KR970009482B1 - 저 no_x의 산소-연료의 화염을 발생시키는 산소-연료 가열 방법 및 그 장치 - Google Patents

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라드하람 조쉬 마헨드라
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에어프로덕츠 앤드 케미칼즈, 인코오포레이티드
윌리암 에프. 마쉬
컴버스쳔 테크, 인코오포레이티드
그렌 네프, 주니어
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Abstract

내용없음.

Description

저 NOx의 산소-연료의 화염을 발생시키는 산소-연료 가열 방법 및 그 장치
제1a,1b,1c도는 종래의 산소-연료 버너와, 가열로 내에 버너를 장착시키기 위해 사용된 버너 블록을 도시한 도면으로, 발산형 버너 노즐, 대직경의 원통형 노즐 및 소직경의 원통형 노즐이 각각 도시된 사시도.
제2a도 및 제2b도는 화염의 형상에 미치는 속도의 효과를 도시하기 위해, 종래의 발산형의 버너 블록과 산소-연료 버너의 대략적인 사시도.
제3도는 본 발명에 따른 장치의 대략적인 사시도.
제4도는 본 발명에 따른 예비 연소기의 중심선에서 예비 연소기의 내면의 반경방향 양단까지의 거리를 횡축으로 하고, 예비 연소기내의 산소-연료 혼합물의 농도를 종축으로 하여 이들 상관 관계를 나타내는 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10,12,14 : 산소-연료버너(종래의 형태)
16,34 : 발산형 버너 블록
18 : 대직경의 원통형 버너 블록 20 : 소직경의 원통형 버너 블록
22,24,26,27 : 화염 32,40 : 산소-연료 버너(본 발명의 형태)
36 : 광도가 낮은 화염 42 : 중앙 유체 개구(오리피스)
44 : 버너(40)의 단면 46 : 주위의 유체 개구(오리피스)
48 : 화염 코어 50 : 화염 외피(sheath)
52 : 예비 연소기 53 : 중심선
54 : 배출단 56 : 예비 연소기의 통로(내측 벽면)
60,62 : 예비 연소기 통로의 벽면
본 발명은 금속, 유리, 세라믹 재료 등의 다양한 제품을 생산하는 공업용 용융로내에서, 높은 온도를 발생시키는데 사용되는 산소-연료 가열 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
유리 용융로와 같이 완전히 또는 부분적으로 연소 가열되는 고온로(high temperature furnace)에서는, 공해가 빈번하게 문제시되어 왔다. 통상적으로 공기-연료 연소 버너 및 산소 농축 공기-연료 연소 버너에서 발생되는 오염 물질, 즉 질소 산화물(NOx), 이산화황(SO2), 이산화탄소 및 미립자 등과 같은 오염 물질의 배출량이 환경 보호청 규정의 허용치를 초과하는 경우가 종종 있다.
과거에는, 이러한 문제점을 해결하기 위해 연소후 오염 물질의 제거 기술이 적용되었다. 그러나 이러한 처리에 요구되는 설비비 및 처리비는 매우 많이 들었다.
또 다른 효과적인 방법으로는, 공기에서 질소를 제거하기 위해 연소 공정중에 산소를 사용하여 환경 보호청에 의해 규정된 허용치 이하로 질소 산화물(NOx)의 농도를 감소시키는 방법이다. 이 때, 연소 공정중에 사용된 산소는 노의 가열 효율을 증대시켜 이산화탄소의 방출량을 감소시키며, 특히, 회분식(回分式) 공정에 있어서는 생상선 증대와 생산비 감축 등과 같은 장점을 가져왔다.
산소-연료 버너는 대개 두 부류로 나눌 수 있는데, 그 하나는 수냉식이며 또 하나는 기냉식이다. 상기 두 부류의 버너가 안고 있는 문제점의 예로는, 희석제 및 운반 기체, 즉 휘발성 회분 성분의 분압(分壓)을 증가시키고 버너 설치시 사용된 금속 및 세라믹 재질의 부식 속도를 가속시키는 질소의 부족을 들 수 있다. 따라서, 수냉식 혹은 기냉식 버너의 노즐에 발생하는 부식 및 적층(build-up)은 고온로에서 발생되는 가장 공통적인 문제점이다. 냉각된 버너의 노즐과 노내의 가스간의 큰 온도차는 휘발성이고 부식성의 종(species)의 응축과, 버너의 노즐에 적층을 야기시킨다. 이러한 사실은 아메리칸 글라스 리뷔우(American Glass Review) 1990년 10원판 디. 샘프와 디. 데이스(D. Shamp D. Davis) 저서의 제목파크스버그에서 간소의 점화(Oxygen Firing at Parkersburg)에 기재되어 있다. 냉각수가 최적의 상태로 유동하지 않는 기냉식 혹은 수냉식 버너에 있어서, 버너 노즐상의 적층은 화염의 편위(偏位)를 야기시키며, 버너 노즐상에서의 충돌은 버너 고장 및 파괴의 원인이 될 수 있다.
수냉식 및 기냉식 산소-연료 버너에 발생되는 두 번째 문제점은, 버너를 용이하게 노내에 설치하거나 또는 화염의 안정성을 제공하기 위해 종종 사용되는 내화 버너 블록은 화염 제트의 직경보다 큰 내경의 개구를 구비하기 때문에, 블록내에는 부식성의 노 가스 혹은 미립 물질들이 연행(連行; entrainment)되어 버너와 접촉하게 된다는 문제점이다. 이러한 형태의 버너의 예로는, 미합중국 특허 제4,690,634호에 대시된 것을 들수 있다.
수냉식 및 기냉식 버너 모두에서의 또 다른 문제점은, 연소 장치내의 높은 연소 속도 및 혼합 속도에 의해 화염의 광도(光度)가 낮아지게 된다는 것이다. 이로 인해, 복사가 열전달에 있어 중요한 역할을 하는 유리 용융로와 같은 고온로에서는 열효율이 낮아지게 된다.
추가적으로, 수냉식 산소-연료 버너는 많은 설비비 및 유지비를 필요로 한다. 이와 같은 버너는 냉각수의 순환에 의해 상당한 열의 손실로 인해 노 전체의 효율이 감소될 수 있다. 예를 들면, 버너의 냉각수의 유동량이 분당 5갈론이고, 유입 및 배출되는 냉각수간의 온도차가 50oF일경우, 버너의 시간당 열손실은 약 125,000BTU가 된다. 10개의 버너가 장치된 노에 있어서, 냉각수에 의한 열손실은 1년에 약 30,000달러에 달할 것이다, 추가적으로 버너를 적절하게 밀봉 유지시키지 않을 경우, 노내로 누수가 일어날 수 있으며, 저급의 냉각수가 사용될 경우 버너의 냉각수 채널이 막히거나 부식될 위험이 생긴다.
기냉식 산소-연료 버너에 있어서, 연료 또는 산소의 공급이 중단될 경우, 문제가 제기될 가능성이 있다. 이러한 버너는 고온로 내부에서 손상되기 전에 연소 포트로부터 즉시 제거되어야 한다. 이러한 버너를 냉각시키기 위해 그 표면에 설치된 금속핀을 구비할 경우, 이 핀은 응축물을 취입(吹入)하기 때문에, 그 결과 버너를 부식시키는 문제점이 발생된다.
본 발명은 유리 용융로와 같은 생산용 고온로에서 산소-연료의 가열을 위해 사용되는 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 연료 희박 혹은 산소 농후의 산소-연료 화염의 외피(sheath : 차폐막)내측에 연료 농후의 산소-연료 화염을 차폐시키고, 그리고 예비 연소기내의 2상의 난류 확산 화염을 얻도록 선정된 단면적으로 형성된 소정의 통로를 따라 화염이 차폐되는 것을 제한시킴으로써, 화염이 생성되므로 버너를 손상시키게 될 부식성 종(specie)의 흡입이 방지되고 NOx의 발생량이 감소하게 된다.
전술한 바와 같이ㅡ 선행 기술에 의한 산소-연료 버너는 통상의 공기-연료 버너들이 안고 있는 문제점을 극복하려는 관점에서 생산용 노에 적용되어 왔아. 본 발명의 상세한 설명에 있어서, 산소는 30%이상의 산소를 함유한 기체 산화제를 의미한다. 다시 말해서 본 명세서에 기재된 산소 혹은 산소-연료는 공기를 제외한 모든 산화제를 포함한다. 또한, 본 명세서에 기재된 연료는 연료용 오일, 난방 오일, 폐유, 슬러리(slurry) 등과 같은 액체 연료 뿐만 아니라, 메탄, 천연가스, 프로판, 황하수소 등의 일반적인 기체 연료를 포함한다.
제1a,1b,1c도에 도시된 바와 같이, 종래의 버너(10),(12),(14)는 발산 버너 블록(16), 대직경의 원통형 버너 블록(18), 혹은 소직경의 원통형 블록(20)을 각각 구비할 수 있다. 제1a,1b,1c도에 도시된 장치의 경우, 화염의 형상(22),(24),(26)은 일반적으로 동일하다. 발산형 노즐, 혹은 버너 블록(16)과 대직경의 버너 블록(18,의 경우, 이들 노즐의 형상은 도면의 화살표(28),(30)로 각각 도시된 바와 같이 노내에 포함된 분위기가 화염속으로의 흡입을 유발시킨다. 이것은 또한 미합중국 특허 제4,690,635호에 기재되어 있다. 고온의 화염을 금속성 혹은 내화성 버너 재료로부터 멀어 떨어지도록 고속의 연료 및/또는 산소 제트류를 위해 제공되는 버너 블록(16),(18)의 대직경 개구는, 미합중국 특허 제4,378,205호와 제4,541,796호에 기재된 바와 같이, 노 가스와 미립자들이 버너 블록속으로 순환 및 연행을 유발시켜 적층 및 무식을 발생시킨다. 버너 블록의 적층은 화염의 방향, 형상 및 안정성을 변화시킬 수 있으며, 그 결과 국부적인 화염 온도의 집중적인 상승과 버너의 수명을 단축시키게 된다. 더욱이, 노즐의 배출 영역의 적층 또는 막힘으로 인해 바람직하지 못한 유입 가스의 압력 상승을 가져올 수 있다. 제어 가능한 영역의 노내에서, 이러한 압력의 불균형은 제어의 어려움뿐만 아니라 장전물에 대해 불균일한 열 분포를 유발한다. 버너 블록은 높은 산소-연료 화염 온도에 노출되었을 경우에도 견딜 수 있도록 안정회된 지르코니아(ZrO2)와 같은 매우 비싼 고온성 세라믹 재료로 제조된다. 이러한 재료는 전술한 논문중 샘프(Shamp)와 데이스(Davis)가 발표한 바와 같이, 유리 용융 분위기에서 내부식성 및 내구성이 항상 좋은 것은 아니다. 또다른 내화 블록의 예로는 미합중국 특허 제4,797,087호에 개시된 것과 같은 수냉식 금속 블록을 들 수 있다. 그러나, 이러한 버너도 수냉 혹은 기냉식 노즐을 구비한 버너와 유사하게, 화학적인 부식성 노 분위기에서, 작동상의 문제점을 일으킬 수 있다.
또한, 산소-천연가스 버너에 있어서는, 화염의 광도가 낮다는 문제점을 통상 가지고 있는데, 그 이유는 이와 같은 연소 장치는 고속의 혼합과 고속의 연소가 일어나기 때문이다. 이로 인해 복사가 주요한 열 전달 매체가 되는 유리 용융로와 같은 고온로에서는 열효율이 낮아지게 된다.
제1c도에 도시된 바와 같이, 소직경의 버너 블록의 사용으로 연행에 따른 문제점을 해결할 수 있지만, 종래의 버너 블록이 안고 있는 다른 문제점들은 해결하지 못할 것이다.
제2a도에 도시된 바와 같이, 발산형 노즐 혹은 버너 블록(34)을 구비 종래의 산소-연료 버너(32)가 사용되고 연소 공정에서 높은 모우멘트가 존재하게 된다면, 광도가 낮은 화염이 발생된다. 이러한 낮은 광도의 화염(36)은 전술한 바와 같이 불량한 열전달 특성 때문에 노와 그 내부의 물질들을 가열시키는데 있어 비효율적이 된다. 만약, 버너(32)가 낮은 모우멘트의 산소-연료 화염을 생성한다면, 화염(36)의 광도는 높아지겠지만, 동시에 이 화염은 제2b도에 도시된 바와 같이 가열될 용기 혹은 노의 천장쪽으로 상승하는 경향이 생긴다. 화염이 상승하게 됨으로써 발생되는 국부적인 가열은 종래의 유리 용융로 혹은 유리 용융기의 노 크라운(crown)과 같은 용융 장치의 천장 내화제의 물질의 수명을 크게 단축시킬 것이다.
제3도에 도시된 바와 같이, 본 출원인에 의해, 천연 가스와 같은 연료를 버너(40)의 전방면(44)쪽으로 도입(道入)시키기 위해 화살표(42 : 중앙 유치 개구(오리피스))로 표시된 중심 개구와, 산소 혹은 산화제를 버너의 전방면(44)으로 연료 둘레로 도입시키기 위해 복수의 화살표(46 : 주위의 유체 개구(오리피스))로 표시된 하나 이상의 동심 개구를 사용하는 형태의 산소-연료 버너(40) 및 점화원을 설치하였을 경우, 도면 부호 (47)로 화염을 발생시키게 된다는 것이 밝혀졌다. 화염(47)은 연료 희박 혹은 산소 농후의 혼합물(50)의 외피에 의해 둘러싸인, 연료 농후의 산소-연료 혼합물의 코어(48)를 포함한다. 따라서, 예비 연소기 혹은 노즐(52)내에서 도시된 바와 같이 생성된 산소-연료 화염을 감금시킴으로서 NOx의 발생량이 낮은 저온의 밝은 화염의 효과를 얻게 되며, 그리고 노즐, 버너 블록 혹은 예비 연소기(52)속으로 유해한 노 오염물질의 연행을 제거하게 된다.
또한, 본 출원인에 의해, 예비 연소기(52)의 기하학적 형상은 연소 속도와 함수 관계가 있는 것이 밝혀졌다. 예를 들면, 버너(40)가 시간당 0.25 내지 400백만 BTU의 속도로 연소될 수 있다고 가정하면, 예비 연소기(52)의 치수는, 즉 버너의 전방면(44)에서 예비 연소기(52)의 배출단(54)까지의 거리 혹은 길이(L)가 6 내지 48인치이어야 하며, 내부 원통형 개구 혹은 예비 연소기(52)의 통로의 직경(d)은 2 내지 8인치이어야 하며, 그리고 길이 대 직경의 비(L/d)가 2내지 6이어야 한다. 본 발명에 따른 양호한 예비 연소기의 사양은 아래의 표1과 같다.
상기 표의 수치는, 실험 연소 중에 화염의 광도, 예비 연소기의 온도 분포, 그리고 예비 연소기의 압력의 측정으로부터 산출한 실험치들이다. 이러한 크기는 버너 및 버너 블록의 전통적인 설계 방식과 상이한 것으로, 그 이유는 기밀한예비 연소기는 실제적으로 가스의 유동과 반응에 의해 냉각되고 차폐되기 때문이다. 여기서,기밀한이라 함은, 예비 연소기(14)의 내경과 화염(47)의 외경 사이에 형성된 틈새가 작다는 것을 의미한다. 종래 버너 블록의 크기는 고온의 산소-연료 화염 보다 크게 되도록 설계되어 있기 때문에, 그 결과 노 가스의 연행이 발생되었다.
또한, 예비 연소기의 예비 연소기의 통로(56)(또는, 내측 벽면)는, 예비 연소기(52)의 종축과 이루는 각도, 즉 ±15도 이하의 각도로 수렴 및 발산하는 형상을 가질수 있다는 것이 밝혀졌다. 이 각도는 제3도에 α로 표시되어 있다.
제4도에는 예비 연소기(52)의 중심선(53)으로부터 예비 연소기(52)의 통로(56)의 위치(60),(62)까지의 거리를 횡축으로 하고, 예비 연소기(52)내의 산소 및 연료의 혼합물의 농도를 종축으로 하였을 때 이들 관계가 그래프로 도시되어 있다.
제4도에 도시된 바와 같이 버너의 중심선에서는 산소 보다 연료의 농도가 더 높은 경향이 있다. 예비 연소기(52)의 벽면에서는 이와 반대되는 경향이 있기 때문에, 동심의 산소-연료 버너를 사용함으로써 산소 농후 혹은 연료 희박의 영역내에서 연료 농후의 상 혹은 영역을 만들게 되며, 그 결과 2개의 상을 지닌 난류성 확산 화염이 생성된다.
본 발명은 2개의 상을 지닌 난류성 확산 화염의 형성 및 이 화염을 안정화시킬 수 있도록 해주며, 그리고 예비 연소기(52)로 노 가스의 흡입이 일어나지 않고 화염이 노속으로 도입될 수 있게 해준다. 화염(47)은 예비 연소기내에서 안정화되어 예비 연소기(52)의 배출단(54)을 지나 노(도시생략) 속으로 연장한다. 화염(47)의 중앙 코어(48)(연료가 농후한 상)는 밝고 고온이며, 예비 연소기(52)의 통로(56)와 접촉하지 않는다. 보다 저온의 환상 외피(50) 혹은 산소 농후 개소(연료가 희박한 상)는 화염(47)의 밝은 중앙 코어(48)를 에워싸며, 고온의 화염으로부터 예비 연소기(52)의 통로(56)를 보호 및 냉각하며, 그리고 예비 연소기(52)속으로 향하는 노 가스의 흡입을 방지한다. 이러한 2상의 화염으로부터의 연소 생성물은, 예비 연소기(52)내에서의 연료 분해(cracking) 및 가스상의 핵형성(nucleation)공정에 의해 생성된 그을음 입자를 포함한다. 노내에서 잔여 연료와 그을음의 산화는 매우 밝은 화염을 제공하게 되므로 가열될 대상물 혹은 부품에 효과적인 복사식 열전달에 적합하다.
예비 연소기(52)의 적합한 조작을 위하여, 노즐의 속도, 즉 버너(40)의 표면(44)에서의 천연가스의 속도(Vng)와 산소의 속도(Vox)는 초당 600피트 이하여야 되며, 그리고 Vng/Vox 비는 0.3 내지 6.0이어야 한다. 그러나 본 발명에 따른 버너를 사용시, 저속일 경우 Vng/Vox 비가 반드시 1.0 내지 1.5 범위내에 있어야 한다. 가열 용도에 따라, 예비 연소기는 높은 모우멘트식과 낮은 모우멘트식으로 나눌 수 있으며, 이것은 고속 혹은 저속 및 지정된 속도 범위와 일치한다. 예를 들면, 산소-연료와 공기-연료 버너 모두를 구비한 부분 전환식 노에 있어서, 공기-연료 버너의 작용과, 산소-연료 화염 형상의 안정화에 대해 큰 연소가스의 용적을 최소화시키기 위해 높은 모우멘트 작용이 요구된다. 다시 말해서, 완전 전환식 노에서는 낮은 모우멘트가 양호하게 되는데, 그 이유는 더 낮은 화염 온도와 더 높은 화염 광도를 제공하기 때문이다.
예비 연소기는 버너가 화학량론적 비(stoichiometric ratio)를 벗어나는 즉, 예를 들면 단계 연소 방법으로 연소될 경우 사용될 수 있다. 필요한 산소의 50% 미만(즉, 산소/천연가스 비가 1 미만)이 버너를 통해 예비 연소기로 도입될 때, 산소와 연료는 역으로 구성되어 예비 연소기의 냉각을 위해 사용된 연료 유동으로 도입될 수 있다.
전술한 바와 같이 선정된 설계와 조작에서 작동될 경우, 본 발명에 의한 예비 연소기는 전형적인 고온로의 온도보다 더 낮은 온도에서 조작된다. 이로 인해, 버너 혹은 노 조작자에세 광범위한 사용 영역을 제공하게 되는데, 그 이유는 소정의 노의 구조에 통상적으로 사용되는 호환성 재질만 제외하고 특별한 재질이 요구되지 않기 때문이다.
만약 조작 및 설계상의 매개 변수들이 준수되지 않을 경우, 예를 들면 예비 연소기의 L/d비가 2보다 적은 곳에 사용된다면, 예비 연소기의 직경이 너무 커지게 되어 예비 연소기내에 2상의 화염을 생성하지 못하게 된다. 추가적으로, 노즐 속도는 제2b도에 도시된 바와 같이, 화염을 노의 상향으로 굴곡시키거나 노의 천장 내화재를 과열시키지 않도록 반드시 고속이 되어야 한다. 따라서, 예비 연소기내로의 강력한 산소-연료 혼합, 고온의 화염 및 노 가스의 흡입을 유발시키는 높은 난류성 유동이 요구된다. 이와 같은 현상은 제1c도에 도시된 종래의 소직경의 버너 블록이 사용될 경우에 발생한다.
다시 말해서, L/d비가 6보다 클 경우, 예비 연소기의 직경이 너무 작거나 길이가 너무 크게 되어, 예비 연소기내에서 바람직한 고온의 화염을 발생시킨다. 또한, 이것은 예비 연소기의 단부 사이에서 상당히 큰 온도 구배를 유발시켜 예비 연소기(52)의 구조 재료의 균열 전파를 가속시킬 수 있다.
본 발명에 따른 장치는, 예비 연소기(52)의 통로를 L/d비가 3.2가 되도록 한 상태에서 실험되었다. 예비 연소기(52)를 내부에 장치한 노의 온도는, 24시간 주기로 약 2,400 F로 유지시켰다. 실험 동안, 복수개의 버너 구성요소(즉, 노즐, 장착판, 예비 연소기)의 온도를 기록하였다. 추가적으로 버너 블록 후면의 압력도 측정되었다. 시간당 1.6백만 BTU의 연소 속도로 정상 상태하에 기록된 온도에 있어서, 평균 노의 온도는 2,410 F, 노즐단부(44)에서의 평균 예비 연소기 온도는 1,580 F, 배출단(54) 혹은 노 단부에서의 온도는 1970 F로 각각 기록되었다. 시간당 1백만 BTU 이상의 연소 속도에 대한 예비 연소기의 후면에서 측정된 정압(靜壓)은 대기압 이상이었다. 이것은 노가 약간의 부압(negative pressure)에서 작동되었기 때문에, 예비 연소기 속으로 노 가스의 흡입이 존재하지 않았다는 것을 의미한다. 화염의 광도를 시간당 3백만 BTU까지 높인 다음 점차적으로 감소시켰다.
전술한 실험에 부가적으로, 노의 벽면과 동일한 재료로 만든 L/d 비가 4인 예비 연소기를 산소/천연가스로 완전히 연소되는 섬유 유리 용융로에서 실험하였다. 실험을 시작하기 전에, 2,204 F의 온도인 노의 벽면을 통해 회분 장입측에 예비 연소기를 설치하였다. 본 발명에 따른 장치를 사용하여 실험하는 전체의 기간동안, 예비 연소기 표면과 그 주위으 노벽 내화재의 온도는, 연소가 시작된 후 몇 시간만에 약 50 F까지 감소하였기 때문에 산소 냉각 및 노의 내화재가 효과적으로 보호된다는 것이 입증되었다. 화염의 광도는 시간당 1.5백만 BTU의 연소 속도까지 증가되었다. 시간당 1 내지 2.5백만 BTU 범위의 연소 속도에서 5주동안 연속적으로 조작시킨 후, 예비 연소기를 조사한 결과, 내부 챔버(chamber)의 표면 혹은 벽면상에 어떠한 부식이나 적층의 흔적이 없고 께끗하다는 사실이 발견되었다. 또한, 천연 가스 및 산소의 분사를 위해 사용된 버너의 노즐은 어떠한 적층이나 부식의 흔적도 발견할 수 없었다.
따라서, 전술한 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 한정된다.

Claims (11)

  1. 고온 상태에서 노의 챔버를 가열시키는 장치에 있어서 : 한쪽 면이 상기 챔버의 내부로 노출되어 있는 적어도 두 개 이상의 평행면(60,62)들을 구비하여, 종축을 구비한 산소-연료 버너를 위치시키도록 사용되며, 상기 평행면 사이를 따라 연장하는 원통형의 통로(56)를 감싸는, 상기 버너의 종축이 상기 통로의 종축과 일치되도록 한 상태로 상기 챔버의 벽면내에 부착 혹은 장착된 예비 연소기(52)와;주위의 유체 개구 혹은 다수의 개구(46)에 의해 에워싸는 단일의 중앙 유체 개구(42)를 갖춘 전방 단부(44)를 구비함으로써, 유체가 상기 전방 단부(44)에서 방출될 때 상기 주위의 유체 개구(46)를 빠져나가는 유체에 의해 상기 중앙 개구를 빠져나가는 유체가 에워싸이게 되며, 상기 예비 연소기(52)의 통로(56)가 상기 전방 단부(44)를 지나 소정의 거리만큼 연장하도록 상기 예비 연소기의 통로 내측에 배치된, 원통형의 후 혼합 산소-연료 버너(40)와; 그리고 상기 버너(40)의 전방 단부(44)에서 산소 및 연료의 속도를 최대 초당 600피트로 제한하면서, 상기 주위의 유체 개구(46)에는 산소 가스를, 그리고 상기 중앙 유체 개구(42)에는 가스상으 연료를 도입시키는 수단을 포함하며; 상기 소정의 거리는, 상기 버너의 연소 속도가 시간당 0.25 내지 40백만 BTU가 되도록 선택된 상태에서, 상기 버너(40)의 전방 단부(44)에서 상기 통로(56)의 배출단(54)까지의 길이를 상기 버너의 상기 전방 단부의 직경으로 나누었을 때 2 내지 6의 비를 가지도록 결정되며; 상기 예비 연소기(52) 내측에서 생성된 동축상의 화염(47)은, 상기 예비 연소기의 통로(56)를 형성하는 벽면(60,62) 상에서 연소가 발생하지 않고 상기 가열 챔버로 방출되도록 산소 농후의 예비 연소기의 벽면에 의해 에워싸인 원통형의 연료 농후 상(48)과, 상기 통로(56)의 전 길이를 따라 연장하는 저온의 환상 외피(50)로 구성되는 것을 특징으로 하는 산소-연료 가열 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 버너(40)의 연소 속도의 범위는 시간당 0.25 내지 1.5백만 BTU이며, 상기 길이대 직경의 비는 .04 내지 5.1이며, 그리고 상기 통로(56)의 길이는 12내지 18인치인 것을 특징으로 하는 산소-연료 가열 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 버너(40)의 연소 속도의 범위는 시간당 1.0 내지 3.0백만 BTU이며, 상기 길이 대 직경의 비는 3.0 내지 4.5이며, 그리고 상기 통로(56)의 길이는 12 내지 18인치인 것을 특징으로 하는 산소-연료 가열 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 버너(40)의 연소 속도의 범위는 시간당 2.0 내지 6.0백만 BTU이며, 상기 길이 대 직경의 비는 2.8 내지 4.0이며, 그리고 상기 통로(56)의 길이는 12 내지 18인치인 것을 특징으로 하는 산소-연료 가열 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 버너(40)의 연소 속도의 범위는 시간당 4 내지 20백만 BTU이며, 상기 길이 대 직경의 비는 2 내지 6이며, 그리고 상기 통로(56)의 길이는 12 내지 48인치인 것을 특징으로 하는 산소-연료 가열 장치.
  6. 고온 상태에서의 노의 챔버를 가열시키기 위해 저 NOx의 산소-연료의 화염을 발생시키는 방법에 있어서 : 후 혼합 동축 개구의 산소-연료 버너(40)를 사용하여 연료는 중앙 개구(42)를 빠져나가게 하고 산소는 상기 중앙 개구를 에워싸는 동축의 개구(46)를 빠져나게 하면서, 상기 연료 및 산소가 버너(40)를 빠져 나갈 때의 최대 속도를 초당 600피트로 제한하여 연료 농후 상의 코어(48)가 연료 희박 상의 외피(50)에 의해 에워싸인 형태의 산소-연료의 화염(47)을 발생시키는 단계와; 상기 화염이 발생되는 지점에서부터 상기 화염이 가열 장치속으로 도입될 수 있는 지점까지의 거리(길이)인, 열 발생 속도가 시간당 0.25 내지 40백만 BTU일 경우, 예비 연소기의 통로 벽면의 직경에 대한 길이의 비율이 2 내지 6이 되도록 결정되는 거리(길이)에 걸쳐 연장하는 원통 형상의 통로 벽면(60,62)을 갖는 예비 연소기(52)에서 상기 화염을 감금 및 지향시키는 단계와; 그리고 연료 농후 상의 코어(48)가 산소 농후 상의 외피(50)에 의해 에워싸인 형태의 산소-연료의 화염(47)만이 생성되고 그리고 상기 예비 연소기(52)를 형성하는 벽면(60,62) 상에서 연소가 발생하기 않고 상기 예비 연소기의 길이를 따라 연장하게 되도록 상기 최대 속도와 상기 비율을 고정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저NOx의 산소-연료의 화염을 발생시키는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 열 발생 속도는 시간당 0.25 내지 1.5백만 BTU, 상기 비율은 3.4 내지 5.1, 상기 길이는 12 내지 18인치, 그리고 상기 직경은 3.0 내지 3.5인치인 것을 특징으로 하는 저 NOx의 산소-연료의 화염을 발생시키는 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 열 발생 속도는 시간당 1.0 내지 3.0백만 BTU, 상기 비율은 3.0 내지 4.5, 상기 길이는 12 내지 18인치, 그리고 상기 직경은 3.5 내지 4.0인치인 것을 특징으로 하는 저 NOx의 산소-연료의 화염을 발생시키는 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 열 발생 속도는 시간당 2.0 내지 6.0백만 BTU, 상기 비율은 2.8 내지 4.0, 상기 길이는 12 내지 18인치, 그리고 상기 직경은 4.0 내지 4.5인치인 것을 특징으로 하는 저 NOx의 산소-연료의 화염을 발생시키는 방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 열 발생 속도는 시간당 4.0 내지 20.0백만 BTU, 상기 비율은 2.0 내지 6.0, 상기 길이는 16 내지 48인치, 그리고 상기 직경은 4.0 내지 8.0인치인 것을 특징으로 하는 저 NOx의 산소-연료의 화염을 발생시키는 방법.
  11. 제6항에 있어서, 상기 화염(47)은, 상기 예비 연소기의 종축에 대해 각도를 측정할 경우, 상기 예비 연소기(52)로 들어가는 지점에서의 최대의 수렴 혹은 발산하는 각도를 가지는 것을 특징으로 하는 저 NOx의 산소-연료의 화염을 발생시키는 방법.
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