KR20090005352A - 산소 연료 연소 및 공기 연료 연소의 통합 - Google Patents

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KR20090005352A
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oxidant
burner
conduit
furnace
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리 조나단 로젠
마이클 에프. 릴레이
커티스 엘. 버멜
히사시 고바야시
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프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
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Abstract

공기 연료 연소 또는 산소 연료 연소에 의해서 선택적으로 작동될 수 있는 버너에 의해서 로가 가열된다. 버너는 연료용 도관, 공기용 도관, 산화제용 도관 및 공기 도관 및 산화제 도관을 통한 흐름을 조절하기 위한 제어 수단을 포함한다. 공기 연료 발화 로는 산화제 도관 및 연료 도관을 부가하고, 공기 도관 및 산화제 도관을 통한 흐름을 조절하기 위한 제어 수단을 부가함으로써 개작될 수 있다.
공기 연료 연소, 산소 연료 연소, 공기 도관, 산화제 도관, 로

Description

산소 연료 연소 및 공기 연료 연소의 통합 {INTEGRATION OF OXY-FUEL AND AIR-FUEL COMBUSTION}
본 발명은 로(furnace)에서의 연료의 연소, 구체적으로는 고체 물질 및 액체 물질이 로에 존재하거나 로를 통과할 때 고체 및 액체 물질을 가열하고/하거나 고체 물질을 용융시키는데 사용되는 로에서의 연료의 연소에 관한 것이다.
많은 산업 공정은 1000℉ 이상 정도의 승온으로 물질을 가열하는 것이 요구된다. 이러한 예가 다수 존재하며, 이 예에는 밀(mill)에서 작업하기 전에 강철을 가열하거나 재가열하고, 유리제조용 물질을 용융시켜 유리 제품을 형성하는 유리 용융물을 제조하는 것이 포함된다.
이러한 많은 분야에서, 열은 물질이 존재하거나 물질이 통과하는 로에서 물질에 적용된다. 열은 연료가 연소되어 연소 열을 생성하는 하나 이상의 버너(burner)에서 로 내에서의 연소에 의해서 얻어진다.
많은 로에서, 버너 또는 버너들은 공기 (이것은 물론 연소에 필요한 산소를 함유함)를 사용하여 연료를 연소시킨다. 이러한 연소를 "공기 연료 연소"라 지칭하며, 공기 연료 연소가 일어나는 버너를 "공기 연료 버너"라 지칭한다. 많은 다른 분야에서, 버너 또는 버너들은 적용분야 및 경제성 (이에 제한되지는 않음)과 같은 다른 고려사항에 따라서 공기의 산소보다 높은 농도, 25 부피％ 내지 99 부피％ 범위의 농도로 산소를 함유하는 기상 산화제를 사용하여 연료를 연소시키며, 이러한 연소 ("산소 연료 연소"라 지칭됨)가 일어나는 온도가 높을 수록 보다 적은 양의 질소 산화물이 생성되는 경향이 있다. 산소 연료 연소는 산소 연료 연소용으로, 특히 산소 연료 연소에서 얻어지는 보다 높은 연소 온도를 견딜 수 있도록 개작된 버너 ("산소 연료 버너"라 지칭됨)의 사용이 종종 요구된다.
일부 분야에서 공기 연료 연소 및 산소 연료 연소를 모두 사용하는 것을 시도하였다. 한 예는 강철 조각 (슬래브, 블룸(bloom) 또는 빌레트(billet))이 로에 통과되어, 먼저 하나 이상의 공기 연료 버너로부터 제공되는 열에 의해서 (로에 계속적으로 통과되는 경우) 이어서 하나 이상의 산소 연료 버너에 의해서 제공되는 열에 의해서 이 조각이 가열되는 강철 재가열 로이다. 또한, 일부 산업용 가열 공정에서, 산소 연료 연소의 이점은, 작동자가 공기 연료 버너를 제거하여 이것을 산소 연료 버너로 교체하거나 또는 산소 연료 버너로 구성된 부가 구역을 추가할 수 있게 한다.
그러나, 공기 연료 버너를 반복적으로 제거하고 이것을 산소 연료 버너로 교체하고 이어서 산소 연료 버너를 공기 연료 버너로 교체하고, 이러한 사이클을 계속적으로 반복하는 비용 및 시간을 낭비하지 않으면서, 공기 연료 연소 및 산소 연료 연소의 이점을 선택적이고 택일적으로 얻는 것이 필요하다.
<발명의 개요>
일 양태에서, 본 발명은
(a) 공기가 공기 도관을 통해 공급되고 버너에서 연소 구역 내에서 연소될 연료가 로의 외부로부터 버너 연료 도관을 통해 공급되는, 로의 벽을 통과하는 하나 이상의 버너를 갖고 연소 구역을 둘러싼 로,
(b) 로의 외부로부터 로로 산화제를 공급할 수 있는 산화제 도관, 및
(c) 공기 도관을 통한 공기의 흐름 및 산화제 도관을 통한 산화제의 흐름을 조절하여 공기 흐름 대 산화제 흐름의 비를 제어할 수 있는 제어 수단을 포함하며,
여기서, 산화제 도관 및 버너 연료 도관은, 산화제 도관이 연소 구역 내의 산화제 혼합 구역으로 산화제를 공급하고 버너 연료 도관이 산화제 혼합 구역과 분리된 연소 구역 내의 연료 반응 구역으로 연료를 공급하도록 서로에 대해 배열되어 있는 연소 장치이다.
본 발명의 또다른 양태는
(a) 공기가 공기 도관을 통해 공급되고 버너에서 연소될 연료가 버너 연료 도관을 통해 공급되는 버너,
(b) 버너로 산화제를 공급할 수 있는 산화제 도관, 및
(c) 공기 도관을 통한 공기의 흐름 및 산화제 도관을 통한 산화제의 흐름을 조절하여 공기 흐름 대 산화제 흐름의 비를 제어할 수 있는 제어 수단을 포함하며,
여기서, 산화제 도관 및 버너 연료 도관은, 산화제 도관이 연소 구역 내의 산화제 혼합 구역으로 산화제를 공급하고 버너 연료 도관이 산화제 혼합 구역과 분리된 연소 구역 내의 연료 반응 구역으로 연료를 공급하도록 서로에 대해 배열되어 있는 버너 장치이다.
본 발명의 또다른 양태는
(a) 공기가 공기 도관을 통해 공급되고 버너에서 연소 구역 내에서 연소될 연료가 로의 외부로부터 버너 연료 도관을 통해 공급되는, 로의 벽을 통과하는 하나 이상의 버너를 갖고 연소 구역을 둘러싼 로를 제공하고,
(b) 로의 외부로부터 로로 산화제를 공급할 수 있는 산화제 도관을 제공하고,
(c) 공기 도관을 통한 공기의 흐름 및 산화제 도관을 통한 산화제의 흐름을 조절하여 공기 흐름 대 산화제 흐름의 비를 제어할 수 있는 제어 수단을 제공하고,
(d) 산화제 도관이 연소 구역 내의 산화제 혼합 구역으로 산화제를 공급하고 버너 연료 도관이 산화제 혼합 구역과 분리된 연소 구역 내의 연료 반응 구역으로 연료를 공급하도록, 버너 연료 도관에 대해 산화제 도관을 배열시키는 것을 포함하는 공기 발화 로의 갱신 방법이다.
도 1은 본 발명이 실시될 수 있는 버너의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시양태의 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시양태를 나타내는 로의 벽의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 또다른 실시양태를 나타내는 로의 벽의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 또다른 실시양태를 나타내는 로의 벽의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 또다른 실시양태를 나타내는 로의 벽의 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시양태에서의 연소의 모식도이다.
도 8은 본 발명의 또다른 실시양태에서의 연소의 모식도이다.
본 발명은 고온에서 연소가 발생하는 인클로저를 전형적으로 포함하는 통상적인 디자인의 임의의 로에서 실시될 수 있다. 인클로저의 내부는 전형적으로는 로 인클로저 내에서 생성되는 수 천도의 온도를 견딜 수 있는 내화성 로 벽돌 또는 동등물과 같은 재료로 이루어져 있다. 바람직하게는, 로의 바닥, 모든 측면 및 지붕의 내부는 모두 이러한 재료로 이루어져 있다. 본 발명이 실시될 수 있는 로의 예는, 고체 물질이 통과되어 가열되는 강철 재가열 로 및 다른 로 뿐만 아니라, 로로 공급된 물질이 용융되거나 용융 상태로 유지되는 유리 용융 로 및 다른 로를 포함하다.
하나 이상의 버너에서 수행되는 연소에 의해서 로 내에 목적하는 고온이 성취된다. 도 1에는 연료 및 공기를 연소시켜 로 내에서 고온을 성취하는데 현재 사용되는 전형적인 한 버너가 도시되어 있다. 버너 (1)은, 로의 벽 (2)를 통해 연소 구역 (3)을 향해 개방되도록 위치한다. 버너 (1)은 연료 통로 (4) 및 공기 통로 (5)를 포함한다. 연료는 연료 통로 (4)를 통해 로 내부의 연소 구역 (3)으로 공급되고 공기 통로 (5)를 통해 공급되는 공기에 함유된 산소와 함께 연소되어, 화염을 발생시키고 로의 연소 구역 (3) 및 로의 내부 전체에 연소 열을 제공한다.
이러한 공기 연료 연소에 적합한 연료에는 천연 가스 및 메탄과 같은 기상 탄화수소, 코크스 오븐 가스 및 블라스트 로 가스와 같이 강철 밀에서 생성되는 부산물 가스, 및 이들 기상 연료의 혼합물 뿐만 아니라, 아토마이징된(atomized) 연료 오일과 같은 액체 연료 및 미분탄(pulverized coal)과 같은 고체 연료가 포함된다. 연료 및 공기는 당업계의 통상의 숙련인들에게 매우 익숙한 통상적인 기술로 이의 공급원에 연결된 적합한 수단에 의해서 각각의 통로 (4) 및 (5)를 통해 공급된다.
도 1 및 2에서 참조 부호 (13)으로 나타낸 장치는 연료 통로 (4)로의 및 연료 통로 (4)를 통한 연료의 유속을 조절하고, 연료가 연료 통로 (4)로 및 연료 통로 (4)를 통해 흐르는 것을 허용할 지 허용하지 않을 지를 조절한다. 도 1 및 2에서 참조 부호 (16)으로 도시된 다른 장치는 공기 통로 (5)로의 및 공기 통로 (5)를 통한 연소 공기의 유속을 조절한다.
본 발명은 공기 연료 모드의 연소로 연료를 연소하는 버너에, 산소 연료 모드의 연소로 연료를 선택적으로 연소시킬 수 있는 특성을 부가할 수 있다. 다른 것들 중에서, 이러한 특성은 산소 함유량이 공기의 산소 함유량보다 높은 산화제를 연소 구역 (3)내에 공급하는 방법을 제공함으로써 부가될 수 있다. 바람직하게는, 산소는 25 부피％ 이상, 보다 바람직하게는 90 부피％ 이상의 산소 농도를 갖는다. 이러한 공급을 수행하는 바람직한 방식이 도 2에 나타나 있으며, 도 2에는 공기 통로 (5)에 배치된 산화제 랜스(lance) (14)가 도시되어 있다. 산화제 랜스 (14)는 도 2에 참조 부호 (15)로 나타낸, 산화제를 공급하는 적합한 장치에 의해서 공급되며, 상기 장치는 랜스 (14)로의 및 랜스 (14)를 통한 산화제의 유속을 제어가능하게 조절할 수 있고, 산화제가 산화제 랜스 (14)로 및 산화제 랜스 (14)를 통해 흐르는 것을 허용할 지 허용하지 않을 지를 제어가능하게 조절할 수 있다.
본 발명은, 산소 연료 연소 모드에서 연소되는 연료가 공기 연료 연소 모드에서 연소되는 연료와 동일하도록 작동될 수 있다. 이러한 경우에, 연료는 연료 통로 (4)를 통해 공급될 수 있다. 대안적으로는, 예컨대 산소 연료 연소 모드에서 연소되는 연료가 공기 연료 연소 모드에서 연소되는 연료와 상이하거나 또는 산소 연료 연소 모드에 공급되는 연료가 보다 높은 유속으로 공급되어야 하는 경우, 산소 연료 연소용 연료는 제2 연료 도관을 통해 공급된다. 이러한 하나의 제2 연료 도관이 도 2에서 연료 랜스 (11)로서 나타내져 있으며, 이것은 연료 랜스 (11)의 단부로부터 공급되는 연료의 연소 시 형성된 화염이 잘 지지되어 연소 구역 (3)으로 연장되는 연료 통로 (4)의 개구부에 랜스 (11)의 오리피스가 충분히 가깝도록 연료 통로 (4) 내에 배치된다. 연료는 도 2에 참조 부호 (12)로서 나타내진 공급원으로부터 연료 랜스 (11)로 공급되고, 상기 공급원은 또한 연료 랜스 (11)로의 및 연료 랜스 (11)을 통한 연료의 유속을 제어하며 연료가 연료 랜스 (11)로 및 연료 랜스 (11)를 통해 흐를 수 있을 지 없을 지를 제어할 뿐만 아니라 연료 랜스 (11) 및 연료 통로 (4)를 통한 연료 흐름의 비를 제어한다.
하기에 추가로 기재된 바와 같이, 산소 연료 연소 모드에서, 연료 유량 및 산화제 유량의 상대적인 운동량을 조절할 필요가 있다. 산화제 도관이 버너 내에 있는 대부분의 경우에서, 필수적인 보다 높은 속도로 연소 구역 (3)으로 연료를 공급할 수 있는 제2 연료 도관이 필요할 것이다. 로에서의 연소로부터의 NOx 형성이 문제가 되지 않으면, 기존의 연료 도관을 본원에 기재된 산화제 도관과 함께 사용할 수 있다. NOx 형성이 문제가 되는 경우, 제2 연료 도관은 (크기가 적합한 경우) 공기 연료 버너의 연료 도관을 통해 또는 연소 공기 도관에 이르는 구멍을 통해 공기 연료 버너 내에 통합되거나 또는 도 5에 나타낸 바와 같이 로의 벽의 구멍을 통해 버너 외부에서 통합될 수 있다.
도 3은 로 인클러저 내부에서 본, 도 2에 도시된 버너의 정면도이다. 연료 랜스 (11)이 연료 통로 (4) 내에 위치하고 있고, 산화제 랜스 (14)가 공기 통로 (5) 내에 위치하고 있는 것을 볼 수 있다.
본 발명의 동일한 목적을 성취하는 다른 실시양태가 또한 사용될 수 있다. 사실상, 공기 연료 버너의 구성에 따라서, 그리고 버너 외부 인접 영역에서의 사용가능한 공간에 따라서, 제조 및 작동의 용이성을 위해서 다른 구성이 바람직할 수 있다.
도 4에는 이러한 한 대안적인 실시양태가 도시되어 있으며, 여기에서는, 제2 연료 도관으로서 기능하는 연료 랜스 (11) 및 버너는 도 2 및 3에 기재된 바와 같지만, 산화제는 버너에 인접하지만 버너 외부 (연료 구역 (3)을 향해 개방되어 있는 버너의 외면과 접하는 공간 내부가 아님을 의미함)인 지점으로부터 로 내의 연소 구역 (3)으로 산화제를 방출하는 랜스 (14)를 통해 공급된다.
도 5에는 또다른 대안적인 실시양태가 도시되어 있으며, 여기에서는, 산화제는 공기 도관 (5) 내에 위치한 랜스 (14)를 통해 연소 구역으로 공급되며, 제2 연료 도관으로서 기능하는 연료 랜스 (11)은 버너에 인접하지만 버너 외부인 지점으로부터 로 내의 연소 구역 (3)으로 연료를 방출한다.
도 6에는 또다른 대안적인 실시양태가 도시되어 있으며, 여기에서는, 산화제 랜스 (14) 및 제2 연료 도관으로 기능하는 랜스 (11)이 공기 도관 (5) 내에 위치한다.
산소 연료 모드의 작동에서 연소 구역 (3)으로 연료가 공급되는 랜스 또는 다른 장치, 및 산소 연료 모드의 작동에서 연소 구역 (3)으로 산화제가 공급되는 랜스 또는 다른 장치는, 하기에 기재된 바와 같이 산화제가 공급되는 산화제 혼합 구역 및 연료가 공급되는 연료 반응 구역이 연소 구역 (3) 내에서 분리되어 있도록 (즉, 서로 물리적으로 이격되어 있도록) 서로에 대해 배열되어 있다. 산소 및 연료의 공급, 및 산소 연료 모드의 작동일 경우의 버너의 작동은 전문이 본원에 참고로 인용된 미국 특허 제5,076,779호에 개시된 내용에 따라서 수행되어야 한다. 구체적으로는, 연소 구역 (3) 내의 로 가스가 주입된 산화제와 비말동반되거나 혼합되기에 충분한 속도로 산화제를 연소 구역 (3)으로 주입한다. 로 가스는 연소 구역으로 침투되는 주변 가스, 및 산화제 혼합물 및 연료 반응 혼합물로부터의 가스를 포함한다. 일반적으로, 산화제의 속도는 200 feet/초 이상일 것이며, 바람직하게는 250 내지 음속 (70℉에서 1,070 feet/분) 범위 내이다. 산화제의 속도는 충분한 로 가스가 주입된 산화제와 혼합되어 주입된 산화제의 산소 농도를 희석시켜 산화제 농도가 10 부피％ 이하, 바람직하게는 5 부피％ 이하인 산화제 혼합물이 산화제 내에 생성되도록 한다. 순수한 산소 또는 산소가 풍부한 공기가 산화제로 사용되는 경우, 바람직한 낮은 수준으로 산소 농도를 감소시키기 위해서 로 가스의 보다 높은 비말동반이 요구된다. 산화제 제트(jet)로 비말동반된 로 대기는 실질적으로 연료가 존재하지 않기 때문에 이 구역 내에서는 연소 반응이 일어나지 않는다.
산화제 혼합 구역으로 공급되는 산화제 스트림의 높은 속도에 의해서 발생되는 난류 또는 흡입 효과로 인해서 로 가스는 산화제와 혼합되거나 산화제 내에 비말동반된다. 주입된 산화제에 존재하는 것보다 상당히 낮은 농도의 산소를 함유하는 생성된 산화제 혼합물이 산화제 혼합 구역으로부터 흘러 연소 구역 (3) 내부의 대기의 일부를 형성한다. 즉, 산화제 혼합물이 연소 구역 (3)에 부가적인 로 가스를 제공한다.
본 발명의 산소 연료 모드의 작동 동안 연료가 연소 구역 (3)으로 주입될 경우, 연료 스트림 주입으로 인한 난류로 인해서 연소 구역 (3) 내의 대기로부터의 로 가스가 연료 스트림으로 흐르거나 연료 스트림과 혼합되며, 로 가스 내의 산소는 연료 반응 구역에서 연료와 함께 연소된다. 공기 도관 (5)를 통해 이송된 공기의 양 및 연료 랜스 (11)의 상대적인 위치에 따라서, 소량의 연료가, 주 연소 구역 (3) 전의 로의 연소 구역에서 공기 도관 (5)를 통해 공급된 공기와 반응할 수 있다.
1400℉ 미만의 온도는 화염 불안정성을 유발하기 때문에, 연소 구역 (3) 내의 온도는 1400℉를 초과해야 한다. 로 가스의 온도가 연료 및 산소의 자동 발화 온도를 초과하기 때문에 연료는 자발적으로 로 가스 내의 산소 분자와 반응한다. 그러나, 산소 농도가 비교적 낮기 때문에, 연료 구역 내의 다량의 비반응성 분자, 예컨대 이산화탄소, 수증기 및 질소 분자의 존재로 인해서 화염 온도는 상대적으로 낮게 유지된다. 연료 반응 구역에서 이러한 조건 하에서의 연소는 연소 열 및 연소 반응 생성물, 예컨대 이산화탄소 및 수증기를 생성하지만 질소 산화물은 거의 생성하지 않는다. 생성된 질소 산화물의 실제 양은 각각의 특정 상황에 따라 달라지며, 로 가스 온도, 연소 구역에서의 질소 농도 및 체류 시간과 같은 인자에 좌우될 것이다.
연소 반응 생성물을 포함하는 생성된 연료 혼합물이 연료 반응 혼합물로부터 흘러 연소 구역 (3) 내의 대기의 일부를 형성하여 연소 구역에 부가적인 로 가스를 제공한다. 연료 반응 구역 내에서, 연료는 실질적으로 완전히 연소되어, 연소되지 않거나 불완전하게 연소되는 연료가 연료 반응 구역 외부의 연소 구역에 유의한 양으로 존재하지 않는다.
본 발명의 산소 연료 연소 모드의 실시에서, 산화제 혼합 구역 및 연료 반응 구역이 연소 구역 (3) 내부에서 서로 분리 (또는 격리)되어 있는 것이 중요하다. 이러한 방식에서, 연소는 질소 산화물 ("NOx")의 형성을 감소시키는 조건하에서 그리고 연료 반응 구역으로 근본적으로 제한된다. 이러한 연소 모드의 다양한 단계가 순차적으로 기재되어 있지만, 당업자는 이러한 방법의 단계가 동시에 및 연속적으로 수행됨을 인식할 것이다.
산화제 혼합 구역 및 연료 반응 구역은, 산화제 혼합 구역 내에서의 산화제의 필수적인 희석 및 연료 반응 구역 내에서의 연료의 필수적인 실질적으로 완전한 연소 전에, 이들의 통합 및 겹침을 피하도록, 연료 및 산화제의 주입 지점 (즉, 예를 들어 랜스 (11) 및 (14)의 단부)을 위치시키고 이들의 주입 방향을 배열함으로써 목적하는 대로 분리되게 유지될 수 있다.
산화제 혼합 구역 및 연료 반응 구역 외부의 연소 구역 대기가 실질적으로 균일하도록, 연소 구역 (3) 내에서 충분한 혼합을 성취하는 방식으로 연료 및 산화제가 연소 구역 (3)으로 공급된다. 특히 바람직한 실시양태에서, 연료 및 산화제는 연소 구역 (3) 내의 로 가스의 재순환 패턴을 증진시키는 방식으로 연소 구역 (3)으로 주입된다. 이러한 재순환 패턴은 연소 구역 (3) 내에서의 개선된 온도 분포 및 가스 균일성에 기여하고 산화제 혼합 구역 및 연료 반응 구역 내에서의 혼합을 개선시켜, 보다 온화한 연소 및 NOx 형성의 지연을 유발한다. 연소 구역 (3) 내에서의 최적의 로 가스 재순환으로, 연소 구역으로부터 취출된 배기 가스의 조성은 산화제 혼합 구역 및 연료 반응 구역 외부의 연소 구역 (3) 내의 지점에서의 대기의 조성과 실질적으로 동일하다. 이러한 재순환 패턴은 또한 연료 반응 구역 하류의 로 가스가 산화제 스트림으로 비말동반되고, 산화제 혼합 구역 하류의 로 가스가 연료 스트림으로 비말동반되는 것을 증진시킨다.
본 발명의 산소 연료 연소 모드에서는, 산화제 스트림 및 연료 스트림을 고속으로, 산화제 혼합 구역 및 연료 반응 구역이 겹치지 않도록 서로 이격되게 공급하는 것이 특히 바람직하다. 바람직하게는, 도 3 내지 6에 도시된 실시양태에서와 같이 비교적 가까이에서 주입되는 경우, 연료 스트림 운동량 유속 대 산화제 스트림 운동량 유속의 비는 1:5 내지 5:1 범위 이내여야 한다.
도 7 및 8에는 실시될 수 있는 산소 연료 모드의 연소의 두 실시양태가 예시되어 있다. 문자 "O"는 산화제 혼합 구역을 나타내며 문자 "F"는 연료 혼합 구역을 나타낸다. 산화제 혼합 구역 "O"로 향하는 화살표는 산화제 혼합 구역을 향해 산화제 혼합 구역으로 취입되는 로 가스를 도시하며, 연료 반응 구역 "F"로 향하는 화살표는 연료 반응 구역을 향해 연료 반응 구역으로 흐르는 로 가스를 도시한다.
공기 연료 버너를 공기 연료 연소 및 산소 연료 연소를 선택적으로 수행할 수 있는 버너로 개작하는데 있어, 작동자가 동일한 버너에서 공기 연료 연소 모드 및 산소 연료 연소 모드를 제어가능하게 서로 전환할 수 있도록 적합한 제어기를 제공하는 것이 도움이 된다. 이러한 특성을 제공하기 위해서는, 공기 통로를 통한 공기의 흐름을 제어가능하게 최소화하거나 제한적으로 차단하거나 소통시킬 수 있고, 산화제를 연소 구역 (3)으로 공급하는 산화제 랜스 또는 다른 장치를 통한 산화제의 흐름을 제어가능하게 차단하거나 소통시킬 수 있는 제어기가 필요하다. 바람직하게는, 제어기는 또한 각각의 도관을 통한 연소 공기의 유속 및 산화제의 유속을 조절할 수 있게 한다. 이의 가장 간단한 모드에서, 제어 메커니즘은 단순하게는 연소 구역 (3)으로의 산화제의 흐름을 제어하는 조절 밸브, 및 버너의 공기 통로로의 공기의 흐름을 제어하는 조절 밸브를 포함할 수 있다. 대부분의 실시양태에서, 이러한 나머지 흐름이 소통될 경우, 이러한 한 흐름을 완전히 차단하는 것이 바람직할 것이다. 전형적으로는, 시판되는 산소 공급 장비는 (안전을 위한) 이중 차단 밸브, 유동 측정 장치, 압력 스위치 및 이러한 제어 수준을 용이하게 할 수 있는 다른 장치가 구비되어 있다.
또한, 연소가 공기 연료든지 산소 연료든지 간에 동일한 연료가 사용되는 실시양태에서, 버너를 통한 연소 구역 (3)으로의 연료의 유속을 조절하기 위한 제어기가 이미 존재하는 한, 부가적인 제어기가 제공될 필요는 없다. 그러나, 연소가 공기 연료인지 산소 연료인지에 따라서 상이한 연료, 또는 상이한 연료 공급 도관이 제공되는 실시양태에서는, 작동자가 산소 연료 모드가 작동되는 경우 공기 연료 연소와 관련된 연료의 흐름을 차단하고, 공기 연료 연소 모드가 작동되는 경우 산소 연료 연소와 관련된 연료의 흐름을 차단하기 위해서 제어기가 제공되어야 한다. 그러나, 공기 연료 모드 및 산소 연료 모드에서 동일한 연료가 연소되는 경우라 할지라도, 산소 연료 모드가 통상적으로 보다 높은 속도의 연료 유속을 필요로 한다. 따라서, 공기 연료 연소용 공기 연료 버너에 연료를 공급하기 위한 연료 도관에 연료를 공급하기 위한 곳에 존재하는 연료 이송 및 계량 시스템으로부터 공급되는 연료 (예를 들어, 전형적으로는, 저속의 연료 공급)는 산소 연료 연소용 연료를 공급하기 위해 사용되는 제2 연료 도관으로 (즉, 버너로, 또는 도관 (11)로 또는 예를 들어 도 5에 도시된 바와 같이 분리된 개구부 (11)로) 전환된다. 이것은 기존 연료 공급 및 계량 시스템이 유지되며 도관들 사이에서 간단하게 전환되는 이점을 제공한다.
산화제가 공급되고 연소되는 산소 연료 모드에서 조차, 제어기는 바람직하게는 공기 도관을 통한 공기의 기본 흐름을 허용한다. 제어기는, 작동자가 바람직한 연소 조건이 성취될 때까지 산화제 유속 대 공기 유속의 비를 점차적으로 제어가능하게 증가시킬 수 있게 한다.
공기 연료 버너가 본원에서 기재된 바와 같이 설비되어 있는 경우, 동일한 버너에서 산소 연료 연소 및 공기 연료 연소를 제어가능하게 수행할 수 있게 하며, 동일한 버너에서 공기 연료 연소 및 산소 연료 연소 사이에서 목적하는 대로 제어가능하게 변환할 수 있게 하는 특성을 제공하며, 생성된 장치 및 이의 특성은 작동자에게 몇가지 유의한 이점을 제공한다. 이러한 한 이점은 에너지 효율이 개선될 수 있다는 것이다. 즉, 소정의 양의 로 출력을 위해 소모되는 연료가 개선되고, 연소되는 산화제 내의 산소의 비용을 고려할 지라도, 연료 비용이 감소될 수 있다. 또다른 이점은 소정의 단위 시간 당 로 출력량 (예컨대, 재가열되는 강철의 양) 견지에서의 생산성이 개선된다는 것이다. 본원에 기재된 바와 같이 갱신 전의 로의 특징에 따라서, 이러한 개선점은, 공기에 비해 산소 함유량이 높은 산화제를 사용하는 연소가 공기 연료 연소 모드에서 공급될 수 있는 연소 공기의 양에 대한 로의 제한을 극복할 수 있다는 점에 기인할 수 있고/있거나 배기관(flue)을 통해 방출되어야 하는 배기 가스의 부피 감소 (이러한 배기 가스가 공기 연료 연소에서 발생하는 배기 가스보다 적은 양의 질소를 함유할 것이기 때문임)에 기인할 수 있다.

Claims (30)

  1. (a) 공기가 공기 도관을 통해 공급되고 버너에서 연소 구역 내에서 연소될 연료가 로(furnace)의 외부로부터 버너 연료 도관을 통해 공급되는, 로의 벽을 통과하는 하나 이상의 버너를 갖고 연소 구역을 둘러싼 로,
    (b) 로의 외부로부터 로로 산화제를 공급할 수 있는 산화제 도관, 및
    (c) 공기 도관을 통한 공기의 흐름 및 산화제 도관을 통한 산화제의 흐름을 조절하여 공기 흐름 대 산화제 흐름의 비를 제어할 수 있는 제어 수단을 포함하며,
    여기서, 산화제 도관 및 버너 연료 도관은, 산화제 도관이 연소 구역 내의 산화제 혼합 구역으로 산화제를 공급하고 버너 연료 도관이 산화제 혼합 구역과 분리된 연소 구역 내의 연료 반응 구역으로 연료를 공급하도록 서로에 대해 배열되어 있는 연소 장치.
  2. 제1항에 있어서, 산화제 도관이 버너 내부로부터 로로 산화제를 공급하는 연소 장치.
  3. 제1항에 있어서, 산화제 도관이 버너 내부가 아닌 개구부로부터 로로 산화제를 공급하는 연소 장치.
  4. 제1항에 있어서, 제2 연료 도관을 더 포함하며, 연소 구역 내에서 연소될 연 료가 제2 연료 도관을 통해 로 외부로부터 공급되는 연소 장치.
  5. 제4항에 있어서, 산화제 도관이 버너 내부로부터 로로 산화제를 공급하는 연소 장치.
  6. 제5항에 있어서, 제2 연료 도관이 버너 내부로부터 로로 연료를 공급하는 연소 장치.
  7. 제5항에 있어서, 제2 연료 도관이 버너 내부가 아닌 개구부로부터 로로 연료를 공급하는 연소 장치.
  8. 제4항에 있어서, 산화제 도관이 버너 내부가 아닌 개구부로부터 로로 산화제를 공급하는 연소 장치.
  9. 제8항에 있어서, 제2 연료 도관이 버너 내부로부터 로로 연료를 공급하는 연소 장치.
  10. 제8항에 있어서, 제2 연료 도관이 버너 내부가 아닌 개구부로부터 로로 연료를 공급하는 연소 장치.
  11. (a) 공기가 공기 도관을 통해 공급되고 버너에서 연소 구역 내에서 연소될 연료가 버너 연료 도관을 통해 공급되는 버너,
    (b) 버너로 산화제를 공급할 수 있는 산화제 도관, 및
    (c) 공기 도관을 통한 공기의 흐름 및 산화제 도관을 통한 산화제의 흐름을 조절하여 공기 흐름 대 산화제 흐름의 비를 제어할 수 있는 제어 수단을 포함하며,
    여기서, 산화제 도관 및 버너 연료 도관은, 산화제 도관이 연소 구역 내의 산화제 혼합 구역으로 산화제를 공급하고 버너 연료 도관이 산화제 혼합 구역과 분리된 연소 구역 내의 연료 반응 구역으로 연료를 공급하도록 서로에 대해 배열되어 있는 버너 장치.
  12. 제11항에 있어서, 산화제 도관이 버너 내부로부터 로로 산화제를 공급하는 버너 장치.
  13. 제11항에 있어서, 산화제 도관이 버너 내부가 아닌 개구부로부터 로로 산화제를 공급하는 버너 장치.
  14. 제11항에 있어서, 제2 연료 도관을 더 포함하며, 버너에서 연소될 연료가 제2 연료 도관을 통해 공급되는 버너 장치.
  15. 제14항에 있어서, 산화제 도관이 버너 내부로부터 로로 산화제를 공급하는 버너 장치.
  16. 제15항에 있어서, 제2 연료 도관이 버너 내부로부터 로로 연료를 공급하는 버너 장치.
  17. 제15항에 있어서, 제2 연료 도관이 버너 내부가 아닌 개구부로부터 로로 연료를 공급하는 버너 장치.
  18. 제14항에 있어서, 산화제 도관이 버너 내부가 아닌 개구부로부터 로로 산화제를 공급하는 버너 장치.
  19. 제18항에 있어서, 제2 연료 도관이 버너 내부로부터 로로 연료를 공급하는 버너 장치.
  20. 제18항에 있어서, 제2 연료 도관이 버너 내부가 아닌 개구부로부터 로로 연료를 공급하는 버너 장치.
  21. (a) 공기가 공기 도관을 통해 공급되고 버너에서 연소 구역 내에서 연소될 연료가 로의 외부로부터 버너 연료 도관을 통해 공급되는, 로의 벽을 통과하는 하나 이상의 버너를 갖고 연소 구역을 둘러싼 로를 제공하고,
    (b) 로의 외부로부터 로로 산화제를 공급할 수 있는 산화제 도관을 제공하고,
    (c) 공기 도관을 통한 공기의 흐름 및 산화제 도관을 통한 산화제의 흐름을 조절하여 공기 흐름 대 산화제 흐름의 비를 제어할 수 있는 제어 수단을 제공하고,
    (d) 산화제 도관이 연소 구역 내의 산화제 혼합 구역으로 산화제를 공급하고 버너 연료 도관이 산화제 혼합 구역과 분리된 연소 구역 내의 연료 반응 구역으로 연료를 공급하도록, 버너 연료 도관에 대해 산화제 도관을 배열시키는 것을 포함하는, 공기 발화 로의 갱신 방법.
  22. 제21항에 있어서, 산화제 도관이 버너 내부로부터 로로 산화제를 공급하는 방법.
  23. 제21항에 있어서, 산화제 도관이 버너 내부가 아닌 개구부로부터 로로 산화제를 공급하는 방법.
  24. (a) 공기가 공기 도관을 통해 공급되고 버너에서 연소 구역 내에서 연소될 연료가 로의 외부로부터 버너 연료 도관을 통해 공급되는, 로의 벽을 통과하는 하나 이상의 버너를 갖고 연소 구역을 둘러싼 로를 제공하고,
    (b) 로의 외부로부터 로로 산화제를 공급할 수 있는 산화제 도관을 제공하고,
    (c) 공기 도관을 통한 공기의 흐름 및 산화제 도관을 통한 산화제의 흐름을 조절하여 공기 흐름 대 산화제 흐름의 비를 제어할 수 있는 제어 수단을 제공하고,
    (d) 연소 구역 내에서 연소될 연료를 로의 외부로부터 공급하는 제2 연료 도관을 제공하고,
    (e) 산화제 도관이 연소 구역 내의 산화제 혼합 구역으로 산화제를 공급하고 버너 연료 도관이 산화제 혼합 구역과 분리된 연소 구역 내의 연료 반응 구역으로 연료를 공급하도록, 버너 연료 도관에 대해 산화제 도관을 배열시키는 것을 포함하는, 공기 발화 로의 갱신 방법.
  25. 제24항에 있어서, 산화제 도관이 버너 내부로부터 롤로 산화제를 공급하는 방법.
  26. 제25항에 있어서, 제2 연료 도관이 버너 내부로부터 로로 연료를 공급하는 방법.
  27. 제25항에 있어서, 제2 연료 도관이 버너 내부가 아닌 개구부로부터 로로 연료를 공급하는 방법.
  28. 제24항에 있어서, 산화제 도관이 버너 내부가 아닌 개구부로부터 로로 산화제를 공급하는 방법.
  29. 제28항에 있어서, 제2 연료 도관이 버너 내부로부터 로로 연료를 공급하는 방법.
  30. 제28항에 있어서, 제2 연료 도관이 버너 내부가 아닌 개구부로부터 로로 연료를 공급하는 방법.
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