KR950013968B1 - 다중으로 산화제를 분사하는 연소방법 및 장치 - Google Patents

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KR950013968B1 KR1019900006367A KR900006367A KR950013968B1 KR 950013968 B1 KR950013968 B1 KR 950013968B1 KR 1019900006367 A KR1019900006367 A KR 1019900006367A KR 900006367 A KR900006367 A KR 900006367A KR 950013968 B1 KR950013968 B1 KR 950013968B1
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Abstract

내용 없음.

Description

다중으로 산화제를 분사하는 연소방법 및 장치
제 1 도는 본 발명의 방법과 장치에 유용한 산화제 노즐의 일례에 대한 평면도.
제 2 도는 제 1 도의 노즐에 대한 단면도.
제 3 도는 본 발명의 버너장치의 일례에 대한 평면도.
제 4 도는 제 3 도의 버너장치를 사용할 때 산화제 스트리임(Stream)의 흐름경로를 나타내는 도면.
제 5 도는 본 발명에 의해 수행된 연소와 공지의 직선노즐만을 가진 버너에 의해 수행된 연소시 방출된 산화질소(NOX)비교그래프.
제 6 도는 본 발명에 의해 수행된 연소와 공지의 직선노즐만을 가진 버너에 의해 수행된 연소시 연소구역 내의 온도 분포의 비교그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 산화제 노즐 2, 3, 4, 5 : 평행으로 향하는 구멍
6, 7 : 각으로 향하는 구멍 10 : 버너
11 : 산화제 노즐 12 : 평행으로 향하는 구멍
13 : 각으로 향하는 구멍 14 : 연료노즐
본 발명은 연료와 산화제를 연소구역내에 분사하여 연소구역내에서 혼합하고 연소시키는 연소에 관한 것이다.
최근에 연소분야에 대한 큰 발전이 흡인버너와 앤더슨의 미국특허 제4, 378, 205호와 제4, 541, 796호에서 나타났다. 이 기술은 산소나 산소가 많은 공기와 함께, 매우 높은 온도와 잘 혼합되지 않는 산소연소의 특징없이, 연소를 진행하게 하여 높은 레벨의 산화질소(NOX)를 방출하지 않고 연소구역내에서 부분적인 과열점을 만들지 않는다. 이것은 연료와 산호제 분사점사이에 일정한 긴 간격을 두고, 연료와 혼합하여 연소시키기전에 노가스를 산화제에 흡인시킴으로서 수행된다.
유해 폐기물을 소각시킬때와 같이 어떤물질을 연소시킬때에는, 연소가 진행될 때 NOX의 원료가 될 수 있는 질소나 질소화합물이 연소구역내에 많이 존재하게 된다. 더우기 유해 폐기물의 소각에 사용되는 회전가마와 같은 어떤 연소구역들은 비교적 길고 좁다. 불꽃을 확산시켜 연소를 진행하면 NOX의 생성이 감소되고 균일한 온도분포를 얻을 수 있다는 것이 알려져 있으나, 좁은 연소구역내에서는 불꽃이 쉽게 연소구역의 벽에 부딪히거나 과열되기 때문에 그러한 확산된 불꽃을 얻을 수 없다.
따라서 본 발명의 목적은 더욱 균일한 온도분포를 갖고 연소구역내에 다량의 질소 또는 질소 화합물의 존재에도 불구하고 적은 NOX를 형성하는, 특히 비교적 좁은 연소구역에서의, 연소방법을 제공하는데에 있다.
본 발명의 또다른 목적은 더욱 균일한 온도분포를 갖고 연소구역내에 다량의 질소 또는 질소 화합물의 존재에도 불구하고 적은 NOX를 형성하는, 특히 비교적 좁은 연소구역에서의, 연소장치를 제공하는데에 있다.
본 발명의 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진자는 본 발명에 의해 상기의 목적을 달성할 수 있다.
그 발명의 일면은 하기의 (A), (B), (C) 및 (D)로 구성된 더욱 균일한 온도분포와 감소된 NOX방출을 수반하는 연료와 산화제의 연소방법이다 :
(A) 연료 스트리임을 연소구역으로 통과시키고 ; (B) 산화제를 두개이상의 스트리임으로서 연소구역에 분사시킴에 있어서, 산화제 스트리임중 하나이상은 연료스트리임과 실질적으로 평행으로 분사되고 하나이상이 평행으로 분사되는 산화제 스트리임과 각으로 분사되며 ; (C) 연소구역내의 가스가 각으로 분사된 산화제 스트리임에 흡인되어 하나이상의 평행으로 분사된 산화제 스트리임에 합류하게 되고 ; (D) 생성된 산화제 스트리임과 연료를 혼합하여 가연성 혼합물을 형성시켜 혼합물을 연소시킨다.
그 발명의 다른 일면은 하기의 (A) 및 (B)로 구성된 더욱 균일한 온도분포와 감소된 NOX방출을 수반하는 연료와 산화제의 연소장치이다.
(A) 연료스트리임을 연소구역으로 통과시키는 수단 ; 과 (B) 산화제를 연소구역에 분사시키는 수단, 상기 산화제 분사 수단은 두개이상의 구멍을 가지는 노즐로 구성되며, 하나이상의 구멍은 연료통과수단의 통과방향과 실질적으로 평행으로 산화제 스트리임을 분사할 수 있도록 향하고, 하나이상의 구멍이 상기 평행으로 향한 구멍의 분사방향과 각으로 산화제 스트리임을 분사할 수 있도록 향하는 산화제 분사수단.
본 발명의 연료는 연소구역에 하나 또는 그 이상의 스트리임으로 통과된다. 바람직하게는 연료가 연소구역에 하나의 스트리임으로 분사되며 가장 바람직하기로는 산화제 스트리임의 고리내에 중앙에 위치한 배기 스트리임으로 분사되는 것이다. 연료는 연소구역으로 통과될 수 있는 어떤 연료라도 가능하다. 그러한 연료의 예로는 메탄 및 천연가스와 같은 가스연료, 연료유 및 유기액체 폐기물과 같은 액체연료, 가스매체에 분산된 고체연료입자, 및 연소구역으로 이송될 수 있는 고체 및/또는 액체연료가 있다.
산화제는 하나이상의 노즐을 통하여, 바람직하기로는 연료도입점에 접하여, 연소구역으로 분사된다. 산화제는 공기, 산소가 많은 공기, 또는 99.5% 이상의 산소농도를 가지는 기술적으로 정제된 산소를 사용할 수 있다. 평균 산소농도가 25% 이상인 산화제가 바람직하다. 공기 노출과 같이 다른 원료로부터 생긴 산소가 연소구역에 존재할 수도 있다.
산화제는 산화제 노즐로부터 두개이상의 스트리임으로서 연소구역에 분사된다. 하나이상의 산화제 스트리임은 연소구역을 통과하는 연료스트리임의 방향, 즉 연료통과수단의 통과방향, 과실질적으로 평행으로 분사된다. "평행"이라는 것은 스트리임의 축 중심선에 평행한 것을 의미하여 "실질적으로 평행"이라는 것은 5°이내를 의미한다. 산화제 스트리임, 및 배기 스트리임인 경우의 연료 스트리임, 은 거의 원추형으로 팽창하여 분사되며 연소구역을 통과한다. 또한 몇몇 스트리임은 회전 또는 각 성분을 가질수도 있다.
하나이상의 산화제 스트리임은 평행으로 분사된 산화제 스트리임에 각이지게 연소구역으로 분사된다. 바람직한 각도의 범위는 10 내지 45°이며 가장 바람직하기로는 10 내지 35°범위이다. 여기에서 언급된 "각"은 스트리임들의 중심선들에 의해 형성된 각을 말한다. 평행으로 분사된 산화제 스트리임에 대하여 각으로 분사된 산화제 스트리임이 많은 경우 산화제 스트리임들은 같은 각을 이룰수도 있고 하나 또는 그 이상의 다른 각도를 이룰 수도 있다.
바람직하게는 30 내지 70% 가장 바람직하게는 30 내지 50%의 산화제가 평행으로 흐르는 스트리임으로서 노즐을 통하여 연소구역내에 분사되고 나머지는 각으로 흐르는 스트리임으로서 노즐을 통하여 연소구역내에 분사된다. 평행으로 흐르는 스트리임을 통해 연소구역내에 분사되는 산화제의 바람직한 운동량은 노즐의 통하여 분사되는 산화제의 전체 운동량에 대하여 40% 이상이다.
제 1 도는 본 발명에 유용한 산화제 노즐의 일례에 대한 평면도이다. 제 1 도에서, 산화제 노즐은 2, 3, 4, 5, 6 및 7로 번호 붙여진 6개의 구멍을 가지고 있다. 2, 3, 4 및 5의 구멍은 비슷하게 위치한 연료노즐구멍을 통해 분사되는 연료 스트리임에 실질적으로 평행이 되게 산화제를 연소구역으로 분사시키기 위해 직선으로 향하여져 있다. 6 및 7의 구멍은 각으로 향하여져 있으며, 이경우 구멍 2, 3, 4 및 5의 방향으로부터 12°각도로 되어있다. 이 각은 제 1 도의 B-B선을 따라 절단된 단면도인 제 2 도에 보다 명확하게 나타나있다. 각 산화제 노즐이 하나이상의 각으로 향한 구멍을 가지는 것이 바람직하다. 산화제 노즐의 구멍수가 많아질수록 각 구멍의 분사면적이 적어진다. 분사점에서의 구멍면적이 적어지면 구멍을 통하여 분사되는 산화제의 분사속도가 커지고 분사속도가 커질수록 다음에 논의될 흡인효과가 커지게 된다.
각으로 흐르는 스트리임으로서 연소구역내에 분사되는 산화제는 연소구역내의 가스를 각으로 흐르는 스트리임에 흡인 시키기에 충분한 속도로서 분사가 된다. 일반적으로 이 속도는 초당 150 내지 1000피트(feet)의 범위내이다. 흡인되는 가스들은 연소구역으로 침투된 공기, 불연소된 질소나 연소반응으로부터 생성된 이산화탄소 및 수증기와 같은 노 가스들, 연소구역내의 고체 및/또는 액체의 유해 폐기물로부터 발생된 용매증기와 같은 탄화수소들이다.
평행으로 흐르는 스트리임으로서 연소구역내에 분사되는 산화제는 각으로 흐르는 스트리임으로 가스가 흡인된 후 같은 노즐을 통하여 각으로 분사된 스트리임을 평행으로 흐르는 스트리임으로 합류시키기에 충분한 속도로 분사된다. 본 발명의 이러한 중요한 효과는 제 4 도에 나타나있다. 일반적으로 평행 스트리임의 속도는 초당 150 내지 1000 피트 범위내이다. 그 속도는 각으로 분사되는 산화제의 속도와 같거나 다를 수 있다.
제 3 도는 본 발명의 장치의 일례에 대한 평면도이다. 제 3 도에서 버너 10은 8개의 산화제 노즐 11로 구성되어 있고 각 산화제 노즐은 한개의 직선 또는 평행으로 향한 구멍 12와 두개의 각으로 향한 구멍 13으로 구성되어 있으며 구멍 13은 구멍 12로부터 20
Figure kpo00001
의 각으로 향하여져 있다. 산화제 노즐 11은, 구멍 12를 통하여 분사되는 산화제의 방향과 평행으로 연료를 연소구역에 분사시키는, 중심에 위치한 연료노즐 14의 주변에 고리 또는 원형으로 위치한다. 찬 가스를 사용하여 제 3 도에 나타난 것과 비슷한 모델 버너를 산화제의 흐름을 관찰하는데 이용하였다. 산화제를 구멍 12와 13을 통하여 초당 500피트까지의 속도로 연소구역내에 분사하였다. 산화제가 연소구역을 통과할 때 산화제의 흐름을 보기쉽게 하기 위하여 연기를 첨가하였으며 그 모양은 제 4 도에 나타나있다. 제 4 도에서 각으로 분사되는 산화제 20은 버너로부터 연소구역 21로 분사되어 평행으로 분사된 산화제 22의 스트리임에 합류하게 된다. 23에서 각으로 분사된 산화제 20이 모두, 각으로 분사된 산화제에 흡인된 가스와 함께, 평행으로 분사된 산화제 22와 합류한다. 평행으로 분사된 산화제, 각으로 분사된 산화제 및 흡인된 연소구역가스로 구성된 합류 산화제는 연료스트리임과 혼합되어 가연성 혼합물을 형성하고 이 혼합물이 연소된다.
본 발명은 두가지의 중요하고 좋은 효과를 나타낸다. 첫째는, 산화제의 일부를 각으로 분사하는 것이 반응을 흐름의 외부로부터 흡인정도를 증가시킨다. 이것은 연소구역내에 위치한 고체 및/또는 액체의 유해 폐기물에서 휘발성 물질을 제거, 흡인하는데 특히 유리하다. 또한 각으로 분사하는 것은 가연성 반응물을 확산시킨다. 흡인과 반응물의 확산의 증가는 연소반응의 분산을 증가시킨다. 이러한 증가된 분산은 보다 균일한 온도분포로 연소를 진행하게 하며 또한 NOX의 형성을 감소시킨다.
둘째로, 평행으로 분사된 산화제는 각으로 분사된 산화제가 연소반응 스트리임의 흐름경로로부터 이탈하는 것을 방지하며, 좁은 연소구역에서는, 연소구역의 벽으로 흐르는 것을 방지한다. 또한, 각으로 분사된 산화제와 합류된 평행으로 주입된 산화제는 연소반응 스트리임의 양의 증가에 의한 각 운동량의 증가를 가져온다. 이것은 혼합을 증가시켜 연소구역내의 열분포를 증가시키는 좋은 효과를 가져온다 ; 이 효과는 유해 폐기물의 연소에 사용되는 회전가마의 특징과 같이 길고 좁은 연소구역에서 특히 유용하다.
본 발명이 좋은 효과를 가져오기 위해서는 평행으로 분사되는 산화제와 각으로 분사되는 산화제가 같은 노즐을 통하여 비교적 서로 가깝게 연소구역으로 분사되는 것이 필요하다. 바람직하게는, 이들 두 산화제의 주입간격이 가장 큰 구멍 또는 분사 스트리임 직경의 10배를 초과하지 않으며, 가장 바람직하게는 가장 큰 구멍 또는 분사 스트리임 직경의 다섯배를 초과하지 않아야 한다.
본 발명을 더 상세히 설명하고 얻어지는 결과를 입증하기 위하여 다음의 실시예와 비교예가 수행되었다. 이들은 본 발명을 설명하고 입증하기 위한 목적이며 여기에 한정하는 것은 아니다.
버너는 4피트×4피트×8피트 규격의 연소구역에서 시간당 백만 BTU의 연소속도를 가진다. 연료는 천연가스를 사용했으며 중심의 연료분사노즐을 통하여 분사하였다. 연료분사노즐 주변의 원에는, 연료분사방향과 평행으로 산화제를 분사하도록 향하는 하나의 구멍과 평행으로 분사되는 산화제로부터 30°각도로 분사하도록 향하는 두개의 구멍으로 구성된, 여섯개의 산화제 노즐이 있다. 산화제 노즐을 통하여 분사된 산화제는 기술적으로 정제한 산소였다. 연소는 7.5%의 과잉산소하에서 진행되었으며 연소를 위한 산소농도를 조절하기 위하여 연소구역으로 공기를 분사하였다. 다섯번의 연소반응이 수행되었으며 각각 연소에 가능한 산소농도를 달리하였다. 연료가스중의 NOX방출이 측정되었으며 결과를 제 5 도에 5A선으로 그래프를 나타내었다. 비교목적을 위하여 상기 6개의 노즐이 하나의 평행으로 향하는 구멍을 가진 6개의 노즐인 버너를 사용하여 반복 시험하였다. 이 결과도 제 5 도에서 5B선으로 나타내었다. 제 5 도에 나타난 결과에서 볼 수 있듯이, 본 발명은 공지의 직선 산화제 노즐 연소에서 얻어지는 것보다 확실히 감소된 NOX를 방출하는 연소를 가능하게 한다.
연소를 위하여 38%의 산소를 사용한 연소반응의 온도분포는 본 발명으로 수행된 연소에서 연소구역내의 다섯군대의 온도를 측정하여 제 6 도의 6A선으로 나타내었고, 공지의 직선 산화제 노즐에 의해 수행된 연소에 대한 것은 제 6 도의 6B선으로 나타내었다. 제 6 도에 나타난 결과에서 볼 수 있듯이, 본 발명은 공지의 직선 산화제 노즐 연소에서 얻어지는 것보다 더 균일한 온도분포를 가지는 연소를 가능하게 한다.
이제 본 발명의 사용으로서, 특히 좁은 연소구역내의 산소가 많은 공기 또는 순수한 산소를 사용한 연소에서, 보다 균일한 온도 분포와 감소된 NOX방출을 수반하는 연소가 가능하게 되었다.
본 발명이 구체적인 예를 사용하여 상세히 기술되었으나 특허청구 범위의 기술사상과 범위내에서 다른 예들에 의해서도 이해될 수 있다.

Claims (19)

  1. 하기의 (A), (B), (C) 및 (D)로 구성되는 보다 균일한 온도분포와 감소된 NOX방출을 얻는 연료와 산화제의 연소방법.
    (A) 연료 스트리임을 연소구역으로 통과시키고 ; (B) 산화제를 두개이상의 스트리임으로서 연소구역에 분사시킴에 있어, 산화제 스트리임중 하나이상은 연료스트리임과 실질적으로 평행으로 분사되고 하나이상이 평행으로 분사되는 산화제 스트리임과 각으로 분사되며 ; (C) 연소구역내의 가스가 각으로 분사된 산화제 스트리임에 흡인되어 하나이상의 평행으로 분사된 산화제 스트리임에 합류하게 되고 ; (D) 생성된 산화제 스트리임과 연료를 혼합하여 가연성 혼합물을 형성시켜 혼합물을 연소시킨다.
  2. 제 1 항에 있어서, 산화제가 25% 이상의 산소로 구성됨을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 각으로 분사되는 산화제의 각이 10 내지 45˚임을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 각으로 분사되는 산화제의 분사 속도가 초당 150 내지 1,000 피트임을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 평행으로 분사되는 산화제의 분사 속도가 초당 150 내지 1,000피트임을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 각으로 분사되는 산화제가 다수의 스트리임으로 분사됨을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 각으로 분사되는 산화제 스트리임의 분사각도가 같음을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 각으로 분사되는 산화제 스트리임이 두개이상의 다른 분사각도를 가짐을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 각으로 분사되는 산화제와 평행으로 분사되는 산화제가 가장 큰 분사 스트리임 직경의 10배 이내의 간격을 가지고 분사됨을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 연료가 배기 스트리임으로서 연소구역에 분사되어 연소구역을 통과함을 특징으로 하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 연료 스트리임이 산화제 스트리임 고리내의 중심에 위치한 스트리임으로서 분사됨을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 산화제가 연료가 연소구역에 도입되는 점에 접하여 연소구역에 분사됨을 특징으로 하는 방법.
  13. 하기의 (A) 및 (B)로 구성되는 보다 균일한 온도분포와 감소된 NOX방출을 얻는 연료와 산화제의 연소장치.
    (A) 연료스트리임을 연소구역으로 통과시키는 수단 ; 과 (B) 산화제를 연소구역에 분사시키는 수단, 상기 산화제 분사 수단은 두개이상의 구멍을 가지는 노즐로 구성되며, 복수의 구멍은 긱긱 연료통과수단의 통과방향과 실질적으로 평행으로 산화제 스트리임을 분사할 수 있도록 향하고, 하나이상의 구멍이 상기 평행으로 향한 구멍의 분사방향과 외각으로 산화제 스트리임을 분사할 수 있도록 향하는 산화제 분사수단.
  14. 제13항에 있어서, 각으로 향한 구멍의 각이 같음을 특징으로 하는 장치.
  15. 제13항에 있어서, 각으로 향한 구멍이 둘이상의 다른 각도로 향해 있음을 특징으로 하는 장치.
  16. 제13항에 있어서, 평행으로 향한 구멍과 각으로 향한 구멍의 간격이 가장 큰 구멍직경의 10배 이내임을 특징으로 하는 장치.
  17. 제13항에 있어서, 각으로 향한 구멍의 각도가 10 내지 45˚임을 특징으로 하는 장치.
  18. 제13항에 있어서, 연료통과수단이 연료분사노즐임을 특징으로 하는 장치.
  19. 제18항에 있어서, 다수의 산화제 노즐이 중심에 위치한 연료분사노즐 주위에 원형으로 배열됨을 특징으로 하는 장치.
KR1019900006367A 1989-05-08 1990-05-07 다중으로 산화제를 분사하는 연소방법 및 장치 KR950013968B1 (ko)

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