KR101578316B1

KR101578316B1 - 스테이지형 산소연료 버너 및 그 이용 방법

Info

Publication number: KR101578316B1
Application number: KR1020147017810A
Authority: KR
Inventors: 사일레쉬 프라데에프 간골리; 알렉산더 게오르기 슬라베이코프; 미카엘 다비드 부진스키
Original assignee: 에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
Priority date: 2011-12-01
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2032-11-30
Also published as: WO2013082432A2; CN104081125B; EP2815180B1; PL2812633T3; KR101578315B1; EP2812633A2; CA2856834A1; US9134025B2; US20130143169A1; CN104067049A; MX381442B; WO2013082447A2; US20130143168A1; WO2013082432A3; CA2856718C; CA2856834C; MX2014006491A; US9664381B2; EP2815180A2; MX2014006438A

Abstract

버너의 중앙 축을 형성하는 중앙 옥시던트 노즐 및 복수의 화염 홀더들을 가지는 버너가 개시되고, 상기 화염 홀더 각각이 상기 버너의 축으로부터 이격된 축을 가지고, 각각의 화염 홀더가, 약 10 내지 약 75의 형상 계수를 가지는 노즐 개구부를 포함하는 큰 형상 계수 노즐 및 상기 큰 형상 계수 노즐을 둘러싸는 환형 노즐을 포함하고, 상기 형상 계수는 노즐 횡단면적의 2배수로 노즐 둘레의 제곱을 나눈 것으로서 규정되며, 상기 큰 형상 계수 노즐은 연료 가스 및 산화제 가스 중 어느 하나가 공급되도록 구성되고, 그리고 상기 환형 노즐은 연료 가스 및 산화제 가스 중 다른 하나가 공급되도록 구성된다.

Description

스테이지형 산소연료 버너 및 그 이용 방법{STAGED OXYFUEL BURNERS AND METHODS FOR USING THE SAME}

관련 출원들의 교차참조

본원은, 여기에서 그 전체가 참조로서 포함되는, 2011년 12월 1일자로 출원된 미국 가특허출원 제 61/565,560 호에 대한 우선권을 주장한다. 본원은, 2012년 11월 30일자로 본원과 동시에 출원되고, 본원의 양수인에게 양도된 출원 _/_____ 으로서 명칭이 "신속 에너지 방출 버너 및 그 이용 방법(RAPID ENERGY RELEASE BURNERS AND METHODS FOR USING THE SAME)"(Attorney Docket No. 07566ZP USA)인 출원과 관련된다.

본원 발명의 청구 대상은, 광범위한(spacious) 연소 모드, 낮은 NOx, 및 제어된 열 플럭스 프로파일을 가능하게 하는 산소-연료 버너 또는 공기-산소-연료 버너로서 이용될 수 있는 스테이지형(staged) 산소-연료(oxy-fuel; 순산소-연소) 버너에 관한 것이다.

산소-연료 및 공기-산소-연료 버너들은 넓은 범위의 용도들에서 이용되고 있다. 일부 용도들에서, 산소-연료 또는 공기-산소-연료 모드로 동작하는, 신속 열 플럭스가 낮은 NOx와 조합된 버너가 바람직하다. 다른 용도들에서, 균일한 열 플럭스가 낮은 NOx와 조합된 버너를 가지는 것이 바람직하다. 또 다른 용도들에서, 특별한 노(爐) 또는 가열 시나리오를 수용하도록 조정될 수 있는 열 플럭스 프로파일을 가지는 것이 바람직하다.

통상적인 산소-연료 버너들 및 노 가스를 연소 구역 내로 혼입(entraining)시키기 위해서 버너들을 이용하는 방법들이 미국 특허 제 6,866,503 B2 호, 미국 공개 공보 제 2003/0148236 A1 호, 및 미국 공개 공보 제 2007/0254251 A1 호에 개시되어 있으며, 상기 특허 및 공보들은 그 전체가 여기에서 참조로서 포함된다. 그러한 버너들의 큰 모멘텀(momentum) 노즐들은, 특히 먼지가 많은 또는 지저분한(dusty or dirty) 분위기들에서 동작될 때, 찌꺼기 발생(fouling) 및 막힘에 민감할 수 있다. "파이프-인-파이프"로서 공지된 다른 통상적인 버너가 Industrial Burners Handbook, CRC Press 2004의 섹션 21.4.1의 도 21.4에서 개시되어 있다. 광범위한 연소, 감소된 NOx, 및 제어가능한 열 플럭스 프로파일을 제공하는 버너 및 방법이 당업계에서 요구되고 있다.

여기에서 개시된 바와 같은 스테이지형 산소-연료 버너는, 화염(flame)으로부터의 향상된 대류성 열 전달을 유도하는 것으로 믿어지는 광범위한 연소 모드를 제공한다. 버너는 큰 형상 계수(shape factor) 노즐들에 의해서 둘러싸인 중앙 옥시던트(oxidant) 스테이징 노즐을 이용하고, 상기 각각의 큰 형상 계수 노즐은 그러한 큰 형상 계수 노즐들의 찌꺼기 발생 및 막힘을 방지하기 위해서 환형 제트에 의해서 차폐된다. 여기에서 개시된 바와 같은 버너들은 산소-연료, 공기-산소-연료, 및 공기-연료 체제들(regimes)로 동작될 수 있고, 그리고 하나 이상의 연료들을 이용할 수 있다. 버너들에 의해서 만들어지는 화염들은 거의 균일한 열 플럭스를 가지도록 그리고 비교가능한 산소-연료 및 공기-산소-연료 버너들 보다 적은 NOx를 생성하도록 제어될 수 있다.

일 실시예에서, 버너의 중앙 축을 획정하는 중앙 옥시던트 노즐 및 복수의 화염 홀더들을 가지는 버너가 개시되고, 상기 화염 홀더 각각이 상기 버너의 축으로부터 이격된 축을 가진다. 각각의 화염 홀더는, 약 10 내지 약 75의 형상 계수를 가지는 노즐 개구부를 포함하는 큰 형상 계수 노즐 및 상기 큰 형상 계수 노즐을 둘러싸는 환형 노즐을 포함하고, 상기 형상 계수는 노즐 횡단면적의 2배수로 노즐 둘레의 제곱을 나눈 것으로서 규정된다. 상기 큰 형상 계수 노즐은 연료 가스 및 산화제 가스 중 어느 하나가 공급되도록 구성되고, 그리고 상기 환형 노즐은 연료 가스 및 산화제 가스 중 다른 하나가 공급되도록 구성된다.

하나의 양태에서, 중앙 옥시던트 노즐은 중앙 스테이징 노즐 및 상기 중앙 스테이징 노즐을 둘러싸고 상기 화염 홀더들로부터 방사상 내측에 배치되는 환형 노즐을 포함한다.

하나의 다른 양태에서, 큰 형상 계수 노즐 개구부는 노즐 개구부의 주축을 포함한다. 변형예에서, 큰 형상 계수 노즐 개구부가, 주축을 획정하는 중앙 슬롯 및 상기 중앙 슬롯을 가로지르는 하나 이상의 교차 슬롯들을 포함한다. 상기 큰 형상 계수 노즐 개구부의 주축이 상기 버너의 중앙 축을 가로지도록 적어도 하나의 화염 홀더가 배향될 수 있을 것이고, 또는 큰 형상 계수 노즐 개구부의 주축이 상기 버너의 중앙 축을 가로지르도록 각각의 화염 홀더가 배향될 수 있을 것이다. 상기 큰 형상 계수 노즐 개구부의 주축이 상기 버너의 중앙 축으로부터 외측으로 연장하는 반경에 대해서 수직이 되도록 적어도 하나의 화염 홀더가 배향될 수 있을 것이고, 또는 큰 형상 계수 노즐 개구부의 주축이 상기 버너의 중앙 축으로부터 외측으로 연장하는 반경에 대해서 수직이 되도록 각각의 화염 홀더가 배향될 수 있을 것이다.

다른 양태에서, 각각의 화염 홀더의 큰 형상 계수 노즐 개구부의 주축으로부터 대체로 축방향을 따라 외측으로 연장하는 평면이 상기 버너 중앙 축에 실질적으로 평행하다. 대안적으로, 다른 양태에서, 상기 큰 형상 계수 노즐 개구부의 주축으로부터 대체로 축방향을 따라 외측으로 연장하는 평면이 상기 버너 중앙 축에 대해서 약 30°방사상 내측 내지 약 30°방사상 외측의 각도로 방사상으로 각을 이룬다. 대안적으로, 다른 양태에서, 각각의 화염 홀더의 큰 형상 계수 노즐 개구부의 주축으로부터 대체로 축방향을 따라 외측으로 연장하는 평면이 약 10°이하의 각도로 상기 버너 중앙 축을 향해서 방사상 내측으로 각을 이룬다.

다른 양태에서, 큰 형상 계수 노즐이, 노즐 개구부를 향해서 더 좁아지도록 테이퍼지는 본체를 가지고, 상기 노즐 본체는, 상기 큰 형상 계수 노즐 개구부의 주축에 대해서 약 15°내지 약 30°의 각도인, 2개의 테이퍼진 면들(faces)을 가지고, 그리고 상기 큰 형상 계수 노즐은 횡단면적 및 상기 횡단면적의 약 35% 내지 약 70%의 면적인 배출구 면을 가진다.

다른 양태에서, 상기 큰 형상 계수 노즐은 연료 가스가 공급되도록 구성되고 그리고 상기 환형 노즐은 산화제 가스가 공급되도록 구성된다. 대안적으로, 다른 양태에서, 상기 큰 형상 계수 노즐은 산화제 가스가 공급되도록 구성되고 그리고 상기 환형 노즐은 연료 가스가 공급되도록 구성된다.

다른 양태에서, 화염 홀더들이 서로에 대해서 대략적으로 균일하게 이격된다.

다른 양태에서, 상기 환형 노즐이 배출(discharge) 단부를 가지고, 그리고 상기 큰 형상 계수 노즐의 노즐 개구부는, 대략적으로 하나의 큰 형상 계수 노즐 직경 이하만큼, 상기 배출 단부로부터 축방향으로 후퇴된다.

다른 양태에서, 환형 노즐 개구부가 상기 환형 노즐과 상기 큰 형상 계수 노즐 사이에 형성되고, 그리고 약 1 미만의 상기 환형 노즐을 통해서 유동하는 가스 스트림 대 상기 큰 형상 계수 노즐 개구부를 통해서 유동하는 가스 스트림의 속도 비율, 즉 V_ANNULAR/V_HSF 를 제공하도록, 상기 큰 형상 계수 노즐 개구부 및 상기 환형 노즐 개구부의 크기가 결정된다.

다른 실시예에서, 연소 방법이 개시된다. 상기 방법은 버너의 중앙 축을 획정하는 중앙 옥시던트 노즐로 공기 및 산화제 가스 중 하나 또는 양자 모두를 공급하는 것, 상기 버너의 중앙 축으로부터 이격된 축을 각각 가지는 복수의 화염 홀더들로 연료 가스 및 산화제 가스를 공급하는 것으로서, 상기 각각의 화염 홀더가 큰 형상 계수 노즐 및 상기 큰 형상 계수 노즐을 둘러싸는 환형 노즐을 가지는, 복수의 화염 홀더들로 연료 가스 및 산화제 가스를 공급하는 것, 상기 큰 형상 계수 노즐을 통해서 연료 가스 및 산화제 가스 중 하나를 유동시키는 것, 및 상기 환형 노즐을 통해서 연료 가스 및 산화제 가스 중 다른 하나를 유동시키는 것을 포함한다. 상기 큰 형상 계수 노즐은 약 10 내지 약 75의 형상 계수를 가지는 노즐 개구부를 포함하고, 상기 형상 계수는 노즐 횡단면적의 2배수로 노즐 둘레의 제곱을 나눈 것으로서 규정된다.

하나의 양태에서, 연료 가스가 상기 큰 형상 계수 노즐을 통해서 유동되고 그리고 산화제 가스가 상기 환형 노즐을 통해서 유동된다. 대안적으로, 다른 양태에서, 산화제 가스가 상기 큰 형상 계수 노즐을 통해서 유동되고 연료 가스가 상기 환형 노즐을 통해서 유동된다.

다른 양태에서, 중앙 옥시던트 노즐이 중앙 스테이징 노즐 및 상기 중앙 스테이징 노즐을 둘러싸고 상기 화염 홀더들로부터 방사상 내측에 위치되는 환형 노즐을 포함하고, 그리고 상기 방법은 상기 중앙 스테이징 노즐을 통해서 산화제 가스를 유동시키는 것 및 상기 환형 노즐을 통해서 공기를 유동시키는 것을 더 포함한다. 대안적으로, 다른 양태에서, 상기 방법은 상기 중앙 옥시던트 노즐을 통해서 산화제 가스를 유동시키는 것을 더 포함한다. 대안적으로, 다른 양태에서, 상기 방법은 상기 중앙 옥시던트 노즐을 통해서 공기를 유동시키는 것을 더 포함한다.

다른 양태에서, 상기 방법은 연료 가스에 대한 화학양론적 산소 요구량의 약 75%를 제공하기 위해서 상기 산화제 가스의 충분한 유동을 상기 중앙 옥시던트 노즐로 유동시키는 것, 및 연료 가스에 대한 화학양론적 산소 요구량의 균형을 제공하기 위해서 상기 산화제 가스의 충분한 유동을 상기 화염 홀더들로 유동시키는 것을 포함한다.

다른 양태에서, 상기 방법은 연료 가스에 대한 화학양론적 산소 요구량의 약 50% 내지 약 90%를 제공하기 위해서 상기 산화제 가스의 충분한 유동을 상기 중앙 옥시던트 노즐로 유동시키는 것, 및 연료 가스에 대한 화학양론적 산소 요구량의 균형을 제공하기 위해서 상기 산화제 가스의 충분한 유동을 상기 화염 홀더들로 유동시키는 것을 포함한다.

다른 양태에서, 상기 방법은 연료 가스에 대한 화학양론적 산소 요구량의 본질적으로 100%를 제공하기 위해서 상기 산화제 가스의 충분한 유동을 상기 화염 홀더들로 유동시키는 것, 및 산화제 가스의 화학양론적 요구량의 본질적으로 0%를 상기 중앙 옥시던트 노즐로 유동시키는 것을 포함한다.

다른 양태에서, 상기 방법은 연료 가스에 대한 화학양론적 산소 요구량의 약 5% 이하를 제공하기 위해서 상기 산화제 가스의 충분한 유동을 상기 화염 홀더들로 유동시키는 것, 및 연료 가스에 대한 화학양론적 산소 요구량의 균형을 제공하기 위해서 상기 산화제 가스의 충분한 유동을 상기 중앙 옥시던트 노즐로 유동시키는 것을 포함한다.

다른 양태에서, 상기 방법은 연료 가스에 대한 화학양론적 산소 요구량의 본질적으로 100%를 제공하기 위해서 상기 산화제 가스의 충분한 유동을 상기 중앙 옥시던트 노즐로 유동시키는 것, 및 산화제 가스의 화학양론적 요구량의 본질적으로 0%를 상기 화염 홀더들로 유동시키는 것을 포함한다.

다른 양태에서, 각각의 화염 홀더의 큰 형상 계수 노즐 개구부가 주축을 포함하고, 그리고 각각의 화염 홀더 축의 중앙 슬롯의 주축으로부터 대체로 축방향을 따라 외측으로 연장하는 평면이 약 10°이하의 각도로 상기 버너 중앙 축을 향해서 방사상 내측으로 각을 이룬다.

다른 양태에서, 상기 화염 홀더들이 서로에 대해서 대략적으로 균일하게 이격된다.

다른 양태에서, 상기 큰 형상 계수 노즐 개구부가 상기 노즐 개구부의 주축을 포함하고, 그리고 상기 큰 형상 계수 노즐 개구부의 주축이 상기 버너의 중앙 축을 가로지르도록 각각의 화염 홀더가 배향된다.

다른 양태에서, 상기 큰 형상 계수 노즐 개구부가 노즐 개구부의 주축을 포함하고, 그리고 상기 큰 형상 계수 노즐 개구부의 주축이 상기 버너의 중앙 축으로부터 외측으로 연장하는 반경에 대해서 수직이 되도록 각각의 화염 홀더가 배향된다.

다른 양태에서, 환형 노즐 개구부가 상기 환형 노즐과 상기 큰 형상 계수 노즐 사이에 형성되고, 그리고 상기 방법은 상기 환형 노즐 개구부를 통해서 유동하는 가스의 속도 대 상기 큰 형상 계수 노즐 개구부를 통해서 유동하는 가스의 속도의 비율, 즉 V_ANNULAR/V_HSF 가 약 1 미만이 되도록 유도하는 것을 더 포함한다.

여기에서 개시된 발명의 여러 가지 양태들이 단독으로 또는 서로 조합되어 이용될 수 있다.

도 1은 환형 노즐에 의해서 둘러싸인 큰 형상 계수 노즐을 포함하는 신속 에너지 방출 버너의 사시도이다.
도 2는 도 1에서와 같은 버너의 단부도이다.
도 3a는 도 2에서 보여지는 노즐에서 수직 단면을 취한, 도 1에서와 같은 버너들의 횡단면도이다.
도 3b는 도 2에서 보여지는 노즐에서 수평 단면을 취한, 도 1에서와 같은 버너들의 횡단면도이다.
도 4a 및 4b는 통상적인 버너로부터의 화염(도 4a)을 여기에서 개시된 바와 같이 환형 노즐에 의해서 둘러싸인 큰 형상 계수 노즐을 포함하는 버너에 의해서 형성된 화염(도 4b)에 대해서 비교한 사진들이다.
도 5a는, 신속 에너지 방출 버터의 열 방출 프로파일을 통상적인 파이프-인-파이프 산소-연료 버너에 비교한, 열 플럭스 대 테스트 노 내의 노 길이의 그래프이다.
도 5b는, 환형 노즐에 의해서 둘러싸인 큰 형상 계수 노즐을 포함하는 신속 에너지 방출 버너에 대비한 통상적인 버너의 열 플럭스 대 길이를 도시한, 버너가 내부에 설치된 예시적인 회전식 노의 도면과 중첩된 그래프이다.
도 6은, 큰 길이 대 폭 비율을 가지는, 고로(shaft furnace) 또는 용선로(cupola)와 같은, 예시적인 노 및 제한된 연소 공간을 가지는 노의 폭을 따라서 측방향으로 발화(firing)되는 복수의 버너들의 평면도이다.
도 7a 및 7b는 절벽형(bluff) 본체 선단부를 가지는 큰 형상 계수 노즐에 의해서 생성된 화염을 테이퍼형 선단부를 가지는 큰 형상 계수 노즐에 의해서 생성된 화염에 비교한 사진들이다.
도 8은 신속 에너지 방출 버너에서 이용하기 위한 큰 형상 계수 노즐 조립체의 사시도이다.
도 9는 도 8의 노즐의 축방향 단면 I-I의 횡단면적 사시도이다.
도 10a는 노즐 본체의 배출 단부 또는 노즐을 보여주는 도 8의 노즐 본체의 정면도이다.
도 10b는 도 10a의 단면 II-II의 횡단면도이다.
도 10c는 도 10a의 단면 III-III의 횡단면도이다.
도 10d는 노즐 본체의 유입구 단부를 보여주는 도 8의 노즐 본체의 배면도이다.
도 11은 신속 에너지 방출 버너에서 이용하기 위한 대안적인 큰 형상 계수 노즐의 사시도이다.
도 12a는 노즐 본체의 배출 단부 또는 노즐을 보여주는 도 11의 노즐 본체의 정면도이다.
도 12b는 도 12a의 단면 IV-IV의 횡단면도이다.
도 12c는 도 12a의 단면 V-V의 횡단면도이다.
도 13은 도 12a, 12b, 및 12c의 노즐 본체의 여러 가지 기하형태적 디자인 매개변수들의 정의들을 도시한다.
도 14는 도 10a, 10b, 및 10c의 노즐 본체의 여러 가지 기하형태적 디자인 매개변수들의 정의들을 도시한다.
도 15는 중앙 옥시던트 스테이징 노즐을 가지는 공기 노즐의 둘레 주위로 이격된 큰 형상 계수 화염 홀더들을 가지는 스테이지형 산소-연료 버너의 실시예의 단부도이다.
도 16a 및 16b는, 중앙 공기 노즐을 가지고, 그리고 박스 구성(버너의 중앙 축을 가로지르는 큰 형상 계수 노즐 개구부의 주축을 가진다) 및 교차 구성(버너의 중앙 축으로부터 연장하는 반경에 수직인 큰 형상 계수 노즐 개구부의 주축을 가진다)으로 배향된 큰 형상 계수 화염 홀더들을 가지는 스테이지형 산소-연료 버너의 실시예들을 비교한 단부도들이다.
도 17a 및 17b는, 환형 공기 노즐에 의해서 둘러싸인 중앙 산소 스테이징 노즐을 포함하는 옥시던트 노즐을 가지고, 그리고 박스 구성(버너의 중앙 축을 가로지르는 큰 형상 계수 노즐 개구부의 주축을 가진다) 및 교차 구성(버너의 중앙 축으로부터 연장하는 반경에 수직인 큰 형상 계수 노즐 개구부의 주축을 가진다)으로 배향된 큰 형상 계수 화염 홀더들을 가지는 스테이지형 산소-연료 버너의 실시예들을 비교한 단부도들이다.
도 18은 스테이징 노즐을 둘러싸고 스테이징 노즐로부터 이격된 큰 형상 계수 화염 홀더들 및 중앙 옥시던트 스테이징 노즐을 가지는 스테이지형 산소-연료 버너의 실시예의 단부도이다.
도 19는 비교예의 버너들 및 스테이지형 산소-연료 버너의 여러 가지 실시예들 및 동작 매개변수들에 대한 열 플럭스 프로파일의 비교를 도시한 그래프이다.
도 20은 비교예의 버너 및 스테이지형 산소-연료 버너의 실시예들에 대한 산소 농축(enrichment) 레벨들에 걸친 연료 가스 NO 농도의 비교를 도시한 그래프이다.

제어가능한 열 플럭스 프로파일 및 감소된 NOx을 제공할 수 있는 스테이지형 산소-연료 버너가 개시된다.

여기에서 사용된 바와 같이, "산화제" 및 "옥시던트"는 공기보다 큰 O₂ 농도, 예를 들어 적어도 약 23 체적% O₂, 또는 적어도 약 30 체적% O₂, 또는 적어도 약 60 체적% O₂, 또는 적어도 약 85 체적% O₂, 또는 적어도 약 100 체적% O₂ 를 가지는 가스를 의미하기 위해서 상호교환가능하게 사용된다. 여기에서 사용된 바와 같이, "연료 가스"는 산화제 또는 옥시던트 내에서 연소될 수 있는, 비제한적으로 천연 가스를 포함하는, 임의 기체 연료를 포함할 수 있을 것이다. 여기에서 사용된 바와 같이, "공기"는 약 20.8 체적% O₂ 를 가지는 가스를 의미한다.

도 1-3b는 외측 도관(12) 및 내측 도관(14)을 가지는 예시적인 버너(10)를 도시한다. 외측 도관(12)은 배출 단부(22)를 가지는 환형 노즐(20) 내에서 종료되고, 그리고 내측 도관(14)은 큰 형상 계수(HSF) 노즐(30) 내에서 종료된다. HSF 노즐(30)은 상기 내측 도관(14)에 연결된 노즐 본체(34) 및 배출구 면(32)을 포함한다. 노즐 개구부(38)가 노즐(30)의 배출구 면(32) 내에 형성된다. 환형 노즐 개구부(28)가 환형 노즐(20)과 HSF 노즐(30) 사이에 형성된다.

선택적인 점화기(40)는, 도면들에 도시된 바와 같이, 버너(10)의 점화를 위해서 제공될 수 있을 것이다. 이격부재들(42)이 환형 노즐(20) 내에서 HSF 노즐(30)을 위치시키기 위해서 제공될 수 있을 것이다. 부가적으로, 환형 노즐(20)로부터 열을 제거하기 위한 액체 냉매의 유동을 가능하게 하기 위해서, 냉각 통로(44)가 외측 노즐(12) 내에 제공될 수 있을 것이다.

버너(10)의 동작 중에, 내측 도관(14)에 의해서 연료 가스 또는 산화제 가스의 내측 스트림이 HSF 노즐(30)로 공급되고, 그리고 외측 도관(12)에 의해서 연료 가스 또는 산화제 가스의 외측 스트림이 환형 노즐(20)로 공급된다. 연료 가스 및 산화제 가스 중 하나가 HSF 노즐(30)로 공급되고, 그리고 연료 가스 및 산화제 가스 중 다른 하나가 환형 노즐(20)로 공급된다. HSF 노즐(30)로부터 빠져나갈 때, 내측 스트림은, 가스의 외측 스트림을 혼입시키는 가스의 내측 제트를 형성한다. 하나의 실시예에서, 연료 가스가 내측 스트림으로서 HSF 노즐(30)로 공급되는 한편, 산화제 가스가 외측 스트림으로서 환형 노즐(20)로 공급된다. 다른 실시예에서, 산화제 가스가 내측 스트림으로서 HSF 노즐(30)로 공급되는 한편, 연료 가스가 외측 스트림으로서 환형 노즐(20)로 공급된다.

도 1-3b에 도시된 바와 같이, 환형 노즐(20)이 큰 형상 계수 노즐(30)을 완전히 둘러싼다. 일 실시예에서, 큰 형상 계수 노즐(30)이 환형 노즐(20) 내에서 중앙에 배치되고, 그에 따라 환형 노즐 개구부(28)가 큰 형상 계수 노즐(30) 주위에서 대칭적이 된다. 다른 실시예에서, 복수의 큰 형상 계수 노즐들(30)이 환형 노즐 내에 배치되고 그리고 환형 노즐 개구부(28)에 의해서 둘러싸인다.

큰 형상 계수 노즐 배출 개구부(38)는, 빠져나가는 내측 스트림이 큰 정도의 외측 스트림의 유체 혼입을 생성하도록 돕는 기하형태를 가진다. 도시된 실시예에서, 노즐(30)이 "슬롯형(slotted)" 또는 "지퍼형(zippered)" 형상으로서 설명될 수 있다. 노즐 개구부(38)는 적어도 약 10인 형상 계수(σ)를 특징으로 하고, 상기 σ는 다음과 같이 규정되는 무차원 매개변수이며,

σ = P²/2A

여기에서 P는 배출 개구부의 둘레이고 그리고 A는 배출 개구부의 유동 면적이다. 둘레 치수는, 노즐이 연소 구역 내로 배출하는 노즐 면의 평면에서 측정된 배출 개구부의 접점(wetted) 엣지들의 치수이다.

형상 계수는 내측 제트와 외측 주위 스트림 사이의 상호 작용의 범위(extent)를 결정한다. 여기에서 제시된 그리고 여기에서 참조로서 포함된 미국 특허 제 6,866,503 호에서 제시된 것들을 포함하는 다양한 기하형태들을 이용하여 희망하는 형상 계수(σ)를 달성할 수 있을 것이다. 하나의 예로서, 하나의 중앙 슬롯 및 2개의 교차 슬롯들을 가지는, 도 1-3의 실시예에서 제시된 노즐(30)이 41.6의 형상 계수를 가진다. 하나의 중앙 슬롯 및 3개의 교차 슬롯들을 가지는 유사한 노즐이 약 32.9의 형상 계수를 가진다. 비교하자면, 통상적인 원형 노즐의 형상 계수는 약 6.28(즉, 2π)이다. 여기에서 개시된 바와 같은 신속 에너지 방출 버너(10)에서의 HSF 노즐들(30)의 형상 계수는 적어도 약 10 내지 약 75 정도로 큰 범위를 가질 수 있고, 그리고 바람직하게 약 10과 같거나 그보다 크고, 보다 바람직하게 약 25 와 같거나 그보다 크고, 그리고 가장 바람직하게 약 35와 같거나 그보다 크다. 그에 따라, HSF 노즐들에 대한 형상 계수가 통상적인 원형 노즐의 형상 계수의 약 1.5 내지 약 12 배가 될 수 있고, 그리고 도 1-3에 도시된 예시적인 실시예들에서, 노즐 형상 계수가 통상적인 원형 노즐의 형상 계수의 약 6.6 배가 된다. 도 5a 및 5b에 대해서 보다 구체적으로 후술하는 바와 같이, 시뮬레이션들 및 테스팅에서, 그러한 형상 계수들이 신속 방출 열 플럭스 프로파일을 달성할 수 있다는 것이 확인되었다.

큰 형상 계수 노즐(30)은 노즐 개구부(38)의 둘레 주위에, 특히 슬롯들 사이에서 저압 지역들 또는 포켓들을 생성하고, 상기 저압 지역들 또는 포켓들은 주위 가스들의 혼입을 돕는다. 큰 형상 계수 노즐 개구부(38)를 빠져나가는 내측 스트림 제트(예를 들어, 연료 가스)는 환형 노즐 개구부(28)를 빠져나가는 외측 스트림(예를 들어, 산화제 가스)을 포획하는 작용을 한다. 노즐 개구부(38)의 형상은 내측 스트림 제트가 난류를 형성하도록 하고, 그에 의해서 내측 및 외측 스트림들을 신속하게 혼합하고, 그리고 덤불같은(bushy) 큰 에너지 방출 화염을 초래한다. 임의 이론 또는 설명으로 구속되는 것을 바라지 않으면서, 일반적으로 형상 계수가 클수록, 연료 및 산화제 스트림들 사이의 혼합이 빨라지고, 그에 따라 화염이 보다 큰 부피가 되기 쉽다.

연료와 산화제 유동들의 향상된 혼합에 의해서, 에너지의 신속한 방출이 달성될 수 있다. 신속 열 플럭스 프로파일을 달성하기 위해서, 큰 형상 계수 노즐들의 이용과 조합하여, 몇 가지 계수들을 채용할 수 있을 것이다. 하나의 양태에서, HSF 노즐(30)이 환형 노즐(20)에 의해서 완전히 둘러싸일 수 있다. 이는 연료 가스와 산화제 가스 스트림들 사이의 상호작용을 최대화하여 신속한 혼합을 촉진한다.

다른 양태에서, 노즐(30)의 노즐 본체(34)가 배출구 면(32)을 향해서 내측으로 각을 이루는 테이퍼진 면들(36)을 가지는 도 3에서 도시된 바와 같이, HSF 노즐(30)이 테이퍼진 형상을 가질 수 있다. 테이퍼의 각도가 약 15°내지 약 45°, 바람직하게 약 15°내지 약 30°, 그리고 보다 바람직하게 약 20°일 수 있다. 테이퍼진 면들(36)은, 배출구 면(32)에서의 외측 스트림의 재순환을 최소화함으로써, 노즐(30)의 과열을 감소시킨다. 또한, 테이퍼진 면들(36)은 환형 노즐 개구부(28)로부터, HSF 노즐 개구부(38)를 빠져나가는 내측 스트림 또는 제트 내로 유동하는 외측 스트림을 유선화하는(streamline) 것을 돕는다. 하나의 양태에서, HSF 노즐(30)이 노즐 개구부(38)에 의해서 형성된 중앙 평면을 가지고, 그리고 테이퍼진 면들(36)이 노즐 본체(34)의 대향 측부들 상에 위치되고 중앙 평면을 향해서 내측으로 테이퍼지며, 그에 따라 중앙 평면 및 대향면들의 투영부(projection)가 노즐(30)의 배출구 면(32)을 지나서 연소 구역 내의 라인에서 교차될 수 있을 것이다.

테이퍼진 면들(36)이 HSF 노즐 배출구 면(32)(A_F) 대 HSF 노즐(30)의 횡단면적(A_N)의 면적 비율에 의해서 추가적으로 규정될 수 있다. 도 2 및 3a에 도시된 바와 같이, HSF 노즐(30)이 직경(D_HSF)을 가지고 그리고 외측 면(32)은 직경(D_HSF) 보다 작은 높이(X_F)를 가진다. 도 2의 단부도로부터, A_N 과 A_F 사이의 면적 차이가 테이퍼진 면들(36)을 나타내는 원형 세그먼트들의 투사된 면적의 2배라는 것을 확인할 수 있을 것이고, 그러한 원형 세그먼트들의 각각이 각도(θ)를 포함하는(subsuming) 것으로 규정된다. 구체적으로, HSF 노즐 면적(A_N)이 다음과 같이 계산될 수 있을 것이고:

한편으로, HSF 노즐 외측 면 면적(A_F)이 다음과 같이 계산될 수 있을 것이고:

여기에서 θ = 2·arccos(X_F/D_HSF) 이다. 면적 비율(A_F/A_N)이 약 35% 내지 약 70%일 수 있고, 그러한 면적 비율은 대략적으로 약 28% 내지 약 59%의 X_F/D_HSF 범위 및 약 108°내지 약 147°의 포함된 각도(θ) 범위에 상응한다. 도 1-3b에 도시된 실시예에서, 포함된 각도(θ)가 약 132°이고 그리고 비율 X_F/D_HSF 가 약 41%이고, 결과적으로 약 51%의 면적 비율 A_F/A_N 을 초래한다.

HSF 노즐(30)의 테이퍼진 형상은, 설명된 실시예들에서 어떠한 외부 냉각도 가지지 않는 배출구 면(32)의 표면 온도를 상당히 감소시키는 데 도움을 준다. 이론에 의해서 구속되지 않으면서, 테이퍼진 면들을 가지지 않는 HSF 노즐은, 가스의 환형 스트림이 HSF 노즐의 절벽형 본체 단부 위를 통과할 때, 그러한 가스의 환형 스트림의 재순환 구역들을 생성하는 것으로 생각된다. 이는, HSF 노즐의 배출구 면에서, 연료 가스 및 옥시던트의 신속한 혼합뿐만 아니라, 노들 가스들의 혼입을 초래하고, 이는 지퍼 노즐 개구부의 어느 한(either) 측부 상에서 노즐의 면에 본질적으로 부착되는 화염을 유도한다. 대조적으로, 여기에서 개시된 바와 같이 테이퍼진 면들(36) 및 면적 비율(A_F/A_N)을 가지는 HSF 노즐(30)은, 가스의 환형 스트림이, 가스의 내측 스트림으로 혼입되도록 방사상 내측으로 유선형이 되게 할 수 있고, 이는 노즐 개구부(38)로부터 본질적으로 발산하는(emanate) 화염을 생성한다. 이는, 적은 열이 배출구 면(32)으로 전달되게 하는 결과를 초래한다.

도 7a 및 7b는 2개의 버너들의 화염 특성들을 비교하고, 도 7a의 버너는 절벽형 본체를 가지고 테이퍼진 면들을 가지지 않는(즉, A_F/A_N = 1) HSF 노즐을 가지고, 도 7b의 버너는, 테이퍼진 면들(36)을 가지고 면적 비율(A_F/A_N)이 약 51%인, 여기에서 개시된 바와 같은 HSF 노즐(30)을 가진다. 양자의 경우들에서, 옥시던트가 환형 노즐(20)을 통해서 유동되는 동안 연료 가스가 HSF 노즐(30)을 통해서 유동되었다. 도 7a의 버너는, HSF 노즐 개구부(38)의 한 측부 상에 하나씩, 2개의 구분된 화염들을 나타냈다. 또한, 도 7a의 사진은, HSF 노즐의 배출구 면이 작열(glow)하는 지점까지 가열되는 것을 보여준다. 대조적으로, 도 7b의 버너는 노즐 개구부(38)로부터 발산하는 하나의 화염을 나타내고, 그리고 HSF 노즐(30)의 배출구 면(32)은 상당히 더 저온이고 그리고 작열하지 않는다.

또 다른 양태에서, HSF 노즐(30)의 배출구 면(32)이 오프셋 거리(X_R)만큼 환형 노즐(20)의 배출 단부(22)로부터 축방향으로 오프셋될 수 있다. 상기 거리(X_R)는 노즐(30)의 약 ± 1 직경(D_HSF) 만큼 클 수 있다. 즉, 도 3a에 도시된 바와 같이, HSF 노즐(30)의 배출구 면(32)이 배출 단부(22)에 대해서 약 하나의 직경(D_HSF) 만큼 후퇴될 수 있다. HSF 노즐(30)을 후퇴시키는 것은, 노즐 개구부(38)를 빠져나가는 내측 가스 제트(연료 또는 산화제)가 포획되는 환형 가스 스트림(각각, 산화제 또는 연료)에 의해서 전체적으로 둘러싸이도록 보장하고 그리고, 외부 환형 노즐(20)의 과열 없이, 노 가스들에 의해서 화염 뿌리(root)의 희석(dilution)을 방지하도록 보장하는 데 도움이 된다. 또한, HSF 노즐(30)을 후퇴시키는 것은, 노들 가스들 혼입에 앞서서 연료 및 산화제 유동들이 혼합될 수 있게 하고, 그에 의해서 HSF 노즐(30)에서 노 가스들에 의한 연료 및 산화제 유동들의 혼합의 희석을 최소화한다. 그렇지 않은 경우에, 특히 연료 가스 및/또는 옥시던트가 작은 모멘텀들을 가질 때, 희석이 연료 및 산화제 유동들의 지연된 혼합을 초래할 수 있을 것이다.

대안적으로, 특히 연료 가스 및/또는 옥시던트가 큰 모멘텀들을 가지는 구성에서, HSF 노즐(30)의 배출구 면(32)이 배출 단부(22)를 지나서 약 하나의 직경(D_HSF) 만큼 돌출할 수 있을 것이다. 또한 대안적으로, HSF 노즐(30)의 배출구 면(32)이 배출 단부(22)와 대략적으로 동일한 높이가 되거나 배출 단부(22)와 정렬될 수 있다.

또 다른 양태에서, 화염 부피가 HSF 노즐 속도에 의해서 그리고 환형 스트림 속도 대 내측 제트 속도의 비율에 의해서 제어될 수 있다. 구체적으로, 외측 또는 환형 스트림의 속도(V_ANNULAR) HSF 노즐(30)을 빠져나가는 내측 스트림의 속도(V_HSF)의 비율을 약 3 미만이 되도록 제어함으로써, 화염 부피가 향상될 수 있다. 일 실시예에서, 환형 스트림의 속도가 HSF 노즐을 빠져나가는 내측 스트림의 속도보다 작게 즉, V_ANNULAR/V_HSF < 1 로 제어된다. 바람직하게, 환형 유동과 내측 제트 사이의 속도 비율(V_ANNULAR/V_HSF)이 약 0.1 내지 약 1이다. 보다 바람직하게, 속도 비율(V_ANNULAR/V_HSF)이 약 0.3이다. 다시 말해서, 전형적으로, 내측 제트 속도가 환형 유동 속도의 약 30%가 되고, 그에 따라 내측 제트가 주위 환형 가스 유동을 혼입시켜 양호한 혼합을 생성하고, 다시 비교적 다량의 화염을 생성한다. 하나의 예에서, 내측 제트 속도가 약 600 ft/s(예를 들어, 약 100 ft/s 내지 약 300 ft/s) 이하가 될 수 있고, 그리고 환형 유동 속도가 그에 상응하게 약 600 ft/s 이하가 될 수 있고, 그리고 바람직하게 약 180 ft/s 이하(예를 들어, 약 30 ft/s 내지 약 90 ft/s)가 될 수 있다.

추가적인 양태에서, 환형 스트림과의 효과적인 혼합을 위해서 그리고 "덤불같은" 화염을 생성하여 화염의 방사상 커버리지를 향상시키기 위해서, HSF 노즐(30)의 슬롯들이 확장 각도를 가질 수 있다(도 9 및 11을 참조하여 이하에서 보다 구체적으로 설명함).

전술한 실시예들에서 이용하기에 적합한 노즐들의 형상들 및 디자인들이, 여기에서 참조로서 포함되는 미국 특허 제 6,866,503 B2 호에 개시되어 있다. 이러한 노즐 디자인들 중 하나가 도 8에 도시되어 있다. 노즐 조립체(601)가 테이퍼진 면들(603) 및 배출구 면(617)을 가지는 노즐 본체(602)를 포함하고, 상기 노즐 본체(602)가 노즐 유입구 도관 또는 파이프(605)에 결합된다. 노즐 조립체(601)는 도 1-3b를 참조하여 설명된 HSF 노즐(30)과 유사하다. 여기에서 수직-배향되어 도시된, 중앙 슬롯(607)이 교차 슬롯들(609, 611, 613, 및 615)에 의해서 교차된다. 이하에서 구체적으로 설명하는 바와 같이, 중앙 슬롯(607)의 길이 방향(즉, HSF 노즐(30)의 주축)이 배출구 면(617)으로부터 대체로 방사상 외측으로 연장하는 중앙 평면을 규정한다. 슬롯들은 노즐 본체(602)와 노즐 유입구 파이프(605) 사이의 연결부에서 유입구 면(미도시)과 배출구 면(617) 사이에 배치된다. 제 1 가스(연료 및 산소 중 하나)(619)가 노즐 유입구 파이프(605)를 통해서 그리고 슬롯들(609, 611, 613, 및 615)을 통해서 유동하고, 그리고 이어서 슬롯 배출구들을 둘러싸는 환형 스트림으로 유동하는 제 2 가스(연료 및 산소 중 다른 하나)와 혼합된다. 슬롯들(609, 611, 613, 및 615)에 의해서 형성되는 개구부는 전술한 바와 같이 HSF 노즐(30)을 형성한다.

도 8에 도시된 슬롯 패턴에 더하여, 후술하는 바와 같은 다른 슬롯 패턴들이 가능하다. 또한, 노즐 조립체(601)가 임의 배향으로 이용될 수 있고 그리고 도시된 대체로 수평인 배향으로 제한되지 않는다. 도시된 예시적인 실시예에서, 배출구 면(617)에 수직인 방향에서 볼 때, 예시적인 슬롯들(609, 611, 613, 및 615)이 직각으로 슬롯(607)을 가로지른다. 예시적인 슬롯들(609, 611, 613, 및 615)과 슬롯(607) 사이의 다른 교차 각도들도 가능하다. 유사하게, 배출구 면(617)에 수직인 방향에서 볼 때, 예시적인 슬롯들(609, 611, 613, 및 615)이 서로 평행하나; 이러한 슬롯들 중 하나 이상이 나머지 슬롯들에 대해서 평행하지 않은 다른 실시예들도 가능하다.

여기에서 사용된 바와 같은 "슬롯"이라는 용어는, 임의 슬롯 횡단면(즉, 이하에서 규정된 유입구 유동 축에 수직인 단면)이 비원형이고 그리고 주축 및 보조(minor) 축에 의해서 특징지어지는, 노즐 본체 또는 다른 중실형(solid) 재료를 통한 개구부로서 규정된다. 주축은 보조 축 보다 길고, 그리고 2개의 축들이 대체로 수직이다. 예를 들어, 도 8의 임의 슬롯의 주요 횡단면 축이 슬롯 횡단면의 2개의 단부들 사이에서 연장하고; 보조 횡단면이 주축에 대해서 수직이고 그리고 슬롯 횡단면의 측부들 사이에서 연장한다. 슬롯이 임의의 비-원형 형상의 횡단면을 가질 수 있을 것이고, 그리고 각각의 횡단면이 중심 지점 또는 중심을 특징으로 할 수 있을 것이며, 상기 중심은 일반적인 기하형태적 정의를 가진다.

슬롯이, 모든 슬롯 횡단면들의 중심들을 연결하는 직선으로서 규정된 슬롯 축을 추가적인 특징으로 할 수 있을 것이다. 또한, 슬롯이, 모든 슬롯 횡단면들의 주요 횡단면 축들을 가로지르는 중심 평면을 특징으로 하거나 그러한 중심 평면에 의해서 규정될 수 있을 것이다. 각각의 슬롯 횡단면이 이러한 중심 평면의 어느 한 측부 상에서 수직 대칭성을 가질 수 있을 것이다. 상기 중심 평면이 슬롯의 어느 한 단부를 지나서 연장할 수 있을 것이고, 그리고 이하에서 설명하는 바와 같이, 노즐 본체 유입구 유동 축에 대한 슬롯 배향을 규정하기 위해서 이용될 수 있을 것이다.

도 8의 노즐(601)의 축방향 단면 I-I이 도 9에서 제시되어 있다. 유입구 유동 축(701)이 노즐 유입구 파이프(605), 유입구 면(703), 및 배출구 면(617)의 중심을 통과한다. 이러한 실시예에서, 슬롯들(609, 611, 613, 및 615)의 중심 평면들이 유입구 유동 축(701)에 대해서 각도를 이루고, 그에 따라 가스가, 유입구 유동 축(701)으로부터 발산하는 방향으로 배출구 면(617)에서 슬롯들로부터 유동한다. 슬롯(607)(이러한 슬롯의 일부만이 도 9에 도시됨)의 중심 평면이 또한 유입구 유동 축(701)과 각을 이룬다. 후술하는 바와 같이, 이러한 예시적인 특징은 노즐 배출구 면(617)으로부터의 내측 기체 스트림을 유입구 유동 축(701)으로부터의 다른 발산 방향으로 지향시킬 수 있다. 이러한 예시적인 실시예에서, 도 9의 축방향 단면에 수직인 방향으로 볼 때, 슬롯들(609 및 611)이 유입구 면(703)에서 교차하여 날카로운 엣지(705)를 형성하고, 슬롯들(611 및 613)이 교차하여 날카로운 엣지(707)를 형성하고, 그리고 슬롯들(613 및 615)이 교차하여 날카로운 엣지(709)를 형성한다. 이러한 날카로운 엣지들은 슬롯들에 대해서 공기역학적인 유동 분리를 제공하고, 절벽형 본체들과 연관된 압력 강하를 감소시킨다. 대안적으로, 이러한 슬롯들이 유입구 면(703)과 배출구 면(617) 사이의 축방향 위치에서 교차할 수 있고, 그리고 날카로운 엣지들이 노즐 본체(602) 내에서 형성될 수 있을 것이다. 대안적으로, 이러한 슬롯들은, 도 9의 축방향 단면에 수직인 방향에서 볼 때, 교차하지 않을 수 있고, 그리고 날카로운 엣지들이 형성되지 않을 수 있을 것이다.

여기에서 사용된 바와 같은 "유입구 유동 축"이라는 용어는 유입구 면에서 HSF 노즐로 진입하는 유체의 유동 방향에 의해서 규정된 축이고, 이러한 축은 유입구 및 배출구 면들을 통과한다. 전형적으로, 그러나 모든 경우들에 해당되지는 않지만, 유입구 유동 축이 노즐 유입구 면(703) 및/또는 배출구 노즐 면(617)의 중심에 수직이고, 그리고 수직으로 상기 면들과 만난다. 노즐 유입구 파이프(605)가 도시된 바와 같이 전형적인 원통형 도관일 때, 유입구 유동 축이 도관 축에 평행하거나 도관 축과 일치될 수 있을 것이다.

축방향 슬롯 길이는 노즐 유입구 면과 노즐 배출구 면 사이의, 예를 들어 도 9의 유입구 면(703)과 배출구 면(617) 사이의 슬롯의 길이로서 규정된다. 슬롯 높이는 보조 횡단면 축에서 슬롯 벽들 사이의 수직 거리로서 규정된다. 축방향 슬롯 길이 대 슬롯 높이의 비율이 약 1 내지 약 20일 수 있을 것이다.

노즐 본체 내의 복수의 슬롯들이 유입구 유동 축에 수직인 평면 내에서 교차할 수 있을 것이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 교차 슬롯들(609, 611, 613, 및 615)이 직각으로 중앙 슬롯(607)을 가로지른다. 희망하는 경우에, 이러한 슬롯들이 직각 이외의 각도들로 유입구 유동 축에 수직인 평면 내에서 교차할 수 있을 것이다. 또한, 유입구 유동 축에 평행한 평면에서 볼 때, 즉 도 9의 단면 평면에서 볼 때, 인접한 슬롯들이 교차할 수 있을 것이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 슬롯들(609 및 611)이 유입구 면(703)에서 교차하여 전술한 바와 같은 날카로운 엣지(705)를 형성한다. 슬롯들의 중심 평면들 사이의, 그리고 또한 각각의 슬롯의 중심 평면과 유입구 유동 축 사이의 각도 관계들이 희망에 따라서 달라질 수 있을 것이다. 이는, 내측 가스 스트림이 노즐 축에 대한 임의의 선택된 각도로 노즐로부터 배출될 수 있게 한다.

예시적인 노즐 본체(602)의 부가적인 도면들이 도 10a 내지 10d에서 제시되어 있다. 도 10a는 노즐 본체의 정면 사시도이고, 도 10b는 도 10a의 단면 II-II의 도면이고 그리고 슬롯들의 중심 평면들과 유입구 유동 축 사이에 형성된 각도들을 도시한다. 각도(α₁)가 슬롯(615)의 중심 평면과 유입구 유동 축(701) 사이에 형성되고, 그리고 각도(α₂)가 슬롯(609)의 중심 평면과 유입구 유동 축(701) 사이에 형성되다. 상기 각도들(α₁ 및 α₂)이 동일하거나 상이할 수 있을 것이고, 0 내지 약 30도의 범위가 될 수 있을 것이다. 각도(α₃)가 슬롯(611)의 중심 평면과 유입구 유동 축(701) 사이에 형성되고, 그리고 각도(α₄)가 슬롯(613)의 중심 평면과 유입구 유동 축(701) 사이에 형성되다. 상기 각도들(α₃ 및 α₄)이 동일하거나 상이할 수 있을 것이고, 0 내지 약 30도의 범위가 될 수 있을 것이다. 임의의 2개의 인접한 다른 슬롯들의 중심 평면들이 0 내지 약 15 도의 끼인각(included angle)으로 교차할 수 있을 것이다.

도 10c는 슬롯(607)의 중심 평면과 유입구 유동 축(701) 사이에 형성된 각도(β₁)를 도시한, 도 10a의 단면 III-III의 도면이다. 각도(β₁)가 0 내지 30도의 범위일 수 있을 것이다. 슬롯(611)(또한, 슬롯들(609, 613, 및 615)의 외측 엣지들이 슬롯(607)의 중심 평면에 평행할 수 있을 것이다.

도 10d는 슬롯들(609, 611, 613, 및 615)의 교차들에 의해서 형성된 날카로운 엣지들(705, 707, 및 709)의 다른 도면을 제공하는, 도 7 및 8의 노즐 본체의 후방 사시도이다.

노즐 본체(901) 내의 슬롯들이 2개의 교차부들(903 및 905)의 형태로 배치되는 다른 타입의 노즐이 도 11에 도시되어 있다. 교차부(903)가 슬롯들(1007 및 1009)에 의해서 형성되고 교차부(905)가 슬롯들(1001 및 1013)에 의해서 형성된 노즐 본체의 전방 사시도가 도 12a에 도시되어 있다. 도 12b에 도시된 도 12a의 단면 IV-IV의 도면은, 각도들(α₅ 및 α₆) 만큼 유입구 유동 축(1015)으로부터 발산하는 슬롯들(1009 및 1011)의 중심 평면들을 도시한다. 각도들(α₅ 및 α₆)이 동일하거나 상이할 수 있을 것이고, 0 내지 약 30도 범위가 될 수 있을 것이다. 슬롯(1007)의 외측 엣지들이 슬롯(1009)의 중심 평면에 평행할 수 있고 그리고 슬롯(1013)의 외측 엣지들이 슬롯(1011)의 중심 평면에 평행할 수 있을 것이다. 이러한 실시예에서, 슬롯들(1007 및 1011)이 교차하여 날카로운 엣지(1012)를 형성한다.

도 12a의 단면 V-V의 도면이 도 12c에 도시되어 있으며, 상기 도 12c는 슬롯(1013)의 중심 평면이 어떻게 유입구 유동 축(1015)으로부터 끼인 각(β₂) 만큼 발산하는지를 도시하고, 상기 각도(β₂)는 0 내지 30도 범위일 수 있을 것이다. 슬롯(1011)의 외측 엣지들이 슬롯(1013)의 중심 평면에 평행할 수 있을 것이다.

전술한 바와 같이, 슬롯들이 2개의 구성들 중 어느 하나 또는 양자 모두에서 다른 슬롯들을 가로지를 수 있을 것이다. 첫 번째로, 노즐 본체 배출구 면에 수직으로 볼 때(예를 들어, 도 10a 또는 12a 참조) 또는 슬롯 횡단면에서 볼 때(즉, 유입구 면과 배출구 면 사이의 유입구 유동 축에 수직한 단면), 슬롯들이 교차할 수 있을 것이다. 두 번째로, 유입구 유동 축에 평행하게 취한 단면에서 볼 때(예를 들어, 도 9, 10b, 및 12b 참조), 인접한 슬롯들이 교차할 수 있을 것이다. 하기 2개의 평면들 사이의 교차가 노즐 유입구 면과 배출구 면 사이에, 유입구 면에, 및/또는 배출구 면에 놓이도록, 슬롯의 벽에 대한 접선 평면이 인접한 슬롯의 벽에 대한 접선 평면과 교차될 때, 2개의 슬롯들의 교차가 규정에 의해서 발생된다. 예를 들어, 도 9에서, 슬롯(609)의 벽에 대한 접선 평면이 슬롯(607)의 벽에 대한 접선 평면과 교차하고, 그리고 상기 2개의 평면들의 교차부가 유입구 면(703)과 배출구 면(617) 사이에 놓인다. 슬롯(609)의 상부 벽에 대한 접선 평면 및 슬롯(611)의 하부 벽에 대한 접선 평면이 유입구 면(703)에서의 엣지(705)에서 교차한다. 다른 예에서, 도 12b에서, 슬롯(1013)의 상부 벽에 대한 접선 평면 및 슬롯(1007)의 하부 벽에 대한 접선 평면이 노즐의 2개의 면들 사이의 엣지(1012)에서 교차한다.

전술한 예시적인 실시예들에서 슬롯들의 각각이 대체로 평면형이고 평행한 내부 벽들을 가진다. 슬롯의 평면형 벽들이 유체 유동 방향을 따라서 서로에 대해서 수렴 또는 발산할 수 있는 다른 실시예들도 가능하다. 다른 실시예들에서, 슬롯 벽들이 평면형 대신에 곡선형일 수 있을 것이다. 전술한 예시적인 실시예들에서 슬롯들의 각각이, 직선형 측부들 및 곡선형 단부들을 가지는 대체로 직사각형인 단면을 가진다.

전술한 교차-형상의 그리고 지퍼-형상의 노즐들 모두는, 신속 혼합과 관련하여, 통상적인 원형 노즐들에 대비하여 개선된 성능을 제공하고; 이러한 개선은 이러한 예시적인 노즐 기하형태들을 이용하는 것의 결과로서 노들에 대한 개선된 에너지 방출과 직접적으로 관련된다. 표 2는, 연소 에너지 방출의 신속성을 향상시키는, 연료 및 옥시던트 스트림들의 상당한 혼합을 실시하는데 유용한 이러한 노즐들의 기하형태적 디자인 매개변수들의 전형적인 범위들을 제시한다. 디자인 매개변수들이 도 12 및 14에서 규정되어 있다.

	(H)	(W)	(R₀/R₁)	(H/R₀)	(α, α₁, α₂)	(β)
이차적인 연료 노즐 타입↓	슬롯 높이 (인치)	슬롯 폭 (인치)	슬롯 단부 반경 대 중심 반경 비율	슬롯 높이 대 모서리 반경 비율	축방향 발산성 각도, 도(degrees)	방사상 발산성 각도, 도
교차 노즐(도 13)	(1/32-1)	(1/4-2)	(1-3)	(2-6)	(0-30)	(0-30)
지퍼 노즐(도 14)	(1/32-1)	(1/4-2)	(1-3)	(2-6)	(0-30)	(0-30)

노즐 디자인 매개변수들에 대한 전형적인 범위들

(도 13 및 14)

연소 시간 또는 공간이 제한될 때, 예를 들어 단일-통과 노들에서(도 5b), 스크랩이 버너 배출구에 매우 근접하여 위치되는 프로세스들에서, 그리고 고로들 및 용선로들과 같이, 노의 폭을 따라서 버너들이 발화되는, 큰 종횡비들을 가지는 노들 내에서(도 6), 신속 방출 버너의 장점들이 실현될 수 있다.

신속 에너지 방출 버너와 이전에 인용한 산업적인 Burners Handbook의 도 21.4에 도시된 통상적인 파이프-인-파이프 타입 산소-연료 버너 사이의 비교를 위해서, 도 1-3b에 도시된 바와 같이, 예시적인 신속 에너지 방출 버너를 테스트 노 내에서 동작시켰다. 버너 출구에 근접하여 위치된 원형 윈도우를 통해서 취한 사진들을 통해서, 통상적인 버너(도 4a) 및 신속 에너지 방출 버너(도 4b)의 화염 형상의 사진 비교를 실시하였다. 이러한 경우에, 연료(천연 가스)가 HSF 노즐로 제공되었고 그리고 산화제(산소)가 환형 노즐로 제공되었다. 연료 유동(천연 가스) 및 산화제(산소) 유동의 방향들, 및 그에 따른 화염 배향이 도면들에서 표시되어 있다. 도 4b는, 도 4a에 대비하여, 버너 출구 근처의 상당히 덤불같은 그리고 다량의 화염을 분명하게 보여준다. 임의 이론이나 설명으로 제한하고자 하는 의도가 없이, 버너 출구 바로 외측에서의 천연 가스 및 (이러한 경우의) 산소의 신속한 혼합이, 통상적인 산소-연료 버너에 의해서 얻어지는 화염에 대비하여, 비교적 부피가 더 큰 화염을 초래한다는 것이 분명하다.

신속 에너지 방출 노즐 배열에 의해서 유도된 효과적인 혼합으로 인해서, 노의 길이를 따른 에너지 방출 프로파일이 보다 더 집중적이 되고 그리고 희망하는 열 플럭스를 달성하도록 제어될 수 있다. 도 5a는 테스트 노 내의 통상적인 산소-연료 버너 및 신속 에너지 방출 버너로부터 획득된 열 플럭스 프로파일들 사이의 비교를 도시한다. 도 5a는, 신속 에너지 방출 버너가, 통상적인 버너 보다 버너 출구에 더 근접한 피크 열 플럭스를 제공하는 열 플럭스 프로파일을 달성할 수 있다는 것, 그리고 통상적인 버너 보다 버너 출구의 처음 6 피트 내에서 보다 큰 집중된 열 플럭스를 제공한다는 것을 도시한다. 또한, 보다 신속한 에너지 방출은, 동일한 순(net) 열 플럭스를 달성하는데 있어서, 노의 단축(shortening)을 허용할 수 있을 것이고, 그리고 보다 낮은 연료 가스 온도들을 초래할 수 있을 것이고, 그리고 낮은 발화 레이트들을 허용할 수 있을 것이다(그에 따라 연료 절감을 제공할 수 있을 것이다).

도 1-3b에 도시된 바와 같이, 예시적인 신속 방출 버너가 또한 금속 장입물(charge)을 용융시키기 위한 2개의 단일-통과 회전 타입 노들 내에 설치될 수 있고, 그러한 노들이 도 5b의 상부 부분 내에 도식적으로 도시되어 있다. 이러한 노들이 다른(통상적인) 산소-연료 버너로 동작되었을 때, 연료 가스 도관 내화재의 빈번한 보수가 요구되었고, 노의 한정부들(confines) 내의 불완전한 연소 및 가스 도관의 과열로 인한 문제가 발생하였다. 그러나, 동일한 노들이 신속 에너지 방출 버너와 함께 동작되었을 때, 그러한 버너가 통상적인 버너와 동일한 발화 레이트들로 이용될 때, 연료 가스 도관이 보다 낮은 온도들에서 동작되었고 그리고 금속이 보다 높은 온도들로 탭핑되었다(tapped out). 열 플럭스를 나타내는 그래프가 도 5b에서 제공되었고, 이는 노 내의 보다 큰 통합된 열 플럭스 및 연소 가스들이 연료 가스 도관에 도달하는 시간까지 보다 낮은 열 플럭스를 보여준다. 다시 말해서, 연료 및 산화 가스들이 지속적으로 연소되고 그리고 연소 가스 도관 내로 에너지를 방출하는 통상적인 버너 시스템 보다, 신속한 혼합의 결과로서, 신속 에너지 방출 버너가 노 한정부들 내에서 보다 큰 연소 에너지를 방출할 수 있었다. 그에 따라, 노 내의 금속에 대한 동일한 순 열 플럭스를 여전히 달성하면서도, 신속 에너지 방출 버너가 연료 가스 도관 내화재에 대한 손상을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 연료 이용을 약 10% 만큼 감소시킬 수 있고, 그리고 산소 이용을 약 10% 내지 약 15% 감소시킬 수 있었다.

큰 형상 계수 노즐 형상들 및 배열들을 변화시키는 것에 의해서, 그리고 노즐 속도 및 속도 비율들을 제어하는 것에 의해서, 신속 에너지 방출을 이용하는 것에 의해 미리 결정된 열 플럭스 프로파일이 달성될 수 있다는 것이 확인되었다. 그러한 방식에서, 화염 부피 및 에너지 방출이 특별한 용도들 및 노들에 맞춰 재단될 수 있다.

전술한 예시적인 실시예들에서, 연료가 HSF 노즐 내에서 제공되었고 그리고 옥시던트가 환형 노즐 내에서 제공되었다는 것을 주목하여야 한다. 그러나, 원하는 바에 따라서, 연료 및 옥시던트의 유동이 반대가 될 수 있고, 그리고 유사한 유리한 결과들이 예측된다.

신속 에너지 방출 버너가, 다량의 화염을 가지는 것이 요구되고 그리고 규정된 열 플럭스 및 에너지 방출이 요구되는 넓은 범위의 용도들에서 이용될 수 있다. 예를 들어, 환형 노즐에 의해서 둘러싸인 HSF 노즐을 포함하는 버너가, 회전형 노들, 반사로(reverberatory furnace), 소킹 피트들(soaking pits), 및 고로들뿐만 아니라 다른 노들을 포함하는, 금속들(예를 들어, 알루미늄, 철 및 스틸, 구리, 납, 아연, 기타 재료들)의 용융 및 재가열과 관련된 모든 용도들에서 이용될 수 있다. 하나의 양태에서, 신속 에너지 방출 버너가, 노 내로의 금속 스크랩 또는 부분들(예를 들어, 잉곳들 및 괴철들(blooms))의 불균일한(또는 한쪽으로 치우친(lopsided)) 로딩과 관련되는 용도들에서 채용될 수 있다.

스테이지형 버너(100)의 실시예가 도 15에 도시되어 있다. 버너(100)는 버너 본체(102) 내에 수용된 몇 개의 노즐들을 포함한다. 중앙 옥시던트 노즐(150)이 복수의 화염 홀더들(110)에 의해서 둘러싸인다. 도시된 실시예에서, 4개의 화염 홀더들(110)이 예시되어 있다. 그러나, 버너의 크기 및 용도에 따라서, 버너(100)가 임의 수의 화염 홀더들(110)을, 예를 들어 하나 정도로 적은 그리고 12개 정도로 많은 화염 홀더들(110)을 가지도록 구성될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 바람직하게, 버너(100)가 적어도 2개의 화염 홀더들(110), 적어도 3개의 화염 홀더들(110), 적어도 4개의 화염 홀더들(110), 또는 적어도 5개의 화염 홀더들(110)을 가진다. 화염 홀더들(110)이 옥시던트 노즐(150)의 둘레 주위로 균일하게 이격될(즉, 서로로부터 대략적으로 균일하게 이격될) 수 있을 것이고, 또는 화염 홀더들이 희망하는 화염 형상 또는 특성을 달성하기 위해서 비대칭적으로 이격될 수 있을 것이다.

옥시던트 노즐(150)은 중앙 옥시던트 스테이징 노즐(154)을 형성하는 중앙 도관(152), 및 상기 중앙 옥시던트 스테이징 노즐(154)을 둘러싸는 환형 노즐(158)을 형성하는 외측 도관(156)을 포함한다. 동작 중에, 스테이징 옥시던트가 전형적으로 중앙 옥시던트 스테이징 노즐(154)을 통해서 유동되고, 그리고 공기가, 중앙 옥시던트 스테이징 노즐(154)을 통해서 유동되는 스테이징 옥시던트와 조합되어, 또는 상기 스테이징 옥시던트 대신에, 상기 환형 노즐(158)을 통해서 유동된다. 상기 옥시던트 노즐(150)은 버너(100)의 중앙 축을 중심으로 센터링된다.

복수의 화염 홀더들(110)이 버너(100)의 중앙 축으로부터 대략적으로 동일한 방사상 거리(원(160)으로 표시됨)에 배치된다. 각각의 화염 홀더(110)가 전술한 신속 에너지 방출 버너(10) 및 노즐 조립체(601)와 동일한 방식으로 구성될 수 있을 것이다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 화염 홀더(110)가 큰 형상 계수 노즐(130)을 둘러싸는 환형 노즐(120)을 포함하고, 상기 환형 노즐(120)은 환형 노즐 개구부(128)를 둘러싸고 상기 큰 형상 계수 노즐(130)은 배출구 면(132)을 통한 큰 형상 계수 노즐 개구부(138)를 포함한다. 중앙 슬롯 및 다소의 교차 슬롯들(예를 들어, 2개의 교차 슬롯들을 가지는 HSF 노즐이 도 15-18에 도시되어 있다)을 가지도록 HSF 노즐 개구부(138)의 구성이 변경될 수 있을 것이고, 그리고 용도에 따라서, 슬롯들이 각도를 이루거나 직선형이 될 수 있을 것이다.

예시적인 HSF 노즐 개구부(138)가 버너(10) 및 노즐 본체(601)에 대해서 전술한 바와 같이 비대칭적으로 구성되고, 여기에서 중앙 슬롯의 길이 보다 더 짧은 길이를 각각 가지는 둘 이상의 교차 슬롯들이 중앙 슬롯과 교차된다. HSF 노즐의 배향 자체가 버너의 중앙 축에 대한 중앙 슬롯의 축의 배향에 의해서 규정될 수 있다. 도 17a에 도시된 바와 같이, 버너(100a)의 일 실시예에서, HSF 노즐 중앙 슬롯들의 중앙 축들이 박스 구성을 형성하도록, 또는 4개의 화염 홀더들(110) 보다 적거나 많을 때 그에 상응하는 기하형태적 구성을 형성하도록, 화염 홀더들(110)이 배향된다. 이러한 구성에서, 각각의 HSF 노즐 중앙 슬롯의 중앙 축이 버너의 중앙 축 주위의 원(160)에 대해서 접선을 형성하고, 또는 달리 설명하면, 버너의 중앙 축으로부터 외측으로 연장하는 반경에 수직이 된다. 도 17b에 도시된 바와 같은 버너(100b)의 다른 실시예에서, 임의 수의 화염 홀더들(110)이 존재할 때, HSF 노즐 중앙 슬롯들의 중앙 축들이 교차 구성을 형성하도록, 또는 보다 일반적으로 바퀴살형(spoked) 구성을 형성하도록, 화염 홀더들(110)이 배향된다. 화염 홀더들(110)의 배향이 변경됨에 따라, 버너의 열 플럭스 및 NOx 특성들이 변경될 수 있을 것이다. 다른 실시예들에서, 화염 홀더들(110)이 버너의 중앙 축으로부터 외측으로 연장하는 반경에 대한 임의 각도로 HSF 노즐 중앙 축과 함께 배향될 수 있고; 화염 홀더들(110) 배향은 도 17a 및 17b에 도시된 박스 및 교차 변형예들로 제한되지 않는다. 또한, 모든 화염 홀더들(110)이 버너 내에서 동일한 방식으로 배향될 필요가 없다. 예를 들어, 하나 이상의 화염 홀더들(110)은 그 중앙 축이 버너의 중앙 축과 교차하도록 배향될 수 있을 것이고, 하나 이상의 화염 홀더들(110)은 그 중앙 축이 버너의 중앙 축으로부터 연장하는 반경에 대해서 수직이 되도록 배향될 수 있을 것이고, 그리고 하나 이상의 화염 홀더들(110)은 상기 2개의 위치들 사이에서 각도를 이루어 배향될 수 있을 것이고, 상기 화염 홀더들(110) 모두가 동일한 버너(100) 내에 있을 수 있을 것이다.

HSF 노즐 개구부를 빠져나가는 유동의 배향이 중앙 슬롯의 중심 평면의 각도형 배향에 의해서 규정될 수 있고, 이는, 도 10, 12, 13, 및 14를 참조하여 앞서서 구체적으로 설명한 바와 같이, 유입구 유동 축에 대해서 각도(β)(또는 HSF 노즐의 배출구 면에 대해서 (90°-β)의 각도)를 이룰 수 있을 것이다.

희망하는 열 플럭스 프로파일, NOx 생성 레벨, 및 다른 동작 특성들을 달성하기 위해서, 여기에서 개시된 바와 같은 스테이지형 산소-연료 버너가, 스테이징이 있는 또는 스테이징이 없는 전체(full) 산소-연료, 공기-산소-연료, 거의 공기-연료, 및 전체 공기-연료를 포함하는, 많은 상이한 모드들로 동작될 수 있다. 도 19는 4개의 열 플럭스 프로파일들(이하에서 보다 구체적으로 설명됨)을 비교하고, 신속 에너지 방출 버너(10)에 상응하는 곡선(A), US 2003/0148236에서 개시된 바와 같은 참조 균일 열 플럭스 버너에 상응하는 곡선(B), 하이브리드 열 플럭스 프로파일을 달성하는 스테이지형 산소-연료 버터의 실시예의 하나의 동작 모드에 상응하는 곡선(C), 및 곡선(B)과 매우 유사한 균일한 열 플럭스 프로파일을 달성하는 스테이지형 산소-연료 버너의 실시예의 다른 동작 모드에 상응하는 곡선(D)을 포함한다.

여기에서 버너(100)를 설명할 때, 버너(100)가, 도 16a-18에서 버너들(100a, 100b, 200a, 200b, 및 300)로서 표시된 것들을 포함하여, 여러 가지 구성들을 가질 수 있다. 하나의 산소-연료 동작 모드에서, 버너(100)가 동작되어 단일 신속 에너지 방출 버너(10)에 대한 도 5에서 도시된 것과 매우 유사한 열 플럭스 프로파일을 생성할 수 있을 것으로 예상된다. 참조로서, 동일한 열 플럭스 곡선이 도 10에서 곡선(A)으로서 도시되어 있다. 이러한 모드에서, 공기 노즐(158)을 통해서 공기가 제공되지 않고 그리고 산소 스테이징 노즐(154)을 통해서 스테이징 산소가 제공되지 않는 상태에서, 화염 홀더들(110)을 통해서 유동되는 산화제 가스 및 연료 가스의 대략적인 화학양론적 비율로 버너(100)가 동작될 수 있을 것이고, 화염 홀더들(110) 내의 HSF 노즐들(30)이 약 0°의 각도(β)를 가질 수 있을 것이다. 몇 개의 연소 구역들이 상호작용하는 범위에 영향을 미치게 될, 개별적인 화염 홀더들(110)의 서로에 대한 근접도에 의해서 열 플럭스 프로파일이 분명하게 영향을 받게 될 것이지만, 그러한 버너는 함께 동작하는 몇 개의 신속 에너지 방출 버너들(10)과 유사한 기능을 할 것으로 예상된다. 이러한 동작 모드에서, 공기 노즐(158) 및 산소 스테이징 노즐(154)이 버너 내에 물리적으로 존재할 필요가 없다는 것을 주목하여야 하는데, 이는 공기 노즐(158) 및 산소 스테이징 노즐(154)이 사용되지 않기 때문이다.

다른 산소-연료 동작 모드에서, 공기 노즐(158)을 통해서 공기가 제공되지 않고 그리고 산소 스테이징 노즐(154)을 통해서 스테이징 산소가 제공되지 않는 상태에서, 화염 홀더들(110)을 통해서 유동되는 산화제 가스 및 연료 가스의 대략적인 화학양론적 비율로 버너(100)가 동작되었고, 그리고 화염 홀더들(110) 내의 HSF 노즐들(30)이 방사상 내측으로 약 3°의 각도(β)를 가졌다. 놀랍게도, 도 19에서 곡선(C)으로서 도시된, 결과적인 열 플럭스 프로파일이 곡선(A)에 의해서 표시된 바와 같은 신속 열 플럭스 버너 보다 실질적으로 더 편평해졌다(즉, 보다 균일하다). 이러한 결과를 기초로, 큰 형상 계수 노즐 개구부(138)의 중앙 평면이 방사상 내측 또는 외측으로 각을 이루는 각도(β)를 방사상 내측으로 30°로부터 방사상 외측으로 약 30°까지, 그리고 바람직하게 방사상 내측으로 약 10°로부터 방사상 외측으로 약 10°까지, 그리고 보다 바람직하게 방사상 내측으로 0°로부터 방사상 내측으로 약 10°까지 조정하는 것에 의해서, 열 플럭스 프로파일의 형상 및 피크 위치가 제어될 수 있는 것으로 믿어진다. 이러한 동작 모드에서, 공기 노즐(158) 및 산소 스테이징 노즐(154)이 버너 내에 물리적으로 존재할 필요가 없다는 것을 주목하여야 하는데, 이는 공기 노즐(158) 및 산소 스테이징 노즐(154)이 사용되지 않기 때문이다.

또 다른 산소-연료 작동 모드에서, 도 15에 도시된 바와 같은 버너가 화염 홀더들(110) 내의 환형 노즐 개구부들(138)을 통해서 유동하는 옥시던트에 의해서 공급되는 산소의 화학양론적인 양 및 중앙 옥시던트 스테이징 노즐(154)을 통해서 유동하는 옥시던트에 의해서 공급되는 산소의 화학양론적 균형으로 동작되었다. 스테이징 산소의 비율을 증가시키는 것에 의해서, 열 방출 프로파일이 실질적으로 편평해질 수 있다는 것을 발견하였다. 자동-점화 온도 이하의 노 내에서, 버너가 약 0%(즉, 화염 홀더들(110)을 통해서 공급된 화학양론적 산소 요구량의 본질적으로 100% 및 중앙 옥시던트 스테이징 노즐(154)을 통해서 공급된 화학양론적 산소의 본질적으로 0%)로부터 약 95%(즉, 화염 홀더들(110)을 통해서 공급된 화학양론적 산소의 단지 약 5% 및 중앙 옥시던트 스테이징 노즐(154)을 통해서 공급된 산소의 약 95%) 정도로 높은 스테이징 레벨들에서 안정적으로 동작되었다. 자동-점화 온도(예를 들어, 천연 가스의 경우에 약 1250℉) 이상의 노에서, 버너가 단지 화염 홀더들(110)을 통해서 공급된 연료 가스, 중앙 옥시던트 스테이징 노즐(154)을 통해서 공급된 화학양론적 산소 요구량의 본질적으로 100%, 및 화염 홀더들(110)을 통해서 공급된 화학양론적 산소의 본질적으로 0%로 안정적으로 동작될 수 있다. 하나의 예에서, 약 75%의 스테이징 레벨에서, 도 19의 곡선(D)으로서 도시된 바와 같은, 거의 균일한 열 플럭스 프로파일이 얻어졌다. 이러한 동작 모드에서, 각도(β)가 바람직하게 약 0°이다. 비교적 균일한 열 플럭스 프로파일들 및 감소된 NOx 생산이, 약 50% 내지 약 90%의, 그리고 바람직하게 약 60% 내지 약 80%의 스테이징 레벨들을 이용하여, 이러한 동작 모드에서 얻어질 수 있는 것으로 믿어진다. 이러한 동작 모드에서, 공기의 이용이 없이 산소가 스테이징되기 때문에, 중앙 옥시던트 스테이징 노즐(154)이 이용되나, 공기 노즐(158)은 물리적으로 존재할 필요가 없다는 것을 주목하여야 할 것이다. 그러한 버너(300)의 예가 도 18에 도시되어 있다.

공기-산소-연료 동작 모드에서, 버너가 공기(즉, 20.8%)와 거의 순수한 산소(즉, 100% 산소에 접근) 사이의 옥시던트 노즐(150) 내의 농축 레벨들로 동작될 수 있다. 농축의 레벨과 관계없이, 여기에서 개시된 바와 같은 스테이지형 버너가, 산소 농축의 전체 영역에 걸쳐서, 기존의 산소-연료 및 공기-산소-연료 버너들 보다 상당히 더 낮은 NOx를 생산하는 것으로 확인되었다. 공기-산소-연료 연소에서 NOx 생성이 전형적으로 약 35% 내지 약 50%의 농축 레벨에서 피크가 된다는 것이 잘 알려져 있고, 낮은 화염 온도들로 인해서 낮은 농축 레벨들에서 그리고 이용가능한 질소의 감소로 인해서 높은 농축 레벨들에서 NOx 생산이 감소된다.

도 20은 3개의 상이한 시나리오들에 대해서 NO의 연료 가스 농도를 비교한다. 삼각형 기호들로 표시된 중간 곡선은 도 19의 균일한 열 방출 곡선(B)을 생성한 비교예의 균일한 열 방출 버너(즉, US 2003/0148236에 개시된 바와 같은 버너)에 대한 NO 프로파일을 보여준다.

정사각형 기호들로 표시된 도 20의 상부 곡선은 산소 농축 범위에 걸친 비교예의 버너보다 높은 NO 생성을 보여준다. 상부 곡선은, 화염 홀더들(110)의 박스 구성을 가지는 도 16a에 도시된 바와 같은 버너(200a)(즉, 도 19의 곡선(B)과 유사한 열 플럭스 프로파일을 생산하는 것으로 예상될 수 있는 버너)를 이용하여, 산소 스테이징이 없는 상태에서 얻어졌다. 그러나, 유사한 결과가, 산소 스테이징이 없니 동작될 때, 화염 홀더들(110)의 교차 구성을 가지는 도 16b에 도시된 바와 같은 버너(200b)에서 뿐만 아니라, 도 17a 및 17b 각각의 버너들(100a 및 100b) 중 어느 하나에서도 예상될 수 있을 것이다.

더하기 기호들로 표시된 도 20의 하부 곡선은 산소 농축 범위에 걸친 비교예의 버너보다 낮은 NO 생성을 보여준다. 하부 곡선은, 화염 홀더들(110)의 교차 구성 즉, 도 19에서 균일한 열 방출 곡선(D)을 생성한 것과 같은 구성을 가지는 도 17b에 도시된 바와 같은 버너(100b)를 이용하여, 약 75%의 레벨에서의 산소 스테이징으로(즉, 중앙 스테이징 노즐 내에서 옥시던트에 의해서 제공된 화학양론적 산소의 75%)으로 얻어졌다. 그에 따라, 이러한 방식으로 구성되고 동작되는 버너는 실질적으로 균일한 열 플럭스 프로파일 및 감소된 NOx 모두를 생성하였다. 버너(100a)(박스 구성)와 버너(100b)(교차 구성)를 비교하기 위한, 동일한 스테이징 조건들 하에서의, 추가적인 테스팅은, 비록 박스 구성이 도 20에 도시된 비교예의 버너보다 여전히 우수한 기능을 하지만, 교차 구성이 연료 가스 내의 NOx 감소에서 보다 우수하다는 것을 보여준다. 이론에 의해서 구속되지 않으면서, 박스 구성이 공기 유동 주위의 화염의 브랭킷(blanket) 또는 시트를 형성하기 쉽고, 그에 따라 NOx 형성을 유도하는 온도에서의 연료/공기 상호작용을 위한 보다 큰 표면적을 제공하는 한편, 교차 구성은 화염이 공기 유동 내로 침투하도록 그리고 멀리 확장되도록 유도하여, NOx 형성을 유도하는 온도에서의 연료/공기 상호작용을 위해서 이용될 수 있는 표면적을 감소시킨다.

산소 스테이징이 중앙 옥시던트 스테이징 노즐(154) 내의 옥시던트(즉, 농축된 공기 또는 거의 순수한 산소)에 의해서, 환형 공기 노즐 내의 옥시던트(즉, 공기, 농축된 공기, 또는 거의 순수한 산소)에 의해서, 또는 이들의 임의 비율의 조합에 의해서, 제공될 수 있다. 테스팅 동안에, 스테이징 산소가 중앙 옥시던트 스테이징 노즐(154)을 통해서 비교적 빠른 속도(즉, 신속 에너지 방출 버너(10)를 참조하여 전술한 바와 같이, 화염 홀더들(110)을 빠져나가는 산화제 가스 및 연료 가스와 유사한 속도들)로 제공될 때, 낮은 NOx 생산 및 보다 균일한 열 플럭스 프로파일이 관찰되었다. 이론에 구속됨이 없이, 화염 홀더들(110)과 중앙 옥시던트 스테이징 노즐(154) 사이의 분리가 노 가스들의 보다 큰 혼입을 허용하고, 이는 혼합을 지연시키고, 그에 의해서 보다 큰 공간의 화염을 생성하고 그리고 피크 화염 온도를 감소시키는 것으로 믿어진다. 그럼에도 불구하고, 스테이징 산소의 일부 또는 전부가 공기에 의해서 제공될 때, 그리고 스테이징 산소가 낮은 모멘텀들의 옥시던트에 의해서 제공될 때, 기존의 산소-연료 및 공기-산소-연료 버너들 보다 더 균일한 열 플럭스 프로파일들 및 감소된 NOx 생성이 또한 달성된다.

스테이지형 버너(100), 또는 그 변형예들(100a, 100b, 200a, 200b)이, 희망하는 경우에, 거의 공기-연료 조건들에서 동작될 수 있는데, 이는 극단적인 화학양론적 조건들 하에서 화염 홀더들(110)에 의해서 생성되는 화염의 안정성 때문이다. 테스팅은, 화염 홀더(110)가 약 5%의 화학양론적 산소만으로도 안정적인 화염을 유지할 수 있다는 것을 보여준다. 다시 말해서, 연료 가스(예를 들어, 천연 가스)가 HSF 노즐 개구부(138)를 통해서 공급되고 옥시던트(예를 들어, 산소)가 화학양론적 요구량의 약 5%로 환형 노즐 개구부(128)를 통해서 공급될 때, 안정적인 화염이 화염 홀더(110)의 면 상에서 유지되고, 이는 공기 노즐(158)을 통해서 공급된 공기와 함께 연료의 나머지를 연소시키기 위한 점화 공급원을 제공할 수 있다. 그에 따라, 자동-점화 온도 보다 상당히 낮은 저온 노 내에서도, 버너가 이러한 모드로 동작될 수 있다. 버너가 이러한 모드로 동작될 때 연소를 돕기 위해서, 적어도 약 3°의 그리고 약 10°정도로 큰 각도(β)로 방사상 내측으로 각을 이루는 화염 홀더들(110)을 가지는 것이 바람직하다.

대안적으로, 만약 자동-점화 온도 이상의 노 내에서 버너가 동작한다면, HSF 노즐들을 통한 연료 가스 및 공기 노즐(158)을 통한 공기의 공급에 의해서, 산소 농축 없이, 공기-연료 모드로 버너가 동작될 수 있다.

본원 발명은 발명의 몇몇 양태들의 설명으로서 의도된 예들에서 개시된 특정 양태들 또는 실시예들에 의해서 제한되지 않고, 그리고 기능적으로 균등한 임의 실시예들이 본원 발명의 범위 내에 포함된다. 여기에서 설명되고 도시된 것 이외의 발명의 여러 가지 변형들이 당업자에게 자명할 것이고 그리고 첨부된 청구항들의 범위 내에 포함될 것이다.

Claims

버너로서,
상기 버너의 중앙 축을 형성하는 중앙 옥시던트 노즐; 및
상기 버너의 축으로부터 이격된 축을 각각 가지는, 복수의 화염 홀더들
을 포함하고, 상기 각각의 화염 홀더는
10 내지 75의 형상 계수를 가지는 노즐 개구부를 포함하는 큰 형상 계수(shape factor) 노즐로서, 상기 형상 계수가 노즐 횡단면적의 2배수로 노즐 둘레의 제곱을 나눈 것으로서 규정되는 것인 큰 형상 계수 노즐; 및
상기 큰 형상 계수 노즐을 둘러싸는 환형 노즐
을 포함하고, 상기 큰 형상 계수 노즐은 연료 가스 및 산화제 가스 중 어느 하나가 공급되도록 구성되고, 그리고 상기 환형 노즐은 연료 가스 및 산화제 가스 중 다른 하나가 공급되도록 구성되는 것인 버너.
제 1 항에 있어서, 상기 중앙 옥시던트 노즐이
중앙 스테이징 노즐; 및
상기 중앙 스테이징 노즐을 둘러싸고 상기 화염 홀더들로부터 방사상 내측에 배치되는 환형 노즐을 포함하는 것인 버너.
제 1 항에 있어서, 상기 큰 형상 계수 노즐 개구부가 노즐 개구부의 주축을 포함하는 것인 버너.
제 3 항에 있어서, 상기 큰 형상 계수 노즐 개구부가 상기 주축을 획정하는 중앙 슬롯 및 상기 중앙 슬롯을 가로지르는 하나 이상의 교차 슬롯들을 포함하는 것인 버너.
제 3 항에 있어서, 상기 큰 형상 계수 노즐 개구부의 주축이 상기 버너의 중앙 축을 가로지도록 적어도 하나의 화염 홀더가 배향되는 것인 버너.
제 5 항에 있어서, 상기 큰 형상 계수 노즐 개구부의 주축이 상기 버너의 중앙 축을 가로지르도록 각각의 화염 홀더가 배향되는 것인 버너.
제 3 항에 있어서, 상기 큰 형상 계수 노즐 개구부의 주축이 상기 버너의 중앙 축으로부터 외측으로 연장하는 반경에 대해서 수직이 되도록 적어도 하나의 화염 홀더가 배향되는 것인 버너.
제 7 항에 있어서, 상기 큰 형상 계수 노즐 개구부의 주축이 상기 버너의 중앙 축으로부터 외측으로 연장하는 반경에 대해서 수직이 되도록 각각의 화염 홀더가 배향되는 것인 버너.
제 3 항에 있어서, 상기 각각의 화염 홀더의 큰 형상 계수 노즐 개구부의 주축으로부터 대체로 축방향 외측으로 연장하는 평면이 상기 버너의 중앙 축에 실질적으로 평행한 것인 버너.
제 3 항에 있어서, 상기 큰 형상 계수 노즐 개구부의 주축으로부터 대체로 축방향 외측으로 연장하는 평면이 상기 버너의 중앙 축에 대해서 30°방사상 내측 내지 30°방사상 외측의 각도로 방사상으로 각을 이루는 것인 버너.
제 3 항에 있어서, 상기 각각의 화염 홀더의 큰 형상 계수 노즐 개구부의 주축으로부터 대체로 축방향 외측으로 연장하는 평면이 10°이하의 각도로 상기 버너의 중앙 축을 향해서 방사상 내측으로 각을 이루는 것인 버너.
제 3 항에 있어서, 상기 큰 형상 계수 노즐이 노즐 개구부를 향해서 더 좁아지도록 테이퍼지는 본체를 가지고, 노즐 본체는, 상기 큰 형상 계수 노즐 개구부의 주축에 대해서 15°내지 30°의 각도인, 2개의 테이퍼진 면들을 가지고,
상기 큰 형상 계수 노즐은 횡단면적 및 상기 횡단면적의 35% 내지 70%의 면적을 갖는 배출구 면을 가지는 것인 버너.
제 1 항에 있어서, 상기 큰 형상 계수 노즐은 연료 가스가 공급되도록 구성되고 그리고 상기 환형 노즐은 산화제 가스가 공급되도록 구성되는 것인 버너.
제 1 항에 있어서,
상기 큰 형상 계수 노즐은 산화제 가스가 공급되도록 구성되고 그리고 상기 환형 노즐은 연료 가스가 공급되도록 구성되는 것인 버너.
제 1 항에 있어서, 상기 화염 홀더들이 서로에 대해서 균일하게 이격되는 것인 버너.
제 1 항에 있어서, 상기 환형 노즐이 배출 단부를 가지고, 그리고 상기 큰 형상 계수 노즐의 노즐 개구부가, 큰 형상 계수 노즐의 직경의 1배 이하만큼, 상기 배출 단부로부터 축방향으로 후퇴되는 것인 버너.
제 1 항에 있어서, 상기 환형 노즐 개구부가 상기 환형 노즐과 상기 큰 형상 계수 노즐 사이에 형성되고,
1 미만의 상기 환형 노즐을 통해서 유동하는 가스 스트림 대 상기 큰 형상 계수 노즐 개구부를 통해서 유동하는 가스 스트림의 속도 비율, 즉 V_ANNULAR/V_HSF 를 제공하도록, 상기 큰 형상 계수 노즐 개구부 및 상기 환형 노즐 개구부의 크기가 결정되는 것인 버너.
연소 방법으로서,
버너의 중앙 축을 획정하는 중앙 옥시던트 노즐로 공기 및 산화제 가스 중 어느 하나 또는 양자 모두를 공급하는 것;
상기 버너의 중앙 축으로부터 이격된 축을 각각 가지는 복수의 화염 홀더들로 연료 가스 및 산화제 가스를 공급하는 것으로서, 상기 각각의 화염 홀더가 큰 형상 계수 노즐 및 상기 큰 형상 계수 노즐을 둘러싸는 환형 노즐을 가지는 것인 복수의 화염 홀더들로 연료 가스 및 산화제 가스를 공급하는 것;
상기 큰 형상 계수 노즐을 통해서 연료 가스 및 산화제 가스 중 하나를 유동시키는 것; 및
상기 환형 노즐을 통해서 연료 가스 및 산화제 가스 중 다른 하나를 유동시키는 것
을 포함하고, 상기 큰 형상 계수 노즐은 10 내지 75의 형상 계수를 가지는 노즐 개구부를 포함하고, 상기 형상 계수는 노즐 횡단면적의 2배수로 노즐 둘레의 제곱을 나눈 것으로서 규정되는 것인 연소 방법.
제 18 항에 있어서, 연료 가스가 상기 큰 형상 계수 노즐을 통해서 유동되고, 산화제 가스가 상기 환형 노즐을 통해서 유동되는 것인 연소 방법.
제 18 항에 있어서, 산화제 가스가 상기 큰 형상 계수 노즐을 통해서 유동되고, 연료 가스가 상기 환형 노즐을 통해서 유동되는 것인 연소 방법.
제 18 항에 있어서, 중앙 옥시던트 노즐이 중앙 스테이징 노즐 및 상기 중앙 스테이징 노즐을 둘러싸고 상기 화염 홀더들로부터 방사상 내측에 위치되는 환형 노즐을 포함하고, 상기 연소 방법은
상기 중앙 스테이징 노즐을 통해서 산화제 가스를 유동시키는 것; 및
상기 환형 노즐을 통해서 공기를 유동시키는 것
을 더 포함하는 것인 연소 방법.
제 18 항에 있어서, 상기 중앙 옥시던트 노즐을 통해서 산화제 가스를 유동시키는 것을 더 포함하는 연소 방법.
제 18 항에 있어서, 상기 중앙 옥시던트 노즐을 통해서 공기를 유동시키는 것을 더 포함하는 연소 방법.
제 18 항에 있어서, 연료 가스에 대한 화학양론적 산소 요구량의 75%를 제공하기 위해서 상기 산화제 가스의 충분한 유동을 상기 중앙 옥시던트 노즐로 유동시키는 것; 및
연료 가스에 대한 화학양론적 산소 요구량의 균형을 제공하기 위해서 상기 산화제 가스의 충분한 유동을 상기 화염 홀더들로 유동시키는 것
을 더 포함하는 연소 방법.
제 18 항에 있어서, 연료 가스에 대한 화학양론적 산소 요구량의 50% 내지 90%를 제공하기 위해서 상기 산화제 가스의 충분한 유동을 상기 중앙 옥시던트 노즐로 유동시키는 것; 및
연료 가스에 대한 화학양론적 산소 요구량의 균형을 제공하기 위해서 상기 산화제 가스의 충분한 유동을 상기 화염 홀더들로 유동시키는 것
을 더 포함하는 연소 방법.
제 18 항에 있어서, 연료 가스에 대한 화학양론적 산소 요구량의 기본적으로 100%를 제공하기 위해서 상기 산화제 가스의 충분한 유동을 상기 화염 홀더들로 유동시키는 것; 및
산화제 가스의 화학양론적 요구량의 기본적으로 0%를 상기 중앙 옥시던트 노즐로 유동시키는 것
을 더 포함하는 연소 방법.
제 18 항에 있어서, 연료 가스에 대한 화학양론적 산소 요구량의 5% 이하를 제공하기 위해서 상기 산화제 가스의 충분한 유동을 상기 화염 홀더들로 유동시키는 것; 및
연료 가스에 대한 화학양론적 산소 요구량의 균형을 제공하기 위해서 상기 산화제 가스의 충분한 유동을 상기 중앙 옥시던트 노즐로 유동시키는 것
을 더 포함하는 연소 방법.
제 18 항에 있어서, 연료 가스에 대한 화학양론적 산소 요구량의 기본적으로 100%를 제공하기 위해서 상기 산화제 가스의 충분한 유동을 상기 중앙 옥시던트 노즐로 유동시키는 것; 및
산화제 가스의 화학양론적 요구량의 기본적으로 0%를 상기 화염 홀더들로 유동시키는 것
을 더 포함하는 연소 방법.
제 18 항에 있어서, 각각의 화염 홀더의 큰 형상 계수 노즐 개구부가 주축을 포함하고, 그리고 각각의 화염 홀더의 주축으로부터 대체로 축방향 외측으로 연장하는 평면이 10°이하의 각도로 상기 버너 중앙 축을 향해서 방사상 내측으로 각을 이루는 것인 연소 방법.
제 18 항에 있어서, 상기 화염 홀더들이 서로에 대해서 균일하게 이격되는 것인 연소 방법.
제 18 항에 있어서, 상기 큰 형상 계수 노즐 개구부가 상기 노즐 개구부의 주축을 포함하고,
상기 큰 형상 계수 노즐 개구부의 주축이 상기 버너의 중앙 축을 가로지르도록 각각의 화염 홀더가 배향되는 것인 연소 방법.
제 18 항에 있어서, 상기 큰 형상 계수 노즐 개구부가 노즐 개구부의 주축을 포함하고,
상기 큰 형상 계수 노즐 개구부의 주축이 상기 버너의 중앙 축으로부터 외측으로 연장하는 반경에 대해서 수직이 되도록 각각의 화염 홀더가 배향되는 것인 연소 방법.
제 18 항에 있어서, 환형 노즐 개구부가 상기 환형 노즐과 상기 큰 형상 계수 노즐 사이에 형성되고, 상기 연소 방법은
상기 환형 노즐 개구부를 통해서 유동하는 가스의 속도 대 상기 큰 형상 계수 노즐 개구부를 통해서 유동하는 가스의 속도의 비율, 즉 V_ANNULAR/V_HSF 가 1 미만이 되도록 하는 것을 더 포함하는 것인 연소 방법.