KR970003607B1 - 고속가스 주입을 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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고바야시 히사시
주니어 아아서 웰링톤 프란시스
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프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
코넬리우스 에프. 오브리인
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Abstract

없음

Description

고속가스 주입을 위한 방법 및 장치
제1도는 캐비티가 원통 형태를 갖는, 본 발명의 한 구현의 부분 단면도.
제2도는 캐비티가 원통 형태를 갖는, 본 발명의 또다른 하나의 구현의 부분 단면도.
제3도는 NOx발생에 대한 L/D비의 임계 효과를 나타낸 그래프.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1 : 내화벽2 : 연소영역
3 : 캐비티4 : 개구
5,10 : 도관6 : 노즐
7 : 주가스제트20 : 블리이드
본 발명은 연소 영역내로의 고속가스의 주입 방법에 관한 것이다.
최근의 연소 기술의 진보로, 산화질소(NOx) 발생의 감소와 함께 연소를 수행하기 위한 연소 영역내로의 고속가스 주입법이 사용된다. 고속을 달성하기 위하여, 비교적 작은 직경의 노즐이 사용된다. 높은 가스 속도로 인하여 NOx발생에 대해 감소 효과를 갖는 고속가스내로 노가스가 흡인되거나 또는 동반 된다.
연소 영역내로의 고속가스 주입법을 사용하는 문제점은, 입자물질 및 응축 증기로 이루어질 수 있는 노가소로 인하여, 노즐을 빠져나가는 고속 가스내로 노가스 흡인되거나 또는 동반됨에 따라, 작은 개구를 갖는 노즐이 쉽게 오염되고 부식되기 시작한다는 점이다. 노가스는 1000℉ 이상의 정도로 매우 뜨거워지려는 경향이 있으며, 이것은 오염 및 부식 문제점을 악화시킨다.
상기 문제점을 처리하는 한가지 방법은 노즐에 다량의 냉각수를 제공하여 고온 부식 또는 용융을 방지하는 것이다. 그러나, 수 냉각계는 조작이 복잡하고, 노 분위기가 높은 입자 함량을 갖는 경우에 오염 문제점을 처리하지 못한다.
더욱이, 수 냉각은 노 분위기가 응축 증기를 함유할 때 부식 및 오염 문제점을 증가시킬 수 있다.
고속가스 주입에서 오염 문제점에 대한 해결책으로서 세라믹 노즐이 제안되었다. 그러나, 현재 이용할 수 있는 세라믹 노즐은 열적응력 및 다른 응력으로 인한 부식 및 균열 때문에 공업적 규모의 작업에 적합하지 않다.
따라서, 현재 이용할 수 있는 시스템의 사용으로 발생되는 오염을 감소시키면서 고수준의 NOx를 발생시키지 않고 연소 영역에서 연소를 수행할 수 있는 고속가스 주입 시스텝을 갖는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 목적은 현재 이용할 수 있는 방법의 사용으로 발생되는 고수준의 노즐 오염을 방지하면서 연소 영역내로 고속가스를 주입하기 위한 방법을 제공하는데에 있다.
본 발명의 또다른 목적은 대규모의 노즐 오염없이 연소 영역내로 고속가스를 주입시킬 수 있는 고속가스 주입 장치를 제공하는 데에 있다.
본 명세서의 해석시에 당업자에게 명백해질 상기 및 다른 목적은 본 발명에 의해 달성되며, 본 발명의 한 일면은,
(A) 노가스를 함유하는 연소 영역과 연통된 직경 D의 개구를 갖는 캐비티를 제공하고;
(B) 1초당 200피트를 초과하는 고속으로 개구쪽으로 향한 방향으로 개구로 부터 오목해진 지점(오목부는 L/D RK 3.0 이하일 정도로 길이 L을 가짐)에서 노즐로 부터 캐비티내에 주기류를 주입시키고;
(C) 1초당 100피트 이하의 저속으로, 그리고 보호성 가스가 캐비티내에 주입된 총 가스의 10 내지 50%의 범위내에 있을 정도의 유속으로 노즐보다는 개구보 부터 더 오목해진 지점에서 실제로 주가스의 조성과 똑같은 조성을 갖는 보호성 가스를 캐비티내에 주입시키고;
(D) 노즐 둘레에 그리고 노즐을 지나서 보호성 가스를 통과시키고 노즐의 주기류 하류내로 보호성 가스를 도입시키고;
(E) 연소 영역으로부터 캐비티내로 노가스를 빼내고, 캐비티내에 그러나 노즐의 하류내에 주기류내로 노가스를 도입시키는 것으로 이루어지는, 연소 영역내로 고속가스를 주입시키기 위한 방법이다.
본 발명은 또 하나의 다른 일면,
(A) 연소 영역과 연통된 직경 D의 개구를 갖는 캐비티;
(B) 개구로 부터의 오목부에 위치한 개구를 향해 캐비티내로 고속 주가스를 주입하기 위한 노즐(상기 오목부 L/D가 3.0 이하일 정도의 길이 L을 가짐); 및
(C) 노즐 둘레의 그리고 노즐을 지나는 보호성 가스의 유동을 위한 노즐에서 보다는 개구로 부터 더 오목해진 지점에서 캐비티내로 실제로 고속 주가스의 조성과 똑같은 조성을 갖는 저속 보호성 가스를 공급하기 위한 수단으로 구성된 고속가스 주입 장치로 이루어진다.
본 발명은 도면과 관련하여 상세히 설명될 것이다.
제1도에 대해, 내화벽(1)은 예를들어 이산화탄소, 수증기, 질소 및/또는 산소와 같은 노가스로 이루어진 노분위기를 함유한 연소 영역(2)에 접하여 있다.
노분위기는 대표적으로 1000℉를 초과하고 일반적으로 1500 내지 3000℉의 범위내에 있는 고온에 있다. 노분위기는 또한 유리배치 재료 있는 석탄 연소로 부터의 애쉬와 같은 입자물질 및/또는 나트륨 중 또는 산 증기와 같은 응축 증기를 함유할 수 있다.
내화벽(1)내에는, 직경 D를 갖는 개구(4)에서 연소 영역(2)와 연통된 캐비티(3)가 구비되어 있다. 일반적으로 개구(4)는 0.25 내지 10인치의 직경 D를 가질 것이다. 노즐(6)을 갖는, 렌즈 또는 도관(5)와 같은 주가스 주입수단은 캐비티(3)내에 위치하여, 주기류 또는 주가스 제트(7)가 노즐(6)로부터 개구(4)를 향한 방향으로 주입되고, 그 다음에 연소 영역(2)내로 주입된다. 노즐(6)은 L/D가 3.0이하일 정도의 길이 L이 개구(4)로 오목해진다. 바람직하게는, 노즐(6)은 L/D가 0.5 내지 3.0내에 있을 정도의 길이 L로 개구(4)로 부터 오목해진다. 노즐(6)의 오목부는 연소 영역(2)내의 조건으로 인한 피해로 부터 노즐(6)을 보호하기에 충분하며, 반면에 연소 영역(2)에 도입되어 본 발명에 의해 필요한 흡출 및 동박 효과가 제거되기 전에 주가스 제트(7)을 캐비티(3)의 벽내로 팽창시킬 정도로 크지는 않다.
노즐은 일반적으로 개구(4)의 직경 D의 0.5배 이하의 작은 직경을 가지며, 일반적으로 개구(4)의 직경 D의 0.05 내지 0.5배이다. 상기 방식으로 주가스는 1초당 200피트를 초과하고 일반적으로 1초당 200 내지 2000피트의 범위내에 있는 고속으로 노즐(6)에서 분사된다.
주가스는 연료이거나 또는 산화제일 수 있다. 연료는 연소 영역에서 연소될 수 있는 가연물을 함유하는 모든 가스일 수 있다. 이러한 연료중 하나는 천연가스, 코크 오븐 가스, 프로판, 수소 및 메탄일 수 있다. 산화제는 공기, 산호-부유공기, 또는 최소한 99.5%의 산소농도를 갖는 기술적으로 순수한 산소와 같은 모든 적합한 산화제일 수 있다. 주가스는 연소 영역(2)내로 유입되어, 화살표(9)로 표시한 바와같이 노가스와 혼합되고, 경우에 따라 연료 또는 산화제에 의해 더 하류에서 연소되어, 추가의 노가스를 생성시킨다.
주가스 제트의 고속으로 인하여, 연소 영역으로 부터 노가스가 주가스 제트(7)내로 흡출 또는 동반되고 화살표(9)내로 표시된 바와같이 캐비티(3)내로 들어간다. 본 발명의 실시예에 있어서, 캐비티(3)내로 흡출된 노가스가 일반적으로 고농도의 연료 또는 산화제를 함유하지 않음에 따라, 캐비티(3)내에서 충분한 연소가 수행되지 않는다. 주가스 제트내로의 노가스의 이러한 흡출 또는 동반은더해진 비-반응성 덩어리를 제공하고 따라서 피크 불꽃 온도를 감소시킴으로써 NOx발생에 대해 더 유익한 효과를 미친다. 실제로 주가스의 조성과 똑같은 조성을 갖는 보호성 또는 순수 가스는, 캐비티내에 주가스를 주입시키는 노즐(6)에서보다 개구(4)로 부터 더 오목해진 지점에서, 그리고 1초당 100피트 이하, 일반적으로 1초당 5 내지 100피트, 바람직하게는 10 내지 50피트의 저속으로, 환형 또는 공축 통로 또는 도관(10)을 통해 캐비티내로 유입된다. 주가스와 보호성 실제로 방지된다. 고속 주가스에 대한 보소헝 가스의 저속은 보호성 가스가 노즐 둘레에 그리고 노즐을 지나서 오목해진 위치로 부터 빼내어진 후 주가스 내로 도입되는 것을 보장한다.
주가스가 캐비티내로 주입되는 위치보다 개구로부터 더 오목진 위치에서 보호성 가스 또는 퍼어지 가스가 캐비티내로 주입되는 것이 본 발명의 중요한 요소이다. 상기의 더 오목진 부분으로 2가지 결과가 달성된다. 첫번째로, 이것은 캐비티내로 빠져나온 뜨거운 노가스로 부터 노즐을 보호하기 위해 사용되는 노즐의 표면 둘레로 보호성 가스가 유동하게 한다. 두번째로, 도면에 도시한 환형개구와 같은 보호성 가스 주입 수단을, 노가스의 작용으로 인하여 더렵혀지는 것으로 부터 보호한다. 더 오목진 부분은 노즐 둘레에 보호성 가스를 고르게 또는 균일하게 분호시킬 수 있기에 충분하여야 한다.
보호성 가스는, 보호성 가스가 캐비티(3)에 주입된 전체가스, 즉 보호성 가스와 주가스의 10 내지 50%, 바람직하게는 10 내지 30%의 범위내에 있게 할 정도의 유속으로 캐비티(3)내에 주입된다. 상기 높은 또는 다량의 보호성 가스로, 보호성 가스가 도입 노가스로 부터의 노즐 보호효과 또는 정화 기능을 달성하는 것이 보장된다.
보호성 가스는 화살표(11)에 의해 나타낸 바와같이 표면 둘레로 그리고 노즐(6)을 지나서 유동한다. 노즐(6)의 하류에서, 보호성 가스는 주가스 제트(7)내로 들어가고 노가스가 노즐(6)에 접촉하는 것을 방지하는 가스 장벽으로서 사용된다. 이와같은 노가스는 캐비티가 아니라 단지 노즐의 하류내에서 주기류내에 들어간다. 그 다음에 주가스와 보호성 가스는 조합되고, 연소 영역내로 도입되는 경우에 따라 열 및 노가스를 발생시키는 연소 반응에 대한 연료 또는 산화제가 된다. 유리 용융 용기에 존재할 수 있는 바와같이, 노분위기가 고농도의 입자 및/또는 응축 증기를 함유한다 하더라도 그 작은 노즐 직경에도 불구하고 노즐(6)의 막힘 또는 오염이 방지된다. 본 발명의 용도를 발견할 수 있는 다른 응용은 여러가지 고온 용해 방법 및 폐물 하소 방법에서의 가스의 주입을 포함한다.
그외에, 보호성 가스는 물리적 가스 장벽이외에 냉각 효과를 동시에 제공한다. 따라서, 연소 영역내에서 고온에 의해 야이될 수 있는 가스 주입 수단에 대한 손상이 여전히 방지되면서, 가스주입 수단의 수냉각을 필요로 하지 않는다.
바람직하게는, 본 발명의 고속가스 주입 시스템은 단일 연소 시스템 중의 연소 영역내로 연료 및 산화제 둘 모두를 따로따로 주입하기 위해 사용된다.
가장 바람직하게는, 연료 및 산화제는본 발명의 다수의 고속가스 주입 시스템을 통해 각각 연소 영역내로 주입된다. 일반적으로 1 내지 8개의 고속가스 주입 시스템이 단일 연소 시스템에 사용될 수 있다. 노 또는 다른 이러한 설비는 하나 이상의 이러한 연소 시스템을 사용할 수 있다.
제2도는, 캐비티가 원뿔 구조를 갖는, 본 발명의 또다른 하나의 구현을 도시한 것이다. 제2도에 도해된 구현은 보호성 가스로서 사용하기 위해 가스를 랜스로 부터 빼내고 이것을 노즐의 외측으로 통과시키는 블리드(20)을 사용한다.
상기 방식에서, 주가스와 보호성 가스는 동일하다. 보호성 가스에 대해 필요한 저속 및 주가스에 대해 필요한 고속을 달성하기 위하여, 내화성 캐비티, 블리드 라인 및 노즐이 배열된다. 제2도에 도해된 구현의 나머지 작동은 실제로 제1도에 도해된 구현의 그것과 똑같고 따라서 상세히 설명하지 않을 것이다.
하기의 실시예는 본 발명을 더 설명하기 위해 사용되고, 제한을 위해 사용되지는 않는다.
실시예 1
시판용 유리 용해로에서, 수냉각 버어너를 노 분위기 중에서 휘발성 유리 배치 화합물의 응축으로 인해 심한 오염을 나타내는 천연가스 및 산소로 점화시킨다.
각각 제2도에 도시한 본 발명의 구현과 유사한 1개의 연소주입 또는 랜스 시스템 및 2개의 산화제 주입 또는 랜스 시스템을 갖는 연소 시스템을 구성한다.
사용되는 연료는 천연가스이고 산화제는 기술적으로 순수한 산소이다. 각각의 랜스 시스템에 대해, 원뿔형 내화성 캐비티는 약 0.625인치 작은 직경, 및 개구에서 약 1.7인치의 큰 직경을 갖는다. 노즐은 약0.375인치의 직경을 갖고, 개구로부터 약 2인치의 거리로 오목해진다. 1초당 300 내지 1000피트의 속도로 캐비티내에 주가스를 주입하고, 1초당 100피트 이하의 속도로 보호성 가스를 유동시킨다. 보호성 가스의 유속을 캐비티 내로의 전체 가스 유속의 10 내지 30%의 범위내에 있도록 변화시킨다. 노즐을 오염시키지 않고 따라서 상기 기술된 오염 문제를 해결하면서 연소 영역내에서 연소가 수행된다.
실시예 2
본 발명의 1개의 연료주입 또는 랜즈 시스템 및 1개의 산화제 주입 또는 랜스 시스템을 갖는 연소 시스템을 구성한다. 사용되는 연료는 시간당 762 표준 세제곱 피트(SCFH)의 유속으로 유동하는 천연가스이고, 산화제는 1470 SCFH의 유속으로 유동하는 기술적으로 순수한 산소이다. 각각의 시스템은 개구에서 연소 영역쪽으로 1.0인치의 직경을 갖는 원통형 내화벽을 갖는다. 0.188인치의 직경을 갖는 노즐을 통해, 그리고 0 내지 6인치의 오프닝으로 부터의 리세스에서 고속 연료를 캐비티에 주입시킨다. 연소를 수행시키고 NO2발생을 측정하고 1백만 BTU당 NOx의 파운드로 제3도에 기록한다. 제3도에 나타낸 바와같이, 3.0을 초과하는 L/D비에서, NOx발생은 매우 날카로운 증가를 나타낸다. 리세스 없이, NOx발생한 낮지만, 열 및 노가스로 인한 노즐 오염이 현저하다.
현재, 본 발명의 사용에 의해, 열 및 노가스 흡출로 인한 노즐 오염을 방지하면서, 고속가스 주입의 장점, 즉 고연소 반응 운동량 및 낮은 NOx발생이 얻어질 수 있다. 본 발명은 보호성 가스를 효과적으로 확산시켜서 노즐을 보호하고 노즐과의 접촉으로 부터 노가스를 차단하기 위해 고속가스 주입을 사용한다.
따라서, 실제로 고속가스 주입으로 흡출과 보호작용 둘 모두가 달성되도록 하는 구성에 의해 피해를 방지시키면서, 노가스 흡출의 장점이 모두 얻어진다.
본 발명이 특정 구현과 관련하여 상세히 설명되었다 하더라도, 당업자들은 청구범위의 사상과 범위내에서 본 발명의 다른 구현이 있음을 인식할 것이다.

Claims (18)

  1. (A) 노가스를 함유하는 연소 영역과 연통된 직경 D의 개구를 갖는 캐비티를 제공하는; (B) 1초당 200피트를 초과하는 고속으로 개구를 향한 일정 방향으로 개구로 부터 오목해진 지점(오목부는 L/D RK 3.0이하일 정도로 길이 L을 가짐)에서 노즐로 부터 캐비티내로 주기류를 주입시키고; (C) 주가스의 조성과 똑같은 조성을 갖는 보호성 가스를, 1초당 100피트 이하의 저속으로, 그리고 보호성 가스가 캐비티내에 주입된 전체 가스의 10 내지 50%의 범위내에 있게 될 정도의 유속으로, 노즐보다는 개구로 부터 더 오목해진 지점에서 캐비티내로 주입시키고; (D) 보호성 가스를 노즐 둘레로 그리고 노즐을 지나서 통과시키고 노즐의 하류에서 주기류내로 보호성 가스를 도입시키고; (E) 연소 영역으로 부터 캐비티내로 노가스를 빼내고, 캐비티 내에서 그러나 노즐의 하류에서 주가스내로 노가스를 도입시키는 것으로 이루어지는, 연소 영역내로 고속가스를 주입시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 주가스가 연료임을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 연료가 메탄으로 이루어짐을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 주가스가 산화제임을 특징으로 하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 산화제가 공업용 산소입을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 주가스의 속도가 1초단 200 내지 2000피트의 범위내에 있음을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 보호성 가스의 속도가 1초당 5 내지 100피트의 범위내에 있음을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 보호성 가스가 캐비티내에 주입된 전체 가스의 10 내지 30%의 범위내에 있음을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, L/D가 0.5 내지 3.0임을 특징으로 하는 방법.
  10. 연소 영역에 연료를 주입하기 위한 하나 이상의 가스주입 수단 및 산화제를 위한 하나 이상의 가스 주입 수단으로 이루어지며, 상기 가스 주입 수단중 적어도 하나가:(A) 연소 영역과 연통된 직경 D의 개구를 갖는 캐비티; (B) 개구로 부터의 오목부에 위치한 개구를 향해 캐비티내로 고속 주가스를 주입하기 위한 노즐(상기 오목부는 L/D가 3.0 이하일 정도의 길이 L을 가짐); 및 (C) 노즐 둘레로 그리고 노즐을 지나서 보호성 가스를 유동시키기 위해, 노즐보다는 개구로 부터 더 오목해진 지점에서 캐비티내로 고속 주가스의 조성과 실제로 똑같은 조성을 갖는 저속 보호성 가스를 제공하기 위한 수단으로 이루어져 있음을 특징으로 하는 연소 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 연료가스 주입 수단 및 상기 산화제 주입수단이 각각(A),(B) 및 (C)의 요소로 이루어짐을 특징으로 하는 연소 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 캐비티가 원통 형태를 가짐을 특징으로 하는 연소 시스템.
  13. 제10항에 있어서, 캐비티가 원뿔 형태를 가짐을 특징으로 하는 연소 시스템.
  14. 제10항에 있어서, 개구가 0.25 내지 10인치의 직경을 가짐을 특징으로 하는 연소 시스템.
  15. 제10항에 있어서, L/D가 0.5 내지 3.0의 범위내에 있음을 특징으로 하는 연소 시스템.
  16. 제10항에 있어서, 노즐이 개구의 직경 D의 0.5배 이하의 직경을 가짐을 특징으로 하는 연소 시스템.
  17. 제10항에 있어서, 주가스를 노즐에 공급하기 도관을 더 포함하며, 보호성 가스공급 수단은 노즐의 상류에서 끝나는 주가스 도관과 공축인 도관으로 이루어짐을 특징으로 하는 연소 시스템.
  18. 제10항에 있어서, 주가스를 노즐에 공급하기 위한 도관을 더 포함하며, 보호성 가스공급 수단은 캐비티와 연통된 주가스 도관내의 노즐의 상류의 블리이드 라인으로 이루어짐을 특징으로 하는 연소 시스템.
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