수 있다. 모델은 대기압에서 높은 화염 온도의 산소 석탄 연소 동안 화염 거동, 열 전달, 재 침적(ash deposition) 및 재 화학(ash chemistry)을 특성화하고 예측하는 데 사용된다.
예측 CFD 모델은 다양한 배열로 30MWt 버너에 적용된 버너 설계를 평가하는 데 사용되었다. 일 실시예에서, 배열은 이들 버너들 중 4개가 장착된 전방벽 연소 증기 보일러를 포함한다. 환형 슈라우드 버너의 열 방출 프로파일은 개별 포트들이 있는 버너의 열 방출 프로필과 다르다.
도 4 및 5는 개별 포트들을 갖는 보다 통상적인 버너(도 5) 및 환형 슈라우드 버너(도 4)에 대한 화염 형상의 상세한 비교를 도시한다. 도 4에서 볼 수 있듯이 환형 슈라우드 버너는 신장된 열 방출 프로파일을 생성하며, O2, 연료, O2 및 FGR의 동심 레지스터들로 인해 연료와 O2 사이의 혼합 속도가 느려지는 반면 연통 가스 재순환의 외부 레지스터는 상대적으로 시원한 조건의 외부 엔벨로프를 생성한다. 결과적인 열 프로파일 시그니처는 소스에 의존하는 상이한 화염 온도를 가진 개별 밴드들을 보여준다. 예를 들어, 실시예에서, 내부 O2 스트림 화염은 화염 영역(361)을 생성하고, 연료는 화염 영역(362)을 생성하고, 외부 O2 스트림은 화염 영역(363)을 생성하고, FGR 스트림은 화염 영역(364)(슈라우드)을 생성한다. 이 실시예에서 피크 화염 온도는 4,572oF(2,522oC)이다. 슈라우드(364)의 온도는 약 2,000oF(1,093oC)와 3,000oF(1,649oC) 사이로 상당히 낮다. 슈라우드(364)는 고온 화염 영역들(361, 362, 363)을 둘러싸고, 이에 의해 주변 물질을 주로 더 차가운 슈라우드 화염 영역(364)에만 노출시킨다. 따라서, 높은 열 유속에 대한 이러한 주변 물질의 노출은 당업계에 현재 알려진 버너와 비교할 때 크게 감소된다.
대조적으로, 도 5에서 도시된 바와 같이, 기존 버너 중심선에서 동일한 반경 방향 거리에 있는 고속 및 저속 가스의 교대 영역들은 개별 포트들이 있는 설계에서 혼합 속도를 가속화한다. 구체적으로, 화염 영역(373)은 화염의 중심으로부터 반경방향으로 연장되는 고온 영역이다. 이 방사상 확장은 주변 시스템으로의 열 유속을 증가시켜 해당 시스템의 손상을 증가시킨다.
본 명세서에 설명된 실험은 산소 석탄 연소 조건에서 희석되지 않은 산소 투입량에 대한 열 유속 데이터를 제공한 최초의 실험이다. 이것은 CFD 시뮬레이션 코드에서 열 전달 상관 관계를 검증하는 데 사용될 수 있도록 충분히 잘 정의된 조건에서 수행되었다. 프로그램의 선택된 테스트 조건에 대한 복사 열 유속 데이터로 확증된 CFD 모델 예측은 느린 혼합과 함께 축 방향 화염을 사용하는 공기역학적 스테이징이 노 벽과 버너 컴포넌트에 과도한 열 유속을 피하기 위해 노에서 방출되는 열을 충분히 확장함을 시사한다. 또한 지연된 혼합과 높은 피크 화염 온도가 반드시 상호 배타적인 것은 아님이 밝혀졌다. 즉, 열 방출을 확장하여 용광로의 더 넓은 영역에 열 유속을 분산시키는 동시에 4,000°F(2,204°C)를 초과하는 화염 온도를 달성할 수 있다.
이에 따라 더 큰 규모의 시스템을 모델링하기 위한 접근 방식은 테스트 노의 규모를 훨씬 능가하는 규모에서 적용되는 기술에 적합한 설계를 수립하기 위한 복사 열 유속의 정량화를 포함된다. 화염 거동과 열 방출 및 열 유속에 대한 관련 프로파일에 대한 버너 설계의 영향을 평가하기 위해 민감도 분석이 수행되었다. 다양한 정도의 복잡성으로 여러 설계 구성이 시뮬레이션되었다. 하나의 케이스에서, 설계는 O2를 도입하기 위한 개별 포트들과 함께 연료를 전달하는 데 사용되는 O2 농축 모티브 FGR이 있는 축 방향 제트 버너를 기반으로 한다. 이 시스템에서 버너와 노 벽들에 대한 열 유속은 수용할 수 없을 정도로 높다.
대조적으로, 본 명세서에 설명된 바와 같이, 새로운 슈라우드 디자인의 사용을 통해 비-모티브(non-motive) 보조 FGR을 도입함으로써 감소된 열유속으로 4,000°F(2,204°C) 이상의 목표 피크 온도를 동시에 유지할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 보조 FGR은 버너 덮개에 도입되어 국소 냉각을 제공하고 버너 표면 온도가 허용 한계를 초과하는 것을 방지한다. 고리는 재순환 가스를 버너에 가깝게 유지하고 인접한 핫스팟에서 복사된 열을 흡수하는 비교적 낮은 속도의 흐름을 달성할 수 있는 크기이다.
실시예에서, 피크 화염 온도는 약 4,000oF(2,204oC) 내지 약 5,000oF(2,760oC), 약 4,100oF(2,260oC) 내지 약 4,900oF(2,704oC), 약 4,200oF(2,316oC) 내지 약 4,800oF(2,649oC), 약 4,300oF(2,371oC) 내지 약 4,700oF(2,593oC), 또는 약 4,400oF(2,427oC) 내지 약 4,600oF(2,538oC) 범위이다. 다른 실시예에서, 피크 화염 온도는 약 4,000oF(2,204oC) 내지 약 4,100oF(2,260oC), 약 4,100oF(2,260oC) 내지 약 4,200oF(2,316oC), 약 4,200oF(2,316oC) 내지 약 4,300oF(2,371oC), 약 4,300oF(2,371oC) 내지 약 4,400oF(2,427oC), 약 4,400oF(2,427oC) 내지 약 4,500oF(2,482oC), 약 4,500oF(2,482oC) 내지 약 4,600oF(2,538oC), 약 4,600oF(2,538oC) 내지 약 4,700oF(2,593oC), 약 4,700oF(2,593oC) 내지 약 4,800oF(2,649oC), 약 4,800oF(2,649oC) 내지 약 4,900oF(2,704oC), 약 4,900oF(2,704oC) 내지 약 5,000oF(2,760oC) 범위이다. 다른 실시예에서, 피크 화염 온도는 적어도 약 4,000oF(2,204oC), 적어도 약 4,100oF(2,260oC), 적어도 약 4,200oF(2,316oC), 적어도 약 4,300oF(2,371oC), 적어도 약 4,400oF(2,427oC), 적어도 약 4,500oF(2,482oC), 적어도 약 4,600oF(2,538oC), 적어도 약 4,700oF(2,593oC), 적어도 약 4,800oF(2,649oC), 또는 적어도 약 4,900oF(2,704oC)이다. 일부 실시예에서, 최대 화염 온도는 약 4,000oF(2,204oC), 약 4,050oF(2,232oC), 약 4,100oF(2,260oC), 약 4,150oF(2,288oC), 약 4,200oF(2,316oC), 약 4,250oF(2,343oC), 약 4,300oF(2,371oC), 약 4,350oF(2,399oC), 약 4,400oF(2,204oC), 약 4,450oF(2,454oC), 약 4,500oF(2,482oC), 약 4,550oF(2,510oC), 약 4,600oF(2,538oC), 약 4,650oF(2,566oC), 약 4,700oF(2,593oC), 약 4,750oF(2,621oC), 약 4,800oF(2,649oC), 약 4,850oF(2,677oC), 약 4,900oF(2,704oC), 약 4,950oF(2,732oC) 또는 약 5,000oF(2,760oC)이다. 일 실시예에서, 피크 화염 온도는 약 4,572oF(2,522oC), 4,581oF(2,527oC), 4,133oF(2,278oC), 4,251oF(2,344oC) 또는 4,033oF(2,223oC)이다.
c. 환형 슈라우드 버너의 물리적 특성
본 명세서에 개시되는 바와 같이, 채용된 시스템에서 사용하기에 적합한 치수 및 조성으로 구성된 환형 슈라우드 버너가 개시된다. 하기 치수 및 조성은 단지 예로서 제공되며 본 명세서에 개시된 바와 같은 환형 슈라우드 버너를 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
점화기(315)는 약 2 내지 약 6인치의 외부 직경을 갖는다. 일 실시예에서, 점화기는 약 4인치의 외부 직경을 갖는다.
O2 내부 고리(301)는 내부 직경과 외부 직경을 갖는다. 실시예에서, 외부 직경이 내부 직경보다 크다면, 내부 직경은 약 4 내지 약 6인치 범위이고 외부 직경은 약 5 내지 약 7인치 범위이다. 실시예에서, 내부 직경은 약 5 또는 5.3인치이고 외부 직경은 약 6 또는 6.3인치이다.
연료 고리(302)는 내부 직경 및 외부 직경을 갖는다. 실시예들에서, 외부 직경이 내부 직경보다 크다면, 내부 직경은 약 10 내지 약 15인치 범위이고 외부 직경은 약 12 내지 약 17인치 범위이다. 실시예에서, 내부 직경은 약 13, 13.5, 13.6 또는 14인치이고 외부 직경은 약 14, 14.5, 14.6 또는 15인치이다.
O2 외부 고리(303)는 내부 직경과 외부 직경을 갖는다. 실시예들에서, 외부 직경이 내부 직경보다 더 크다면, 내부 직경은 약 15 내지 약 19인치 범위이고 외부 직경은 약 16 내지 약 20인치 범위이다. 실시예에서, 내부 직경은 약 17인치이고 외부 직경은 약 18인치이다.
FGR 고리(304)는 내부 직경 및 외부 직경을 갖는다. 실시예들에서, 외부 직경이 내부 직경보다 더 크다면, 내부 직경은 약 18 내지 약 22인치 범위이고 외부 직경은 약 19 내지 약 23인치 범위이다. 실시예에서, 내부 직경은 약 20인치이고 외부 직경은 약 21인치이다.
임의의 상기 실시예에서, 점화기 및 고리의 크기는 점화기(315) < O2 내부 고리(301) < 연료 고리(302) < O2 외부 고리(303) < 고리(304)의 최소 직경에서 최대 직경의 순서를 따른다.
실시예에서, 환형 슈라우드 버너는 지정된 길이를 갖는다. 길이는 사용되는 시스템에서 사용하기에 적합한 치수로 구성될 수 있다.
버너의 크기와 연료의 유량, O2 스트림 및 FGR 사이에는 관계가 존재한다. 특히, 연료 유속이 높을수록 버너가 커진다.
실시예에서, 환형 슈라우드 버너는 그것이 채용되는 시스템에서 사용하기에 적합한 재료로 제조된다. 일 실시예에서, 환형 슈라우드 버너는 스테인리스 강으로 제조될 수 있다. 스테인리스 강은 일반적으로 SAE 인터네셔널(International)에서 유지 관리하는 강종에 대한 표준 합금 번호 체계에 따라 분류된다. 스테인리스 강 등급은 시리즈가 100 시리즈, 200 시리즈, 300 시리즈, 400 시리즈, 500 시리즈, 600 시리즈 및 900 시리즈를 포함하는 별도의 시리즈로 분리된다. 각 시리즈에는 스테인리스강 유형이라고 하는 지정된 변형이 있다. 예를 들어 200 시리즈에는 201, 202, 205, 253 및 254 유형이 있다. 적합한 스테인리스 강의 비제한적인 예는 유형 253, 309 및 310을 포함한다.
실시예에서, 환형 슈라우드 버너의 치수는 연료 유형 및 발열량에 따라 변할 수 있는 화염 특성, 연소 속도, 속도 또는 유속과 같은 원하는 특성을 얻기 위해 수정된다. 일 실시예에서, 환형 슈라우드 버너의 크기 변화는 버너의 연소 속도, 연료 유형 및 발열량에 기초하여 변할 수 있다.
본 명세서에 개시된 바와 같이, 일 실시예에서, 4중 동심 버너 설계를 갖는 환형 슈라우드 버너가 존재하며, 설계는 제1, 제2, 제3 및 제4 도관들을 포함하고 각각의 도관은 제1, 제2, 제3 및 제4 흐름들을 제1, 제2, 제3 및 제4 고리들로 개별적으로 주입하고, 여기서
제1 흐름은 제1 산소 공급원을 포함하고,
제2 흐름은 연료와 캐리어의 혼합물을 포함하고,
제3 흐름은 제2 산소 공급원을 포함하고,
제4 흐름은 FGR을 포함하고,
여기서 환형 슈라우드 버너의 중심에는 점화기가 있고, 및
제4 고리 외부에 퀄이 위치한다.
임의의 상기 실시예에서와 같이, 제1 및 제2 산소 공급원들이 희석되지 않은 산소 공급원인 환형 슈라우드 버너.
임의의 상기 실시예에서와 같이, 제1 및 제2 산소 공급원이 약 90% 이상의 산소 함량을 갖는 환형 슈라우드 버너.
임의의 상기 실시예에서와 같이, 캐리어가 FGR인 환형 슈라우드 버너.
임의의 상기 실시예에서와 같이, 슈라우드 냉각 설계가 전통적인 버너 구성과 비교할 때 버너 컴포넌트 및 버너 노 표면 근처에 대한 손상을 최소화하는 환형 슈라우드 버너.
임의의 상기 실시예에서와 같이, 환형 슈라우드 버너가 스테인리스 강으로 제조되는 환형 슈라우드 버너.
임의의 상기 실시예에서와 같이, 강이 200 또는 300 시리즈 유형 스테인리스 강인 환형 슈라우드 버너.
임의의 상기 실시예에서와 같이, 환형 슈라우드 버너의 면에서 연소 구역을 더 포함하는 환형 슈라우드 버너.
임의의 상기 실시예에서와 같이, 최고 화염 온도가 적어도 4,000oF(2,204°C)인 환형 슈라우드 버너. 추가 실시예에서, 최고 화염 온도가 적어도 약 4,300oF(2,371°C)인 환형 슈라우드 버너.
임의의 상기 실시예에서와 같이, 환형 슈라우드 버너가 도 4에 도시된 바와 같은 열 프로파일 특징을 갖는 환형 슈라우드 버너. 추가 실시예에서, 열 프로파일 시그니처는 외부의 더 차가운 층을 갖는다. 추가 실시예에서, 열 프로파일 시그니처는 더 차가운 영역에 의해 둘러싸인 하나, 둘 또는 그 이상의 고온 영역들을 갖는다. 추가 실시예에서, 냉각기 영역에 의해 둘러싸인 2개의 고온 영역들이 있다.
임의의 상기 실시예에서와 같이, 연료 도관이 천연 가스, 수소, 정제소 가스, 정제 연료 가스, 고로 가스, 프로판, 연료유, 무연탄, 역청, 아역청 및 갈탄, 타르, 역청, 석유 코크스, 제지 공장 슬러지 고형물 및 하수 슬러지 고형물, 목재, 이탄 및 잔디로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 연료를 포함하는 환형 슈라우드 버너. 추가 실시예에서, 연료는 역청탄, 아역청탄 및 갈탄으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
임의의 상기 실시예에서와 같이, 버너의 치수가 약 20ft/s 내지 약 150ft/s 범위의 연료에 대한 유량을 달성하기에 충분한 환형 슈라우드 버너.
d. 환형 슈라우드 버너 사용 방법
일 양태에서, 본 명세서에 기재된 바와 같은 환형 슈라우드 버너를 사용하여 연료를 연소시키는 방법이 개시된다. 유량, 연료 혼합물, 산소 함량, 연료 유형 및 기타 많은 변수의 변화가 본 명세서에 개시되어 있으며 제한적인 것으로 간주되어서는 안 된다.
추가 실시예에서, 연료 연소 방법은 다음 단계를 포함한다:
환형 슈라우드 버너를 제공하는 단계,
제1 도관을 통해 제1 고리로 제1 O2 스트림을 공급하는 단계,
연료와 캐리어의 혼합물을 제2 도관을 통해 제2 고리에 공급하는 단계,
제3 도관을 통해 제3 고리에 제2 O2 스트림을 공급하는 단계,
제4 도관을 통해 FGR을 제4 고리에 공급하는 단계, 및
환형 슈라우드 버너의 중심에 위치한 점화기를 사용하여 화염을 점화하는 단계.
실시예에서, 방법은
유속이 약 25ft/s 내지 약 125ft/s 범위에 있도록 O2 스트림의 유속을 제어하는 단계, 및
유속이 약 20ft/s 내지 약 150ft/s 범위에 있도록 1차 연료의 유속을 제어하는 단계를 더 포함한다.
상기 임의의 구현예에서와 같이, 적어도 약 4,000oF(2,204°C)의 피크 화염 온도를 생성하는 방법.
상기 임의의 구현예에서와 같이, 적어도 약 4,300oF(2,371°C)의 피크 화염 온도를 생성하는 방법.
상기 임의의 실시예에서와 같이, 화염이 도 4에 도시된 바와 같은 열 프로파일 특징을 갖는 방법.
C. 연소 및 재순환 시스템
본 명세서에 설명된 환형 슈라우드 버너는 화석 연료 발전 플랜트와 같은 기술 시스템의 일부일 수 있는 보일러 유닛에 통합될 수 있다. 일 실시예에서, 환형 슈라우드 버너 설계는 버너 컴포넌트 및 노 전면 벽으로의 최대 입사 열 유속을 실질적으로 감소시키는 종래의 전면 벽 연소 증기 보일러 구성에서 열 방출 프로파일을 제공한다. 환형 슈라우드 버너는 연소 구역에 분포된 FGR의 양을 추가로 조절하여 극한의 온도와 열 유속으로 인한 버너 컴포넌트 및 버너 근처 표면의 손상을 방지하는 동시에 피크 화염 온도에 대한 영향을 최소화한다.
본 명세서에 설명된 환형 슈라우드 버너를 포함하는 시스템과 관련된 이점은 다음과 같다: 기존의 공기/연료 및 기타 특허 받은 산소/연료 시스템보다 훨씬 높은 화염 온도; 복사열이 적은 방향성 열 방출 프로파일; 버너 주변 및 버너 노 표면 근처의 구성 요소에 대한 손상을 제거하기 위한 새로운 슈라우드 냉각 설계; 및 기존의 공기 연소 버너를 환형 슈라우드 버너로 쉽게 교체.
본 명세서에 개시된 환형 슈라우드 버너를 포함하는 단일 벽 연소 아임계 보일러 설비의 실시예의 공정 흐름 개략도가 도 10에 도시되어 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 연료(202)는 밀(mill)(206)을 통해 노(201)에 연결된 환형 슈라우드 버너(207)로 흐른다. 물(208)은 노(201)로 흐르고 스팀(209)으로서 흐른다.
추가 컴포넌트가 버너로 흘러 들어갈 수도 있다. 예를 들어, 1차 FGR(PRI FGR)(204)은 버너(207)에 도입되기 전에 연료(202)와 혼합되는 밀(206)로 흐를 수 있다. 산화제(203)(실질적으로 순수한 산소일 수 있음)는 여러 다른 경로를 따라 흐를 수 있다. 일 실시예에서, 산화제(203)는 버너(207)에 도입되기 전에 연료(202) 및/또는 PRI FGR(204)과 혼합될 수 있는 밀(206)로 흐른다. 산화제(203)는 또한 버너(207) 또는 노(201)로 흐를 수 있다. 2차 FGR(SEC FGR)(205)라고 하는 FGR의 대체 소스도 존재할 수 있다. SEC FGR(205)은 버너(207) 및/또는 노(208)로 흐를 수 있다.
노로부터, 스팀(209)과 고온 연통 가스(FG)(210)의 두 가지 이상의 출력 스트림이 존재한다. 스팀(209)은 노로부터 발전을 제공하는 기능을 하는 터빈/발전기 세트와 같은 본 명세서에서 설명되지 않은 시스템의 다른 부분으로 흐른다. 다른 하나의 가능한 출력 스트림인 고온 FG(210)는 공기 히터(211)로 흐른다. 하나의 용량으로 저온 FG(212)가 공기 히터(211)로 유입되고, 이는 저온 FG(212)를 가열하고 고온 FG(213)를 제공한다. 다른 용량에서, 공기 히터(211)는 코일(215)로 흐르는 고온 FG(214)의 출력을 제공한다.
코일(215)은 저온 급수(FW)(216)를 수용하고, 물을 가열하고, 결과적으로 뜨거운 FW(217)를 제공할 수 있다. 흐름은 코일(215)로부터 전기 집진기(ESP)(218), 연통 가스 탈황(FGD)(220)으로 계속될 수 있다. 연통 가스 탈황 후, FGD 출력(221)은 2차 FGR(222)로서 공기 히터(AH)로 흐르거나 DCCPS(Direct Contact Cooler Polishing Scrubber)(223)로 흐를 수 있다. DCCPS(223)로부터, FGR은 1차 FGR(224)로서 공기 히터로 흐를 수 있거나 CO2 처리를 위한 FG(225)로서 흐를 수 있다.
환형 슈라우드 버너는 높은 화염 온도를 생성하기 때문에, 전체 시스템의 열 전달은 매우 효율적이다. 전체 시스템에 대한 추가 수정은 이 효율성을 더욱 높일 수 있다. 이러한 수정은 화염에서 금속으로의 열 전달이 발생하는 금속 표면적을 최대화하여 열 전달을 더욱 증가시키는 보일러의 기하학적 구조 변경(예를 들어, 보일러 튜브의 직접적인 화염 노출)을 포함한다. 결과적으로 사용되는 보일러는 기존 버너가 있는 기존 보일러보다 물리적으로 작을 수 있다.
도 11 내지 도 18에 추가로 개시되어 있는 것은 단일 벽 연소 아임계 보일러 시스템 내에서 작동되는 환형 슈라우드 버너의 모델로부터의 결과이다.
일 실시예에서, 본 명세서에 개시된 바와 같이 높은 화염 온도 산소 연소 시스템은:
적어도 하나의 환형 슈라우드 버너,
연소를 위한 노,
공기 분리 유닛,
적어도 하나의 도관, 및
제어 시스템을 포함하고,
여기서 환형 슈라우드 버너는 도 4에 도시된 것과 유사한 열 프로파일 특징으로 적어도 4,000oF(2,204°C)의 피크 화염 온도를 제공하여, 환형 슈라우드 버너를 둘러싸는 시스템에 대한 복사열 및 잠재적 손상이 최소화하도록 구성된다.
실시예에서, 산소 연소 시스템을 작동시키는 방법이 본원에 개시되어 있으며, 여기서 방법은:
연료, 캐리어 및 실질적으로 순수한 산소를 환형 슈라우드 버너에 공급하는 단계,
화염을 발생시키기 위해 연료, 캐리어 및 실질적으로 순수한 산소를 연소시키는 단계-여기서 화염은 도 4에 도시된 것과 유사한 복사 열 프로파일 특징을 가짐-,
고온의 산소 연소 환형 슈라우드 버너로 보일러의 물을 가열하여 물을 증기로 변환하는 단계를 포함한다.
D. 예시들
본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 명확하게 이해하고 실시할 수 있도록 하기의 제조예 및 실시예를 제시한다. 그것들은 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 되며, 단지 예시적이고 대표적인 것으로 간주되어야 한다.
실시예 1: 공기와 산소 연소의 비교
Figure pct00001
Figure pct00002
다음 스팀 상태는 공기 연소 SGE 공정 모델링에서 조정 파라미터를 설정하는 데 사용되었다. 일단 설정되면 파라미터를 일정하게 유지하여 산소 연소 동안 스팀 상태를 예측한다.
Figure pct00003
공기 연소 및 산소 연소 버너를 비교한 전체 결과.
Figure pct00004
본 발명의 범위 또는 사상을 벗어남이 없이 본 발명에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명의 다른 양태는 본 명세서에 개시된 본 발명의 명세서 및 실시를 고려하여 당업자에게 명백할 것이다. 명세서 및 실시예는 단지 예시적인 것으로 간주되어야 하며, 본 발명의 진정한 범위 및 사상은 다음의 청구범위에 의해 지시된다.

Claims (9)

  1. 환형 슈라우드 버너(annular shroud burner)에 있어서,
    퀄(quarl)-여기서, 상기 퀄은 중심 축을 따라 연장되도록 배치된 발산하는 원추형을 갖고, 상기 퀄의 반경 방향 내부 표면의 반경 방향 내측 및 하류에 연소 구역(combustion zone)을 정의하고, 상기 퀄은 버너 면에서 노(furnace) 내부 벽까지 연장됨-;
    제1 도관-여기서, 상기 제1 도관은 상기 중심 축을 따라 연장되도록 위치되고, 상기 버너 면에서 상기 연소 구역 내로 산소의 제1 스트림을 제공하도록 구성됨-;
    제2 도관-여기서, 상기 제2 도관은 상기 중심 축을 따라 상기 제1 도관의 반경 방향 외측으로 연장되도록 위치되고, 상기 버너 면의 상기 연소 구역에 연료와 캐리어(carrier)의 혼합 스트림을 제공하도록 구성됨-;
    제3 도관-여기서, 상기 제3 도관은 상기 중심 축을 따라 상기 제2 도관의 반경 방향 외측으로 연장되도록 위치되고, 상기 버너 면에서 상기 연소 구역에 산소의 제2 스트림을 제공하도록 구성됨-; 및
    제4 도관을 포함하고, 상기 제4 도관은 상기 중심 축을 따라 상기 제3 도관의 반경 방향 외측으로 연장되도록 위치되고, 상기 버너 면에서 상기 노 내부 벽까지 상기 퀄의 상기 내부 표면을 따라 연장되는 원추형 슈라우드 형태의 재순환된 연통 가스(recycled flue gas)의 스트림을 제공하도록 구성되고, 상기 재순환된 연통 가스의 스트림은 상기 연소 구역 내의 피크 화염 온도 영역을 둘러싸는, 환형 슈라우드 버너.
  2. 제1항에 있어서, 상기 산소의 제1 스트림 및 상기 산소의 제2 스트림은 희석되지 않은 산소를 포함하는, 환형 슈라우드 버너.
  3. 제1항에 있어서, 상기 산소의 제1 스트림 및 상기 산소의 제2 스트림은 적어도 약 90%의 산소 함량을 포함하는, 환형 슈라우드 버너.
  4. 제1항에 있어서, 상기 캐리어는 재순환된 연통 가스를 포함하는, 환형 슈라우드 버너.
  5. 제1항에 있어서, 상기 산소의 제1 스트림 및 상기 산소의 제2 스트림은 적어도 약 95%의 산소 함량을 포함하는, 환형 슈라우드 버너.
  6. 제1항에 있어서, 상기 연소 구역 내의 피크 화염 온도는 적어도 4,000oF(2,204°C)인, 환형 슈라우드 버너.
  7. 제1항에 있어서, 상기 연료는 천연 가스, 수소, 정제소 가스, 정제 연료 가스, 고로 가스, 프로판, 연료유, 무연탄, 역청, 아역청탄 및 갈탄, 타르, 역청, 석유 코크스, 제지 공장 슬러지 고형물 및 하수 슬러지 고형물, 목재, 이탄 및 잔디로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 환형 슈라우드 버너.
  8. 제1항에 있어서, 상기 연료는 역청탄, 아역청탄 및 갈탄으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 환형 슈라우드 버너.
  9. 퀄을 갖는 환상 슈라우드 버너에서 연료를 연소시키는 방법으로서, 상기 퀄은 중심 축을 따라 연장되도록 배치된 발산하는 원추형을 갖고, 상기 퀄의 반경 방향 내부 표면의 반경 방향 내측 및 하류에 연소 구역을 정의하고, 상기 퀄은 버너 면에서 노 내부 벽까지 연장되며, 상기 방법은:
    제1 도관을 통해 상기 연소 구역 내로 산소의 제1 스트림을 제공하는 단계-여기서, 상기 제1 도관은 상기 중심 축을 따라 연장되도록 위치되고, 버너 면에서 상기 퀄 내로 개방되도록 구성됨-;
    상기 연료 및 캐리어의 혼합 스트림을 제2 도관을 통해 상기 연소 구역에 제공하는 단계-여기서, 상기 제2 도관은 상기 중심 축을 따라 상기 제1 도관의 반경 방향 외측으로 연장되도록 위치되고, 상기 버너 면에서 상기 퀄로 개방되도록 구성됨-;
    제3 도관을 통해 상기 연소 구역에 산소의 제2 스트림을 제공하는 단계-여기서, 상기 제3 도관은 상기 중심 축을 따라 상기 제2 도관의 반경 방향 외측으로 연장되도록 위치되고, 상기 버너 면에서 상기 퀄로 개방되도록 구성됨-; 및
    제4 도관을 통해 상기 연소 구역의 일부를 둘러싸는 재순환된 연통 가스의 스트림을 제공하는 단계를 포함하고, 상기 제4 도관은 상기 중심 축을 따라 상기 제3 도관의 반경 방향 외측으로 연장되도록 위치되고, 상기 버너 면에서 상기 노 내부 벽까지 상기 퀄의 상기 내부 표면을 따라 연장되는 원추형 슈라우드 형태의 상기 재순환된 연통 가스의 스트림을 제공하도록 구성되고, 상기 재순환된 연통 가스의 스트림은 상기 연소 구역 내의 피크 화염 온도 영역을 둘러싸는, 방법.
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