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KR20000035204A - 고온 및 고미립자 노에 사용하기 위한 개선된 자기 냉각식산소-연료 버너 - Google Patents

고온 및 고미립자 노에 사용하기 위한 개선된 자기 냉각식산소-연료 버너 Download PDF

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Publication number
KR20000035204A
KR20000035204A KR1019990048344A KR19990048344A KR20000035204A KR 20000035204 A KR20000035204 A KR 20000035204A KR 1019990048344 A KR1019990048344 A KR 1019990048344A KR 19990048344 A KR19990048344 A KR 19990048344A KR 20000035204 A KR20000035204 A KR 20000035204A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
oxidant
outlet
fuel
burner
chamber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
KR1019990048344A
Other languages
English (en)
Inventor
조쉬마헨드라엘
보더스할리에이
마린오비디우
샤론올리비에
Original Assignee
쉬에르 피에르
레르 리뀌드, 소시에떼 아노님 뿌르 레뛰드 에 렉스쁠로와따시옹 데 프로세데 죠르쥬 끌로드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 쉬에르 피에르, 레르 리뀌드, 소시에떼 아노님 뿌르 레뛰드 에 렉스쁠로와따시옹 데 프로세데 죠르쥬 끌로드 filed Critical 쉬에르 피에르
Publication of KR20000035204A publication Critical patent/KR20000035204A/ko
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

새로운 연료 및 산화제 노즐 및 3개의 격실 내화성 버너 블록 구조로 구성되는 자기 냉각식 산화제-연료 버너가 제공된다. 이 새로운 산화제-연료 버너 장치는 고온(2200℉ 내지 3000℉) 및 고미립자(high-particulate)(또는 고 공정 휘발 물질/응축물) 노에서 금속제 버너 노즐 및 내화성 버너 블록 내부에 과열 또는 화학적 부식 손상을 일으키지 않으며서 발화될 수 있다. 노즐 및 블록의 형태에 대한 다양한 실시예를 제공함으로써, 버너는 가열 대상물 조건에 따라 종래의 원통형 화염 또는 평평한 화염을 제공할 수 있다. 이러한 버너의 신규한 특징에는 연료 및 산화제 스트림을 유선형으로 혼합하기 위한 독특한 구성의 연료 노즐, 원하는 화염 특성을 위해 산화제 유동에 발생되어지는 제어된 와류, 반경 방향 및 축방향으로 전개되는 화염 전면의 제어된 팽창, 대류 냉각을 제공하고 공정 입자들이 축적되는 것을 방지하기 위하여, 산화제를 사용하여 버너 블록 내면에서 이루어지는 효율적인 청소 작업 등이 있다. 또한, 대류 핀이 구비되어 있는 비교적 두꺼운 벽의 금속제 노즐 구조는 노즐 선단부로부터 열을 효율적으로 분산할 수 있도록 하고, 유지 작업이 필요없는 버너 작동을 제공한다.

Description

고온 및 고미립자 노에 사용하기 위한 개선된 자기 냉각식 산소-연료 버너{IMPROVED SELF-COOLED OXYGEN-FUEL BURNER FOR USE IN HIGH-TEMPERATURE AND HIGH-PARTICULATE FURNACES}
본 발명은 연소에 관한 것으로서, 특히 공기 중의 산소 농도보다 큰 산소 농도의 산화제로 연료를 연소시키는 버너 및 그 사용 방법에 관한 것이다.
공기 중의 산소 농도보다 큰 산소 농도의 산화제를 사용하는 버너 기술에 있어서, 그 버너를 유리 제조에 사용할 때, 한가지 목적은 저온의 휘염(luminous flame)을 만들어내는 것이다. 종종, 이들 화염에서 가스의 속도는 느리고, 화염을 매우 간단하게 [예컨대, 파이프 인 파이프(pipe-in-pipe) 형태로] 혼합하고자 한다. 원통형의 연소 챔버가 마련된 버너 블록을 사용하는 것이 공지되어 있는데, 그 주요 과정은 원통형 공동 내부에 산소 농축 덮개(oxygen-rich sheath)로 연료 농축 코어(fuel-rich core)를 둘러싸는 것이다. 원통형 버너 블록[종종 예비 연소기(precombustor)라고도 한다]은 그 원통형 공동의 길이(L) 대 직경(D)의 비가 2 내지 6이다. 이러한 L/D 비의 범위에서, 연료와 산소의 속도(600 ft/s 미만)는 최대 20 MM Btu/hr 범위의 발화를 하도록 선택한다. 여기서, 목적은 혼합을 지체하여, 길고 느리며 휘도(輝度, luminosity)가 큰 산소-연료 화염을 만들어 내는 것이다. (연료 농축 코어에서) 열 분해(thermal cracking) 및 후속하는 연소로 인해 발생하는 그을음 입자(soot particle)에 의해 화염 휘도가 제공된다. 상기 L/D 범위 밖에서는, 상기 화염은 매우 큰 "축방향" 운동량을 필요로 하며, 휘도가 매우 떨어지게 된다.
전술한 버너들은 여러 가지 목적을 위해서 유용하기는 하지만, 많은 단점들이 있다. 이러한 버너 블록의 주 단점은 화염의 형태, 특히 최대 화염 직경 및/또는 화염 길이가 항상 버너 블록의 L/D 비와, 연료 및 산화제 속도에 의해 결정된다는 것이다. 일반적인 화염의 특성은 대류성 가열을 위한 중요한 성분, 증대된 대상물 적용 범위를 위한 더 큰 화염 표면적, 또는 버너 블록의 고온 표면 (재순환 영역) 부근에 입자 "흡기 효과"의 영향을 감소시키기 위한 고려가 전혀 없는 길고 느리며 휘도가 큰 화염이다. 이러한 버너에서 축방향 운동량을 갖는 화염은 연소로 인한 저압 영역을 만들어 낸다.
전술한 3차원 재순환 영역의 크기 및 강도는 축방향 화염 연소 생성물의 운동량에 의존한다. 화염의 운동량이 클수록, 재순환 영역에서의 흡기 효과도 더 커지고, 버너 블록의 고온 표면 주위의 저압 영역도 더 커진다.
버너 블록의 고온 표면 부근의 저압 영역은 다양한 공정 입자[예컨대, 유리 배치(glass batch), 휘발 물질(volatile), 응축물(condensate) 등]가 버너 블록의 고온 표면에 축적되거나, 때로는 [산화제 스트림과 버너 블록 내면 사이에 공극(void)이 있을 경우] 버너 블록 공동 내부로 유인될 수 있도록 한다. 이러한 현상은 버너 블록 공동이 화염 가스로 완전히 채워지도록 설계되어 있지 않은 경우에 매우 흔한 일이다. 공극이 전혀 없는 기밀성 버너 블록을 설계하는 것은 버너 발화율(firing rate)(산화제 및 연료의 유량)이 넓은 범위에 걸쳐 변할 경우에는 매우 어렵다. 연소 전면(flame envelope) 주위에 있는 버너 블록의 미소 간극은, 저압 영역이 존재하고 후속하는 재순환 영역의 펌핑 작용으로 인해 버너 블록 공동 속으로 연소 생성물이 흡인되도록 할 수 있다. 버너 블록이 삽입됨으로써, (버너 및/또는 블록을 청소하지 않으면 버너/블록 수명이 단축된다는 점에서) 유지 주기가 증가되거나, 고온 화염의 직간접적인 충돌(impingement)/전향(deflection)으로 인한 갑작스런 파손(블록/버너의 용융)이 생길 수 있게 된다.
파이프 인 파이프 형태의 버너 블록 구조의 다른 단점은, 본 명세서에는 이하에서 "평평한" 화염("flat" flame)이라고 지칭되는, 연료 및 산화제 가스 유동 방향에 대체로 수직한 반경 방향으로 팽창되는 화염을 만들어 내기가 어렵다는 것이다. 원통형 구조의 파이프 인 파이프 버너에서는 화염이 반경 방향으로 팽창하여 전개되지 못한다. 반경 방향의 평평한 화염 형태는 노의 내부를 일정한 열 플럭스로 가열하기 위한 공기-연료 버너에서는 매우 흔한 것이다. 간단한 예로, 공기-연료 버너가 노의 루프(roof)[크라운(crown)]에 장착되어 있고, 아래쪽의 강(鋼) 대상물[빌렛(billet), 플레이트(palte)]로 열을 복사하는 강 재열로(steel reheat furnace)이다. 반경 방향으로 팽창되는 평평한 화염(보통 와류 유동)의 이점은 매우 작은 축방향 가열 성분이 제공되고, 가열은 대부분 가열된 벽으로부터의 복사로 인한 것이라는 점이다. 평평한 화염은 코안다 효과(coanda effect)에 의해 벽의 표면을 둘러싸고, 균일한 복사를 수행하기 위한 열원을 발생시키는 것으로 알려져 있다. 이러한 형태의 공기-연료 버너는 산업계에서 "월 허거(Wall Hugger)"라는 영업상 명칭으로 공지되어 있다. 월 허깅 화염(wall-hugging falme)은 고속의 공기 와류에 의해 만들어진다. 그러나, 동일한 과정이 산소-연료 버너를 이용해서는 아직 입증되지 않았다.
공기 중의 산소 농도보다 큰 산소 농도의 와류 유동 산화제/연료 버너가 공지되어 있다. 통상적으로, 이 버너 블록에는 원통형 공동이 있고, 버너가 원통형 공동 내부에 들어가 있다. 고속의 연료 분사 및 와류 유동하는 환형 공간에서의 저속 산소 분사가 제공된다. 와류 안정형 화염(swirl stabilized flame)이 일정 직경의 원통형 블록 공동 내에 형성된다. 이러한 구조는 와류 유동 산소 운동으로 인해 발산되는 산소 유동 스트림을 팽창시키기 위한 어떠한 수단도 제공하지 않는다. 그 결과, 화염은 출구 직경(D)에 기초한 "좁은" 원통형 화염이 된다. 좁은 형태의 출구와 연결되어 있는 파이프형 연소 챔버는 화염이 반경 방향으로 팽창되기 위한 충분한 공간을 제공하지 않으며, 극단적인 상황에서는 평평한 화염을 형성하기 위한 충분한 공간을 제공하지 못한다. 일정 직경의 형태(파이프 형태)는 벽의 마찰로 인해 산화제 와류를 유지하는 데 부정적인 영향을 미친다. 와류 유동 유체 스트림이 반경 방향으로 팽창될 수 없다면, 와류의 강도는 벽의 마찰 효과로 인해 급격히 소멸된다. 다른 한편으로, 와류 유동 산화제는 연소 챔버 내에서 가깝게 위치하기 때문에 연료와 신속하게 반응하기도 한다. 이런 과정은 짧고 격렬한 화염을 만들어 낸다. 상대적으로 좁은 직경의 버너 블록에서 와류 유동 산화제는 빨리 연소되어 소진되기 때문에, 버너 블록의 냉각에 부정적인 영향을 미친다.
또한, 버너 선단부(연료 노즐 선단부)가 버너 블록의 고온면으로부터 "L"의 거리를 두고 위치할 때까지, 버너 본체(보통, 금속제 파이프) 전체가 버너 블록 내부로 삽입된다. 와류 유동 산화제는 노즐 출구의 바로 상류에서 도입되고, 이 산화제는 버너 블록의 상당 길이를 냉각하지 않은 채 대부분이 금속제 버너 본체를 통해 운반된다. 와류 유동 산화제를 사용하는 것은 반경 방향으로의 화염 특성을 변화시키기 보다는 연료와의 보다 나은 혼합 조건을 도입하기 위한 것으로 보인다. 고정된 버너 블록의 형태(원통형) 때문에, 반경 방향으로의 화염 형태 변형과 같은 화염 특성, 산화제 유동을 이용하는 냉각 버너 선단부 및 블록 내부의 냉각, 청소용 산화제 스트림(sweeping oxidant stream)으로 버너 블록 내부를 청소하는 것은 상당히 줄일 수 있다.
따라서, 연소 분야에 있어서, 공지된 버너와 관련된 상기 문제들을 해결하는 버너가 요구된다.
도 1은 버너의 제1 실시예의 측면 단면도이고,
도 2는 버너의 제1 실시예의 다양한 치수를 나타내는 개략도이며,
도 3은 와류 유동 산화제가 표시된, 버너의 제1 실시예의 측면 단면도를 개략적으로 도시하며,
도 4는 다양한 치수를 나타내는, 버너의 제2 실시예의 측면 단면도이며,
도 5는 본 발명에 따른 연료 노즐의 개략도이며,
도 6은 본 구조에 내재하는 열 전달을 표시하는, 도 5의 노즐의 제2 개략도이며,
도 7a 및 7b는 각각 와류 유동이 구비 또는 구비되지 않은, 버너의 제1 실시예의 화염 모델링 프로그램의 데이타이며,
도 8a 및 8b는 와류 유동 산화제가 구비 또는 구비되지 않은, 버너의 제2 실시예의 화염 모델링 프로그램의 데이타이다.
본 발명에 따라서, 상기한 종래 기술과 관련하여 언급된 많은 문제점을 해결하고자 하는 버너 장치 및 그 사용 방법이 제공된다.
본 발명의 제1 양태에 따른 버너 장치는,
(a) 유입구와, 실질적으로 원추형의 산화제 팽창 챔버 내로 개방되는 유출구가 마련된 연료 도관을 구비하는 버너 블록을 포함하며,
(b) 상기 버너 블록에는, 상기 연료 도관이 내부에 배치되는 실질적으로 환형의 산화제 통로가 더 마련되고,
(c) 상기 산화제 통로에는 상기 연료 도관 유입구에 인접한 유입 단부와 연료 도관 유출구에 인접한 유출 단부가 마련되고, 이 통로 내부에는 와류 유동 산화제 유동을 발생시키는 1개 이상의 와류 형성 장치(swirler)가 배치되며,
(d) 상기 산화제 통로의 유출 단부는 상기 버너 블록의 산화제 팽창 챔버와 유체 연통되고, 상기 산화제 팽창 챔버의 유출구 직경(Dc)은 유입구 직경(Ds)의 적어도 110%이고;
(e) 상기 버너 장치는, 유입구와 유출구가 마련되고 직경이 Dc인 실질적으로 원통형의 연소 챔버를 포함하고, 상기 산화체 팽창 챔버의 유출구는 상기 연소 챔버의 유입구와 유체 연통하도록 배치되고, 상기 연소 챔버의 유출구는 노 챔버(furnace chamber)로 개방되며,
(f) 상기 연료 도관의 유출구는 상기 연소 챔버 유출구로부터 거리(Lr) 만큼 후퇴되어 있는데, 여기서 Lr = Lc + Le 이고, Lc는 상기 연소 챔버의 축방향 길이이며, Le는 상기 산화제 팽창 챔버의 축방향 길이이다.
본 발명의 상기 양태에 따른 양호한 버너 장치에서, 상기 산화제 팽창 챔버의 팽창 각도 범위는 약 5°내지 약 60°, 보다 바람직하게는 약 10°내지 약 30°, 특히 바람직하게는 약 15°내지 약 25°이다. 추가로 설명하는 본 발명의 제1 양태에 따른 버너 장치는 1개 이상의 상기 와류 형성 장치가 약 5°내지 약 30°, 보다 바람직하게는 약 30°내지 약 60°의 베인 각도(vane angle)를 갖는 복수개의 베인인 버너 장치를 지칭한다. 또한, 본 발명의 제1 양태에 따른 버너 장치에서 상기 Le는 Lr의 약 10% 내지 약 50%인 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 양태에 따른 버너 장치는,
(a) 유입구와, 실질적으로 원추형의 산화제 팽창 챔버 내로 개방되는 유출구가 마련된 연료 도관을 구비하는 버너 블록을 포함하며,
(b) 상기 버너 블록에는, 상기 연료 도관이 내부에 배치되는 실질적으로 환형의 산화제 통로가 더 마련되고,
(c) 상기 산화제 통로에는 상기 연료 도관 유입구에 인접한 유입 단부와 연료 도관 유출구에 인접한 유출 단부가 구비되고, 이 통로 내부에는 와류 유동 산화제 유동을 발생시키는 1개 이상의 와류 형성 장치가 배치되며,
(d) 상기 산화제 통로의 유출 단부는 상기 버너 블록의 산화제 팽창 챔버와 유체 연통되고, 상기 산화제 팽창 챔버의 유출구 직경(Dc)은 유입구 직경(Ds)의 적어도 110%이며;
(e) 상기 산화제 팽창 챔버의 유출구는, 유출구와 유입구가 마련되고 곡률 반경이 R인 토로이달형 연소 챔버(torroidal combustion chamber)와 유체 연통하게 배치되고, 상기 토로이달형 연소 챔버의 유출구는 노 챔버로 개방되며;
(f) 상기 연료 도관의 유출구는 상기 토로이달형 연소 챔버로부터 거리(Lr) 만큼 후퇴되어 있는데, 여기서 Lr = Lt + Le 이고, Lt는 상기 토로이달 연소 챔버의 축방향 길이이며, Le는 상기 산화제 팽창 챔버의 축방향 길이이다.
본 발명의 제2 양태에 따른 버너 장치에서 상기 Le는 Lr의 약 10% 내지 약 50%인 것이 좋다.
본 발명의 제1 양태 및 제2 양태에 따른 버너 장치에서, 상기 연료 도관에는 유입 단부와 유출 단부가 마련된 연료 노즐이 포함되며, 이 노즐은 상기 와류 형성 장치와 연료 도관의 유출구 사이에서 상기 연료 도관에 배치되며, 상기 노즐의 유입 단부의 외경은 유출 단부의 외경보다 크다.
본 발명의 제3 양태에 따른 연료 연소 방법은
(a) 연료와 산화제를 본 발명의 제1 양태에 따른 버너 블록 내로 도입하는 단계와;
(b) 산화제가 상기 와류 형성 장치를 통과할 때 와류 유동 산화제를 형성하는 단계와;
(c) 상기 와류 유동 산화제와 연료를 실질적으로 원추형의 상기 산화제 팽창 챔버 내로 유동시켜, 상기 연료는 실질적으로 상기 산화제 팽창 챔버의 축 중심 부근에서 유동하게 하고, 상기 와류 유동 산화제는 상기 산화제 팽창 챔버의 벽을 청소하며 지나가게 하는 단계와;
(d) 상기 와류 유동 산화제와 연료를 실질적으로 상기 원통형의 연소 챔버 내로 유동하게 하는 단계와;
(e) 상기 산화제가 상기 실질적으로 원통형의 연소 챔버의 벽을 청소하고 지나가는 동안에 상기 연료 및 산화제를 상기 연소 챔버에서 연소하는 단계와;
(f) 상기 연소 생성물을 상기 연소 챔버로부터 노 내로 유동하게 하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제3 양태에 따른 방법에서, 상기 와류 유동 산화제는 상기 산화제 팽창 챔버를 통과할 때 팽창 각도에 의존하는 팽창 속도로 팽창되고, 상기 팽창 각도의 범위는 약 5°내지 약 60°이며, 보다 바람직하게는 약 10°내지 약 30°이고, 특히 바람직하게는 약 15°내지 약 25°이다. 본 발명의 제3 양태에 따른 방법에 있어서, 연료의 속도는 150 ft/sec 이하이고, 산화제의 속도는 300 ft/sec 이하인 것이 좋다.
본 발명의 제4 양태에 따른 연료 연소 방법은,
(a) 연료 및 산화제를 본 발명의 제2 양태에 따른 버너 블록 내로 도입하는 단계와;
(b) 산화제가 상기 와류 형성 장치를 통과할 때 와류 유동 산화제를 형성하는 단계와;
(c) 상기 와류 유동 산화제와 연료를 실질적으로 원추형의 상기 산화제 팽창 챔버 내로 유동시켜, 상기 연료는 실질적으로 상기 산화제 팽창 챔버의 축 중심 부근에서 유동하게 하고, 상기 와류 유동 산화제는 상기 산화제 팽창 챔버의 벽을 청소하며 지나가게 하는 단계와;
(d) 상기 와류 유동 산화제와 연료를 실질적으로 토로이달형의 상기 연소 챔버 내로 유동하게 하는 단계와;
(e) 상기 산화제가 상기 토로이달형 연소 챔버의 벽을 청소하고 지나가는 동안에 상기 연료 및 산화제를 상기 토로이달형 연소 챔버에서 연소하는 단계와;
(f) 상기 연소 생성물을 상기 토로이달형 연소 챔버로부터 노 내로 유동시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 제4 양태에 따른 방법에서, 상기 와류 유동 산화제는 상기 산화제 팽창 챔버를 통과할 때 팽창 각도에 의존하는 팽창 속도로 팽창되고, 상기 팽창 각도의 범위는 약 5°내지 약 60°이며, 연료의 속도는 50 ft/sec 이하이고, 산화제의 속도는 300 ft/sec 이하인 것이 바람직하다.
본 명세서에서 사용되는 "실질적으로 원추형의 산화제 팽창 챔버"라는 용어는, 유입구와 유출구를 구비하며, 유입구의 직경보다 유출구의 직경이 더 크고, 단면이 대체로 원형인 챔버를 의미하며, 다만 몇몇 타원형 또는 슬롯형 형상도 본 발명의 범위 내이다.
본 명세서에 사용되는 "실질적으로 환형의 산화제 통로"라는 용어는 유출구와 유입구가 마련되어 있고, 축방향으로의 길이가 버너 블록의 공동에 의해 정해지는 외경보다 더 크며, 내경은 연료 도관의 외면에 의해 정해지는 영역을 의미한다. 이 실질적으로 환형의 산화제 통로는 축방향으로의 유동 방향에 수직한 면에서 취한 단면이 원형인 것이 좋지만, 그 형태는 원형이 아닐 수도 있으며, 일반적으로 실질적으로 원추형의 상기 산화제 팽창 챔버로의 입구 형태에 의해 좌우된다.
"와류 형성 장치"라는 용어는 상기 산화제 통로 내의 산화제 유동 경로에 배치되는 경우, 산화제가 실질적으로 축방향으로 통과하며 유동할 수 있도록 하면서, 실질적으로 반경 방향으로의 유동 성분도 갖게 하는 요소를 지칭한다. 그 결과, "와류 유동 산화제 유동"이라는 것은 반경 방향으로의 유동 성분과 축방향으로의 유동 성분을 모두 갖는 산화제의 유동으로 정의된다.
"실질적으로 원통형의 연소 챔버"라는 것은 유체가 축방향으로의 실질적인 팽창 없이 통과하며 유동할 수 있도록 해주는 챔버를 의미한다. 이러한 챔버에는 예컨대, 제조 과정 중에, 가스가 국부적으로 약간 팽창할 수 있게 하는 결함이 있을 수도 있다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 원형, 타원형 또는 슬롯형인 연소 챔버가 "실질적으로 원통형"이라고 지칭될 수 있다는 것도 이해하여야 한다.
본 명세서에서 "실질적으로 토로이달형의 연소 챔버"라는 것은, 유입구와 유출구를 구비하며, 유출구의 직경이 유입구보다 크고, 단면이 일반적으로 원형인 챔버로서, 그 챔버 벽의 곡귤 반경은 본 발명의 도 4에 도시된 것과 같은 곡률 반경을 갖는 챔버를 의미한다.
본 명세서에서 "산화제"라는 용어는, 바람직하게는 산소의 농도가 국부적인 조건에서 공기의 산소 농도보다 큰 기류(gas stream)를 의미한다. 공기가 산화제로서 사용될 수도 있다. 몇몇 특히 양호한 실시예에 있어서, "산화제"라는 것은 50% 산소 농도보다 큰 가스를 의미하고, 몇몇 경우에 있어서 바람직하게는 90% 산소보다 큰 가스를 의미한다.
본 발명에 따른 장치 및 방법은 가열 대상물 조건에 따라 종래의 (원통형) 화염 및 평평한 화염을 발생시키는 개선된 자기 냉각식 산소-연료 버너를 제공한다. 상기 버너 블록의 신규한 특징에는 와류 챔버가 구비된 3개의 격실 버너 블록, 팽창 챔버 및 연소 챔버가 포함된다. 중요한 무차원비(dimensionless ratio)는 다음과 같다.
·약 0.5 내지 약 5 범위의 Ls/Ds.
·약 0.25 내지 약 3 범위의 Le/Ds, 여기서 "s"는 와류 챔버를 나타낸다.
·약 5°내지 약 60°범위의 팽창 각도(δ).
·제1 실시예의 버너에 대해 약 1 내지 약 3이고, 제2 실시예의 버너에 대하여 약 0 내지 약 2 범위인 Lc/Dc.
·본 발명의 제2 실시예의 버너에 대하여 약 0.25 내지 약 2 범위의 Rc/Dc1. 여기서 "c"는 실질적으로 원통형의 연소 챔버의 직경을 나타내고, "c1"은 실질적으로 원추형의 산화제 챔버의 가장 넓은 지점에서의 직경을 나타낸다.
·제1 실시예 및 제2 실시예의 버너에 대하여, 각각 약 5°내지 약 30°및 약 30°내지 약 60°범위의 와류 각도(β).
연료 속도는 본 발명의 제1 양태 및 제3 양태에 따른 버너 및 방법에 대하여 150 ft/sec 미만인 것이 바람직하고, 본 발명의 제2 양태 및 제4 양태에 따른 버너 및 방법에 의해 생기는 평평한 화염에 대하여 50 ft/sec 미만인 것이 좋다. 산화제 속도는 축방향-접선 와류 형태에 의존하며, 300 ft/sec 미만이다.
본 발명의 여러 양태에서 연료 및 산화제 스트림의 특정 유동 형태는 입자 흡기를 방지하고, 더 냉각되는 운전을 위해, 버너 블록 내부에서의 적극적인 냉각 작용 및 청소 작용(sweeping)을 제공한다.
본 발명에 따른 버너는 신규한 선단부 구조를 이용한다. 이러한 구조는 두 가지 면에서 신규한데, 하나는 와류 유동 산화제 스트림 및 저속의 연료 스트림에 대하여 유선형 혼합 조건(streamline mixing conditions)을 만들어 내고, 버너의 성능을 개선시키며, 노즐 선단부에서의 열점(hot spot) 및 저압 영역을 피할 수 있는 공기 역학적 형태라는 것이다. 외부의 테이퍼 각도가 5°내지 7°이고, 내부 연료 통로가 직선형인 노즐의 형태는 상기 형태에 있어서 필수적인 부분들이다. 둘째로, 전도 핀(conduction fin)을 사용하는 전도-대류 열 분산 방식 및 더 두꺼운 연료 노즐을 통해 달성할 수 있는 열적으로 효율적인 구조이다.
본 발명의 자기 냉각식 버너 장치는 공기의 산소 농도보다 큰 산소 농도를 갖는 산화제와 함께 사용하는 것이 좋다. 본 발명의 버너 및 노즐은 고온(2200℉ 내지 3000℉) 및 고미립자(high-particulate)(또는 고 공정 휘발 물질/응축물) 노에서 금속제 버너 노즐 및 내화성 버너 블록 내부에 과열 또는 화학적 부식 손상을 일으키지 않으며서 발화될 수 있다. 노즐 및 블록의 형태에 대한 다양한 실시예를 제공함으로써, 버너는 가열 대상물 조건에 따라 종래의 원통형 화염 또는 평평한 화염을 제공할 수 있다.
고온 고미립자 노(爐)의 성능을 개선할 수 있는 본 발명에 따른 버너의 각 실시예에는 3개의 주된 특징이 있다.
1. 화염으로부터 대상물로의 열전달을 개선하기 위해 다양한 형태의 산소 연료 화염 및 상응하는 화염 특성을 발생시키기 위한 3개의 격실 버너 블록의 설계.
2. 버너 블록 내부를 물리적으로 청소(sweeping)하고 버너 블록 내부 및 버너 선단부에 미립성/휘발성 물질이 형성되는 것을 방지하기 위한, 연료 흐름 및 산화제 흐름 양자에 대한 소정의 유동 구조.
3. 열 분산을 개선하기 위한 신규한 선단부 설계 및 구조.
도면을 참조하면, 도 1은 본 발명에 따른 버너의 제1 실시예에 대한 측면 단면도를 도시한다. 이 실시예에서 버너 장치에는, 단부 또는 고온 표면(6)과, 화염 및 고온 연소 가스용의 유출구(8)와, 저온 단부(10)가 마련되어 있고, 바람직하게는 본질적으로 내화성인 버너 블록(4)이 포함되어 있다. 연료 도관(12) 및 산화제 도관(14)은 버너 블록(4)의 저온 단부(10)와 유동이 이루어질 수 있도록 연결되어 있다. 바람직하게는 금속 파이프인 연료 도관(12)에는 말단에 노즐 선단부(18)가 형성된 노즐(16)이 구비되어 있다. 산화제 도관(14)으로는 산화제 플레넘(plenum)(20)이 이송되고, 이 도관은 저온 단부(10)와 유동이 이루어질 수 있도록 연결되며, 이에 의해 산화제는 실질적으로 환형의 산화제 통로(22)로 유입될 수 있다. 산화제는 1개 이상의 산화제 도관(14), 플레넘(20) 및 연료 도관(12)을 둘러싸고 있으며 실질적으로 환형의 산화제 통로(22)를 통하여 산화제용 와류 형성 장치(24)로 이송된다. 따라서, 산화제는 와류 챔버(26)를 축방향으로 통과하는 동안 반경 방향-접선 유동 성분을 갖게 되고, 이어서 실질적으로 원추형의 산화제 팽창 챔버(28)를 통과하는 동안에도 여전히 소용돌이치면서 팽창할 수 있게 된다. 산화제 유동이 종료되면, 산화제는 연료와 혼합되기 시작하고, 와류 유동을 하면서 대체로 원통형의 연소 챔버(30)를 축방향으로 이동하고, 그 후에 유출구(8)로 빠져나간다. 이 실시예에서 팽창의 정도는 종래 기술에서의 화염을 얻기 위한 축 방향-접선 방향 회전을 발생시키기에 충분하다. 산화제용 와류 유동 형성 장치(24)도 또한 접선 방향 유동의 정도에 영향을 미친다. 최대 접선 와류 유동 발생 장치는 평평한 화염을 얻기 위해 사용된다.
화염은 상대적으로 작은 속도(바람직하게는 약 5 ft/sec 내지 약 150 ft/sec의 범위)의 연료 스트림 및 다양한 축 방향-접선 속도(약 50 ft/sec 내지 약 300 ft/sec의 범위)의 산화제 스트림을 사용하여 형성된다. 종래의 화염 형상을 형성하는 연료 속도는 100 ft/sec 내외 또는 그 이상으로 유지되며, 반면 평평한 화염의 발생에는 더 작은 속도가 요구되는데, 약 5 ft/sec 내지 50 ft/sec인 것이 좋다. 산화제 스트림은 우선 와류 챔버(26) 내에서 충분한 와류 강도와 방향으로 형성되며, 이어서 미리 정해진 팽창 구조를 구비하고 실질적으로 원추형의 산화제 팽창 챔버(28)에 의해 반경 방향으로 팽창될 수 있다. 다음으로, 산화제는 소정 치수의 실질적으로 원통형의 연소 챔버(30) 내부에서 선택적으로 또는 부분적으로 연료 스트림과 혼합되어, 연소되며 종래의 와류 유동 화염을 형성하거나 소정의 곡면 구조를 이용하여 평평한 화염을 형성하는데, 이에 대해서는 본 명세서에서 상세히 설명된다. 전술한 전체 화염 형성을 위한 버너 블록에 대해 이하에서 상세히 설명한다.
도 2에는 본 발명의 제1 특징에 의한 3개의 격실 버너 블록이 다양한 치수를 설명하기 위해 개략적으로 도시되어 있다. 버너 블록의 각 구획부에는 전체 화염 형성에 기초하여 최적 화염 특성을 발생시키고자 하는 구체적인 목적이 있다. 와류 챔버(26)에는 와류 영역(32)이 구비되어 있다. 와류 챔버(26)에는 복수개(미리 정해진 수)의 안내 베인이 연료 노즐(16)의 외면에 미리 정해진 각도로 설치되어 있다[다른 방법으로는 1개 이상의 안내 베인이 연료 노즐(16)과 내열성 버너 블록(4) 사이에 실질적으로 환형의 산화제 통로(22)에 삽입된다]. 안내 베인(24)의 수는 와류 챔버의 전체 직경에 따라 4개에서 16개 사이에서 변화하는 것이 좋다. 안내 베인(24)은 연료 노즐(16)의 외면에 용접된 두께가 얇은 금속 핀인 것이 좋다. 안내 베인의 각도 β(화염 축 방향의 축에 대한)는 종래의 (원통형) 화염을 형성하기 위해 5°내지 10°의 범위가 된다. 연료가 풍부한 화염을 발생하도록 설계된 매우 작은 버너 또는 장치에서, 안내 베인은 상대적으로 두께가 두꺼운 벽부를 구비한 연료 노즐에 기계 가공될 수 있다. 연료 노즐의 주변 및 안내 베인의 하류에 있는 환형 구획부는 와류 챔버라고 표시한다. 와류 챔버의 치수는 요구되는 강도(와류의 수) 또는 요구되는 축 방향-접선 운동량의 산화제 난류 유동을 발생시키기 위해 특정한 치수가 된다. 중요한 제1 무차원 비율은 Ls/Ds이며, 이 비율은 약 0.5 내지 약 5의 범위인 것이 좋다. 길이 Ls는 산화제 와류 형성 장치에 의해 형성된 와류가 일정 직경 구획부 내에서 완전히 형성되도록 하는 거리를 제공한다. 이 구획부는 비율(Ls/Ds) = 5를 넘어서 연장되지 않는 것이 좋은데, 5보다 큰 수치의 경우에는 이미 형성된 산화제 와류가 약화되기 시작하고 접선-축 방향으로 강도가 감소되기 시작하기 때문이다. 이는 와류 챔버 내부의 벽면 마찰 때문이다.
도 2에 도시된 중요한 제2 특징은 실질적으로 원추형의 산화제 팽창 챔버(28)이며, 이는 팽창 산화제 유동(34)의 영역을 한정한다. 이는 팽창 영역으로서, 와류 유동하는 산화제 스트림이 반경 방향으로 팽창할 수 있도록 한다. 목적하는 바는 도 3에 도시된 바와 같이, 산화제 스트림을 반경 방향으로 팽창시키고 연료 스트림과의 제어된 혼합 조건을 유지하는 것이다. 팽창이 수행되지 않는다면, 와류 유동하는 산화제 스트림(와류 강도에 기초함)은 즉시 연료 스트림과 혼합되고 잘 교반된 연료와 산화제의 혼합물이 형성된다. 이런 혼합물의 연소는 상대적으로 높은 반응 속도로 인하여 순간적으로 일어나고, 대부분의 내화성 버너 블록을 녹일 수 있는 매우 고온의 화염을 형성하게 된다. 산화제 스트림의 혼합력을 감소시키기 위해, 팽창각 δ는 약 5°내지 60°의 범위인 것이 좋다. 팽창 챔버의 축방향 길이 Lc는 약 0.25 내지 약 3의 범위인 소정의 비율 Lc/Ds로 고정된다. 더 긴 길이 Lc는 산화제 스트림[및 화염(38)]이 연료 스트림과 혼합되기 전에 (팽창각 δ에 따라) 반경 방향으로 더 팽창하도록 한다. 더 짧은 길이 Le는 산화제 스트림이 연료 스트림과 즉시 혼합될 수 있도록 하고, 이는 더 종래의 형상에 가까운 화염을 형성하는데 유용할 것이다.
실질적으로 원통형의 연소 챔버(30)는 연소 영역(36)을 형성한다(도 2). 이는 전체 화염 형성을 위한 연료와 산화제의 제어된 혼합이 이루어지는 최종 영역이다. 실질적으로 원통형의 연소 챔버(30)의 설계는 실질적으로 원추형의 산화제 팽창 챔버(28) 내에서 연료와 와류 유동 산화제의 혼합을 보완하도록 이루어진다. 와류 유동하는 산화제 스트림은 실질적으로 원추형의 산화제 팽창 챔버(28) 내에서 소정의 정도까지 반경 방향으로 팽창될 수 있다. 실질적으로 원통형의 연소 챔버(30)는 반경 방향으로의 팽창 과정을 방해하고, 혼합 조건에 기초하여 영역(36) 내에 화염(38)을 형성하기 위해 사용된다. 연소 챔버 무차원 비율 Lc/Dc(도 2 참조)은 요구되는 화염 형상에 기초하여 선택된다. 표 1에는 화염 운동량 및 Lc/Dc비율의 대략적인 범위에 기초하여 몇개의 기본적인 화염 종류를 열거한다. 이 수치들은 다양한 발화 속도에서의 축적된 실험 데이터와 수치 해석 연구에 기초한다.
화염 종류
종래의 화염 종류 Lc/Dc
짧은 길이(큰 운동량) 1 - 3
긴 길이(작은 운동량) 0 내지 2
이제 본 발명의 제2 특징에 대해 설명하면, 평평한 화염 형성을 위한 연소 챔버 설계는 종래의 (원통형) 화염의 경우와 비교하면 약간 상이하다. 평평한 화염은 "코안다(coanda)" 효과로 인하여 형성되며, 도 4의 버너 장치(50)에 의해 도시된 바와 같이 연소 챔버 유출구에 있는 곡면 형상을 이용한다. 비율 Rc/Dc1은 약 0.25 내지 약 2의 범위이다. 반경 Rc에 대해, 더 작은 비율은 더 작은 크기의 버너용으로 사용되고, 더 큰 비율이 더 큰 크기의 버너용으로 사용된다.
도 4에 도시된 바와 같은 버너 장치 내에서 반경 방향으로의 점차적인 팽창은 지속적으로 팽창하는 반경 방향으로의 화염 회전을 유지하기 위해 필요하며, 화염이 평평한 형태의 구조물에서 형성될 수 있도록 한다. 또한, 평평한 화염을 발생시키기 위한 와류 형성 장치의 각도(화염 축에 대한 안내 베인 각도 β)도 상대적으로 크게 유지되며, 약 30°내지 약 60°범위인 것이 좋다. 평평한 화염은 실질적으로 원추형의 산화제 팽창 챔버 벽부 및 후속하여 코안다 효과로 인해 노 벽부를 포위하는 것이 밝혀졌다. 버너 블록의 고온 면 근처에서의 상대적으로 큰 직경의 회전 화염은 대상물에 복사 열 플럭스를 제공한다.
연소 챔버 설계 및 특히 다양한 치수, 무차원 비율 및 각도는 실질적으로 원추형의 산화제 팽창 챔버의 내벽 근처 및 그 하류의 버너 장치의 일부에서 상대적으로 저온인 산화제 막이 항상 존재하도록 한다. 버너 장치의 주된 목적 및 본 발명에 따른 방법은 회전 산화제의 막을 화염 경로 전체를 따라 벽부의 내면에 인접하게 유지하고자 하는 것이다. 이는 본 발명에 따른 제1 버너 장치에 대해 도 3에 도시되어 있다.
연료 및 와류 유동 산화제 스트림에 대한 특정 유동 기하학은 연료와 산화제의 혼합이 신중하게 제어되어 다양한 화염 형상의 버너 성능을 제공하도록 제안된다. 종래의 원통형 화염 또는 평평한 화염은 단순히 버너 선단부 및 버너 블록의 내부 구조를 변경함으로써 얻어질 수 있다. 많은 경우, 요구되는 내부 구조의 내화성 삽입물이 버너 블록의 내부 구조를 변경하기 위해 기존의 버너 블록에 삽입될 수 있다. 이는 가열 공정이 장기간 중단되는 것을 방지한다. 전체 목적은 과도한 화염 온도나 버너 부품의 과열없이 이루어지는 가열 대상물로의 균일한 열 플럭스에 의해 실현된다. 고농도의 공정 미립자화 재료 또는 휘발성 물질을 수용하는 노 내부에서, 이런 버너 블록 내부의 적극적 청소라는 개념은 매우 중요하며, 이것이 없다면 버너 블록 내에 재료의 축적이 일어날 수 있다. 특히 발화 속도가 고속인 소정의 유동 조건 하에서는, 저압 영역 또는 재순환 영역이 형성될 수 있으며, 노 분위기로부터의 미립자가 연소 챔버 내부에 포획되어 미립자 재료가 침착될 수 있다. 만약 적극적 청소가 수행되지 않는다면, 미립자의 축적이 발생할 수 있으며, 이는 전체 화염 유동 동력학에 부정적인 영향을 미친다. 도 3에는 적극적 버너 블록 냉각 및 미립자 청소 과정이 개략적으로 도시되어 있다.
버너 노즐 선단부에서 일어나는 휘발성 물질의 응축은 소정의 조건 하에서 버너 블록의 적극적 청소없이 또한 발생할 수 있다. 응축된 염류는 금속 노즐 선단부와 반응할 수 있다. 화학 반응이 일어나는 경우, 부식이 가속화되어 기능 고장이 빨리 올 수 있다. 또한, 응축된 염류는 노즐 선단부에 여러 층으로 축적될 수 있고, 이는 유동 장애를 일으키거나 화염 전향(flame deflection)을 발생시킬 수 있다. 이런 경우에도, 블록이 갑자기 기능 고장을 일으킬 수 있다.
종래의 (파이프-인-파이프) 버너 설계에서, 천연 가스 노즐은 일반적으로 고온 영역으로 더 진행하여 버너 블록 내에서의 중요한 화염 형성을 방해한다. 저미립화 장치에서 조차도, 이런 배열은 노즐의 부식을 가속시킬 수 있다. 이런 부식은 인코넬(Inconel) 600 합금 및 피엠(PM) 2000 합금과 같은 외래 재료에서도 일어날 수 있다. 2개의 상이한 부식 메카니즘이 확인되어 있다. 천연 가스에 노출된 노즐의 내부에는, 특히 인코넬 600 합금의 경우에 심각한 금속 분진 비산이 일어날 수 있다. 노즐의 외부에는, 점식(pitting)과 크롬 결핍이 일어날 수 있다. 이런 문제를 해결하기 위해, 신규한 노즐이 2개의 구별되는 설계상의 특징을 갖도록 설계되었다.
a) 공기 역학적 형태: 연료 노즐의 내부 구조 및 외부 구조는 연료와 산화제 스트림의 공기 역학적 혼합을 위해 최적화된다. 이는 도 5에 개략적으로 도시되어 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, (축 방향-접선 방향으로) 와류 유동하는 산화제 스트림은 2개의 유체 스트림이 예각을 이루며 교차함이 없이 점차적이고 공기 역학적인 방식으로 연료 스트림과 혼합될 수 있도록 한다. 연료 노즐의 외부각 θ는 단지 약 5°내지 7°범위의 값을 갖는다. 이런 설계는 와류 유동하는 산화제 스트림에서 유동 박리가 일어나지 않도록 한다. 난류 제트에 관한 경계층 이론에 따르면, 7°를 초과하는 기체 유동 각도에서는 유동 박리가 일어날 가능성이 있다. 박리된 산화제 유동은 결과적으로 연료 노즐(16)의 정체 영역(18a 및 18b)에 재순환 영역 및 저압 영역을 형성한다. 재순환 영역 내에 있는 난류성 소용돌이(eddies)는 연료와 산화제 스트림 사이의 혼합을 가속시키고 열점(hot-spot)을 형성시킬 수 있다. 어떤 경우에, 이들 열점은 그을음을 형성하거나 (가열되는 대상물로부터의) 공정 미립자를 유인하여 이들이 정체 영역(18a, 18b)으로 인하여 연료 노즐에 침착되도록 만들 수 있다.
b) 열효율 구조: 연료 노즐 구조(16)는 효과적인 열전달을 위해 "전도" 및 "대류" 열전달 메카니즘 양자 모두의 이점을 취할 수 있는 것이다. 고열 전도 설계는 상대적으로 두께가 두꺼운 노즐 구조를 사용하여 실현된다. 일반적인 작동에서, 본 발명에 따른 버너 장치에 의해 형성되는 화염 및 본 발명에 따른 방법은 노즐 선단부에 달려 있다. 따라서, 노즐 선단부는 전도열을 집중된 선단부 영역으로부터 분산시켜서 이를 연료 노즐의 상류(연료 공급 방향)로 어느 정도 거리만큼 전달할 수 있어야 한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 연료 유동 "F" 및 산화제 유동 "O"는 상류로부터 하류로, 도 6에서는 좌에서 우로 흐른다. 두께가 더 두꺼운 노즐(16)에서는, 화살표(56)에 의해 도시된 바와 같이, 이런 "축방향 전도" 방식이 허용된다. 다음으로, 전달된 열은, 참조 부호 54로 도시된 바와 같이, 강제 대류 열전달에 의해 유동하는 연료 및 산화제 스트림에 흡수된다. 간략히 표현하면, 상대적으로 두께가 두꺼운 선단부에 의해 축방향 전도(56) 및 후속하는 유효 강제 대류 열전달을 이용하는 효과적인 열전달이 이루어질 수 있다. 강제 대류 열 전달 방식은 유동 연료 스트림과 유동(와류 유동) 산화제 스트림에 기인한다. 추가로, 와류 유동하는 산화제용의 안내 베인(24)은 또한 "열 전도 핀"으로 작용하고, 환형으로 와류 유동하는 산화제 스트림으로 열을 매우 효과적으로 전도 방식으로 전달한다. 핀의 수(바람직하게는 약 4개 내지 16개)에 따라, 열 전도 및 후속하는 강제 대류 열전달의 효율은 매우 크게 개선될 수 있다. 다양한 실험적 시험에서, 동일한 발화 속도에서 전술한 선단부 구조를 사용하고 그밖의 버너 설계 변수에 대해서 유사한 구조를 사용하여, 노즐의 온도는 1000℉로부터 300℉로 감소함이 밝혀졌다.
본 발명에 따른 신규한 노즐은 노즐의 용이한 교체 또는 상이한 발화 속도를 고려한 노즐의 교환을 위해 연료 도관에 표준 나사식으로 연결되는 것이 좋다.
제1 실시예에서 설명된 버너의 수치 모의 실험을 수행하였으며, 여기서는 플루언트/유엔에스(FLUENT/UNS) 전자 계산식 유체 역학 컴퓨터 프로그램을 사용하였다. 사용한 정의역(domain)은 와류 유동이 있는 2D 축대칭계였다. 적용된 물리적 모델에는 연소에 대한 PDF 모델, 난류에 대한 RNG k-엡실론 모델 및 복사 열 전달 효과를 고려한 P1 모델이 포함된다. 고려된 천연 가스 유동 속도는 2,300 scfh, 그리고 산소 유동 속도는 4,900scfh였다. 연소 공간의 가상 벽은 단열성이라고 가정하였으며, 블록 벽을 따라 이루어지는 전도 열전달을 고려하였다. 비교를 위해, 2개의 상이한 예를 조사하였다: 기본 예는 와류 유동이 없는 경우, 제2 예는 와류 각도 β가 20°인 경우.
도 7a 및 7b에는 전술한 2가지 예에서의 산소 프로파일을 도시하는데, 도 7a는 비와류 유동에 대한 것이고, 도 7b는 와류 유동에 대한 것이고, 도 1에 따른 버너 구조가 사용되었다. 결과로부터, 와류에 의해 산소의 반경 방향 분산이 억제되고 대부분의 산소가 버너 축에 인접하게 집중된다는 중요한 효과가 발생하는 것을 알 수 있다. 이런 경향은 산소 운동량의 차이에 기인하며, 이런 경향을 버너의 작동에서 실현하는 것은 도 8a 및 도 8b를 참조하여 논의된다.
도 8a 및 도 8b는 각각 와류 유동이 없는 경우와 와류 유동이 있는 경우에 대한 온도 프로파일을 도시하며, 여기서 버너는 역시 도 1에 따른 구조이다. 온도 프로파일로부터, 도 8b에 도시된 와류 유동이 있는 경우에는 와류 유동이 없는 경우(도 8a)의 "활기 없는" 화염과 비교할 때, 길이가 더 길고 버너 축으로 상당히 더 집중된 화염이 발생하는 것을 알 수 있다. 와류 유동이 없는 경우의 화염은 대상물(아래쪽) 및 벽(위쪽)을 향해 반경 방향으로 분산되는 경향이 있다. 온도 분포의 이런 차이는 유리 제조와 같은 다양한 산업 응용 분야에서 매우 중요하다. 따라서, 와류의 도입에 의해 도 8a 및 도 8b에서 관찰되는 바와 같이 용융된 유리 표면과 노 벽 양자의 온도는 더 낮아진다. 이런 경향은 노 크라운의 마모를 방지할 뿐만 아니라 용융된 유리로부터의 방출을 저감시키는데, 이는 본 발명에 따른 버너의 매우 중요한 특징이다. 또한, 도 8a 및 도 8b에서 도시된 온도 분포는, 와류 유동의 보다 직접적인 화염에 의해 버너 블록에 저감된 온도 프로파일이 형성되는 것을 나타내고 있다. 이는, 노의 수명을 극단적으로 감소시킬 수 있는 상용 유리 노의 고온과 그 결과로서 노 효율에 미치는 영향을 고려하면, 본 발명에 따른 또다른 중요한 특징이다. 추가로, 와류 유동은 산소 유동에 큰 운동량을 발생시키고, 버너 선단부와 버너 블록에 대한 대류 냉각을 개선하며, 와류 유동이 없는 경우와 비교하면 평균 온도가 낮다. 본 명세서에 기재된 예에서, 와류 유동에 대한 평균 산소 운동량은 와류 유동이 없는 경우보다 약 10% 정도 크다. 이런 인자는, 속도의 접선 방향 성분에 의해 제공되는 원심력과 함께, 버너 블록의 벽에 인접하는 개선된 유동을 발생시키고, 결과적으로 대류 열 전달 계수는 더 증가된다. 따라서, 와류 유동이 없는 경우에는 버너 블록 유출구에 더 높은 온도가 발생되고, 온도는 와류 유동이 있는 경우보다 110℉만큼 높은 온도까지 올라간다.
도 7a, 7b, 8a 및 8b에는 또한 일정하지 않은 직경, 초기에 팽창된 상태인 연소 챔버, 이어지는 실질적으로 원통형의 연소 챔버 구조가 작은 벽 마찰로 인해 산화제 와류 유동의 유지에 긍정적인 효과를 미치는 것이 도시되어 있다. 만약, 와류 유동하는 유체 스트림이 와류 챔버 내에서 형성되지 못하고, 반경 방향으로 팽창한다면, 와류 강도는 벽 마찰 효과로 인해 빠르게 소멸한다. 다른 한편으로, 일정한 직경의 연소 챔버 내에서, 와류 유동하는 산화제는 연소 챔버 내에서 매우 근접하므로 연료와 너무 빠르게 반응하며, 길이가 짧고 강렬한 화염이 발생된다. 또한, 팽창 영역을 구비함으로써 버너 블록의 냉각에 긍정적인 영향을 미치며, 이는 상대적으로 큰 직경의 연소 챔버 내에서 와류 유동하는 산화제가 더 느리게 연소되기 때문이다.
도 1 및 도 2에 따른 구조의 버너에 대한 몇번의 실험 뒤에, 추가 시험이 붕산 유리 섬유 절연재(유리 섬유)를 제조하기 위해 사용되는 노 내부에서 수행되었다. 740 평방 피트 넓이의 노 용량은 약 150 톤/일이며, 텍사스, 휴스턴, 에어 리퀴드 아메리카 코포레이션사(Air Liquide America Corporation)로부터 구입 가능하고, 알글래스(ALGLASS)라는 등록 상표로 거래상 통칭되는 알려진, 10 파이프-인-파이프 형식의 종래의 산소-연료 버너가 사용되었다. 노의 발화 속도는 약 19 MM Btu/hr였다. 종래의 버너에서는, 노 내부에 있는 상당 수준의 미립자, 응축물 및 휘발성 물질 때문에 매주 청소해야 했다. 버너 노즐 및 버너 블록은 주기적으로 청소해야 했다. 본 출원인은 중간 길이 위치에서 속도가 500 kW인 본 발명에 따른 개선된 버너를 제한적으로 시용(試用)하였다. 시험의 목적은 새로운 버너를 사용하여 필요한 유지/청소를 줄이는 것이었다. 종래의 버너는 제거되고 배로운 버너 및 새로운 블록이 설치되었다 (도 1 및 도 2에 개략적으로 도시). 버너 및 블록의 상세는 다음과 같다:
속도 (산화제) = 22 내지 75 ft/sec;
속도 (연료) = 40 내지 130 ft/sec;
Lc/Dc = 1.78;
Dc = 3.38 인치;
Le = 연소 챔버의 전체 길이 Lt의 15%, 여기서 Lt = Le + Lc;
Ds = 2.2 인치;
Lc = 5.9 인치; Ls = 2 인치; Le = 1.06 인치; 및 와류 각도 β= 10°.
버너는 2.3 MM Btu/hr의 평균 발화 속도로 발화하였으며, 발생된 화염의 평균 길이는 8 피트이고, 너비는 약 20 인치였다. 화염의 광도는 (알글래스라는 등록 상표로 거래상 통칭되는 종래의 버너 이상으로) 매우 높았고, 더 넓었다. 내부 블록의 온도는 (광학 고온계로 측정하는 경우) 더 낮았으며, 이는 산화제의 냉각/청소 작용 때문이다. 버너 노즐은 그보다 더 냉각되었다(장기간 발화 후 200 내지 300℉). 수주간의 연속적인 운전 뒤에, 본 발명에 따른 버너를 조사하기 위해 꺼냈다. 버너는 매우 깨끗했으며, 청소할 필요가 없었다. 버너 블록 공극도 매우 깨끗했다. 본 출원인은 전체 버너(10개의 버너)에 본 발명에 따른 버너를 설치하였다. 9개월 동안 연속하여 작동된 뒤에, 이 새로운 버너에는 정기적인 청소가 필요하지 않았다.
본 발명의 다양한 특징이 생각할 수 있는 많은 이점과 함께 설명되었지만, 당업자는 본 명세서에 기재된 버너 장치와 방법에 대한 실질적이지 않은 변형 및 수정을 고안해 낼 수 있다는 것은 분명하며, 이런 버너 장치와 방법은 첨부된 청구의 범위의 정당한 한계 내에 포함된다.
이러한 버너의 신규한 특징에는 연료 및 산화제 스트림을 유선형으로 혼합하기 위한 독특한 구성의 연료 노즐, 원하는 화염 특성을 위해 산화제 유동에 발생되어지는 제어된 와류, 반경 방향 및 축방향으로 전개되는 화염 전면의 제어된 팽창, 대류 냉각을 제공하고 공정 입자들이 축적되는 것을 방지하기 위하여, 산화제를 사용하여 버너 블록 내면에서 이루어지는 효율적인 청소 작업 등이 있다. 또한, 대류 핀이 구비되어 있는 비교적 두꺼운 벽의 금속제 노즐 구조는 노즐 선단부로부터 열을 효율적으로 분산할 수 있도록 하고, 유지 작업이 필요없는 버너 작동을 제공한다.

Claims (20)

  1. 버너 장치로서,
    (a) 유입구와, 실질적으로 원추형의 산화제 팽창 챔버 내로 개방되는 유출구가 마련된 연료 도관을 구비하는 버너 블록을 포함하며,
    (b) 상기 버너 블록에는, 상기 연료 도관이 내부에 배치되는 실질적으로 환형의 산화제 통로가 더 마련되고,
    (c) 상기 산화제 통로에는 상기 연료 도관 유입구에 인접한 유입 단부와 상기 연료 도관 유출구에 인접한 유출 단부가 마련되고, 이 통로의 내부에는 와류 유동 산화제 유동을 만들어 내는 1개 이상의 와류 형성 장치(swirler)가 배치되며,
    (d) 상기 산화제 통로의 유출 단부는 상기 버너 블록의 산화제 팽창 챔버와 유체 연통되고, 상기 산화제 팽창 챔버의 유출구 직경(Dc)은 유입구 직경(Ds)의 적어도 110%이고;
    (e) 상기 버너 장치는, 유입구와 유출구가 마련되고 직경이 Dc인 실질적으로 원통형의 연소 챔버를 포함하고, 상기 산화체 팽창 챔버의 유출구는 상기 연소 챔버의 유입구와 유체 연통하도록 배치되고, 상기 연소 챔버의 유출구는 노 챔버(furnace chamber)로 개방되며,
    (f) 상기 연료 도관의 유출구는 상기 연소 챔버 유출구로부터 거리(Lr) 만큼 후퇴되어 있는데, 여기서 Lr = Lc + Le 이고, Lc는 상기 연소 챔버의 축방향 길이이며, Le는 상기 산화제 팽창 챔버의 축방향 길이인 것을 특징으로 하는 버너 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 산화제 팽창 챔버의 팽창 각도 범위는 약 5°내지 약 60°인 것을 특징으로 하는 버너 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 산화제 팽창 챔버의 팽창 각도 범위는 약 10°내지 약 30°인 것을 특징으로 하는 버너 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 산화제 팽창 챔버의 팽창 각도 범위는 약 15°내지 약 25°인 것을 특징으로 하는 버너 장치.
  5. 제1항에 있어서, 1개 이상의 상기 와류 형성 장치는 각각이 약 5°내지 약 30°범위의 베인 각도를 갖는 복수개의 베인인 것을 특징으로 하는 버너 장치.
  6. 제1항에 있어서, 1개 이상의 상기 와류 형성 장치는 각각이 약 30°내지 약 60°범위의 베인 각도를 갖는 복수개의 베인인 것을 특징으로 하는 버너 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 연료 도관에는 유입구와 유출구가 마련된 연료 노즐이 포함되고, 이 노즐은 상기 와류 형성 장치와 상기 연료 도관 유출구 사이에서 상기 연료 도관에 배치되며, 상기 노즐의 유입 단부의 외경은 유출 단부의 외경보다 큰 것을 특징으로 하는 버너 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 Le는 Lr의 약 10% 내지 약 50%인 것을 특징으로 하는 버너 장치.
  9. 버너 장치로서,
    (a) 유입구와, 실질적으로 원추형의 산화제 팽창 챔버 내로 개방되는 유출구가 마련된 연료 도관을 구비하는 버너 블록을 포함하며,
    (b) 상기 버너 블록에는, 상기 연료 도관이 내부에 배치되는 실질적으로 환형의 산화제 통로가 더 마련되고,
    (c) 상기 산화제 통로에는 상기 연료 도관 유입구에 인접한 유입 단부와 상기 연료 도관 유출구에 인접한 유출 단부가 구비되고, 이 통로 내부에는 와류 유동 산화제 유동을 만들어 내는 1개 이상의 와류 형성 장치가 배치되며,
    (d) 상기 산화제 통로의 유출 단부는 상기 버너 블록의 산화제 팽창 챔버와 유체 연통되고, 상기 산화제 팽창 챔버의 유출구 직경(Dc)은 유입구 직경(Ds)의 적어도 110%이고;
    (e) 상기 산화제 팽창 챔버의 유출구는, 유출구와 유입구가 마련되고 곡률 반경이 R인 토로이달형 연소 챔버(torroidal combustion chamber)와 유체 연통하게 배치되고, 상기 토로이달형 연소 챔버로부터 노 챔버로 개방되며,
    (f) 상기 연료 도관의 유출구는 상기 토로이달형 연소 챔버로부터 거리(Lr) 만큼 후퇴되어 있는데, 여기서 Lr = Lt + Le 이고, Lt는 상기 토로이달 연소 챔버의 축방향 길이이며, Le는 상기 산화제 팽창 챔버의 축방향 길이인 것을 특징으로 하는 버너 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 Le는 상기 Lr의 약 10% 내지 약 50%인 것을 특징으로 하는 버너 장치.
  11. (a) 버너 블록으로서, 유입구와, 실질적으로 원추형의 산화제 팽창 챔버 내로 개방되는 유출구가 마련된 연료 도관이 구비되며, 상기 버너 블록에는 상기 연료 도관이 내부에 배치되는 실질적으로 환형의 산화제 통로가 더 마련되고, 상기 산화제 통로에는 상기 연료 도관 유입구에 인접한 유입 단부와 상기 연료 도관 유출구에 인접한 유출 단부가 마련되고, 이 통로 내부에는 와류 유동 산화제 유동을 만들어 내는 1개 이상의 와류 형성 장치가 배치되며, 상기 산화제 통로의 유출 단부는 상기 버너 블록의 산화제 팽창 챔버와 유체 연통되고, 상기 산화제 팽창 챔버의 유출구 직경(Dc)은 유입구 직경(Ds)의 적어도 110%이며, 상기 버너 블록에는, 유입구와 유출구가 마련되고 직경이 Dc인 실질적으로 원통형의 연소 챔버가 마련되고, 상기 산화체 팽창 챔버의 유출구는 상기 연소 챔버의 유입구와 유체 연통하도록 배치되고, 상기 연소 챔버의 유출구는 노 챔버로 개방되며, 상기 연료 도관의 유출구는 상기 연소 챔버 유출구로부터 거리(Lr)만큼 후퇴되어 있으며, Lr = Lc + Le 이고, Lc는 상기 연소 챔버의 축방향 길이이며, Le는 상기 산화제 팽창 챔버의 축방향 길이인 버너 블록 내로 연료와 산화제를 도입하는 단계와;
    (b) 산화제가 상기 와류 형성 장치를 통과할 때 와류 유동 산화제를 형성하는 단계와;
    (c) 상기 와류 유동 산화제와 연료를 실질적으로 원추형의 상기 산화제 팽창 챔버 내로 유동시켜, 상기 연료는 실질적으로 상기 산화제 팽창 챔버의 축 중심 부근에서 유동하게 하고, 상기 와류 유동 산화제는 상기 산화제 팽창 챔버의 벽을 청소하며 지나가게 하는 단계와;
    (d) 상기 와류 유동 산화제와 연료를 실질적으로 원통형의 상기 연소 챔버 내로 유동하게 하는 단계와;
    (e) 상기 산화제가 실질적으로 원통형의 상기 연소 챔버의 벽을 청소하며 지나가는 동안에 상기 연료 및 산화제를 상기 연소 챔버에서 연소하는 단계와;
    (f) 상기 연소 생성물을 상기 연소 챔버로부터 노 내로 유동하게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료의 연소 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 와류 유동 산화제는 상기 산화제 팽창 챔버를 통과할 때, 약 5°내지 약 60°범위의 팽창 각도에 의존하는 팽창 속도로 팽창되는 것을 특징으로 하는 연료의 연소 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 와류 유동 산화제는 상기 산화제 팽창 챔버를 통과할 때, 약 10°내지 약 30°범위의 팽창 각도에 의존하는 팽창 속도로 팽창되는 것을 특징으로 하는 연료의 연소 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 와류 유동 산화제는 상기 산화제 팽창 챔버를 통과할 때, 약 15°내지 약 25°범위의 팽창 각도에 의존하는 팽창 속도로 팽창되는 것을 특징으로 하는 연료의 연소 방법.
  15. 제11항에 있어서, 상기 연료의 속도는 150 ft/sec 이하인 것을 특징으로 하는 연료의 연소 방법.
  16. 제11항에 있어서, 상기 산화제의 속도는 300 ft/sec 이하인 것을 특징으로 하는 연료의 연소 방법.
  17. (a) 버너 블록으로서, 유입구와, 실질적으로 원추형의 산화제 팽창 챔버 내로 개방되는 유출구가 마련된 연료 도관이 구비되며, 상기 버너 블록에는 상기 연료 도관이 내부에 배치되는 실질적으로 환형의 산화제 통로가 더 마련되고, 상기 산화제 통로에는 상기 연료 도관 유입구에 인접한 유입 단부와 상기 연료 도관 유출구에 인접한 유출 단부가 구비되고, 이 통로 내부에는 와류 유동 산화제 유동을 만들어 내는 1개 이상의 와류 형성 장치가 배치되며, 상기 산화제 통로의 유출 단부는 상기 버너 블록의 산화제 팽창 챔버와 유체 연통되고, 상기 산화제 팽창 챔버의 유출구 직경(Dc)은 유입구 직경(Ds)의 적어도 110%이며, 상기 산화제 팽창 챔버의 유출구는, 유출구와 유입구가 마련되고 곡률 반경이 R인 토로이달형 연소 챔버와 유체 연통하게 배치되고, 상기 토로이달형 연소 챔버의 유출구는 노 챔버로 개방되며, 상기 연료 도관의 유출구는 상기 토로이달형 연소 챔버로부터 거리(Lr) 만큼 후퇴되어 있는데, Lr = Lt + Le 이고, Lt는 상기 토로이달 연소 챔버의 축방향 길이이며, Le는 상기 산화제 팽창 챔버의 축방향 길이인 버너 블록 내로 연료 및 산화제를 도입하는 단계와;
    (b) 산화제가 상기 와류 형성 장치를 통과할 때 와류 유동 산화제를 형성하는 단계와;
    (c) 상기 와류 유동 산화제와 연료를 실질적으로 원추형의 상기 산화제 팽창 챔버 내로 유동시켜, 상기 연료는 실질적으로 상기 산화제 팽창 챔버의 축 중심 부근에서 유동하게 하고, 상기 와류 유동 산화제는 상기 산화제 팽창 챔버의 벽을 청소하며 지나가게 하는 단계와;
    (d) 상기 와류 유동 산화제와 연료를 실질적으로 토로이달형의 상기 연소 챔버 내로 유동하게 하는 단계와;
    (e) 상기 산화제가 상기 토로이달형 연소 챔버의 벽을 청소하고 지나가는 동안에 상기 연료 및 산화제를 상기 토로이달형 연소 챔버에서 연소하는 단계와;
    (f) 상기 연소 생성물을 상기 토로이달형 연소 챔버로부터 노 내로 유동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료의 연소 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 와류 유동 산화제는 상기 산화제 팽창 챔버를 통과할 때, 약 5°내지 약 60°범위의 팽창 각도에 의존하는 팽창 속도로 팽창되는 것을 특징으로 하는 연료의 연소 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 연료의 속도는 50 ft/sec 이하인 것을 특징으로 하는 연료의 연소 방법.
  20. 제17항에 있어서, 상기 산화제의 속도는 300 ft/sec 이하인 것을 특징으로 하는 연료의 연소 방법.
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