KR101591317B1

KR101591317B1 - 버너, 시스템 및 연소 방법

Info

Publication number: KR101591317B1
Application number: KR1020097026260A
Authority: KR
Inventors: 제이슨 에이. 타고프
Original assignee: 티악스 엘엘씨
Priority date: 2007-05-25
Filing date: 2008-05-23
Publication date: 2016-02-03
Anticipated expiration: 2028-05-23
Also published as: CA2688307C; US8221115B2; WO2008147987A1; EP2153042A1; JP2010528255A; ES2691709T3; US20100216079A1; CA2688307A1; JP5563976B2; KR20100022048A; EP2153042A4; EP2153042B1

Abstract

시스템은 액체 연료를 포함하는 제 1 소스, 가스 연료를 포함하는 제 2 소스, 및 상기 제 1 및 제 2 소스에 접속되고, 상기 액체 연료와 상기 기체 연료에 선택적으로 유체 연통되어 상기 연료를 수용하는 연소 버너를 포함한다. 상기 버너는 이 버너 또는 상기 시스템에 변경없이 상기 액체 연료의 연소와 상기 가스 연료의 연소 사이에 스위칭할 수 있다.

시스템, 제 1 소스, 제 2 소스, 연소 버너

Description

버너, 시스템 및 연소 방법{BURNER, SYSTEM AND METHOD OF COMBUSTION}

본 발명은 연료 연소 시스템, 구성 요소 및 방법에 관한 것이다.

액체 연료 버너는 두개의 카테고리, 즉, 분무 버너와 증발 버너로 분류될 수 있다. 분무 버너에서, 고압과 고속 에어의 조합을 이용하여 오리피스를 통해서 액체 연료를 흐르게 하고, 연료를 작은 방울로 분산시킨다. 연료의 작은 방울은 표면 대 체적 비율 효과로 인하여 일반적으로 연료의 큰 방울보다 더 쉽게 에어와 혼합되어 증발되고 연소된다. 증발 버너에서, 연료는 분무의 원조없이 가열되고 증발된다. 그 후, 증발된 연료는 에어와 혼합되어 연소된다. 일부 경우에, 전기 히터가 이용되어 연료의 증발을 조력하고, 다른 경우에, 연소 공정으로부터의 열은 연료를 증발시키는데 충분하다. 또한, 예열된 에어는 심지로부터 연료의 증발을 조력할 수 있다.

가스 연료 버너는 연료가 기상(氣相)에서 시작하기 때문에 연료를 증발시킬 필요가 없다. 많은 가스 연료 버너는 연소 전에 연료와 에어를 미리 혼합하거나 부분적으로 미리 혼합한다. 플레임은 뜨거운 배기 생성물의 재순환을 이용하거나, 둔두물체(鈍頭物體; bluff body)를 이용하거나, 발포체(foam) 또는 섬유 재료를 이용하여 연료-에어 혼합물을 예열한 후 플레임을 금속 섬유나 발포체 상에 안정화시키거나, 또는 배기 생성물을 재순환시키고 공급 속도의 큰 변동에 걸쳐서 플레임을 안정화시킬 수 있는 선회 플로우 필드를 이용함으로써 안정화될 수 있다.

본 발명은 가스 연료도 깨끗하게 연소시킬 수 있는 버너에서 매우 낮은 배출물로 액체 연료를 증발시켜 연소시키는 구성 요소, 시스템 및 방법을 제공한다. 버너와 버너의 컨트롤러는, 예를 들면, 외부 연소 엔진, 화학적 프로세서 또는 히터에 이용될 수 있다. 일부 실시형태에서, 버너는 액체 또는 가스 연료를 포함하는 연료 형태, 점화율 및 에어/연료 비율의 다양한 범위에서 연소를 안정화시킬 수 있는 선회 안정화(swirl-stabilized) 버너이다. 버너 또는 외부 연소 시스템의 연료 유연성은 연료의 선택이 한정될 수 있는 긴급 상황에서 매우 유용할 수 있다.

버너는 선회 안정화를 방해하지 않고 코크스(coke) 형성에 대해 한정된 경향으로 액체 연료를 증기화시키기 위한 메커니즘을 포함한다. 가스 연료는 동일 버너에서 운용되고 에어와의 혼합과 연소 전에 증발 메커니즘을 통과할 수 있다. 컨트롤러는 어떠한 하드웨어의 변경없이 하나의 시스템이 기체 또는 액체 연료와 함께 작동되도록 한다. 즉, 단일 버너는 액체 연료뿐만 아니라 가스 연료와 함께 작동할 수 있다.

일실시형태에서, 본 발명은, 액체 연료를 포함하는 제 1 소스, 가스 연료를 포함하는 제 2 소스, 및 제 1 및 제 2 소스에 접속되고, 액체 연료와 기체 연료에 선택적으로 유체 연통되어 연료를 수용하는 연소 버너를 포함하는 시스템으로서, 버너는 버너 또는 시스템의 변경없이 액체 연료의 연소와 가스 연료의 연소 사이에서 스위칭될 수 있는 것에 특징이 있다.

실시형태는 이하의 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 시스템은 제 1 소스 또는 제 2 소스로부터 버너로 연료의 플로우를 컨트롤하도록 구성된 컨트롤러를 더 포함한다. 시스템은 버너의 출력 측정에 의거하여 제 1 소스 또는 제 2 소스로부터 버너로 연료의 플로우를 컨트롤하도록 구성된 컨트롤러를 더 포함한다. 시스템은 연료/가스 혼합물의 온도 또는 화학양론을 센싱하도록 구성된 센서를 더 포함한다. 버너는 연료 입구, 연료 출구, 및 버너의 종축을 따라 연료 출구의 연료 출구 개구의 적어도 일부를 오버래핑하는 에어 입구의 에어 입구 개구를 포함한다. 에어 입구 개구는 연료 출구 개구의 하나 이상의 디멘션보다 더 큰 하나 이상의 디멘션을 갖는다. 버너는 대략 버너의 주위에 위치되고, 에어를 비수직 각도로 주위로 향하도록 구성된 복수의 에어 입구를 포함한다. 버너는 액체 연료를 증발시키도록 구성된 열전도성 다공질 재료를 포함한다. 버너는 다공질 재료를 둘러싸는 공간을 포함한다. 버너는 에어 입구와, 에어와 증발된 연료를 각도 방향으로 안내하도록 구성된 에어 입구의 하류측의 돌출부를 포함한다. 버너는 원뿔의 일부로 형성되는 버너 출구를 포함한다. 원뿔은 대략 0°~ 대략 120°의 각도를 갖는다. 버너는 연료 입구와, 연료 입구와 유체 연통되는 증발기 캐비티와, 증발기 캐비티와 유체 연통되는 연료 출구와, 연료 출구와 유체 연통되는 에어 입구와, 에어 입구와 유체 연통되는 버너 출구를 포함한다. 버너는 증발기 캐비티에 열전도성 다공질 재료를 더 포함한다. 다공질 재료는 연료 출구를 통해서만 버너 출구와 유체 연통된다. 버너는 다공질 재료를 가열하도록 구성된 히터를 더 포함한다. 버너는 에어 입구의 하류측에 위치되고, 증발기 캐비티를 둘러싸는 공간을 더 포함한다. 버너는 공간 내에 에어와 가스 연료를 각도 방향으로 안내하도록 구성된 돌출부를 더 포함한다. 에어 입구는 버너의 종축을 따라 연료 출구의 적어도 일부와 오버래핑된다.

다른 실시형태에서, 본 발명은 연소 시스템의 버너의 연료 입구를 통하여 제 1 페이즈(phase)의 제 1 연료를 도입하는 스텝, 및 연료 입구를 통하여 제 1 페이즈와 다른 제 2 페이즈의 제 2 연료를 도입하는 스텝을 포함하는 연소 방법으로서, 버너로의 제 2 연료의 도입은 버너 또는 연소 시스템을 변경하지 않고 수행되는 것을 특징으로 한다.

실시형태는 이하의 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 방법은 버너의 출력 측정에 의거하여 버너로 제 1 연료 또는 제 2 연료의 플로우를 컨트롤하는 스텝을 더 포함한다. 상기 방법은 버너의 산출물인 연료 에어 혼합물의 온도 또는 화학양론의 지표를 측정하는 스텝을 더 포함한다. 버너는 연료 출구와, 반경 방향으로 연료 출구의 적어도 일부를 오버래핑하는 에어 입구를 포함한다. 에어 입구는 연료 출구의 하나 이상의 디멘션보다 더 큰 하나 이상의 디멘션을 갖는다. 상기 방법은 에어를 비수직 각도로 버너의 주위로 향하게 하는 스텝을 더 포함한다. 상기 방법은 열전도성 다공질 재료로 액체 연료를 증발시키는 스텝을 더 포함한다. 상기 방법은 다공질 재료를 둘러싸는 공간에 연료와 에어를 혼합하는 스텝을 더 포함한다. 상기 방법은 각도 방향으로 에어와 연료를 향하게 하는 스텝을 더 포함한다. 버너는 원뿔의 일부로 형성되는 버너 출구를 포함한다. 원뿔은 대략 0°~ 대략 120°의 각도를 갖는다. 버너는 연료 입구와, 연료 입구와 유체 연통되는 증발기 캐비티와, 증발기 캐비티와 유체 연통되는 연료 출구와, 연료 출구와 유체 연통되는 에어 입구와, 에어 입구와 유체 연통되는 버너 출구를 포함한다. 버너는 증발기 캐비티에 열전도성 다공질 재료를 더 포함한다. 다공질 재료는 연료 출구를 통해서만 버너 출구와 유체 연통된다. 버너는 다공질 재료를 가열하도록 구성된 히터를 더 포함한다. 버너는 에어 입구의 하류측에 위치되고, 증발기 캐비티를 둘러싸는 공간을 더 포함한다. 버너는 공간 내에 에어와 가스 연료를 각도 방향으로 향하도록 구성된 돌출부를 더 포함한다. 에어 입구는 버너의 반경 방향을 따라 연료 출구의 적어도 일부와 오버래핑된다. 버너는 대략 버너의 주위에 위치되고, 에어를 비수직 각도로 주위로 향하도록 구성된 복수의 에어 입구를 포함한다. 버너 출구는 원뿔의 일부에 형성된다. 원뿔은 대략 0°~ 대략 120°의 각도를 갖는다.

다른 실시형태에서, 본 발명은 연료 입구, 연료 입구와 유체 연통되는 증발기 캐비티, 증발기 캐비티와 유체 연통되는 연료 출구, 및 연료 출구와 유체 연통되는 에어 입구를 포함하는 버너로서, 에어 입구는 버너의 반경 방향을 따라 연료 출구의 적어도 일부와 오버래핑되는 것을 특징으로 한다.

실시형태는 이하의 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 버너는 증발기 캐비티에 열전도성 다공질 재료를 더 포함한다. 다공질 재료는 연료 출구를 통해서만 버너 출구와 유체 연통된다. 버너는 다공질 재료를 가열하도록 구성된 히터를 더 포함한다. 버너는 에어 입구의 하류측에 위치되고, 증발기 캐비티를 둘러싸는 공간을 더 포함한다. 버너는 공간 내에 에어와 가스 연료를 각도 방향으로 향하도록 구성된 돌출부를 더 포함한다. 에어 입구는 버너의 종축을 따라 연료 출구의 적어도 일부와 오버래핑된다. 버너는 대략 버너의 주위에 위치되고, 에어를 비수직 각도로 주위로 향하도록 구성된 복수의 에어 입구를 포함한다. 버너는 원뿔의 일부로 형성되는 버너 출구를 더 포함한다. 원뿔은 대략 0°~ 대략 120°의 각도를 갖는다.

다른 실시형태에서, 본 발명은 연료 입구, 연료 입구와 유체 연통되는 증발기 캐비티, 증발기 캐비티와 유체 연통되는 연료 출구, 연료 출구와 유체 연통되는 에어 입구, 및 에어 입구의 하류측에 위치되고, 증발기 캐비티를 둘러싸는 공간을 포함하는 버너를 특징으로 한다.

실시형태는 이하의 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 버너는 증발기 캐비티에 열전도성 다공질 재료를 더 포함한다. 다공질 재료는 연료 출구를 통해서만 버너 출구와 유체 연통된다. 버너는 다공질 재료를 가열하도록 구성된 히터를 더 포함한다. 버너는 공간 내에 에어와 가스 연료를 각도 방향으로 향하도록 구성된 돌출부를 더 포함한다. 버너는 대략 버너의 주위에 위치되고, 에어를 비수직 각도로 주위로 향하도록 구성된 복수의 에어 입구를 포함한다. 버너는 원뿔의 일부로 형성되는 버너 출구를 더 포함한다. 원뿔은 대략 0°~ 대략 120°의 각도를 갖는다.

여기에 기재되는 버너를 이용하는 연소 공정은 대략 0.2 ~ 대략 1.5(대략 0.5 ~ 대략 0.7 등)의 선회 수(swirl number)를 갖는 선회 안정화 플레임을 제조할 수 있다.

일부 실시형태에서, 에어는 버너의 단부에 위치되는 개구 또는 통로를 통해서 도입될 수 있다.

실시형태는 이하 이점 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

증발기 둘레를 따라 플레임을 선회시킴으로써 다중 연료에 대한 플레임의 안정화를 도모할 수 있다. 일부 적용에서, 액체와 가스 연료는 플레임 길이와 플레임 속도가 현저히 다르기 때문에 동일 버너에서 이용될 수 없다. 플레임을 강하게 선회시키면 상이한 플레임 특성을 상쇄할 수 있다. 선회 플레임은 플레임 플로우 필드에 대한 영향을 최소화하면서 증발 표면을 플레임의 중앙에 위치되게 할 수도 있다.

증기 구멍 둘레에 고속 에어의 이용은 연료의 형태에 상관없이 연료 증기를 추출하고 연료와 에어의 사전 혼합을 촉진할 수 있다. 실시형태는 버너의 변경없이 액체 또는 가스 연료를 이용하여 작동할 수 있다.

발포체에 의한 증발은 코크스가 거품 내에 형성될지라도 열을 공급 연료에 전달되게 한다. 발포체가 가장 뜨거운 부분으로부터 열을 분산할 수 있어서 코크스가 절연 특성에 의해 더 이상 증발을 방지하지 않기 때문에, 코킹이 발생해도 치명적이지 않을 수 있다.

발포체의 구조는 대부분 비어 있어 큰 증발 표면을 제공할 수 있다. 대부분 비어 있고 작은 오리피스가 없으면 막힘의 발생을 줄일 수 있다.

일부 실시형태에서, 버너는 황에 의해 쉽게 악화되지 않고, 및/또는 고온에서 쉽게 부식되지 않는데, 이는 촉매 버너 등의 다른 다중 연료 버너에서는 발생할 수 있다.

컨트롤 시스템은 하드웨어의 변경없이 다양한 연료로 작동할 수 있다.

여기에 이용된 바와 같이, "버너의 변경없이"란 어떠한 물리적 구성 요소도 버너에 추가되거나 버너로부터 제거되지 않는 것을 의미한다. 그러나, 연료 유량, 에어 유량 및 온도 등의 버너의 작동상의 파라미터는 변경될 수 있다.

여기에 이용된 바와 같이, "시스템의 변경없이"란 어떠한 물리적 구성 요소도 시스템에 더해지거나 시스템으로부터 제거되지 않음을 의미한다. 그러나, 유량, 온도, 스위칭 상태 등의 시스템의 작동상의 파라미터는 변경될 수 있다.

하나 이상의 실시형태의 세부가 이하 첨부되는 명세서에 설명되어 있다. 본 발명의 다른 실시형태, 특징 및 이점은 이하 도면, 실시형태의 상세한 설명 및 첨부되는 청구범위로부터 명확해질 것이다.

도 1은 분리된 원뿔 형상 단부를 갖는 다중 연료 버너의 실시형태의 사시도이다.

도 2는 부착된 원뿔 형상 단부를 갖는 도 1에 나타낸 버너의 단면도이다.

도 3은 제거된 원뿔 형상 단부를 갖는 버너의 도 1에 나타낸 측면도이다.

도 4는 선 4-4를 따라 절취된 도 3에 나타낸 버너의 단면도이다.

도 5는 도 3에 나타낸 버너의 분해 사시도이다.

도 6은 다중 연료 버너를 포함하는 컨트롤 시스템의 실시형태의 블록도이다.

도 7은 다중 연료 버너를 포함하는 컨트롤 시스템의 실시형태의 개략도이다.

도 1 및 2는 가스 연료뿐만 아니라 액체 연료를 연소하기 위해 이용될 수 있는 연소 버너(20)를 나타낸다. 버너(20)는 외부 연소 엔진, 화학 프로세서 및 히터 등의 시스템에 이용될 수 있다. 여기에 설명된 바와 같이, 액체 연료의 연소 및 가스 연료의 연소 사이의 스위칭은 (예를 들면, 하드웨어를 더하거나 제거함으로써) 버너(20)나 버너를 포함하는 시스템을 변경하지 않고 수행될 수 있다. 또한, 버너(20)는 저배출물로 다양한 연료를 연소할 수 있다. 예를 들면, 등유의 연소는 배기 가스 내에서 4% 과잉 산소(대략 0.8 파이) 이하에 의해서도 대략 500 ppm CO 이하의 배출물을 낳을 수 있다. 100 ppm CO 이하의 더 적은 배출물은 플레임 내에서 더 많은 양의 과잉 에어(예를 들면, 0.7-0.75 파이)에 의해 가능하다.

도 3, 4 및 5를 참조하면, 일반적으로 버너(20)는 하우징(22)과 하우징에 증발기(40)를 포함한다. 작동 동안, 연료는 증발기(40)(예를 들면, 액체 연료를 증발시킴)에 인도되고, 가스 연료와 에어는 증발기와 하우징(22) 사이에 정의된 혼합 영역(50)에서 혼합된다. 혼합된 연료와 에어는 버너 출구(28)에서 연소된다. 보다 구체적으로, 하우징(22)은 상부 바디(30)와 상부 바디에 결합되는 하부 바디(32)를 포함한다. 상부 바디(30)는 연료 입구(34)와 상부 바디의 종축(L)을 따라 연장되는 통로(36)를 포함한다. 하부 바디(32)는 하부 바디의 외주를 따라 배열되는 복수의 에어 입구(38)를 포함한다. 도 1 및 2에 나타낸 바와 같이, 버너(20)는 버너 출구(28)가 형성되는 원뿔 형상 단부(24)[하부 바디(32)가 1개 형성될 수 있음]를 포함한다. 하우징(22) 내에서 증발기(40)(나타낸 바와 같이, 개구단과 폐쇄단을 갖는 원통 바디)는 통로(36)와 버너 출구(28)와 동축에 있다. 증발기(40)와 하우징(22) 사이에 가스 연료와 에어가 연소 전에 혼합되는 에어/가스 연료 혼합 영역(50)(나타낸 바와 같이, 원통 공간)이 있다. 증발기(40)는 증발기의 외주를 따라 위치되는 복수의 연료 출구(42)(나타낸 바와 같이, 개구(연료 출구 개구) 주위)를 갖는다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 증발기(40) 내에 버너(20)가 이용되는 동안 액체 연료를 증발시킬 수 있는 열전도성 다공질 재료(44)(예를 들면, 금속 발포체)와 다공질 재료를 가열하도록 구성된 글로우 플러그(glow plug)(46)를 더 포함한다. 일부 실시형태에서, 버너(20)는 다공질 재료(44)를 포함하지 않지만, 버너는 글로우 플러그(46)를 포함할 수 있다.

작동 동안, 액체 연료 (디젤 연료 등) 또는 가스 연료(프로판 등)는 버너 출구(28)에서 연소를 위해 연료 입구(34)를 통해 도입된다. 보다 구체적으로, 액체 연료를 연소하기 위해 "액체 모드"에서, 글로우 플러그(46)는 스타트업을 활성화 해서 다공질 재료(44)를 가열하여 액체 연료를 증발시키는 증발열을 제공하는데 이용된다. 일부 실시형태에서, 글로우 플러그(46)는 스타트업에서 증발을 보장하기 위해 연료 도입 전에 5분간, 그리고 점화 후 5분간 활성화되고, 액체 연료의 연소가 진행됨에 따라 증발열은 연소로부터의 방사와 버너(20)에 가까운 뜨거운 가스로부터의 대류로부터 증가하면서 발생할 수 있다. 글로우 플러그(46)와 다공질 재료(44)가 액체 연료를 증발시키기에 충분히 가열될 때, 액체 연료는 연료 입구(34)를 통해서 버너(20)에 도입된다. 액체 연료는 액체 연료가 가스 연료로 증발되는 다공질 재료(44)로 유동되고, 연료 출구(42)를 통해서 유동된다. 동시에, 에어는 에어 입구(38)(예를 들면, 팬, 블로어 또는 컴프래서에 의해 가압됨)를 통해서 유동되고, 이 에어는 버너 출구(28) 근방에서 연소되기 전에 연료 출구(42)를 나가는 가스 연료와 혼합 영역(50)에서 혼합된다. 예를 들면, 플레임은 버너 출구(28) 근방에 스파크 플러그, 글로우 플러그 또는 뜨거운 표면 점화기를 갖는 점화원에 의해 최초로 점화된다. 버너(20)가 점화되면, 점화원은 연소를 유지하기 위해 더 이상 요구되지 않는다. 예를 들면, 글로우 플러그(46)는 대략 점화후 5분간 비활성화될 수 있다.

"가스 모드"에서 가스 연료를 연소시키기 위해 가스 연료는 상술된 액체 연료의 유로로서 대체로 동일한 유로를 통해서 유동한다. 보다 구체적으로, 가스 연료는 연료 입구(34)를 통해서 버너(20)로 도입된다. 가스 연료는 다공질 재료(44)와 접촉하고 소량의 열을 흡수할 수 있지만, 연료는 액체 연료에서와 같은 페이즈 변화를 경험하지 않는다. 그 후, 가스 연료는 연료 출구(42)를 통해서 유동된다. 그 후, 에어 입구(38)를 통해서 도입되는 에어는 연료 출구(42)를 나가는 가스 연료와 혼합 영역(50)에서 혼합되고, 이 에어 및 연료 혼합물은 버너 출구(28) 근처에서 연소되고, 작동의 "액체 모드"로 설명된 바와 같이, 점화원에 의해 최초로 점화된다.

도 2를 다시 참조하면, 증발기(40) 내에서와 가까운 폐쇄단에서, 버너(20)는 열교환기와 증발 표면으로 작동하는 다공질 재료(44)을 포함한다. 가스 연료는 뜨거운 표면으로부터 가스로의 열전달이 액체로의 열전달보다 효과적이지 않기 때문에 작동에 현저한 열전달 없이 증발기(40)를 입출할 수 있다. 그러나, 액체 연료에 있어서, 다공질 재료(44)는 핫스폿을 제한하고 열을 분산시켜서 증발 표면에서 온도의 균일함을 증대시킬 수 있고, 이 균일 온도로 연장된 표면 영역을 제공할 수 있다. 작동 동안, 연료가 저면 위의 다공질 재료에 의해 증발되면 연료는 다공질 재료(44)의 가장 뜨거운 표면에 도달하지 않는다. 무거운 연료 추출물 중 보다 가벼운 부분은 보다 저온에서 더 빨리 증발될 수 있고, 연료의 과열과 코크스 형성은 이 메커니즘에 의해 제한될 수 있다. 또한, 이 증발 접근법에서 코크스 형성은 버너(20)에 치명적이지 않을 수 있다. 사실, 다공질 재료(44)의 큰 개방 부피와 표면 영역 때문에, 코크스 형성이 추가 연료 증발에 영향을 끼치기 전에, 일부 매우 느린 코크스가 쌓일 수 있다. 따라서, 다공질 재료(44)는 버너(20)의 수명을 증가시키는데 유용할 수 있다. 다공질 재료(44)는, 코크스가 가장 뜨거운 표면에 형성되면, 열이 충분히 멀리 전달되어 증기가 표면으로부터 떨어져 형성되도록, 우수한 열전도성을 제공하기도 한다.

다공질 재료(44)는 어떤 높은 온도 내성, 높은 표면 영역을 갖는 열전도성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 버너의 컴퓨터에 의한 유체 역학 분석은 버너가 등유 연료로 작동될 때 600℃에 근접하는 금속 발포체 다공질 재료의 최대 온도를 가리킨다. 결과적으로, 일부 실시형태에서 다공질 재료(44)는 산화와 분해 등 어떠한 역효과 없이 적어도 대략 600℃ ~ 적어도 대략 800℃의 온도에서 견딜 수 있다. 다공질 재료(44)는 대략 60% ~ 대략 95%의 공극율을 가질 수 있다. 다공질 재료(44)의 셀 사이즈는 대략 10 ppi (인치 당 기공) ~ 100 ppi를 가질 수 있어서 다공질 재료에 플로잉 저항의 역효과 없이 높은 표면 영역의 이점을 얻을 수 있다. 다공질 재료(44)의 구조는, 예를 들면 다공질 재료의 일부가 코크스로 채워지기 시작하면 액체 연료를 증발시키는데 요구되는 열을 제공하기 위해 남아있는 증발 표면을 제공한다. 다공질 재료(44)의 예는(예를 들면, 전체적으로 형성됨) 스테인레스 스틸 또는 철 크롬(FeCr) 합금을 포함하는 발포체 등의 금속 발포체를 포함한다.

도 2를 계속 참조하면, 가스 연료가 (인도되거나 증발 후) 연료 출구(42)를 나갈 때 가스 연료는 에어 입구(38)를 통해서 들어가는 에어와 혼합된다. 나타낸 바와 같이, 가스 연료와 에어 사이에 혼합을 증가시키기 위해, 연료 출구(42)와 에어 입구(38)는 하나 이상의 연료 출구의 (연료 출구 개구의) 적어도 일부가 축(L)을 따라 하나 이상의 에어 입구의 (에어 입구 개구의) 적어도 일부와 오버래핑되도록 종축(L)의 방향을 따라 정렬된다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 연료 출구(42)는 에어 입구(38)와 완전히 오버래핑된다. 이 오버랩은 가스 연료가 증발기(40)를 나갈 때 유입되는 에어가 가스 연료를 스와이핑(swipe)하여 우수한 혼합을 제공한다. 일부 실시형태에서, 에어 입구(38)는 종축(L)을 따라, 종축(L)을 따르는 연료 출구(42)의 디멘션 이상인 디멘션을 갖는다. 일부 실시형태에서, 에어 입구(38)와 연료 출구(42)는 종축(L)을 따라 오버래핑되지 않는다. 예를 들면, 연료 출구(42)는 버너에 주입되는 에어 유로를 따라 에어 입구(38)의 하류측에 위치될 수 있다.

혼합을 더 향상시키기 위해, 에어 입구(38)가 경사져서, 유입되는 에어를 비수직 각도로 버너(20)의 외주로 보낸다. 예를 들면, 하부 바디(32)의 벽은 경사져서, 유입되는 에어가 에어 입구(38)를 형성하는 버너(20)의 외주에 접선 방향으로 안내 되어 혼합 영역(50)에서 에어와 에어/가스 연료 혼합물을 선회시키도록 돕는다.

일부 실시형태에서, 도 5를 참조하면, 혼합 영역(50)에서의 혼합을 더 향상시키기 위해, 버너(20)는 에어/가스 연료를 종축(L)[예를 들면, 혼합 영역(50)의 외주에 접함]에 대해 경사지거나 휘어진 각도 방향으로 안내하도록 돕는 혼합 영역에서의 구조적 특징을 포함한다. 나타낸 바와 같이, 버너(20)는 증발기(40)의 바깥 외주로부터 연장되는 복수의 선회 베인(60)을 포함한다.

혼합 영역(50)의 구조적 특징 및/또는 에어 입구(38)를 통해서 들어오는 에어의 경사진 방향은 버너(20)에서 에어/가스 연료 선회를 발생할 수 있게 한다. 선회는 시어층(shear layer)과 강한 혼합 스트림을 제공할 수 있어 등유나 DF-2 디젤 연료 등의 낮은 확산성을 갖는 큰 연료 분자에 대해 특히 중요할 수 있다. 선회는 플레임 속도나 등가율의 다양한 범위에서 작동하는 플레임 안정 메커니즘을 제공할 수도 있다. 예를 들면, 등유는 대략 0.6 ~ 대략 0.9의 등가율로 연소될 수 있다. 동일 버너는 2개 연료의 플레임 속도가 같지 않더라도 대략 0.6 ~ 대략 0.9의 등가율을 가지고 프로판으로 작동할 수 있다. 일부 실시형태에서, 가스 연료와 에어가 혼합되면 연소 공정은 버너 출구(28)에서 대략 0.2 ~ 대략 1.5(대략 0.5 ~ 대략 0.7 등)의 선회 수(S_N)로 선회 안정화된 플레임으로 안정화되는데, 여기서, S_N은 축 모멘텀의 축 플럭스에 대해 각 모멘텀의 축 플럭스의 비율로 정의된다.

이제 도 6과 7을 참조하면, 여기서 버너(20)의 실시형태는 채용가능한 컨트롤 시스템(100)에 이용될 수 있는 것으로 기재된다. 예를 들면, 채용가능한 컨트롤 시스템은 외부 연소 엔진과 이용될 수 있고, 가스와 액체 연료로 연소 공정을 컨트롤한다. 나타낸 바와 같이, 컨트롤 시스템(100)은 에어와 연료의 공급을 컨트롤하기 위한 메커니즘을 포함한다. 조정 밸브(102)는 가스 연료(103)의 플로우를 컨트롤하도록 이용될 수 있고, 펌프(104)는 액체 연료(105)를 컨트롤하는데 이용될 수 있고, 및 블로어(106)는 시스템에 연소 에어를 공급하기 위해 이용될 수 있다. 나타낸 바와 같이, 시스템(100)은 2개 연결점을 갖는 연료 공급 라인(108, 110)을 포함하고, 하나는 액체 연료(108)에 대한 것이고 하나는 가스 연료(110)에 대한 것이다. 3방향 밸브(112)는 버너(20)의 상류측의 시스템(100)에서 이용될 수 있고 하나의 라인을 작동시킨다. 일부 실시형태에서, 밸브(112)는 스위치 등의 메커니즘을 갖고 밸브가 선택 모드에 있다는 긍정 지시를 제공한다. 연료 선택기 스위치는 밸브(112)가 시스템(100)의 적절한 작동을 위해 선택된 가스 모드에 있다는 긍정 지시를 제공할 수 있다.

작동 동안, 유저 세팅 스위치는 컨트롤 시스템(100)에 "액체 모드" 또는 "가스 모드"를 작동시킬 수 있다. 예를 들면, 시스템(100)의 모드는 연료와 에어에 대한 공급 시스템을 포함하는 버너(20)의 컨트롤을 작동시킬 수 있다. 연료 플로잉은 온도 세팅 포인트와 버너(20)의 온도 측정(116)으로부터 피드백 신호에 의거하여 세팅될 수 있다. 에어 플로우는 연료 플로잉 기본 세팅 포인트와 연소 혼합물의 화학양론을 가리키는 피드백 신호에 의거하여 세팅될 수 있다. 연료 비율에 의거한 "피드 포워드" 기간과 결합되고, 센서(114)로부터의 "피드백" 기간을 갖는 이 하이브리드 컨트롤 시스템은, 예를 들면 "피드백" 응답에만 의거한 컨트롤 시스템에 비해 안정성을 향상시킬 수 있다. 유저는 시스템(100)의 소망하는 모드를 작동하거나 선택할 수 있고, 버너(20)는 액체와 가스 연료와 매우 유사하게 작동할 수 있어서, 동일 센서(114, 116)는 양쪽 모드에 피드백으로 이용될 수 있다.

연료와 에어에 대한 피드백 시스템은 양쪽 모드에 대해 동일한 하드웨어를 이용할 수 있지만, 모드에 따른 다른 세팅 포인트를 가질 수 있다. 예를 들면, 외부 연소 엔진의 경우에 하나는 연료 비율을 컨트롤하여 엔진의 특정한 바디의 온도를 유지할 수 있다. 온도는 예를 들면 열전대나 저항 온도 검출기(RTD)에 의해 측정될 수 있다. 온도는 모드가 액체 또는 가스 연료인지에 따라 달라질 수 있다. 에어의 양은, 예를 들면 자동 산소 센서, 일산화탄소 센서 또는 플레임 정류 센서 등의 화학양론 센서로부터 피드백을 이용하여 컨트롤될 수 있다. 산소 센서의 경우에, 배출 가스 내의 산소의 양은 미리 구체화되거나 액체 연료와 가스 연료에 대해 다를 수 있다. 피드백 값에 대한 다른 세팅은 액체 또는 가스가 연소되고 있는 깨끗한 배출물을 유지하기 위해 시스템(100)의 모드에 따라 구체화될 수 있다. 플레임 속도는 연료(천연 가스, 프로판, 부탄을 포함하는 가스 연료 및 가솔린, 등유 또는 디젤 등의 액체 연료)의 각 모드 내에서 더 유사하기 때문에, 각 모드에 대해 하나의 산소 세팅만 필요하고, 시스템(100)에 대한 모드는 하나의 스위치로 구체화될 수 있다.

실시형태의 다수가 기재되었지만 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

예를 들면 버너 에어가 회복되면, 예열된 에어가 증발 공정에서 지원될 수도 있다. 예를 들면, 버너 에어가 배기 가스에 의해 회복되고, 회복의 정도에 따라 600℃에 근접하는 온도에 도달될 수 있다. 이 온도의 에어는 연료의 증발 공정을 지원할 수 있다.

다른 실시예로서, 도 2를 참조하면, 버너 출구(28)는 대략 0° ~ 대략 120° (대략 40° ~ 대략 80° 등)의 각도(α)를 가질 수 있다. 큰 원뿔 각도는 반경 방향으로 플레임을 연장할 수 있고, 어떻게 열이 플레임으로부터 가열되는 바디에 전달되는지 뿐만 아니라 플레임 안정에도 영향을 미칠 수도 있다.

일부 실시형태에서, 버너는 상당히 다공질 재료(44) 디자인될 수 있고 및/또는 글로우 플러그(46)는 선택된 작동 간격(필터와 유사) 후에 쉽게 대체될 수 있다. 예를 들면, 글로우 플러그(46)와 다공질 재료(44)는, 예를 들면 패키지를 제거하거나 인스톨하기 위해 글로우 플러그의 쓰레드를 이용하는 것과 같이, 함께 제거되거나 대체될 수 있는 하나의 미리 조립된 패키지로 제조될 수 있다.

버너의 측부에 위치된 에어 입구를 통해서 버너에 에어를 도입하는 것에 추가되거나 또는 대안으로, 에어는 버너의 단부로부터 도입될 수 있다. 예를 들면, 버너는 글로우 플러그를 동축 상에 둘러싸고 증발기와 유체 연통되는 환상 통로를 포함할 수 있다. 어떠한 글로우 플러그도 없는 실시형태에서 에어는 통로(36)를 통해서 도입될 수 있다.

"상부", "하부" 및 "저부" 등의 위치를 가리키는 용어는 편의상 도면을 참조하여 사용되었지만, 한정적인 의미로 사용된 것은 아니다.

다른 실시형태는 이하 청구의 범위 내에 있다.

Claims

액체 연료를 포함하는 제 1 소스와,

가스 연료를 포함하는 제 2 소스와,

상기 제 1 및 제 2 소스에 접속되고, 상기 액체 연료와 상기 가스 연료에 선택적으로 유체 연통되어 상기 연료를 수용하는 연소 버너를 포함하고,

상기 버너는 연료 입구와, 연료 출구와, 상기 버너의 반경 방향을 따라 상기 연료 출구의 연료 출구 개구의 적어도 일부와 오버래핑되는 에어 입구 개구를 갖는 에어 입구를 포함하고,

상기 버너는 이 버너 또는 시스템의 변경없이 상기 액체 연료의 연소와 상기 가스 연료의 연소 사이에서 스위칭될 수 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 소스 또는 상기 제 2 소스로부터 상기 버너로 연료의 플로우를 컨트롤하도록 구성된 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 버너의 출력 측정에 의거하여 상기 제 1 소스 또는 상기 제 2 소스로부터 상기 버너로 연료의 플로우를 컨트롤하도록 구성된 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서,

가스 연료와 에어의 혼합물 또는 액체 연료를 증발시킴으로써 얻어진 연료와 에어의 혼합물의 온도 또는 화학양론을 센싱하도록 구성된 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 에어 입구 개구는 상기 연료 출구 개구의 하나 이상의 디멘션보다 더 큰 하나 이상의 디멘션을 갖는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 버너는 이 버너의 주위를 따라 위치되고, 에어를 비수직 각도로 상기 주위로 향하게 하도록 구성된 복수의 에어 입구를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 버너는 상기 액체 연료를 증발시키도록 구성된 열전도성 다공질 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 8 항에 있어서,

상기 버너는 상기 다공질 재료를 둘러싸는 공간을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 버너는 상기 에어 입구의 하류측에 돌출부를 더 포함하고, 상기 돌출부는 에어와 증발 연료를 각도 방향으로 향하게 하도록 구성된 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 버너는 원뿔의 일부로 형성되는 버너 출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 11 항에 있어서,

상기 원뿔은 0°~ 120°의 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 연료 입구는 증발기 캐비티와 유체 연통되고, 상기 연료 출구는 상기 증발기 캐비티와 유체 연통되고, 버너 출구는 상기 에어 입구 및 상기 연료 출구와 유체 연통되는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 13 항에 있어서,

상기 버너는 상기 증발기 캐비티에 열전도성 다공질 재료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 14 항에 있어서,

상기 다공질 재료는 상기 연료 출구를 통해서만 상기 버너 출구와 유체 연통되는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 14 항에 있어서,

상기 버너는 상기 다공질 재료를 가열하도록 구성된 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 13 항에 있어서,

상기 버너는 상기 에어 입구의 하류측에 위치되고, 상기 증발기 캐비티를 둘러싸는 공간을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 17 항에 있어서,

상기 버너는 상기 공간 내에 에어와 가스 연료를 각도 방향으로 향하게 하도록 구성된 돌출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
삭제
제 13 항에 있어서,

상기 버너는 이 버너의 주위를 따라 위치되고, 에어를 비수직 각도로 주위로 향하게 하도록 구성된 복수의 에어 입구를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 13 항에 있어서,

상기 버너 출구는 원뿔의 일부로 형성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 21 항에 있어서,

상기 원뿔은 0° ~ 120°의 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 시스템.
연소 시스템의 버너의 연료 입구를 통하여 제 1 페이즈의 제 1 연료를 도입하는 스텝과,

상기 연료 입구를 통하여 상기 제 1 페이즈와 다른 제 2 페이즈에 있는 제 2 연료를 도입하는 스텝을 포함하고,

상기 버너로의 상기 제 2 연료의 도입은 상기 버너 또는 상기 연소 시스템을 변경하지 않고 수행되고,

상기 버너는 연료 출구의 연료 출구 개구와, 반경 방향으로 상기 연료 출구의 연료 출구 개구의 적어도 일부와 오버래핑되는 에어 입구의 에어 입구 개구를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제 23 항에 있어서,

상기 버너의 출력 측정에 의거하여 상기 버너로 상기 제 1 연료 또는 상기 제 2 연료의 플로우를 컨트롤하는 스텝을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제 23 항에 있어서,

상기 버너의 출구의 온도 또는 산소 함유량을 측정하는 스텝을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
삭제
제 23 항에 있어서,

상기 에어 입구 개구는 상기 연료 출구 개구의 하나 이상의 디멘션보다 더 큰 하나 이상의 디멘션을 갖는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제 23 항에 있어서,

에어를 비수직 각도로 상기 버너의 주위로 향하게 하는 스텝을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제 23 항에 있어서,

열전도성 다공질 재료로 액체 연료를 증발시키는 스텝을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제 23 항에 있어서,

다공질 재료를 둘러싸는 공간에서 연료와 에어를 혼합하는 스텝을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제 23 항에 있어서,

각도 방향으로 에어와 연료를 향하게 하는 스텝을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제 23 항에 있어서,

상기 버너는 원뿔의 일부로 형성되는 버너 출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제 32 항에 있어서,

상기 원뿔은 0°~ 120°의 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제 23 항에 있어서,

상기 연료 입구는 증발기 개비티와 유체 연통되고, 상기 연료 출구는 상기 증발기 캐비티와 유체 연통되고, 상기 에어 입구는 상기 연료 출구와 유체 연통되고, 버너 출구는 상기 에어 입구 및 상기 연료 출구와 유체 연통되는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제 34 항에 있어서,

상기 버너는 상기 증발기 캐비티에 열전도성 다공질 재료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제 35 항에 있어서,

상기 다공질 재료는 상기 연료 출구를 통해서만 상기 버너 출구와 유체 연통되는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제 35 항에 있어서,

상기 버너는 상기 다공질 재료를 가열하도록 구성된 히터를 더 포함하는 것 을 특징으로 하는 연소 방법.
제 35 항에 있어서,

상기 버너는 상기 에어 입구의 하류측에 위치되고, 상기 증발기 캐비티를 둘러싸는 공간을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제 38 항에 있어서,

상기 버너는 상기 공간 내에 에어와 가스 연료를 각도 방향으로 향하게 하도록 구성된 돌출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
삭제
제 35 항에 있어서,

상기 버너는 이 버너의 주위를 따라 위치되고, 에어를 비수직 각도로 주위로 향하게 하도록 구성된 복수의 에어 입구를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제 35 항에 있어서,

상기 버너 출구는 원뿔의 일부로 형성되는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
제 42 항에 있어서,

상기 원뿔은 0°~ 120°의 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 연소 방법.
연료 입구와,

상기 연료 입구와 유체 연통되는 증발기 캐비티와,

상기 증발기 캐비티와 유체 연통되는 연료 출구와,

상기 연료 출구와 유체 연통되는 에어 입구를 포함하고,

상기 에어 입구의 에어 입구 개구는 버너의 반경 방향을 따라 상기 연료 출구의 연료 출구 개구의 적어도 일부와 오버래핑되는 것을 특징으로 하는 버너.
제 44 항에 있어서,

상기 버너는 상기 증발기 캐비티에 열전도성 다공질 재료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 버너.
제 45 항에 있어서,

상기 다공질 재료는 상기 연료 출구를 통해서만 버너 출구와 유체 연통되는 것을 특징으로 하는 버너.
제 45 항에 있어서,

상기 버너는 상기 다공질 재료를 가열하도록 구성된 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 버너.
제 44 항에 있어서,

상기 버너는 상기 에어 입구의 하류측에 위치되고, 상기 증발기 캐비티를 둘러싸는 공간을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 버너.
제 48 항에 있어서,

상기 버너는 상기 공간 내에 에어와 가스 연료를 각도 방향으로 향하게 하도록 구성된 돌출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 버너.
제 44 항에 있어서,

상기 에어 입구는 상기 버너의 종축을 따라 상기 연료 출구의 적어도 일부와 오버래핑되는 것을 특징으로 하는 버너.
제 44 항에 있어서,

상기 버너는 이 버너의 주위를 따라 위치되고, 에어를 비수직 각도로 주위로 향하게 하도록 구성된 복수의 에어 입구를 포함하는 것을 특징으로 하는 버너.
제 44 항에 있어서,

상기 버너는 원뿔의 일부로 형성되는 버너 출구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 버너.
제 52 항에 있어서,

상기 원뿔은 0°~ 120°의 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 버너.
연료 입구와,

상기 연료 입구와 유체 연통되는 증발기 캐비티와,

상기 증발기 캐비티와 유체 연통되는 연료 출구와,

상기 연료 출구와 유체 연통되는 에어 입구와,

상기 에어 입구의 하류측에 위치되고, 상기 증발기 캐비티를 둘러싸는 공간을 포함하고,

상기 버너는 상기 연료 출구의 연료 출구 개구와, 반경 방향으로 상기 연료 출구 개구의 적어도 일부와 오버래핑되는 상기 에어 입구의 에어 입구 개구를 포함하는 것을 특징으로 하는 버너.
제 54 항에 있어서,

상기 버너는 상기 증발기 캐비티에 열전도성 다공질 재료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 버너.
제 55 항에 있어서,

상기 다공질 재료는 상기 연료 출구를 통해서만 버너 출구와 유체 연통되는 것을 특징으로 하는 버너.
제 55 항에 있어서,

상기 버너는 상기 다공질 재료를 가열하도록 구성된 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 버너.
제 54 항에 있어서,

상기 버너는 상기 공간 내에 에어와 가스 연료를 각도 방향으로 향하게 하도록 구성된 돌출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 버너.
제 54 항에 있어서,

상기 버너는 이 버너의 주위를 따라 위치되고, 에어를 비수직 각도로 주위로 향하게 하도록 구성된 복수의 에어 입구를 포함하는 것을 특징으로 하는 버너.
제 54 항에 있어서,

상기 버너는 원뿔의 일부로 형성되는 버너 출구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 버너.
제 60 항에 있어서,

상기 원뿔은 0°~ 120°의 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 버너.