KR850000951B1 - 산소나 산소농축 공기를 사용하는 버너장치 - Google Patents

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Description

산소나 산소농축 공기를 사용하는 버너장치

제1도는 천연가스의 이론적 화염 온도의 변화를 산화제의 산소농도의 함수로써 나타낸 그래프.

제2도는 서로 다른 용광로 가스 재순환 비율에 대한 산화제 가스의 산소농도에 따른 산소흡기기 버너에 의해 성취할 수 있는 화염온도를 나타낸 그래프.

제3도는 본 발명의 공정을 수행하는 데 이용되는 산소흡기기 버너의 개략도.

제4도는 와류와 축방향으로 내화재료를 갖는 공기 버너의 축방향 단면도.

제5도는 재래식 동심원 링 버너의 개략도.

제6도는 본 발명 공정을 수행하는 장치의 개략도.

제7도는 산소호흡기기 버너의 NO_X방출량과 재래식 동심원 제트버너의 NO_X방출량의 비교도.

본 발명은 연소부분이 대기와 차단되어 있는 형태의 산업용의 용광로를 발화시키는 장치에 관한 것으로서, 대기와의 차단은 압력차에 의해 이루어지고, 가열물은 일반적으로 금속이나 유리 등이다(예 : 봉상재료 재가열 용광로, 알루미늄 용해로). 특히 본 발명은 공기 대신 산화제 가스로서 산소나 산소 농축 공기를 사용하여 용광로를 발화시키는 장치에 관한 것이다.

보통 전기한 형태의 산업용 용광로에서 산화가스로서 공기가 사용되었다. 또한 공기 전부나 혹은 부분적으로 산소로 대치하여 산소가 풍부한 산화가스는 연료 소요량을 줄일 수 있으며 산업용 용광로의 생산비를 증대시키는 것으로 알려졌다.

연소하는데 공기대신 산소로 대치함으로서 질소는 상대적으로 산화제와 연도 가스에서 줄어들고 이로 인해 연료가스의 부피를 줄이면서 산소-연료 혼합물중 산소농도를 증가시킬 수 있다.

이러한 변화는 다음과 같은 잇점이 있다.

(1)주어진 용광로의 버너의 최고 발화비율을 증대시킨다. 산화제로 공기를 사용하면, 발화비율은 (a) 사용되는 도관과 송풍기를 통해 버너에 공급되는 공기와 (b) 연도에 의해 조절될 수 있는 연소생성물의 부피 (c) 연소 불안정성과 불완전 연소 문제가 생기기 전에, 버너에 의해 지탱할 수 있는 발화비율에 의해 제한받는다.

산소의 량이 증가함에 따라 더 적은 산화제와 연도가스의 부피는 처음 두 제한을 극복하는 한편, 적은 산화제 부피와 고농도의 산소는 세번째 제한을 극복해 준다.

(2) 연료소비의 절감, 산화제로 공기를 사용하면 연도가스의 감지할 수 있는 열손실은 실제적으로 공기중의 높은 질소 함유량에 기인된다. 그러나 산소량을 증가시키면 연도가스중의 질소함유량이 감소되어 연도가스의 열량이 감소되고 이로 인해 가스온도가 상대적으로 떨어져 더 작은 감지될 수 잇는 열손실을 가져온다.

생성물당 절약되는 총 연료는 상당량이 될 수 있다.

(3) 적은 배출가스로 인해 공해문제를 감소시킨다. 모든 공해물질을 제거한 가스는 단위 연료가스당 배출 가스의 량을 줄이므로서 더 효과적이고 경비가 절감된다.

상기한 잇점의 정도는 산소량을 증가시킴으로서 증가한다. 때문에 순수산소를 사용하거나 산소가 풍부한 가스를 사용하는 것이 본 기술에서 가장 바람직하다. 그러나 이러한 것은 다음의 불리한 점 때문에 피해야 한다.

(1) 높은 불꽃온도, 산화가스 중에 산소가 증가함에 따라 불꽃 온도가 상당히 증가한다. 이러한 사실은 다음의 결과 때문에 바람직하지 않다.

(a)불꽃의 특정지역에 이례적인 높은 열 전달비율에 의해 용광로의 내화재료에 "뜨거운 점(hot spot)"을 유발하여 방화벽을 손상시킨다.

(b) NO_X형성 반응은 고온에서 매우 유리하여 NO_X의 방출을 많게 한다.산화 가스로서 순수산소를 사용할 때 공기가 새어들어 가서(차폐된 용광로에서도 피할 수 없다. 특히 산업용 규모의 작업에서 더욱 그러하다), 용광로 연료속에 상당량의 질소가 존재하여 허용치 이상의 NO_X을 생성하기 때문에 두번째로 대두되는 문제를 해결할 수가 없다.

(2) 용광로 속에서의 작은 가스운동량 산화제와 연료의 질량을 줄임으로 인해 유입 산화가스와 연료 제트 운동량을 감소시킨다. 이것은 용광로 내의 혼합과 가스의 재순환을 줄인다. 용광로내에서 우수한 혼합과 재순환은 열전달을 효과적으로 하며, 열을 균일하게 분포할 뿐 아니라 국부적으로 뜨거운 점을 피하는데 요긴하다. 때문에 산업용 버너에서 산소나 산소가 풍부한 공기를 사용하여 앞에서 언급한 여러 가지 잇점이 있지만 그러한 사용은 상기한 불리한 요인 때문에 피해야 한다. 그러므로 산화가스로서 산소나 산소가 풍부한 가스를 사용할 때 상기의 유리한 점을 살리고, 불리한 점을 극복할 수 있는 장치의 기술이 필요한다. 그러므로 본 발명의 목적은 다음과 같이하여 산업용의 용광로의 효율과 총 수행능력을 증진시키는 것이다.

(a) 용광로 속에 산소비율을 증가시킴으로서 용광로 발화비율을 최대로 증가시킨다.

(b) 질소량을 최소한으로 줄여서 배출가스를 통한 감지될 수 있는 열손실을 감소시킴으로서 연료 소비량을 줄인다.

(c) 배출가스의 부피를 감소시켜 공해물질을 감소시킨다.

또한 본 발명의 목적은 산화가스로서 공기대신 산소가 풍부한 공기나 산소를 사용하는 것이다. 또 하나의 목적은 산소나 산소가 풍부한 공기를 사용함으로서 산업용의 버너의 전반적인 수행능력과 효율을 증진시키는 한편, 동시에 높은 불고ㅊ 온도와 낮은 가스운동량으로 인해 높은 NO_X방출과 불균일한 용광로내 온도를 유지케 하는 불리한 점을 해결하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 산업용의 용광로에서 연소하는 동안 불꽃의 안정성을 증진시키는 것이다. 또한 본 발명은 전기한 목적을 성취하기 위해 버너장치를 제공하는 것이다.

이러한 본 발명의 목적은 다음에서 자세히 설명된다.

본 발명의 용광로를 발화하는 공정은 다음과 같이 구성된다.

(a) 대기와 실제적으로 차단된 용광로 부분을 제공하고,

(b) 산소가 풍부한 가스나 산소로 구성된 산화제 가스의 제트를 상기한 용광로 부분에 주입하는 공정으로써,

이때 제트는 주입하는 점의 제트의 직경이 D이고, 그 속도는 용광로 내의 열을 균일하게 분포케 할 수 있도록 재순환과 혼합을 수행할 수 있어야 한다.

전기한 속도는 다음 식에 의해 주어진다.

V=5.7P-70

여기서 V는 ft/sec로 산화제 제트의 속도이고, P는 부피 백분율로 산화가스중의 산소량이다.

(c) 단계 (b)와 동시에, 전기한 용광로 부분에 상기한 산화제 가스 주입 지점에서 거리 X만큼 덜어진 곳에 적어도 하나 이상의 연료가스를 주입한다.

거리 X는 연료 제트의 바깥 가장자리에서 산화가스제트의 바깥 가장자리까지의 거리를 표시하며, 다음 식에 의해 주어진다.

X=4D

(d) 상기한 산화가스 제트속으로 용광로 가스의 흡기가 되게 한다. 그 량은 연소하는 동안 정상 불꽃 온도보다 낮은 불꽃온도를 유지할 정도로 한다.

(e) 상기한 흡기를 한 후, 연료제트와 산화제 제트 혼합으로 연소반응이 일어나게 한다.

버너장치로 구성되는 본 발명의 두번째 목적은(다음부터는 산소흡기기 버너로 명명한다), 다음과 같이 구성된다.

(1) 용광로실에 산화제 가스를 주입하기 위한 산화제 가스 노즐의 직경 D는 다음식으로 주어진 값보다 적게 된다.

여기서 D는 인치로 표시되고, P는 부피로 산화제 가스중 산소의 백분율을 나타낸다.

F는 MMBTU/hr로 버너 점화비율, N은 산화제 노즐의 수를 나타낸다.

(2) 용광로실에 연료 제트를 주입하기 위한 하나이상의 연료주입노즐, 이 노즐은 산화제노즐로부터 X의 거리만큼 떨어져 있으며, X는 상기 연료 노즐의 가장자리에서 상기 산화제 노즐의 가장자리까지의 거리를 표시하고 다음 식에 의한 값을 갖는다.

X=4D

본 발명에 따른 공정을 사용함으로서 실제적으로 공기를 사용한 용광로 공정보다 연료를 절감할 수 있고 생성비를 증가시킬 수 있다. 한편 용광로 내에서 충분한 가스운동량과 용광로 내의 균일한 온도분포를 위한 혼ㅎ바과 가스 재순환을 달성할 수 있다. 동시에, 불꽃 온도는 NO_X방출이 공해 허용치를 넘지 않도록 낮게 유지된다. 이론적인 불꽃온도는 연료와 산화제를 연소시켜 불꽃에서 얻을 수 있는 최고 온도이다(공정이 단열공정이고, 연료와 산화제가 완전히 혼합되었다고 가정함).

여기서 사용되는 "정상 불꽃온도"란 연료와 산화제의 혼합전에 일어나는 용광로 가스의 흡기없이 어떤 연료와 산화제의 연소동안에 용광로에서 실제적으로 얻을 수 있는 온도이다.

정상 불꽃온도는 이론적 불꽃온도에 접근할 것이다(그러한 용광로 내에서 혼합과 열 전달 조건에 의해 접근한다). 용광로 내의 불꽃온도와 정상 불꽃온도를 비교해 볼 때 그러한 비교는 동등한 작동 조건에서 기준의 용광로를 기준으로 설명된다. 그러나 연료와 산화제의 혼합전에 용광로가스의 어떠한 흡기도 없다.

본 발명에 대한 자세한 설명은 실시예에서 이루어진다. 용광로가 실제적으로 대기와 차단된 그러한 방법과 장치는 금속을 가열하는 철강 산업에서 사용되거나 다른 산업적인 연소에 적용된다.

예를들어, 유리를 가열하는데 사용된다.

본 발명에 따르면, 연료와 산화제의 제트가 각각 분리되어 용광로 속에 주입된다. 여러개의 산화제 제트에 의해 하나의 연료제트가 둘러싸여 있을 수도 있고, 하나의 산화제 제트가 여러개의 연료제트에 의해 둘러 쌓일 수도 있다. 또는 하나의 연료제트와 하나의 산화제 제트로 이루어질 수도 있고, 두 개가 복수로 구성될수도 있다. 특히 적당한 실시예는 하나의 중앙에 위치한 연료제트가 여러개의 산화제 제트에 의해 둘러싸여 있는 경우이다(적당하기는 6-8개이다). 거리 X는 연료노즐의 가장자리에서 산화제 노즐의 가장자리 까지인데, 적어도 노즐 축구에서 측정된 산화제 제트나 연료제트 직경(D)의 4배 이상이 되어야 한다.

산화제 제트의 속도는 각 산화제 제트의 근방에서 흡기 효과를 내도록 충분히 빨라야 한다.그렇게 함으로서 연소 생성물과 산화제 가스중 비산소물로 구성된 용광로 가스는 전기한 산화제 제트 내부로, 그 근방으로 부터 흡기될 수 있다(산화제 제트 둘레지역).

(용광로의 다른 부분으로 부터 방출가스 같은 연소생성물을 재순환시키기 위한 장치와는 구분됨).

본 발명이 작동하기 위해서는 이러한 흡기가 산화제로 연료제트의 혼합전에 일어나야 한다. 산화제노즐 출구(제3도 참조)로 부터 Y의 거리에 있는 산화제 제트 지점으로 흡기되는 용광로 가스량은 산화제 제트의 흐름비율에 직접 비례하고 산화제 노즐의 직경에 반비례한다.

앞에서 언급한 거리 X는 노즐에서 산화제 제트직경의 4배 이상이어야 하고, 적당하기는 산화제 제트 직경의 8배이다. 거리를 실제적으로 실험한 결과 직경의 20배까지 만족할 만한 결과를 얻었다. 이것이 일반적으로 고온의 용광로 온도와 높은 점화비에서는 실험적으로 결정되며 산화제와 연료 제트 노즐 사이의 더 큰 공간은 아래 설명될 NO_X방출을 어떤 수준 이하로 유지하고 싶을 때 바람직하다.

산화제 제트의 출구속도는 요하는 흡기효과를 창출하기에 충분히 빨리 유지해야 한다. 그러나 속도에 영향을 미치고 본 발명에서 조절되는 다른 요인이 있다.

아래 설명되는 바와 같이 산화제 제트의 속도는 산화제 제트의 출구에서 충분한 제트 운동량을 갖도록 커야 한다. 이러한 산화제 제트 운동량은 적어도 기존의 공기버너나 점화공정에서 나타내었던 것과 동등한 것이 바람직하다.

전기한 바와 같이 공기 대신 산소나 산소가 풍부한 공기를 사용하면 용광로 속에 적은 가스량이 주입되기 때문에 작은 가스운동량을 나타낸다. 동시에 높은 불꽃온도를 나타낸다.

본 발명에서는 흡기된 용광로 가스는 산소나 산소 농축 공기를 사용하는 계에서 질소가 하는 역할을 담당한다. 즉, 연료 연소 반응에서 불활성 성분으로 희석시키고 연료연소의 불꽃온도를 감소시키며 가스의 혼합과 재순환을 위한 운동량을 제공한다.

본 발명에서 산화제 흐름속에 뜨거운 용광로 가스에 의해 질소 대신 대치시킴으로서, 연료의 절약에 상당히 기여한다. 때문에 본 발명의 목적에 부합해서 산화제 제트 속으로 흡기되어야 하는 용광로 가스의 양은 (a)와 (b)에 의존한다.

(a) 공기를 사용하는 기존의 공정에 견줄만한 혼합과 가스 재순화 조건하에서 본 바렴의 공정이 이루어진다고 가정하여 용광로 내에서 효율적인 혼합과 가스 재순환을 위해 필요한 가스량과

(b) NO_X방출을 극소화하고, 특정부분의 과열을 방지하기 위해 바람직한 불꽃온도.

우수한 혼합과 가스 재순환은 균일한 가열과 용광로 나그 내화물에 손상을 가져오는 국부과열을 방지하는데 중요하다.

연료와 혼합되기 전에 산화제 제트속으로 용광로 가스의 흡기가 없다면, 산화제와 연료가 혼합된 지점에서 용광로 내의 불꽃 온도는 이론적인 불꽃온도에 가까운 정상 불꽃온도를 나타낼 것이다(이 접근도는 혼합의 효율에 의존함).

제1도에서 보듯이 불꽃온도는 산화제 속에 산소량이 증가함에 따라 증가한다.

제1도는 완전하고 순간적인 혼합조건이라는 가정하에서 천연가스의 연소에 이론적인 불꽃 온도의 변화를 산화제 가스속의 산소량의 함수로 나타낸 것이다. 산소 농도가 증가함에 다라, 이론적인 불고ㅊ온도는 공기에 대하여 화씨 3,370도에서 산소에 대하여 화씨 5,030도까지 증가한다(단열 불꽃온도). 물론, 기존 공정이 실제 동작하는 동안, 연소 제트 속에서의 연소생성물의 온도는 혼합점에서 정상 불꽃온도와 동등하며 뜨거운 연소가스가 제트속으로 흡기되는 찬 가스와 혼합됨에 따라 버너에서 떨어진 제트의 길이에 따라 감소한다.

산업용의 연소에 적용시킬 때, 다음 두 가지는 불꽃온도를 조절하는데 중요하다. 첫째, 높은 불꽃온도는 NO_X형성반응의 역학과 평형에 유리하며, 둘째 높은 불꽃온도는 바람직하지 않은 효과를 가져오는 국부과열의 원인이 된다(버너와 용광로 내화벽을 손상시킴). 연료와 혼합하기 전에 산화제 제트 속으로의 용광로 가스의 흡기는 불꽃온도를 정상 불꽃온도 이하로 유지케 하며, 만약 용광로 가스량이 충분하다면(연소부분의 혼합조건과 용광로 가스 자체온도에 의존), 불꽃온도는, 순수산소가 산화제 가스로써 사용될 때에도 과열이나 NO_X형성 문제를 일으키지 않을 정도로 충분히 낮을 것이다.

본 발명에 의해 얻어진 측정 NO_X의 량은 극히 적었다. NO_X량의 감소는 일차적으로 효과적인 불꽃온도의 조절에 있으며 부차적으로는 산화가스중의 산소가 풍부하기 때문이다(즉, 질소가 감소된다). 불꽃온도의 조절은 질소가 일반적으로 공기가 노속으로 새어들어 오거나, 연료와 함께 들어와 이 불꽃온도 조절을 하지 않을 때는 NO_X을 형성하기에 충분한 량이 용광로속에 항상 존재하기 때문에 필요하다.

연료제트와 혼합전에 산소 흡기기 버너의 산화제 제트속에 흡기된 용광로 가스의 량이 증가함에 따라 불꽃온도는 감소한다. 불꽃온도 감소 정도는 용광로 가스온도에도 의존한다. 그러나 흡기되는 용광로 가스량의 함수로서 불꽃온도는 재순환비율 R에 대하여 제2도에서 도시되는 관계를 갖는다.

R은 다음과 같은 비율로 정의된다.

본 발명을 시행함에 있어서 다음 식으로 주어지는 ΔT만큼 정상불꽃온도보다 불꽃온도를 낮게 유지하는 것이 바람직하다.

ΔT=400+7.6(P-21)

여기서 ΔT는 F로 표시되며 P는 부피백분율로 산화제의 산소량이다.

산소나 산소가 풍부한 가스를 사용할 때, 공기를 사용하는 시스템에 비해서 두 가지 이유때문에 산화제트량이 감소한다.

첫째, 산소량이 증가함에 따라 질소량이 부분적으로 혹은 전부가 제거된다.

둘째, 더 이상 제거될 수 없는 질소가 가열됨에 따라 연소에 요하는 산소량은 적어진다. 때문에, 산화제제트의 속도는 제트가 용광로 속에서 원만한 혼합과 재순환에 충분한 운동량을 갖도록 증가되어야 한다.

본 발명의 목적을 위해 최소 산화가스의 속도는(산화제 노즐의 입구에서 측정된 것), 원만한 혼합과 재순환을 위해 다음의 실험식으로 주어지는 속도보다 커야 한다.

V=5.7P-70

여기서 V는 ft/sec로 표시되는 산화제 가스 속도이고, P는 부피백분률로 산화제속의 산소량이다. 단, 본 발명에서 혼합과 순환은 적어도 공기를 사용하는 씨스템에서 보다 적어도 더 격렬해야 한다. 보통의 기존의 공기 용광로의 산화제 가스의 속도는 약 50-1000ft/sec였으며, 100% 산소를 사용하며 공기 사용씨스템과 동일한 운동량을 유지하는 용광로에서 산화가스 속도는 약 450-950ft/sec에서 작동된다.

일반적으로 기존의 공기 씨스템에서 얻었던 운동량보다 높거나 같은 수준을 유지하기 위하여 가스속도는 적어도 500ft/sec가 되어야 하며, 적당하기로는 800ft/sec보다 커야하고, 바람직한 속도 범위는 450-1000ft/sec이다.

제3a도에서 개략적으로 나타낸 바와 같이 본 공정을 수행하는데 있어서, 본 발명의 산소 흡기기 버너의 실시예의 정면도가 되시되어 있다.

제3b도는 같은 버너를 축방향으로 본 개략도이다. 버너(1)은 직경 D를 갖는 다수개의 산화제 노즐(4)로 이어지는 연료 공급선(2)와 산화제 공급선(3)을 갖는다. 산화제 노즐(4)는 연료노즐(6)의 둘레에 X의 거리에 원(5)를 따라 배열된다. 그러나 본 발명의 도면에서 나타나 있듯이 반드시 일정 간격으로나 원형의 산화제 노즐을 배열할 필요는 없다. 일정 간격으로 배열한 것은 실시예에서 편리하게 나타내기 위해서이다.

본 발명에 따른 실시예에는 다른 배열을 한, 즉 하나의 연료노즐이나 그 이상의 연료노즐로 부터 X의 거리에 평행으로 연속적으로 산화제 노즐을 배치하거나, 두 면에 노즐을 배치하는 데 서로 비대칭으로 산화제노즐을 배치하는 경우도 있다.

필수적인 것은 연료노즐과 가장 가까운 산화제 노즐사이의 거리 X가 내부 직경 D인 산화제 노즐 직경의 적어도 4배 이상 되어야 한다는 것인데, 이렇게 충분한 간격은 제트(9)와 산화제 제트(8)이 혼합되기 전에 산화제 제트(8)로 충분한 용광로 가스가 흡입되게 하기 위해 필요하다. 이와 함께 연료노즐 (6)은 불꽃을 안정하게 하는 수단을 가지고 있다.

제3도에서, 연료노즐 (6)은 이것 둘레에 환상체(10)을 가졌는데, 이것은 주산화제 공급선(3)과 도관(7)을 통해 연결되어 있다. 이것을 통해 소량의 산화제가 주입되어 연료제트 둘레에 산화제 봉함 현상을 이루어 주고 따라서 연속적인 화염 선단부를 창출하고 화염을 안정시킨다. 화염 선단부를 창출하도록 연료제트에 근접하여 산화제의 5-10%의 소량을 갖도록 하면 충분한 것이다.

작동하는데 있어 산화제 제트(8)과 연료제트(9)가 용광로에 주입된다. 노즐(4)와 노즐(6) 사이의 거리 X때문에 버너(1)의 선단부인 제트(8)과 제트(9) 사이에 공간(12)가 생기며, (13)지역에서 연료와 산화제가 혼합되어 타단에서 연소가 일어난다.

산소가 산화제 가스로 사용하는 경우 연소 생성가스로 구성되는 용광로 가스는 공간(12)를 포함한 제트 근방으로 부터 그 속도로 산화제 제트(8)로 흡기된다. 이때 산화제 제트(8)은 부분(13)에서 연료제트(9)와 혼합되어 혼합제트를 형성한다.

재순환 용광로 가스는 공간(12)를 포함한 제트(8) 근방으로 가는데, 여기서 산소를 효율적으로 희석하기 위해 산화제 제트(8)에 의해 또 다시 흡기된다.

때문에 본 발명의 공정은 똑같은 연료와 흡기없이 산화제 가스 속에 같은 량의 산소를 사용한 재래식의 씨스템에서 정상온도보다 같거나 더 낮은 불꽃온도를 유지하기 위해 질소대신 용광로가스를 사용할 수 있다. 또한 본 공정은 용광로 가스를 사용하여 재래식 씨스템과 같거나 더 높은 혼합도와 가스 재순환 조건과 NO_X방출량의 증가가 없는 온도의 균일한 분포를 달성할 수 있다. 사실상 NO_X의 방출은 감소되었다.

본 발명을 더욱 자세히 설명하기 위해 다음 실시예를 든다. 계산과 실험은 다음의 조성과 가열치를 가진 천연가스 연료를 사용하여 수행된 것이다.

그러나 본 발명은 다른 가스나 액체 연료를 사용할 수도 있다. 유체 상태의 고체연료의 분산 물질을 사용할 수도 있다. 예로서, 메탄, 프로판, 디젤유, H₂와 CO 가 혼합된 합성 연료 등이다.

과량의 산화제 %는 연료속에 산소농도가 2%(부피)로 가정되며, 이것은 공기를 사용할 때 정량적으로 111.6%의 산화제로 성취할 수 있고, 산화제 가스 산소를 사용할 때는 그러한 산화제의 103.1%에서 성취할 수 있다. 사용된 흡기기 버너는 도면 제3a도와 제3b도에서 보이는 형태의 버너이다. 산소 노즐 직경은 1/32인치, 1/8인치가 실험되었다. 실험은 6-8개의 노즐이 사용되었고 중앙에 있는 연료 노즐의 원 둘레에 같은 간격으로 배열된다. 이 원의 직경은 2-5인치로 변한다. 불꽃을 안정화시키기 위해 연료노즐 둘레에 환상물을 통해 소량의 산화제를 공급한다. 다른 연소매개 변수는 실험용 광로(61)에서 기존의 것과 조사 및 비교되었다.

제6도에서 보이는 그림은 실제 산업적 규모로 설계된 것이다. 이 용광로는 바닥에 열싱크(heat sink)(63)으로 내화벽(62)가 설치되며, 내부 크기는, 4ft×6ft×8ft이다.

용광로에서 작동할 때 버너 (64)의 출력은 보통 0.5-1.0MMBTU/hr이다.

3가지 다른 형식의 버너가 사용되었다. 하나는 본 발명에 따른 것이고, 다른 두개는 기존의 버너이다.

기존의 것은 제4도, 제5도에 보이듯이 간단히 A, B로 정한다.

제4도에 보이는 버너 A는 기존의 소용돌이 흐름 버너로서 용광로 벽(42)의 내화 버너블록(41)(직경 4인치, 길이 11인치) 위에 설치되며, 중앙에 연료공급선(43)과 둘레에 산화제 노즐(44)가 설치된다.

산화제 노즐(44)는 산화제 흐름에 접선 성분의 힘을 주기 위해 소용돌이 장치(45) 형태로 되어있다.

정면도 제5a도와 축방향으로 본 제5b도에 버너(B)는 산소공급선(52)에 의해 둘러싸여 있는 연료공급선(51)의 동심원제트노즐로 구성되어 있다.

중앙연료 노즐(53)(직경 0.242인치)는 환상산화제 노즐(54)로 둘러싸여 있다(내경 0.365인치, 외경 0.625인치).

본 발명은 다음 실험결과에서 나타나 있다.

1. 작동범위 안정성.

초기에 산소흡기기 버너는 연료 흐름 둘레에 환상의 산소공급선 없이 사용된다. 이 버너는 용광로의 앞뒤의 불꽃이 불안정하게 작동된다. 이것은 용광로의 불꽃이 진동하게 하는 원인이 된다.

연료공급선 둘레의 환상노즐을 통해 소량의 산소(총 산소흐름의 5-10%)를 통과시킴으로서 연속적인 불꽃이 버너의 표면 가까이에 형성된다. 이것은 용광로 내의 연소를 안정화시켜, 불꽃이 진동하거나 용광로가 진동하는 것을 방지해 준다. 다만 보일 수 있을 정도의 이 불꽃은 환상 노즐을 통해 소량의 산소와 소량의 연료가 작용하여 이루어진다. 산소 제트와 천연가스 사이에 연소반응이 있을 때에는 전면에서 보이지 않는다. 이것이 기존의 버너와 대조적인 것이다. 이 버너는 980ft/sec까지 속도로 산소제트를 작동시킬 때 안정함이 증명되었으며, 더 큰 속도에서도 가능할 수 있다. 예를 들어 천연가스 560ft³과 산소 1140ft³을 사용하고 8개의 산소노즐의 직경은 1/16인치를 이용하는 실험에 있어서, 산소의 약 7%는 환상노즐을 통해 불꽃을 안정화시키기 위해 공급되고 나머지는 노즐을 통해 공급될때 산소속도는 노즐 출구에서 11Psig 압력에서 약 980ft/sec로 계산된다. 이 노즐은 노즐내에서 초음속으로 되는 것을 방지하기 위해 구멍은 똑바로 뚫는다.

노즐을 떠나는 산소는 팽창할 것이고 이로인해 980ft/sec 이상의 속도를 얻게 될 것이다. 이 버너는 2, 3.5, 5인치 원에노즐을 배치할 때 안정하게 작동하였다. 또한 실제적으로는 관심이 적지만 산소제트 속도가 낮을 때에도 안정하게 작동되었다. 이 버너는 높은 곳에서 낮은 점화비까지의 점화비 감소 범위에서도 안정되었다.

감소 비율은 20 : 1이 사용되었다.

특정한 산업용의 용광로에서 유사한 조건에서 실험한 결과 용광로 온도는 발화비율이 많이 변하는데 따라 아주 좋은 범위 내에서 유지되었다. 예로서 다음의 발화비율에 작동되는 버너의 대한 실험에서

유량비는 소레노이드 밸브를 사용하여 높고 낮은 발화비율 사이에서 변경된다.

이 버너는 높은 곳에서 낮은 곳으로 또는 그 역으로 변화하는 동안 두 발화비율에 대해 불안정한 요인 없이 안정하게 작동하였다.

실험된 발화비 범위에서는 버너를 안정하게 작동시키는데 어떠한 제한도 없었다. 이것은 버너의 안정 작동범위가 상기의 실험범위보다 넓다는 것을 말해준다.

2. 기존의 소용돌이 버너와의 비교.

NO_X형성에 대하여 본 발명의 산소 흡기기 버너와 기존의 소용돌이 버너를 비교하였다.

제4도에서 보듯이, 소용돌이 버너는 산화제에 접선방향의 흐름을 동반케하고,내화 버너 브록으로 불꽃을 안정화시킨다.

이 버너에서 내화튜브에서 지체시간(residence time)은 물론이고 산화제와 연료의 혼합은 연소생성물의 온도가 이론적 불꽃온도에 접근하도록 하는 것으로 믿어진다.

기존의 소용돌이 버너를 사용할 때, 다음 NO_X량의 측정은 방출가스에서 이루어졌다.

이 실험에서 방출가스중의 연소가스의 온도는 2100-2200℉이다. 점화비는 용광로 온도와 열씽크로의 열전달비가 일정하게 유지하도록 조절된다.

공기대신 산소를 대치할 때 얻어지는 연료절약 때문에 점화비는 산화제속에 산소농도가 증가함에 따라 감소한다. 데이타에서 나타나듯이, 90% O₂까지 산화제내의 산소량을 증가시킴에 따라 NO_X의 량은 증가한다. 이것은 증가된 불꽃온도가 NO_X형성의 반응역학과 평형을 유지하게 하기 때문인 것으로 풀이된다.

산소가 90%에서 100% 사이에서는 NO_X의 량이 감소하는데 이는 사용될 수 있는 질소농도가 낮기 때문이다.

공업용의 용광로 작동시, 기존의 버너에서 100% 산소를 사용할 때, 용광로내에서의 공기누설때문에 NO_X형성은 표에 나타난 것보다 상당히 더 높다.

실험용광로에서 90% 산소에서 엄어진 NO_X형성량은 공업용의 용광로에서 100% 산소에서 얻어진 형성량에 접근하였다.

산소흡기기 버너에서 100% 산소를 사용하여 같은 조건에서 비교해 볼때(같은 용광로 온도, 열싱크로의 동일한 열전달 비율) 측정된 NO_X량은 0.001bs/MMBTU였다. 이 실험에서 8개의 노즐은 1/16인치 직경이고, 원의 직경은 2, 3.5, 5인치였다. 2인치 직경의 원의 경우는 노즐 직경은 1/8인치이다.

실험된 모든 조건에서 NO_X형성은 실제적으로 NO_X방출허용치 기준 이하였다. 연료와 혼합되기 전에 산화제 제트 속으로 흡기된 용광로 가스가 이용될 때 불꽃온도는 NO_X형성을 현저하게 줄이는 온도 아래였다.

3. 기존의 동심원 제트버너(버너B)와의 비교. (버너B).

이 실험은 동심원 상의 연료와 산소제트를 갖는 기존의 버너와 본 발명의 버너와의 비교이다.

산소흡기기 버너는 2인치 직경의 원에 8개의 산소제트 노즐로 3/32인치 직경의 것이 설치되어 있다.

동심원상의 제트버너의 그림은 제5a도와 제5b도에 보여진다.

이 실험은 NO_X형성에 유리한 두 조건에서 행해졌다. 높은 용광로 가스온도, 용광로 속으로 공기가 세어들어간다. 모든 실험조건에서, 점화비는 산소 1670-1695ft³에 대해 천연가스 815ft³이다.

용광로 가스온도는 2800-2900℉이다. 용광로 속으로 공기의 세어들어가는 량은 0-300ft³공기로 조절되었다. NO_X형성결과는 제7도의 그래프에 도시된다. 두 버너에 대해, NO_X방출은 공기가세는 비가증가함에 따라 증가한다. 그러나 실험조건비교에서 NO_X형성에 있어 기존의 동심원상의 제트버너에 배해 흡기기버너가 상당히 낮음을 볼 수 있다.

흡기기 버너의 NO_X방출수준은 모든 실험조건에서 알려진 NO_X방출허용치보다 모두 낮다.

Claims (1)

1. 용광로실내로 산화물 기체의 제트를 주입하도록 직경 D로 된 적어도 한개의 산화물 기체노즐(44)과 용광로실안으로 적어도 한개의 연료제트(9)를 주입하는 적어도 한개의 연료노즐(6)이 산화물로부터 X 거리만큼 떨어져서 구성되어 있는, 산소나 산소 농축 공기를 사용하는 버너장치.

   *

   

   ………………………(1)

   * X=4D ………………………(2)

   상기 식(1)에서 직경 D는 공식(1)에 의해 구해지는 직경보다 작으며 인치로 표시되고, P는 산화물 기체의 용적으로서의 산소 함유량의 백분율이고, F는 MMBTU/hr로 나타낸 버너의 발화 비율이며, N는 산화물 노즐의 수임. 또한 상기 식(2)에서 X는 상기의 연료노즐의 가장자리로 부터 상기의 산화물 노즐까지에서 측정되는 것임.

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