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KR102559328B1 - 낮은 NOx 및 CO 연소 버너 방법 및 장치 - Google Patents

낮은 NOx 및 CO 연소 버너 방법 및 장치 Download PDF

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KR102559328B1
KR102559328B1 KR1020207006115A KR20207006115A KR102559328B1 KR 102559328 B1 KR102559328 B1 KR 102559328B1 KR 1020207006115 A KR1020207006115 A KR 1020207006115A KR 20207006115 A KR20207006115 A KR 20207006115A KR 102559328 B1 KR102559328 B1 KR 102559328B1
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furnace
combustion
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발레리 스미르노프
토마 코브
마크 바카리
숀 바티스티
호세 코르세가
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존 징크 컴파니 엘엘씨
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Abstract

1차 연료가 특정 범위의 과잉 연소 공기와 완전히 혼합되는 시스템 및 방법에 의해 스택에서 NOx 및/또는 CO의 배출이 감소된다. 이어서, 1차 연료-공기 혼합물이 배출되고, 버너의 연소 챔버 내에 정착된다. 또한, 본 시스템 및 방법은, 1차 연료 및 2차 다단식 연료의 유동을 조절함으로써, 그리고 일부 경우에는, 노 내로의 연소 공기의 양 또는 배치를 제어함으로써 노로부터의 배출물 내의 NOx 함량을 동적으로 제어하는 것을 제공한다.

Description

낮은 NOx 및 CO 연소 버너 방법 및 장치
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2017년 9월 5일자로 출원된 미국 가출원 제62/554,327호, 및 2018년 6월 26일자로 출원된 미국 가출원 제62/690,185호의 이익을 청구하며, 이들은 본 명세서에 참고로 포함된다.
기술분야
본 발명은 낮은 NOx 및 CO를 갖는 연도 가스(flue gas)가 생성되는, 연료-공기 혼합물을 연소시키기 위한 버너 장치 및 방법에 관한 것이다.
정부 당국 및 기관이 채택한 엄격한 환경 배출 표준 때문에, 연료-공기 혼합물의 연소에 의해 생성되는 연도 가스 내의 질소 산화물(NOx)의 형성을 억제하는 버너 장치 및 방법이 지금까지 개발되어 왔다. 예를 들어, 액체 또는 기체 연료가 화학량론적 농도 미만의 공기 중에서 연소되어 화염 온도를 낮추고 그에 의해 열 NOx를 감소시키는 버너 장치 및 방법이 개발되었다. 즉, 연료가 제1 연소 구역에서 공기가 부족한 상태로 연소되어, 그에 의해 NOx 형성을 억제하는 환원 환경이 생성되고, 공기의 나머지 부분이 미연소된 나머지 연료가 연소되는 제1 구역으로부터 하류의 제2 구역 내로 도입되는 다단식(staged) 공기 버너 장치 및 방법이 개발되었다.
모든 연소 공기가 공급되고 연료 중 일부가 제1 구역에서 연소되며 연료의 대부분이 제2 하류 구역에서 연소되는 다단식 연료 버너 장치가 또한 개발되었다. 그러한 다단식 연료 버너 장치 및 방법에서, 제2 구역은 제1 구역으로부터의 과잉 공기와 혼합하기 전에 노(furnace) 연도 가스로 희석되어, 그에 의해 열 NOx의 형성을 감소시킨다.
낮은 수준의 NOx를 함유하는 연도 가스를 생성하는 다단식 연료 버너가 지금까지 이용되었지만, 일관되게 더 낮은 NOx 및 CO 배출 수준을 갖는 연도 가스를 생성하는 더 큰 작동 범위를 갖는 개선된 버너 장치 및 그 버너 장치를 사용하는 개선된 방법이 계속 필요하다.
본 발명의 실시예는 노로부터의 배출물 내의 NOx 및/또는 CO 함량을 제어하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 대체적으로, 배출물들은 노 스택에서 결정될 것이다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "스택" 또는 "노 스택"은 연도 가스의 배출 및 과잉 산소 함량이 측정될 수 있는 노 연소 구역의 하류의 임의의 지점을 포함한다. 전형적으로, 이러한 지점은 노의 복사 섹션의 스택 또는 출구 연도 내에 있을 것이지만, 일부 실시예에서는 노 내에 있지만 연소 구역 외부에 있는 구역일 수 있거나, 노의 출구 연도로부터 바로 하류에 있는 구역일 수 있다.
대체로, NOx 및/또는 CO의 배출은 열 및 즉각적(prompt) NOx 배출을 최소화시키기 위해, 연소 전에 1차 연료를 1차 연료의 화학량론적 연소에 필요한 양을 초과하는 특정 범위의 과잉 연소 공기와 완전히 혼합함으로써 스택에서 감소될 수 있다. 이어서, 1차 연료-공기 혼합물이 배출되고, 버너의 연소 챔버 내에 정착(anchor)된다. 1차 연료-공기 혼합물 화염을 장치의 연소 챔버 내에 정착시키는 것은 화염에 의해 생성된 열이 주위 노 환경으로 즉시 전달되도록 허용하지 않으며, 대신에 연소 챔버에서 충분한 체류 시간으로 생성되는 열을 사용하여 NOx 및/또는 CO 배출을 급격히 최소화시킨다. 이러한 구성으로부터 생성되는 NOx 및 CO 수준은 노의 주위 연도 가스 환경으로부터 1차 화염의 배출 성능을 상대적으로 분리시킨다. 종래 기술의 연소 장치의 경우, 주위 노 환경이 고온일수록, NOx가 많아지고, CO가 적어진다. 또한, 종래 기술의 연소 장치의 경우, 주위 노 환경이 저온일수록, NOx가 적어지고, CO가 많아진다. 현재의 실시예는 이들 문제를 회피한다.
더 구체적으로, 이들 문제는 낮은 NOx 함량 및 낮은 CO 함량을 갖는 연도 가스가 형성되도록 연료가 연소되는 노 공간 내로 연료 및 일정량의 공기를 배출하는 방법에 의해 회피되며, 본 방법은:
연료의 제1 부분 및 실질적으로 모든 공기를 혼합하여 희박 1차 연료-공기 혼합물을 형성하는 단계;
버너 타일(burner tile)을 둘러싸는 노 환경이 존재하도록 버너 타일에 의해 한정되는 1차 연소 구역 내에서 노 공간 내로 희박 1차 연료-공기 혼합물을 배출하는 단계; 및
1차 연소 구역에서 1차 연료-공기 혼합물을 연소시켜 화염 및 그에 따라 생성된 연도 가스를 생성하는 단계 - 1차 연소 구역은 제1 단부 및 제2 단부를 갖고, 희박 1차 연료-공기 혼합물은 화염이 제1 단부에 인접하게 정착되고 생성된 연도 가스가 제2 단부에서 노 환경 내로 배출되도록 도입됨 - 를 포함한다.
또한, 이들 문제는 플리넘(plenum), 버너 타일, 복수의 화염 홀더(flame holder), 복수의 1차 연료 팁, 복수의 1차 관 및 복수의 2차 연료 팁을 포함하는 연료 가스 버너 장치에서 회피된다.
플리넘은 노에 부착되는 제1 단부, 제1 단부 반대편에 있는 제2 단부, 및 제1 단부와 제2 단부를 함께 연결하는 측벽을 포함한다. 측벽 및 제2 단부 중 적어도 하나는 내부에 배치되는 공기 입구를 갖는다.
버너 타일은 플리넘의 상부 단부에 부착되는 기부, 기부 반대편에 있는 배출 단부 - 배출 단부는 배출 출구를 한정함 -, 및 기부를 배출 단부에 연결하고 배출 출구를 둘러싸는 벽을 포함한다. 벽은 노 내로 연장되고, 1차 연소 챔버를 한정하는 내부 표면 및 외부 표면을 갖는다.
복수의 화염 홀더는 연소 챔버 내에 위치된다. 복수의 1차 연료 팁은 플리넘 내로 연장된다. 1차 관은 제1 부분을 포함한다. 각각의 1차 관은, 제1 부분에서, 플리넘 내에 위치되는 도입 단부 및 1차 연소 챔버 내에 위치되는 배출 단부를 갖는다. 1차 관의 제1 부분은 복수의 1차 연료 팁과 연관되어, 1차 연료 팁으로부터의 연료가 1차 관의 제1 부분의 도입 단부 내로 유동하고 플리넘 내부로부터 도입 단부 내로 공기를 흡인하여 연료-공기 혼합물을 생성하도록 한다. 배출 단부는 연료-공기 혼합물이 배출 단부를 통해 1차 연소 챔버 내로 도입되어 화염 홀더와 만나도록 화염 홀더에 대해 위치된다.
또한, 타일의 저부 단부 및 플리넘의 상부 단부는, 공기가 1차 관들 중 하나 이상을 통한 것을 제외하고는 플리넘으로부터 타일로 통과하지 않도록 공기 유동에 대해 폐쇄된다.
복수의 2차 연료 팁은, 2차 다단식 연료 가스가 버너 타일의 외부로부터 버너 타일의 배출 출구에서 하류에 있는 지점으로 분사되도록 연료 가스의 공급원에 연결되고 버너 장치와 작동가능하게 연관된다.
위의 방법 및 장치의 실시예는 위의 방법 및 장치를 포함하는, 노로부터의 배출물 내의 NOx 함량을 동적으로 제어하는 시스템 및 공정을 추가로 포함할 수 있다. 이들 시스템 및 공정이 전술된 것과는 다른 버너 및 버너 작동 방법과 함께 사용될 수 있지만, 그것들은 전술된 방법 및 장치와 함께 사용하는 데 특히 효과적일 수 있다.
본 시스템 및 공정은 NOx 및 CO 배출의 변화를 일으키는 노 시스템 변화를 조절한다. 많은 응용에서, 연료 조성은 노의 작동 동안 변할 수 있다. 연료의 변화하는 조성으로 인해, NOx 및 CO 배출의 변화가 있다. NOx 및 CO 배출의 변화를 유발하는 추가의 변화는 공기 중의 상대 습도뿐만 아니라 버너 화염을 둘러싸는 화실(firebox) 내의 연도 가스 온도와 같은 연소 공기 조건이다. 모든 이들 조건은 궁극적으로 NOx 및 CO 배출의 큰 변화를 일으킨다.
대체로, 배출을 제어하는 이들 시스템 및 공정은:
1차 연료 및 2차 연료의 조성을 결정하는 단계;
시스템 내로의 1차 연료의 유량 및 시스템 내로의 2차 연료의 유량을 결정하는 단계;
1차 연료 및 2차 연료의 연소를 위한 단열 화염 온도(제1 AFT)를 결정하는 단계;
제1 AFT 및 제2 AFT에 기초하여 사전결정된 NOx를 생성하는 데 필요한 과잉 공기량을 결정하는 단계; 및
1차 연료의 유량, 2차 연료의 유량, NOx를 최소화시키는 데 필요한 과잉 공기량에 기초한 1차 공기량, 및 버너 내의 공기의 분포 중 적어도 하나를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
이러한 실시예들 중 일부에서, 조절 단계는 적어도 1차 연료의 유량 및 2차 연료의 유량 둘 모두에 대한 것이고, 선택적으로 조절은 동시에 1차 연료의 유량 및 2차 연료의 유량 둘 모두에 대한 것이다.
본 시스템 및 공정은 1차 연료 및 2차 연료의 조성을 결정하기 위한 센서를 이용하여 1차 및 2차 연료의 유량을 측정할 수 있다. 또한, 센서는 노 또는 버너 내의 다양한 위치에서 화염 온도를 측정하는 데, 그리고 노 스택 내의 NOx, CO 및 과잉 공기량을 측정하는 데 사용될 수 있다.
다양한 밸브 및 액추에이터가 노 내로의 연료 및 공기의 유동을 제어하는 데 사용될 수 있다. 컴퓨터 처리 시스템이 노 및 장치에 대한, 더 구체적으로는 버너에 대한 조건을 계산하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, AFT는 연료 조성, 및 공기량에 기초하여 계산될 수 있다. 또한, NOx를 최소화시키기 위한 목표 AFT는 실험 곡선 데이터에 기초하여 계산될 수 있다.
도 1은 단순화된 버너 타일에서의 전통적인 종래 기술의 화염 정착(flame anchoring)의 개략도이다.
도 2는 화염 정착이 연소 챔버 내부에서(버너 타일 내부에서) 이루어지는 본 발명에 따른 단순화된 구성의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 버너의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 버너의 개략도이다.
도 5는 제3 실시예에 따른 버너 시스템을 사용하는 노의 개략도이다.
도 6은 제4 실시예에 따른 버너 시스템을 사용하는 노의 개략도이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 버너 시스템을 사용하는 노의 개략도이다.
도 8은 노의 벽 내의 버너 타일과 관련하여 다단식 연료 팁의 하나의 가능한 배치를 개략적으로 예시한다.
도 9는 버너 타일 내의 관 배치의 일 실시예를 예시한, 버너 시스템의 개략적인 평면도이다.
도 10은 버너 타일 내의 관 배치의 다른 실시예를 예시한, 버너 시스템의 개략적인 평면도이다.
도 11은 본 발명에 따른 버너 시스템과 함께 사용하기에 적합한 점화 유닛의 일 실시예의 개략도이다.
도 12는 도 11의 점화 유닛에 사용하기에 적합한 노즐의 일 실시예의 개략도이다.
도 13은 도 11의 점화 유닛에 사용하기에 적합한 노즐의 제2 실시예의 개략도이다.
도 14는 도 11의 점화 유닛에 사용하기에 적합한 노즐의 제3 실시예의 개략도이다.
도 15는 본 발명에 따른 버너 시스템과 함께 사용하기에 적합한 점화 유닛의 다른 실시예의 개략도이다.
도 16은 도 15의 점화 유닛의 평면도이다.
도 17은 본 발명에 따른 NOx 및 CO 배출을 조절하기 위한 공정의 흐름도이다.
도 18은 하나의 연료 조성에 대한 과잉 공기(람다) 대 단열 화염 온도 곡선의 일례이다.
도 19는 도 17의 공정을 수행하기 위한 시스템의 개략도이다.
본 발명은 예들을 포함하는 하기의 설명을 참조하여 더 쉽게 이해될 수 있다. 또한, 다수의 특정 상세사항이 본 명세서에 기술된 실시예의 완전한 이해를 제공하기 위해 기재된다. 그러나, 당업자는 본 명세서에 기술된 실시예가 이들 특정 상세사항 없이 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 다른 경우에, 기술되는 관계된 관련 특징을 불명료하게 하지 않도록 방법, 절차 및 구성요소가 상세하게 기술되지 않았다. 또한, 본 설명은 본 명세서에 기술된 실시예의 범주를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다.
도면에서, 다양한 실시예가 예시되고 기술되며, 여기에서 다양한 도면 전체에 걸쳐 동일 도면 부호가 동일 요소를 나타내기 위해 본 명세서에 사용된다. 도면은 반드시 축척에 맞게 도시되지는 않으며, 일부 경우에 도면은 단지 예시적인 목적을 위해 곳곳에서 과장되고/되거나 단순화되었다. 비교적 잘 알려진 설계의 구성요소가 채용되는 경우, 그들의 구조 및 작동은 상세히 기술되지 않을 것이다. 당업자는 하기의 설명에 기초하여 본 발명의 많은 가능한 응용 및 변형을 인식할 것이다.
본 발명은 스타트-업(start-up)(저온 노 조건)부터 최대 연소율(설계 조건)까지 낮은 질소 산화물 및 일산화탄소 배출을 달성하도록 설계되는 연소 방법 및 장치에 관한 것이다. 그것은 특정 버너 조건을 목표로 함으로써, 예를 들어 연료의 연소에 필요한 화학량론적 양을 초과하는 사전-결정된 공기 유동과 연료를 사전혼합하여 그리고 일산화탄소 배출 저감을 위한 적절한 체류 시간을 제공하는 특별히 설계된 연소 챔버 내에 화염을 정착시킴으로써 장치 성능을 주변 환경의 영향으로부터 격리시켜 특정 화염 온도를 목표로 함으로써 고유 배출 성능을 달성한다.
본 발명의 시스템 및 공정은 대체적으로 1차 연료가 일정량의 공기와 함께 1차 연소 구역에서 연소되는 유형의 노에 적용가능하다. 본 시스템 및 공정은 1차 연소 구역에 더하여, 2차 연료가 2차 연소 구역에서 연소되는 경우에 특히 적용가능하다. 전형적으로, 2차 연료는 1차 연소 구역으로부터의 과잉 공기와 함께 연소되지만; 본 시스템 및 공정은 또한 추가의 공기가 2차 연료 연소를 위해 추가되는 노에 적용가능하다.
대체적으로 많은 실시예에서, 1차 연료는 열 및 즉각적 NOx 배출을 최소화시키기 위해 1차 연료의 화학량론적 연소에 필요한 양을 초과하는 연소 공기의 특정 범위 내에서 완전히 사전혼합된다. 이어서, 결과적으로 생성된 1차 연료-공기 혼합물이 배출되고, 버너 타일의 연소 챔버 내에 정착된다. 1차 화염을 버너 타일의 연소 챔버 내에 정착시키는 것은 화염에 의해 생성된 열이 주위 노 환경으로 즉시 전달되도록 허용하지 않으며, 대신에 적절한 크기의 연소 챔버에 의해 달성되는 충분한 체류 시간으로 생성되는 열을 사용하여 CO 배출을 급격히 최소화시킨다. 이러한 구성으로부터 생성되는 NOx 및 CO 수준은 노의 주위 분위기로부터 1차 사전혼합 화염의 배출 성능을 상대적으로 분리시킨다. 현재 시장에서, NOx 및 CO 배출은 특히 스타트-업 및 턴다운(turndown) 조건에서, 주위 환경 조건에 크게 의존하며, 그 결과 비교적 가변적이다. 다른 연소 장치의 경우, 주위 환경이 고온일수록, NOx가 많아지고, CO가 적어진다. 또한, 다른 연소 장치의 경우, 주위 환경이 저온일수록, NOx가 적어지고, CO가 많아진다. 현재의 실시예는 이들 문제를 회피한다.
예를 들어, 도 1은 전통적인 종래 기술의 화염 정착을 이용하는 노를 위한 단순화된 버너(110)를 예시한다. 버너(110)에서, 화염 정착(112)은 버너 타일(114)의 상부에서 발생하고, 화염 길이 자체는 버너 타일(114)로부터 노 챔버 내로 양호하게 돌출된다. 따라서, 연소의 전부는 아니더라도 대부분이 버너 타일 외부에서(연소 챔버(116) 외부에서) 발생하며, 여기에서 연소는 노 연도 가스에 노출된다(그리고 노 연도 가스를 비말동반시킨다(entrain)). 이론에 의해 구애되기를 원하지 않지만, 그러한 구성은 연소가 주위 노 환경의 더 낮은 온도에 노출되는 결과를 가져와서, 그에 따라 화염 엔벨로프(flame envelope)의 켄칭(quenching), 및 그에 따른 CO의 추가의 생성과 3%의 O2로 보정된 400 ppm 초과의 양으로, 그리고 일부 경우에는 3%의 O2로 보정된 500 ppm 초과의 CO, 600 ppm 초과의 CO, 또는 심지어 800 ppm 초과의 CO의 양으로 연도 가스 내에 CO가 존재하는 결과를 가져오는 것으로 여겨진다.
이에 비해서, 본 발명의 일부 실시예는 도 2에 예시된 바와 같이, 노 내부에 수용된 버너 타일에 의해 한정되는 연소 챔버의 저부에서의 화염 정착을 이용한다. 도 2에, 단순화된 버너(210)가 예시되어 있다. 버너(210)는 화염 정착(212)이 버너 타일(214)에 의해 한정되는 연소 챔버(216) 내부에서 발생하게 하도록 (추가로 후술되는 바와 같이) 설계된다. 도 2의 예시된 구성은 직접적인 비교를 위해 도 1과 유사하게 표현되고 단순화되며, 도 2는 도 1에 예시된 바와 같이, 버너 타일(114)의 상부 또는 버너 타일의 출구 개구부(118)에서보다는 오히려, 연소 챔버(216) 내부에서의 또는 버너 타일(214) 내부에서의 화염 정착을 예시한다. 일부 실시예에서, 버너 타일은 버너 챔버를 확대시키고 연료-공기 혼합물 및 생성된 연도 가스의 체류 시간을 증가시키기 위해 (도 3 및 도 4에 예시된 것과 같은) 연장된 몸체를 가질 수 있다. 도 2로부터 볼 수 있는 바와 같이, 버너 타일의 기부(220)로부터 버너 타일의 상부에 있는 출구 개구부(218)까지의 용적부인 연소 챔버가 버너 타일(214)에 의해 한정된다. 따라서, 연소 챔버(216) 내에서의 연소는 타일 벽(222)에 의해 주위 노 환경으로부터 차폐된다.
전술된 낮은 화염 정착 및/또는 본 명세서에서 논의되는 다른 원리를 사용하는 실시예는 주위 노 환경으로부터 차폐된 1차 연소 구역 내의 연료-공기 혼합물 및 연도 가스에 대한 더 긴 체류 시간을 이용한다. 전통적으로, 버너는 연료의 대부분을 타일의 외부에서 다단식으로 처리한다. 연료 및 공기의 일부를 혼합하고 그를 버너 타일 내에서 발사하는 전통적인 버너는, 만약 있다면, 연료-공기 혼합물 및 결과적으로 생성된 연도 가스가 주위 노 환경으로부터 차폐되는 체류 시간이 극히 짧다. 현재의 장치들 및 방법들 중 많은 것은 적어도 0.01초의 체류 시간을 가져올 수 있다.
본 발명에 포함되는 특정 실시예는, 1차 연소 구역의 배출 성능을 주위 환경으로부터 분리시키고 1차 화염을 질소의 저하된 즉각적 및 열 산화물 및 일산화탄소 배출 수준을 허용하는 방식으로 그리고 그러한 온도에서 연소시키는 1차 연소 챔버를 이용한다. 대체적으로, 본 실시예는 3% O2에서 보정된 15 ppm 미만의 NOx 수준, 그리고 더 전형적으로는 3% O2에서 보정된 10 ppm 미만, 9 ppm 미만 또는 5 ppm 미만의 NOx 수준을 허용한다. 동시에, 본 실시예는 3% O2에서 보정된 400 ppm 미만의 CO 수준, 그리고 더 전형적으로는 3% O2에서 보정된 350 ppm 미만, 300 ppm 미만, 200 ppm 미만, 100 ppm 미만 또는 심지어 50 ppm 미만의 CO를 허용한다. 부산물로서 감소될 수 있는 추가의 배출물은 UHC, VOC, 및 잠재적으로 PM10 또는 PM2.5이다. 또한, 이들 이점은 현재의 장치 및 방법의 모든 작동 단계에서 달성될 수 있다.
따라서, 본 실시예는 그것들이 스타트업/턴다운 열 방출(heat release)(더 낮은 노 온도 작동) 내지 최대(설계) 열 방출(더 높은 노 온도 작동) 둘 모두에서 질소 산화물 및 일산화탄소 배출물을 감소시킬 수 있다는 점에서 종래 시스템에 비해 이점을 갖는다. 현재 시장에서 쉽게 입수가능한 해법은 설계 열 방출에서 질소 산화물의 감소를 최적화시키는 한편, 스타트-업/턴다운 조건에서 일산화탄소 배출 성능을 희생시킨다. 본 발명에 기술된 실시예는 스타트업/턴다운 및 설계 열 방출 조건 둘 모두에서 일산화탄소 배출물뿐만 아니라 현재 시장에서 입수가능한 것보다 더 엄격한 질소 산화물을 충족시킬 수 있다.
이제 도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 방법 및 설계를 이용하는 장치의 예가 이제 추가로 기술될 것이다. 이들 예에서, 노는, 전형적으로 내화 타일인 버너 타일(314)을 포함하는 버너(310)를 이용한다. 버너 타일(314)은 노의 바닥, 측부 또는 상부일 수 있는 노의 벽(306)에 장착되는 기부(320)를 갖는다. 버너 타일(314)은 제1 단부(324)에 있는 기부(320)로부터 출구 개구부(318)가 위치되는 제2 단부(326)까지 연장되는 벽(322)을 갖는다. 타일 벽(322)은 연소 챔버(316)를 한정한다. 이들 실시예에서, 연소 챔버는 대체적으로 원통으로 도시되어 있고, 타일 벽은 전형적으로 원통형 형상을 갖지만; 이들 형상은 상이할 수 있다. 예를 들어, 직사각형, 정사각형 또는 난형 단면을 갖는 형상이 일부 작동 조건에서 유용할 수 있다. 예시된 실시예에서, 제1 단부(324)는 추가로 후술되는 바와 같이, 연소 챔버(316) 내외로의 유동이 출구 개구부(318)로 또는 장착 플레이트(328)를 통해 연장되는 관을 통해 제한되도록 장착 플레이트(328)에 의해 폐쇄된다.
도 3의 실시예의 타일 벽(322)은 버너 축(354)을 따라 연장되고, 연소 챔버(316)를 한정하는 중단되지 않는 벽을 제공하며; 즉, 벽은 포트 또는 개구부를 갖지 않는다. 도 4의 실시예의 타일 벽(322)은 압력 방출(pressure relief)/재순환 윈도우로서의 역할을 하는 포트(425)를 갖는다. 포트(425)는 타일의 원주 상에 그리고 화염 홀더(350)의 하류에 짧은 거리를 두고 균일하게 배치될 수 있다. 포트의 배치는 수평면에서 보는 경우 관(340)들 사이에 있다. 이들 포트(425)는 타일 연소 챔버 내부의 과도한 양압 또는 음압을 방지할 수 있으며, 이는 화염 안정성을 유지시키는 데 도움을 줄 수 있다. 열 방출의 변화 동안의 압력 변동의 경우에, 얼마간의 소량의 연소 가스가 포트(425) 밖으로 배출될 수 있거나, 또는 소량의 노 분위기 가스가 챔버 내부로 흡인될 수 있다. 본 발명에 기술된 여러 실시예의 장치는 이들 윈도우를 구비할 수 있거나 그렇지 않을 수 있다.
플리넘(330)이 버너(314)와 반대편에서, 그리고 연소 공기 및 연료가 연소 챔버(316) 내로 도입되는 곳과 반대편에서 장착 플레이트(328) 상에 고정된다. 플리넘(330)은 장착 플레이트(328)로부터 플리넘 기부(334)까지 연장되는 중실형 플리넘 벽(332)을 갖는다. 플리넘 벽(332)은 공기 챔버(336)를 한정한다. 플리넘 기부(334)는 공기가 그를 통해 공기 챔버(336) 내로 들어갈 수 있는 개구(338)를 갖는데, 이는 스크린형 개구(screened opening)일 수 있다. 관 입구(342) 및 1차 연료 팁(344)을 둘러싸는, 천공된 제한 플레이트일 수 있는 스크린은 관(340)으로의 공기 분배를 개선한다. 또한, 스크린은 먼지 입자 및 잔해가 공기와 함께 들어가는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 플리넘은 공기가 개구(338)를 통해서와는 달리 공기 챔버(336)로 들어가는 것을 방지하도록 구성된다. 또한, 후술되는 바와 같이, 공기는 단지 장착 플레이트(328)를 통해 연장되는 관(340)을 통해 공기 챔버(336)로부터 연소 챔버(316)로 들어갈 수 있다.
플리넘(330) 내부에는 연료 및 공기 혼합물을 연소 챔버(316) 내로 도입하기 위한 다수의 관(340)이 있다. 전형적으로, 2개 이상의 그러한 관이 있을 것이며, 5개 이상의 관이 있을 수 있다. 도 8 및 도 9로부터 알 수 있는 바와 같이, 소정 실시예는 최대 10개 이상의 관을 갖는다. 각각의 관의 단면 프로파일은 둥근형, 타원형, 직사각형 또는 별 모양과 같은 임의의 다른 형상일 수 있다.
관(340)은 각각의 그러한 버너(310)에 대한 노 내로의 연료-공기 혼합물의 1차 도입부로서의 역할을 한다. 점화기(도 3 및 도 4에 도시되지 않음)가 연료를 점화시키기 위해 연소 챔버(316) 내에 존재할 수 있다. 예시된 예에서, 도 8 및 도 9로부터 알 수 있는 바와 같이, 관은 원을 이루어 그리고 연소 챔버의 내측 표면에 인접하게 배열된다. 플리넘 및 타일 내부의 관들의 서로에 대한 가변적인 위치설정 및 개수가 가능하고, 버너 크기 및 작동 요건에 의존한다.
예시된 관(340)은, 각각의 관의 입구(342)에, 연료 분배기(349) 및 연료 공급원(347)으로부터의 고운동량 연료 제트를 관의 종축을 따라 연관된 관(340) 내로 배출하는 1차 연료 팁(344)이 있다는 점에서 연료-공기 혼합 관이다. 고운동량 연료 제트는 플리넘의 플리넘 기부(334)로부터 공기를 비말동반시키고 공기와 연료 사이의 혼합을 촉진시켜 관(340)의 출구(348)에서 완전히 혼합된 스트림을 생성한다. 도 3은 강제 공기가 없는 자연 통기(natural draft) 플리넘을 도시한다. 그러나, 도 4에 예시된 바와 같이, 공기는 플리넘 기부(334)에서 개구(338)를 둘러싸는 하우징(435)과 유체 유동 접촉하는 팬 또는 블로워의 사용에 의해 비말동반 및/또는 강제될 수 있다. 따라서, 팬은 하우징(435) 내의 개구(339)를 통해 플리넘에 강제 공기 공급을 제공한다.
각각의 관(340)의 출구(348)는 출구(348)로부터 고정된 거리를 두고 위치되고 화염 안정화 및 정착을 돕는 역할을 하는 화염 홀더(350)를 구비할 수 있다. 화염 안정화/정착 장치(화염 홀더(350))는 유입 연료 및 공기 혼합물을 측방향으로 확산시켜, 그것이 연소 챔버를 한정하는 타일 벽의 내부 표면(321)을 가로질러 확산될 수 있게 하고, 버너 타일의 내부 표면(321) 및 내측 기부 또는 레지(ledge)(327) 상에 정착될 수 있게 한다. 화염 안정화/정착 장치(350)는, 또한, 더 큰 화염 안정화 및 정착을 위한 와류의 생성을 용이하게 한다.
화염 홀더 또는 화염 안정화/정착 장치(350)는 컵, 원추, 벌집, 링, 천공 디스크와 같은 다양한 형상으로 구성될 수 있다. 또한, 실시예는 다른 화염 안정화/정착 장치 및 배열을 사용할 수 있는데, 예를 들어 블러프 몸체(bluff body), 타일에 내장된 레지, 또는 스월(swirl)이 채용될 수 있다.
연료-공기 혼합물의 전술된 연료-공기 혼합 관 도입이 현재 바람직하지만, 완전한 연료-공기 혼합을 제공하기 위한 다른 전달 시스템이 사용될 수 있다. 예를 들어, 연료-공기 혼합물은 플리넘(330)의 상류에서 생성되고 관(340) 내로 도입될 수 있다. 다른 예에서, 연료 및 공기가 완전히 혼합되어 점화될 수 있고 연소 챔버 내에 정착될 수 있는 한, 연료 및 공기는 연소 챔버에 별도로 제공된 다음에 연소 챔버의 입구에서 "급속히 혼합"될 수 있다. 이것이 달성될 수 있는 방식은 높은 공기 압력 강하의 사용 및/또는 공기 또는 연료 또는 이들 둘 모두의 스월링(swirling)을 통한 것이다.
노 벽(306)의 높이 부근에 그리고 타일 벽(322) 바로 외부에, 다수의 추가의 미처리 가스 연료 팁 또는 다단식 연료 팁(352)이 위치된다(전형적으로, 4개 이상이 있을 것이며, 이때 8개 또는 10개의 팁이 드물지 않음). 각각의 다단식 연료 팁(352)은 분배기(346) 및 연료 공급원(347)으로부터 연료를 받을 수 있고, 각각의 다단식 연료 팁(352)은 연소 챔버(316)의 외부에 그리고 출구 개구부(318)의 대체로 하류에 2차 연소 구역을 생성하기 위해 출구 개구부(318)로부터 대체로 하류의 방향으로 버너 타일(314) 외부로 연료 제트를 배출하도록 설계된다. 예를 들어, 다단식 연료 팁(352)은 종방향 버너 축(354)에 대해 가변 각도 하에서 화염 스트림의 방향으로 타일 벽(322)의 외부 표면(323)을 따라 연료를 배출할 수 있다.
도 3 및 도 4가 단지 버너 타일 외부의 다단식 연료 팁을 이용하지만, 현재의 실시예는 버너 타일 외부의 1차 연료 팁을 또한 이용하는 설계와 함께 이용될 수 있다. 예를 들어, 현재의 실시예들 중 일부는 2011년 2월 1일자로 허여된 미국 특허 제7,878,798호에 개시된 바와 같이 버너 타일 외부에 연료 팁을 갖는 코안다 설계(coanda design)를 이용할 수 있다. 그러한 특허에서는, 점화 연료를 위한 다수의 팁, 및 버너 타일 외부의 다단식 연료를 위한 다수의 팁이 있다. 각각의 점화 연료 팁은 연료 제트를 코안다 프로파일 윈도우 상으로 배출하도록 설계되며, 이는 타일의 연소 챔버 내로 이어진다. 점화 연료의 목적은, 점화 연료로부터의 전체 배출 영향이 최소화되도록 연소 챔버 내의 일부 국소화된 연료 풍부 스팟에 최소량의 열 방출을 제공하는 것이다.
점화 연료 팁과 다단식 연료 팁의 그러한 조합이 사용될 때, 그것들은 동일한 직경의 원 상에 교번하는 순서로 위치될 수 있다. 팁들 사이의 거리 및 팁의 개수는 버너 크기에 따라 달라질 수 있다. 팁은 또한 버너 주위의 또는 버너 내의 상이한 위치에 위치될 수 있다. 예를 들어, 점화 팁은 코안다 프로파일 윈도우에 가깝게 위치될 수 있는 한편, 다단식 팁은 버너의 축으로부터 더 큰 반경 상에 배치될 수 있다. 다른 예에서, 다단식 팁은 비열속(specific heat flux) 또는 다른 작동 또는 배출(더 낮은 NOx) 요건을 목표로 하기 위해 점화 분위기(노)에 원격으로 도입될 수 있다. 다른 예에서, 점화 팁은 단지 연소 챔버 자체 내에 위치되는 하나의 또는 다수의 점화 팁일 수 있다. 점화 연료 및 다단식 연료 구역 설계는 설계 세부 사항에 따라 달라질 수 있다.
이제 도 5를 참조하면, 도 3 및 도 4와 유사한 제3 실시예가 노(500)에 관하여 예시되어 있다. 노(500)는 스택(504)을 갖는 노 하우징(502)을 포함한다. 노는, 타일(314) 내부에 연소 챔버(316)를 한정하는 내화 타일(314)을 포함하는 버너(310)를 적어도 부분적으로 수용한다. 내화 타일(314)은 노 하우징(502) 상에 고정된다. 도시된 바와 같이, 내화 타일(314)은 이 경우에는 노 바닥(506)인 노 벽 상에 고정되지만, 노의 측벽에 고정될 수 있다. 내화 타일(314)은, 또한 외부에서 노 바닥(506)에 고정될 수 있는 플리넘(330)에 또한 고정된다. 플리넘(330)은 개략적으로 예시되는 그리고 자연 통기 배열 또는 강제 공기 공급 배열일 수 있는 공기 입구(342)를 갖는다.
나타낸 바와 같이, 버너(310)는 점화 유닛(560)(전형적으로, 도시되지 않은 점화기에 의해 점화됨), 관(340), 화염 홀더(350) 및 1차 연료 팁(344)을 추가로 포함한다. 점화 유닛(560)의 점화 단부(562)가 연소 챔버(316) 내에 위치되고, 제2 단부(564)에서 연료 공급원(도시되지 않음)에 부착되도록 플리넘(330)을 통해 연장된다. 플리넘(330) 내부에는 연소 챔버(316) 내로 배출되는 다수의 관(340)이 있다. 관(340)은 전술된 바와 같이 연료와 공기를 혼합하기 위해 비말동반 원리를 사용한다. 전형적으로, 관(340)은 점화 유닛(560)을 둘러쌀 것이며; 예를 들어, 5개 또는 6개의 혼합 관(340)이 점화 유닛(560) 주위에 원을 이루어 위치될 수 있다. 각각의 관(340)의 출구는 관 출구로부터 고정된 거리를 두고 위치되고 화염 안정화 및 정착을 돕는 역할을 하는 화염 홀더(350)를 구비한다.
도 3 및 도 4의 경우와 마찬가지로, 도 5에 예시된 실시예는 노 바닥 높이 부근에 그리고 내화 타일(314)에 의해 형성된 연소 챔버(316) 바로 외부에 다수의 2차 또는 다단식 연료 팁(352)을 갖는다. 각각의 다단식 연료 팁(352)은 연료 제트를 연소 챔버(316) 내에 형성된 화염 스트림의 방향으로 노(500) 내로 배출하도록 설계된다. 연료 팁(352)으로부터의 연료 제트는 버너 축(354)과 평행할 수 있거나, 버너 축(354)에 대해 가변 각도일 수 있다.
도 5로부터 인식될 바와 같이, 점화 유닛(560)으로부터의 연료와 관(340)으로부터의 연료-공기 혼합물은 연소 챔버(316) 내에서 그리고 연소 챔버(316)로부터 바로 하류에서 연소되어 1차 연소 구역(566)을 형성한다. 일부 실시예에서, 1차 연소 구역(566) 내에서의 연소를 위한 연료는 스타트-업 또는 점화 후에 관(340)에 의해서만 공급될 수 있다. 일부 실시예에서, 노(500) 내에서의 연소를 위한 연소 공기 또는 산소는 전형적으로 관(340)을 통해서만 공급되며, 점화 유닛(560) 및 관(340)으로부터의 연료의 화학량론적 연소에 필요한 것을 초과한다. 다단식 연료 팁(352)으로부터의 연료는 연도 가스 및 과잉 연소 공기와 혼합되고, 이어서 2차 연소 구역(568) 내에서 연소된다. 따라서, 1차 연소 구역(566)은 연소 챔버(316) 내에 형성되고, 연소 챔버(316)의 단부로부터 바로 하류에서 노 내로 연장될 수 있다. 2차 연소 구역(568)은 1차 연소 구역(566)의 외부에 형성된다. 2차 연소 구역(568)은 노 내에서 버너 타일(314)의 외부에 있을 것이고, 대체적으로 1차 연소 구역(566)에 대한 화염 정착으로부터 하류에 있을 것이며, 1차 연소 구역(566)으로부터 하류에 있을 수 있다. 2차 연소 구역이 1차 연소 구역(566)으로부터 바로 하류에 있을 수 있지만, 현재로는 그것이 더 전형적으로는 1차 연소 구역의 일부를 적어도 부분적으로 둘러쌀 것이고, 도넛 유사 형상 또는 컵 유사 형상을 가질 수 있으며, 1차 연소 구역의 하류 부분 주위로 그리고 1차 연소 구역으로부터 하류로 연장될 수 있는 것으로 여겨진다.
도 5에 예시된 바와 같이, 다단식 팁(352)으로부터 배출된 2차 연료 제트는 대체로 하류 방향; 즉, 1차 화염 스트림이 이동하고 있는 방향으로 지향된다. 2차 연료 제트는 노 용적부를 통해 이동하는 동안 1차 구역 화염 스트림과 점진적으로 혼합되어 연소된다. 1차 화염과 혼합하기 전에, 이들 2차 다단식 연료 제트는 CO2, H2O, 및 N2와 같은 대부분 불활성 종인 노 분위기 가스를 비말동반시키고 그와 혼합된다. 그 결과, 불활성 가스로 포화된 2차 다단식 연료 제트는 타일로부터 나오는 희박-연료 화염 스트림과 혼합하여 그로 연소될 때 승온된 화염 온도 구역을 생성하지 않는다. 예를 들어, 설계는 2차 연소 구역(568) 내에서, 열 NOx를 생성하지 않을 만큼 충분히 낮은 2400 내지 2600℉ 내의 단열 화염 온도를 갖도록 배열될 수 있다.
도 3 내지 도 5의 실시예는 요구되는 연소 공기의 전부 또는 실질적으로 전부가 관(340)을 통해 비말동반되거나 가압되고 연소 챔버(316)로 전달되게 한다. 예를 들어, 관(340)의 에지(또는 측부)는 플리넘(330) 및 버너 타일(314)의 기부(320)에 장착된 장착 플레이트(328)에 밀봉되어, 공기가 관(340)을 통해 이동하지 않고서는 플리넘(330)으로부터 연소 챔버로 들어갈 수 없도록 보장할 수 있다. 후술되는 도 6 및 도 10과 같은 대안적인 실시예에서, 미량의 연소 공기가 연소 구역의 다른 영역 내에 도입될 수 있다.
현재로는, 연소 챔버(316) 내에 1차 연료와 함께 모든 연소 공기를 도입하거나 연소 챔버(316) 내로 연소 공기의 대부분을 도입함으로써 가장 큰 이점이 도출되는 것으로 여겨진다. 그러나, 일부 실시예에서, 연소 공기의 적은 부분이 연소 챔버(316)의 외부에 도입될 수 있다. 연소 공기의 "미량" 또는 "적은 부분"은 대체적으로 연료 단위를 연소시키는 데 필요한 화학량론적 공기의 25% 이하를 지칭한다. 전형적으로, 그것은 요구되는 화학량론적 공기의 10% 미만일 것이고, 10% 이하일 수 있다. 많은 실시예에서, 미량의 연소 공기는 연료 단위를 연소시키는 데 필요한 화학량론적 공기의 5% 내지 25%의 범위 내에 있을 것이다. 모든 연소 공기가 연소 챔버(316) 내에 공급될 때, 당업자는 이것이 무시할 수 있는 양의 연소 공기가 다른 공급원으로부터, 예를 들어 다단식 인젝터를 위한 포트, 점화 인젝터의 포트 등으로부터 연소 구역(들)으로 들어가도록 허용할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 대체적으로, 그러한 무시할 수 있는 양의 연소 공기를 설명하기 위해, 본 발명은 "실질적으로 모든" 연소 공기가 1차 연료-공기 혼합물 내에 있는 것을 언급할 것이다. 이러한 경우에, "실질적으로 모든"은 1차 연료로서 그리고 다단식 연료로서, 점화를 위해 도입된 연료를 연소시키는 데 필요한 연소 공기의 3% 미만, 2% 미만, 1% 미만 또는 0.5% 미만인 이들 미량 이외의 모든 공기를 지칭한다. 대체적으로, "실질적으로 모든 공기"는 1차 연료를 포함하여 연료의 연소에 필요한 공기의 적어도 97%, 적어도 98%, 적어도 99% 또는 적어도 99.5%, 및 선택적으로, 점화에 사용되는 연료의 제2 부분 및 다단식 연료 연소에 사용되는 연료의 제3 부분을 의미할 수 있다.
상기로부터 실현될 바와 같이, 관(340)에 의해 연소 챔버 내로 도입되는 연료 및 공기 혼합물은 화학량론적이지 않을 것이며; 즉, 혼합물은 1차 연료(연소 챔버(316) 내로 도입되는 연료)의 화학량론적 연소에 필요한 연료 대 산화제 비의 비를 갖지 않을 것이다. 오히려, 1차 연료는 희박 연료-공기 혼합물로서 도입될 것이다. "희박" 연료-공기 혼합물은 연료를 완전히 연소시키는 데 필요한 양보다 더 많은 산화제를 함유하는 연료/산화제 혼합물을 가리킨다. 대체적으로, 본 명세서에 기술된 실시예는 50% 내지 110%의 과잉 공기(약 7% 내지 11%의 과잉 산소)의 범위 내에 있을 수 있다.
이제 도 6을 참조하면, 미량의 연소 공기가 연료-공기 혼합 관과는 별도로 도입될 수 있는 실시예가 예시되어 있다. 도 6은 관(340) 및 화염 홀더(350)를 갖는 연소 챔버(316)를 한정하는 내화 타일(314)을 갖는 버너(610)를 적어도 부분적으로 수용하는 노(500)를 예시한다. 또한, 관(340)은 1차 연료 팁(344)을 통해 연료 가스를 공급받고, 주위 플리넘(330)으로부터 연소 공기를 수용한다. 노(500)는 타일(314)의 외부에 있고 그를 둘러싸는 다단식 연료 팁(352)을 갖는다. 전술된 구성요소는 도 5의 구성요소와 유사하지만, 본 명세서에 예시된 다른 실시예에 따를 수 있다. 따라서, 도 5에 예시된 실시예와 같이, 노(500)는 1차 연소 구역(566) 및 2차 연소 구역(568)을 형성한다.
그러나, 버너(610)는 1차 연소 구역(566) 내에서 행해지는 연소에 영향을 미치지 않도록 연소 공기를 노(500) 내로 도입하는 바이패스 공기 관(670)을 포함한다. 알 수 있는 바와 같이, 바이패스 공기 관(670)은 바이패스 공기 관(670)을 통해 들어가는 연소 공기가 1차 연소 구역(566) 내로 도입되지 않고 2차 연소 구역(568) 내로 도입되도록 1차 연소 구역(566)과 평행하게 하류로 또는 1차 연소 구역(566)으로부터 하류로 연장된다. 이러한 방식으로, 관(340)을 통해 도입되는 연료-공기 혼합물은 상당히 희박할 수 있는데, 즉, 비교적 소량의 1차 연료가 1차 연소 구역에서 사용하기 위해 이용가능할 때 1차 연소 구역에서의 1차 연료의 완전 연소에 충분한 과잉 공기를 가질 수 있다. 따라서, 2차 연료의 연소에 필요하고 스택(504) 내에 과잉 산소를 유지시키는 데 필요한 추가의 연소 공기가 바이패스 공기 관(670)을 통해 공급된다. 바이패스 공기 관(670)을 통한 연소 공기의 도입은 액추에이터(672)에 의해 제어된다. 예를 들어, 아래에서 추가로 논의되는 바와 같이, 컴퓨터 처리 시스템이, 1차 및 2차 연소 구역으로부터의 NOx 및 CO 수준의 추가의 제어를 가능하게 할 1차 연소 구역 내의 단열 화염 온도(ATF)를 제어하기 위해 필요에 따라 바이패스 공기 관(670)을 통해 도입되는 연소 공기를 감소시키거나 증가시키도록 액추에이터(672)를 제어할 수 있다. 이는, 1차 및 2차 연료가 상이하고, 1차 연소 구역에서 사용하기 위해 이용가능한 연료의 양이 모든 연소 공기가 1차 연소 구역 내로 도입되는 적절한 AFT를 달성하는 데 필요한 원하는 양 미만으로 제한되는 경우에 특히 유용하다.
대안적으로 또는 상기에 더하여, 관(340)을 통해 도입되는 연소 공기 및 바이패스 공기 관(670)을 통해 도입되는 연소 공기에 대한 조절이 버너(610) 내의 공기의 분포를 변화시키는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 1차 연소 구역으로부터 나오는 과잉 공기의 양은 바이패스 공기 관(670)을 통해 나오는 과잉 공기의 대응하는 감소 또는 증가에 따라 증가 또는 감소될 수 있다.
이제 도 7 내지 도 14를 참조하여, 본 발명의 상기 실시예 및 추가의 실시예의 소정 특징이 이제 논의될 것이다. 구체적으로, 도 7은 추가의 버너 실시예를 예시한다. 도 7의 버너(710)는 도 3 내지 도 5와 유사한 많은 구성요소를 가지며; 따라서, 동일 도면 부호는 동일 구성요소를 나타낸다. 그러나, 도 3 내지 도 5가 원통형 버너 타일(내부 및/또는 외부)을 사용하는 반면에, 본 발명의 실시예는 또한 버너 챔버를 한정하는 수렴 또는 발산 내부 표면을 갖는 버너 타일을 이용할 수 있다. 예를 들어, 도 7은 원통형 외부 표면(723) 및 발산 내부 표면(721)을 갖는 타일 벽(722)을 갖는 버너 타일(714)을 예시한다. 따라서, 타일 벽(722)은 제2 단부(726)에서보다 제1 단부(724)에서 더 두껍다. 따라서, 발산 내부 표면(721)은 도 3 내지 도 5의 원통형 연소 챔버와는 대조적으로 원추형 연소 챔버(716)를 한정한다. 내부 표면(721)에 대한 이러한 발산각은 화염 및 재순환 와류가 타일 출구 개구부 또는 출구(718)를 향해 자유롭게 확장되도록 허용하여, 그에 따라서 특히 더 높은 열 방출에서 타일 연소 챔버 내부의 가능한 압력 변동을 방지한다.
도 7에 도시된 다단식 연료 팁(352)은 버너 타일(714)의 외부 표면(723)으로부터 외향으로 다단식 연료 제트를 배출한다. 팁은 버너로부터 추가의 거리를 두고 위치될 수 있고, 심지어 타일(714)의 기부(720)와는 대조적으로 노 벽 내에 배치될 수 있다. 그러한 배열이 도 8에 예시되어 있으며, 여기에서 노 벽(306)은 다단식 연료 팁(352)이 버너 타일(714)로부터 원격으로 노 벽(306) 내에 위치되는 다수의 버너(710)를 갖는다. 버너 타일에 관하여 다단식 연료 팁(352)의 위치설정은 1차 연소 구역으로부터 나오는 과잉 공기와 혼합하기 전에 불활성 노 연도 가스에 의한 최대 가능 다단식 연료 제트 포화도를 달성하도록 결정된다. 따라서, 다단식 연료 팁(352)은 외부 표면(723)으로부터 외향으로 연료 제트를 배출할 수 있고, 그러한 포화도를 달성하는 데 도움을 주기 위해 외부 표면(723)과 일렬로 또는 심지어 버너 타일(714)의 외부 표면(723)을 향해 연료 제트를 배출할 수 있다.
전술된 바와 같이, 관(340)의 개수, 직경, 단면 형상은 타일 크기마다 상당히 다를 수 있다. 도 9는 2개의 열(row)로 타일 벽(722) 내부에 위치된 10개의 관(340)을 도시하며; 각각은 중심 또는 중심 점화 유닛(760)으로부터 상이한 반경을 갖는다. 도 10은 중심 또는 중심 점화 유닛(760) 주위에 하나의 열로 위치된 10개의 관을 도시한다. 도 7의 실시예에 관련하여 도시되지만, 당업자는 이러한 배치 원리가 본 명세서에 개시된 다른 특정 실시예를 포함하여, 본 발명 하의 대부분의 실시예에 대체적으로 적용된다는 것을 이해할 것이다.
점화기가 당업계에 알려져 있지만, 다른 실시예는 위의 실시예에 대해 점화 유닛으로서 사용될 수 있는 신규한 점화 유닛을 제공한다. 도 7은 버너 타일(714)에 대한 하나의 그러한 점화 유닛(760)을 도시한다. 도 11은 점화 유닛(760)을 더 상세히 예시한다.
점화 유닛(760)은 라이저 관(riser tube)(900) 내에 동심으로 위치되는 연료 공급 랜스(fuel supply lance)(880)를 포함한다. 랜스(880)의 제1 단부(882)가 연료 가스의 공급원(도 11에는 도시되지 않음)과 유체 유동 연통한다. 랜스(880)의 제2 단부(884)가, 랜스(880)를 통해 유동하는 연료가 연료 제트를 통해 스월링 패턴으로 배출되도록 라이저 관(900) 내에서 연료 배출 노즐(886)로 종단된다. 바꾸어 말하면, 연료는 라이저 관(900) 내에서 원주방향으로 그리고 종방향으로 이동하도록 배출된다.
노즐(886)에 대한 일부 적합한 구조가 도 12, 도 13 및 도 14에 예시되어 있다. 도 12 및 도 14에 예시된 바와 같이, 노즐(886)은 연료 제트로서의 역할을 하는 하나 이상의 배출 아암(888)을 가질 수 있다. 배출 아암(888)은 연료 공급 랜스(880)에 대해 접선방향인, 라이저 관(900)의 내측 표면(902)에 접선방향으로 연료를 배출한다. 전형적으로, 랜스(880)의 원주 주위로 동일하게 이격되는 복수의 배출 아암(888)이 있을 것이다. 도 12는 3개의 배출 아암(888)을 도시하고, 도 13은 6개의 배출 아암(888)을 도시한다. 도 14에 예시된 바와 같이, 스월링 패턴이 또한 연료 제트로서의 역할을 하는 랜스(880) 내의 하나 이상의 통로에 의해 달성될 수 있다. 통로(890)는 랜스(880)를 통해 내부 표면(892)으로부터 외부 표면(894)까지 연장된다. 통로(890)는 내부 표면(892)으로부터 접선방향으로 연장된다. 전형적으로, 배출 아암(888) 또는 통로(890)는 어느 것이 사용되든, 라이저 관(900)의 제2 단부(908)를 향해 경사지며; 따라서, 연료는 라이저 관(900)의 중심에 접선방향으로 그리고 (제2 단부(908)를 향해) 약간 전방으로 배출된다. 전형적으로, 전방 각도는 약 5도 내지 약 25도일 것이다.
라이저 관(900)은 폐쇄될 수 있거나(예시되지 않음) (도 11에 예시된 바와 같이) 연소 공기의 공급부와 유체 유동 연통할 수 있는 제1 단부(904)를 갖는다. 따라서, 제1 단부(904)는, 플리넘 내부에서든 또는 플리넘 외부에서든, 플리넘(334)의 기부에 또는 그 부근에 위치되는 개구부(906)로 종단될 수 있다(도시된 바와 같음). 전형적으로, 개구부(906)는 특히 플리넘 내로의 강제 공기 공급이 있는 경우 플리넘 외부에 있을 것이다.
스월러 컵(swirler cup)(910)이 라이저 관(900)의 제2 단부(908)에 연결된다. 스월러 컵(910)은 버너 타일 내에 위치되고, 버너(710)의 중심 버너 축(354)을 따라 위치될 수 있다. 또한, 스월러 컵(910)은 전형적으로 도 7 내지 도 10에 도시된 바와 같이 관(340)의 중심에 있을 것이다. 스월러 컵(910)은 노즐(886)로부터 배출된 연료의 스월링 및 전방 이동을 촉진시키도록 구성된다. 예시된 바와 같이, 스월러 컵(910)은 발산하는 만곡된 벽(912)을 포함한다.
작동 시, 고압 미처리 연료 가스가 랜스(880)를 통해 부착된 노즐(886)을 향해 지향된다. 이어서, (배출 아암(888) 또는 통로(890)와 같은) 연료 제트가 연료를 라이저 관(900)의 중심에 접선방향으로 그리고 약간 전방으로(5 내지 25도) 배출한다. 따라서, 배출각은 하나 이상의 연료 제트가 라이저 관(900) 내부에서 스월링하고 전방으로 이동하도록 허용하는 복합 각도이다. 그러한 스월링/나선형 운동은 스월러 컵(910)의 내부 표면을 따라 계속되어, 스월러 컵(910) 내부에서 그리고 추가로 스월러 컵(910)으로부터 나올 때 스월링 화염을 형성하는 결과를 가져온다. 당업계에 알려진 바와 같이, 점화기(761)(도 7에 개략적으로 도시됨)에 의해 제공되는 직접적인 전기 스파크가 초기에 화염을 점화시키는 데 사용될 수 있다. 스월러 화염은 중심선(914)을 따라 스월러 컵(910) 내부에 강력한 역류 회전 와류를 형성함으로 인해 매우 안정적이다. 이러한 와류는 스월링 스트림을 영구적으로 재점화하고, 점화 화염의 총 안정성을 지속시킨다.
스월러 화염은 라이저 관(900)을 통해 스월링 연료 제트를 향해 나오는 약간의 공기 유동이 있거나 없이 구성될 수 있다. 도 11은 관(900)의 내부 표면(902)과 랜스(880)의 외부 표면(894) 사이에 형성된 환형 통로(901)를 통해 얼마간의 공기가 들어올 수 있음을 보여준다. 공기 유동은 NOx 배출을 최소화시키도록 최적화될 수 있다.
위에 지시된 바와 같이, 스월러 컵(910)은 도 7 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 버너(710)의 중심 버너 축(354)을 따라 그리고 관(340)의 중심에 위치될 수 있다. 이러한 위치에서, 스월러 화염은 관(340)로부터 나오는 모든 1차 연료-공기 스트림과 접촉하여 그들을 즉시 점화시킬 수 있다. 그러나, 점화 유닛(760) 및 관(340)이 타일 기하학적 구조, 관의 개수와 기하학적 구조 및 다른 인자에 따라 상이하게 위치되는 것은 본 발명의 범주 내에 있다.
도 15 및 도 16은 가능한 점화 유닛의 다른 실시예를 도시한다. 이러한 점화 유닛(920)은 도 3의 314와 같은 버너 타일의 종방향 중심선(924)을 따라 연장되는 중심 파이프 또는 관(922)을 갖는다. 파이프(922)는 적어도 하나의 반경방향으로 연장되는 레그(leg)(926)를 갖는다. 전형적으로, 파이프(922)는 복수의 반경방향으로 연장되는 레그(도 16에 도시된 바와 같이 5개)로 분할될 것이다. 각각의 레그(926)는 버너 타일(314)의 내부 표면(321)의 내부 원주를 따라 연료 제트를 배출하기 위한 하나 이상의 포트(930)를 갖는 노즐(928)에서 종단된다. 연료 또는 공기 혼합물이 중심 파이프(922)를 통해, 레그(926)를 통해 그리고 이어서 노즐(928)을 통해 타일 벽(322)의 내부 표면(321) 상으로 도입되며, 따라서 연료 또는 연료-공기 혼합물은 내부 표면(321)을 따라 원주방향으로 이동한다. 연료만이 노즐(928)을 통해 제공되는 경우, 또는 연료의 화학량론적 연소에 불충분한 공기가 노즐(928)을 통해 공급되는 경우, 관(340)을 통과하는 연료-공기 혼합물로부터의 공기가 점화 유닛으로부터 연료를 연소시키는 데 사용된다.
대체적으로, 노즐(928)을 통한 배출은, 사용되는 경우, 레지(327)를 따라 이루어질 것이다. 따라서, 점화된 연료 제트로부터 형성된 화염은 타일 레지(327)에 의해 그리고 그러한 레지 상에 설치된 링(934)에 의해 형성된 환형 공동(932) 내부에 유지될 수 있다. 당업계에 알려진 바와 같이, 직접 전기 스파크 장치(점화기(761))가 노즐(928)들 중 하나로부터 배출되는 연료를 점화시키는 데 사용될 수 있다. 하나의 노즐로부터의 화염이 확립되자마자, 화염은 양방향으로 원주를 따라 매우 신뢰성 있게 전파된다.
위의 실시예에서, 1차 연료 및 2차 연료의 유동은 1차 연료 팁(344) 및 2차 연료 팁(352)을 통해 도입되는 연료의 유량을 조절함으로써 제어될 수 있다. 전형적으로, 유동의 조절은 반비례 관계에 있는데, 즉 1차 연료 유동이 증가되면, 2차가 감소되고, 그 반대도 마찬가지이다. 또한, 도입되는 연소 공기는 더 많거나 더 적은 공기가 플리넘 내로 통과하게 허용하도록 플리넘을 조절함으로써, 예를 들어 공기가 도입되는 개구부 크기를 변화시킴으로써 자연 통기 버너에서 제어될 수 있다. 연소 공기는 플리넘 내로 강제되는 공기를 변화시킴으로써, 예를 들어 팬 또는 블로워 속도를 변화시킴으로써 강제 공기 공급 버너에서 제어될 수 있다. 일부 실시예에서, 아래에서 추가로 논의되는 바와 같이, 컴퓨터 처리 시스템이 연료 유동 및 플리넘 내로의 공기의 도입을 제어하도록 구성될 수 있다.
또한, 플리넘(330)의 공기 챔버(336)는 (공기 이외에) 빈 공간일 수 있다. 따라서, 공기 챔버(336)의 상부 부분 내의 공기는 장착 플레이트(328) 부근의 단부에서 가온되고, 가온된 공기 가스는 관(340) 외부의 연소 챔버 부근의 단부로부터 아래로 이동하여, 환열기(recuperator)와 같이 관(340) 내의 1차 연소 공기를 예열할 수 있다. 그렇게 하는 것이, 연소 챔버 내에서의 추가의 체류 시간을 모사하기에 충분할만큼 연료-공기 혼합물 온도를 그것이 관(340)을 빠져나가기 전에 증가시킴으로써 CO 배출 성능을 추가로 개선하는 것으로 밝혀졌다. 다른 예에서, 관(340)은 연소 챔버 장착 플레이트에 직접 장착될 수 있고, 플리넘에 의해 둘러싸이지 않는다.
도면에 예시된 바와 같이, 연소 챔버의 설계는 계산된 용적부, 레지(327), 점화 및 압력 방출/재순환 윈도우(도 4의 포트(425)), 연소 챔버 내부에 배열되는 관(340)(대체적으로 혼합 관), 및 화염 홀더(350)를 포함할 수 있다. 전술된 구성요소는 1차 화염이 연소 챔버 내의 원하는 위치에 정착되도록 보장하기 위해 서로에 대해 고유하게 배열된다. 임의의 개수의 연소 정착 장치(350)가 이용될 수 있으며, 그것들은 타일의 연소 챔버 내부에서 1차 화염을 안정화시키는 역할을 한다.
그 결과, 장치는 실온에서 연료의 가연성 상한치에 가깝거나 심지어 그보다 높은 과잉 공기 수준에서 작동할 수 있다. 이들 조건은 화염으로부터의 열 및 즉각적 질소 산화물 형성을 억제한다. 타일의 연소 챔버 설계가 타일 연소 챔버 내의 국소 환경 온도를 상승시키기 때문에 일산화탄소 배출 수준이 저하된다. 현재로는, 이것이 1차 화염의 CO 배출 수준을 CO2에 대한 빠른 산화율로 인해 CO 배출 수준이 자연적으로 감소되는 고온 응용(고온 노 응용)에 설치된 전형적인 장치의 그것과 같이 수행하게 하는 것으로 여겨진다.
위의 논의에 따르면, 위의 실시예의 일반적인 작동 방법은 먼저 점화에 필요한 양으로 관(340)을 통해 연소 공기 유동을 유도하기 위해 노의 통기(furnace draft)를 확립하는 단계를 포함한다. 점화 유닛(예를 들어, 점화 유닛(760) 또는 점화 유닛(920))으로부터의 미처리 점화 연료의 유동은 버너 타일의 연소 챔버 내로 통과되고 점화기를 사용하여 점화된다. 일부 실시예에서, 점화 연료의 유동은, 예컨대 점화 유닛(920)에 의해 또는 (미국 특허 제7,878,798호의 코안다 설계를 사용하여) 채널의 측부의 형상에 의해 생성되는 코안다 효과로 인해 타일의 내부 타일 레지를 따라 지향될 수 있다.
점화 화염이 확립된 후에, 1차 연료 팁(344)은, 비말동반 효과를 사용하여, 연료가 연소 공기와 완전히 혼합되고, 이러한 혼합물이 점화 유닛에 의해 연소 챔버 내에 이미 존재하는 점화 화염에 의해 점화되도록 관(340) 내로 연료를 분사한다. 따라서, 1차 화염은 화염 홀더(350) 상에서 그리고, 사용되는 경우, 타일의 내부 단차 레지(327) 상에서 안정화된다. 안정성은 화염 홀더의 바로 하류에 있는 고온의, 재-점화 와류 및 타일의 레지에 의해 형성된 재순환 구역을 통해 유지된다. 공기 연료 혼합물의 일부는 화염 홀더에 의해 타일의 연소 챔버 내부 표면으로 편향된다. 이러한 혼합물은 표면 상에서 스크러빙(scrubbing)되고 연소되어 표면을 달아오르게 하고, 타일의 연소 챔버 내부의 화염 안정화의 추가의 신뢰성 있는 소스로서의 역할을 한다.
최저 가능 NOx 배출물을 형성하기 위해, 열 및 즉각적 질소 산화물 형성의 억제가 필요하다. 바람직하게는, 혼합 관 출구에서의 공기/연료 비는 가능한 한 가연성 상한치에 가깝게, 화염 안정성을 저하시킴이 없이 가능한 한 높게 설정된다. 예를 들어, 과잉 공기 수준은 50 내지 110%(희박 혼합물, 희박 화염)의 과잉 공기 수준으로 제어될 수 있다. 연료는, 바람직하게는, 관(340)을 통해 이동하는 동안 가능한 한 완전히 공기와 혼합되며; 공기/연료 혼합물의 균일성이 장치의 성능에 중요하다.
이전에 논의된 바와 같이, 다른 실시예에서, 연료 및 공기는 그것들이 점화 전에 적절한 수준으로 신속하게 혼합되는 한 장치 연소 챔버에 별도로 제공될 수 있다.
화염을 장치 연소 챔버 내에 정착시키는 것은 2400 내지 2600℉의 평균 및 균일 단열 화염 온도를 허용한다. 결과적으로, 장치 연소 챔버 용적부 온도도 또한 주위 환경 온도(버너 외부의 노 챔버의 온도)에 상관없이 대략 2400 내지 2600℉이다.
정상으로부터 최대 열 방출로 열 방출을 증가시키기 위해, 실시예는 다단식 연료 팁(352)을 사용한다. 다단식 연료를 점진적으로 배출하는 것은 1차 화염으로부터 과잉 산소를 소비함으로써 정상으로부터 최대 열방출로의 열 방출의 증가를 허용한다. 예를 들어, 버너가 5 MMBtu/hr 열 방출에서 작동하여 1차 및 점화 연료만을 온(on) 상태로 갖고, 혼합물이 타일 내부에서 안정화된 화염으로 연소되는 경우, 노 스택 내의 산소 농도는 7 내지 11%(건조 체적)로 설정된다. 이때, 블로워 연소 공기 유량은 고정되고, 다단식 연료 유동은 점진적으로 증가되어 과잉 산소를 소비하고 8 MMBtu hr의 열 방출률을 달성할 수 있다. 스택 산소 함량은 최적의 연료 효율을 얻기 위해 최대 열 방출에서 히터 작동에 대한 일반적인 요건인 2 내지 3%(건조 체적)로 감소될 것이다.
일단 이러한 조건이 달성되면, 다단식 연료가 추가의 CO 배출을 일으키기 시작할 소정 하한치 미만으로 환경(히터 연도 가스 브리지월(bridgewall)) 온도가 떨어지지 않는 한, 1차 연료, 다단식 연료, 및 공기 공급 모두가 노 스택 내에 2 내지 3%(건조 체적)의 과잉 O2를 유지시키도록 비례하여 변화될 수 있다. 이러한 조건이 (전형적으로 약 1350℉의 노 온도 이하에서) 발생하기 전에, 다단식 연료는 이어서 턴 오프(turn off)될 수 있고, 장치 연소 챔버 내에 정착되는 1차 화염만을 작동시킴으로써 낮은 CO 및 NOx 배출이 유지될 수 있다.
많은 응용에서, 연료 조성은 버너의 작동 동안 변화될 수 있다. 연료의 변화하는 조성으로 인해, NOx 및 CO 배출의 변화가 있을 수 있다. 또한, NOx 및 CO 배출의 변화를 유발하는 변화는 (공기 중의 상대 습도와 같은) 연소 공기 조건, 및 버너 화염 주위의 노 연도-가스 온도이다. 모든 이들 시스템 조건은 NOx 및 CO 배출의 큰 변화를 야기할 수 있다. 따라서, 본 발명은 또한, 바람직한 NOx 및 CO 배출을 유지하도록 버너를 조절하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
대체적으로, 이 시스템 및 방법은 연료 조성의 변화를 검출하기 위해 연료 조성을 모니터링할 것이다. 결정은 단속적인 간격을 두고 또는 주기적인 간격을 두고 이루어질 수 있거나, 연속적으로 결정될 수 있다. 시스템 및 공정은 또한 시스템 내로의 1차 연료의 유량 및 시스템 내로의 2차 연료의 유량을 모니터링한다. 또한, 시스템은 노 또는 버너 내의 다양한 위치에서 단열 화염 온도(AFT)를 결정한다. 전형적으로, 이들 위치는 적어도 1차 연소 구역 및 2차 연소 구역을 포함할 것이다. 이들 AFT 값은 연료 조성 및 버너 및/또는 노 내로 도입되는 공기의 양으로부터 계산될 수 있으며, 이러한 경우에 버너/노 내로의 연소 공기 유동이 모니터링된다. 대안적으로, 실제 화염 온도가 센서에 의해 각각의 위치에 대해 모니터링될 수 있다.
AFT 값이 결정된 후에, NOx를 최소화시키는 데 필요한 공기량이 결정된다. 공기량은 AFT 값 및 실험 곡선에 기초하여 결정될 수 있으며, 여기에서 실험 곡선은 과잉 공기량(연소의 화학 반응을 달성하는 데 필요한 화학량론적 공기 유동을 초과하는 공기의 양)에 대한 실험 데이터 및 복수의 연료 조성에 대한 단열 화염 온도(AFT)로부터 도출된다.
공기량 결정에 기초하여, 1차 연료의 유량, 2차 연료의 유량, 버너 및/또는 노 내로 도입되는 공기의 양, 및 버너 및/또는 노 내로 도입되는 공기의 분포 중 적어도 하나가 조절된다. 인식될 바와 같이, 연료 유량이 조절되는 경우, 조절 단계는 전형적으로, 적어도 1차 연료의 유량 및 2차 연료의 유량 둘 모두에 대한 것이다. 또한, 1차 연료의 유량 및 2차 연료의 유량은 전형적으로 동시에 조절된다. 예를 들어, 1차 연료의 유량이 증가됨에 따라, 2차 연료의 유량은 동시에 감소된다.
이 방법 및 시스템은 도 17을 참조하여 추가로 이해될 수 있다. 버너 스타트-업 절차(950)에 이은 정상 버너 작동의 경우가 다양한 단계로 개략적으로 설명된다.
비활성 상태에 있는 노에 대해, 버너 스타트-업 절차(950)가 실시된다. 먼저 단계(952)에서, 블로워의 개시에 의해 연소 공기 유동이 확립되고, 점화 유닛을 통해 도입된 점화 연료가, 예를 들어 직접 스파크 점화기를 사용함으로써 점화된다. 점화 유닛은 스월러-타입 점화 유닛 또는 타일-레지 점화 유닛과 같은 임의의 적합한 설계일 수 있다.
점화 화염이 점화 유닛에 대해 확립되자마자, 단계(954)가 실시된다. 단계(954)에서, 1차 연료 및 연소 공기 혼합물이 1차 연료 인젝터를 통해 시작된다. 이어서, 1차 연료 인젝터를 통해 버너 내로 도입된 혼합물이 점화 유닛의 화염에 의해 점화된다.
1차 화염이 확립된 후에, 단계(956)는 1차 연소 구역에서 최대 열 방출을 얻기 위해 1차 연료 유동을 증가시키는 단계를 진행한다. 히터 스택 내의 산소 수준을 제1 과잉 산소 수준으로 유지시키고 배출을 위한 특정 연소 온도와 상관되는 1차 연소 구역 내의 정확한 과잉 공기/산소 수준을 유지시키기 위해, 연소 공기 유동이 또한 증가된다. 전형적으로, 이러한 제1 과잉 산소 수준은 1차 연료가 NOx 및 CO 배출을 최소화시키도록 계산된 산소 수준에서 연소되도록 허용하기에 충분할 것이다. 예를 들어, 단계(956)에서, 1차 연료에는 1차 연소 구역에서 1차 연료를 연소시키고 7 내지 11%(건조 체적)의 스택 내의 산소 수준(제1 과잉 산소 수준)을 유지시키기에 충분한 산소가 도입될 수 있다. 이는 2차 연료 유동이 단계(958)에서 시작될 때 2차 연소 구역에서 2차 연료를 연소시키고 정상 버너 작동(960) 동안 스택 내에 나머지 2 내지 3%의 산소 수준을 남기도록 계산될 수 있다. 2 내지 3%의 산소 수준은 연료 효율을 최대화시키기 위해 점화식 장비(fired equipment)에서 정상 과잉 산소 수준으로서 적용되는 전형적인 표준이다. 위에 나타낸 바와 같이, 본 명세서에 사용되는 바와 같은 "스택" 또는 "노 스택"은 연도 가스의 배출 및 과잉 산소 함량이 측정될 수 있는 노 연소 구역의 하류의 임의의 지점을 포함한다. 전형적으로, 이러한 지점은 노의 복사 섹션의 스택 또는 출구 연도 내에 있을 것이지만, 일부 실시예에서는 노 내에 있지만 연소 구역 외부에 있는 구역일 수 있거나, 노의 출구 연도로부터 바로 하류에 있는 구역일 수 있다.
이어서, 버너 스타트-업 절차(950) 동안, 다단식 연료 또는 2차 연료가 다단식 연료 팁으로부터 노 내로 배출되는 단계(958)가 실시된다. 1차 연소 구역으로부터의 열 방출 및 그에 따른 최대 총 열 방출을 증가시키기 위해, 노는 2차 연료 제트를 배출하기 위한 다단식 연료 팁을 구비한다. 다단식 연료의 배출은 1차 연료로부터 방출되는 열의 증가를 허용하여, 1차 화염으로부터 과잉 산소를 소비함으로써 방출되는 총 열을 최대화시킨다.
따라서, 노 온도가 1차 연료의 연소에 의해 다단식 연료에 충분한 온도로 상승된 후에, 2차 연료 유동이 다단식 연료 팁을 통해 시작된다. 일단 2차 연료 유동이 시작되면, 1차 연료 유동, 다단식 연료 유동 및/또는 연소 공기 유동이 공정에 필요한 총 버너 열 방출(1차 및 2차 연료 함께)을 달성하도록 조절될 수 있다.
예를 들어, 버너가 5 MMBtu/hr 열 방출에서 작동하여 1차 연료 도입(1차 인젝터 및 점화 유닛)만을 갖고, 혼합물이 타일 내부에서 안정화된 화염으로 연소되는 경우, 노 스택 내의 산소 농도는 7 내지 11%(건조 체적)로 설정될 수 있다. 이때, 블로워 연소 공기 유량은 고정될 수 있고, 2차 (다단식) 연료 유동은 점진적으로 증가되어 과잉 산소를 소비하고 8 MMBtu/hr의 열 방출률을 달성할 수 있다. 스택 산소 함량은, 예를 들어 최대 열 방출에서 히터 작동에 대한 일반적인 요건인 2 내지 3%(건조 체적)로 감소될 것이다.
대안적으로, 일단 노 온도가 다단식 연료 점화에 충분하면, 다단식 연료 도입이 개시될 수 있고, 상당히 더 많은 총 연료(조합된 1차 및 2차 연료)를 점화시킬 필요 없이 노 스택 내의 원하는 산소 함량 - 예를 들어 2 내지 3%(건조 체적)의 산소 - 을 달성하기 위해 2차 연료 유동을 증가시키면서 1차 연료 및 공기 유동이 감소될 수 있다.
일단 다단식 연료가 시작되고, 스택 내의 사전결정된 산소 수준이 달성되었으면, 노는 정상 버너 작동 상태에 있다. 현재 공정에 따르면, 정상 버너 작동(960) 동안, 1차 및 2차 연료 유동 둘 모두와 공기 공급은 노 스택 내의 사전결정된 과잉 산소, 이러한 예에서는 노 스택 내의 2 내지 3%(건조 체적) 초과의 과잉 산소를 유지시키도록 비례하여 변화될 수 있다. 전형적으로, 1차 및 2차 연료 유동만이 변화될 것이다. 또한, 다단식 연료가 추가의 CO 배출을 일으키기 시작할 사전결정된 하한치 미만으로 환경(히터 연도-가스 브리지월) 온도가 떨어지지 않는 한, 노는 1차 및 2차 연료와 낮은 과잉 스택 산소로 계속 작동할 것이다. 그러나, 온도가 하한치(예를 들어, -1350℉의 노 온도 이하)에 접근하면, 다단식 연료는 턴 오프될 수 있고, 버너 연소 챔버 내의 화염 홀더에 부착된 1차 연료 화염만을 작동시킴으로써 낮은 CO 배출이 유지될 수 있다.
본 방법은 연료(1차 및 2차) 조성 변화뿐만 아니라 습도 수준과 같은 다른 시스템 변화에 응답하여 노의 정상 작동의 제어를 위해 필요한 것을 제공한다. 예를 들어, 작동 동안, 연료는 연료를 구성하는 혼합 가스의 비가 단속적으로, 주기적으로 또는 연속적으로 변할 수 있다. 예를 들어, 연료는 대체적으로 천연 가스, 에탄, 프로판 및 수소 및 추가적으로 다른 중질 탄화수소의 조합을 포함한다. 이들 성분의 비가 변하면, 연소의 단열 화염 온도가 변한다. 예를 들어, 수소의 비율이 증가하면, 연료가 더 고온 상태에서 연소될 것이고, 수소의 비율이 감소하면, 연료가 더 저온 상태에서 연소될 것이다.
공정의 정상 버너 작동 단계(960) 동안, 연료 혼합물 성분이 단계(962) 동안 결정된다. 또한, 단계(962) 동안, 노 내로의 1차 및 2차 연료의 유동이 측정되고 추적된다. 전형적으로, 1차 연료 팁을 통한, 다단식 연료 팁을 통한 그리고 점화 유닛(사용되는 경우)을 통한 연료의 유동이 측정될 것이다. 또한, 시스템에 사용되는 다른 연료 팁이 있는 경우, 이들 연료 팁을 통한 연료의 유동이 또한 추적되고 측정될 수 있다.
이어서, 단계(964)에서, 측정된 데이터가 각각의 측정된 지점에 대한 연료 조성의 단열 화염 온도(AFT)를 계산하는 데 사용된다. 단계(966)에서, 실험 데이터 곡선 및 연료의 계산된 AFT가 각각의 측정된 연료 조성에 필요한 과잉 공기(EXA) 수준을 결정하는 데 사용된다. 이러한 EXA 수준을 유지시키는 것은, 연료 가스 조성이 단속적으로, 지속적으로 또는 주기적으로 변하더라도, 시스템이 1차 연소 구역에서 출력되는 NOx 배출을 최소화시키도록 허용한다.
실험 데이터 곡선은 EXA(람다) 대 AFT 곡선이다. 과잉 공기 대 AFT의 일례가 도 18과 같이 예시되어 있다. 람다는 버너를 통해 나오는 총 공기 유동 대 화학량론적 공기 유동의 비이다. 과잉 공기(EXA)는 화학량론적 유동 초과의 백분율로서 표현될 수 있으며, 예를 들어 λ가 1.0이면, EXA는 0%이고; λ가 1.75이면, EXA는 75%이며; λ가 2.0이면, EXA는 100%이고; λ가 3.0이면, EXA는 200%이다. AFT 수는 연료 가스 조성 및 연소 공기 특성에 기초하여 계산된다. EXA는 출력되는 최소 가능 NOx 배출을 목표로 각각의 연료 조성에 대해 실험적으로 결정된다. 또한, 실험 데이터는 연소 공정이 자체-유지될 수 있도록 충분히 높은 AFT를 유지시키면서(추가의 일정한 점화원이 존재하지 않는 상태에서 안정적임) NOx 배출을 최소화시키기 위해 연료 조성당 최저 가능 AFT를 결정하는 데 사용될 수 있다.
본 방법은 변화하는 연료 조성 가스의 연속 샘플링 및 측정에 이어서, 출력되는 최소 NOx 배출을 얻기 위해 버너의 주요 부분을 작동시키는 데 필요한 과잉 공기 EXA의 추가의 결정과 함께 단열 화염 온도(AFT)의 계산(또는 화염 온도의 직접적인 측정)을 포함할 수 있다.
대안적인 실시예에서, 하나 이상의 센서가 스택 내의 산소 함량, 스택 내의 NOx 및/또는 CO 수준을 측정한다. 이어서, 이들 측정된 값은 EXA(람다) 대 AFT 곡선 대신에, 하기 단계에서 시스템에 행해질 조절을 결정하는 데 사용될 수 있다.
히터 작동 동안 연료 조성의 연속적인, 단속적인 또는 주기적인 변화와 같은 작동 조건의 변화 - 및 그에 따른 AFT 및 궁극적으로 NOx 및 CO 배출의 변화 - 로 인해, 다음 단계(968)는 노 내에서의 연료 연소에 의해 방출되는 총 열량을 일정하게 유지시키도록 1차 연료 유동, 2차 연료 유동 및/또는 연소 공기 유동을 조절하는 것이다. 따라서, 시스템은 노 내의(또는 히터 내의) 총 연료 유동 또는 열 방출이 변화하지 않는(일정한) 그러한 방식으로 노 내의 연료 가스 분포 및/또는 연소 공기가 점화 구역에 따라 동적으로 변화하도록 허용한다.
예를 들어, 연료 조성이 더 높은 화염 온도(예를 들어, 더 높은 수소 함량에 의해 야기됨)로 이동하면, 1차 연소 구역 내의 요구되는 연소 공기 유동이 고정되는 경우, 1차 연료 유동이 감소되면서 동시에 2차 연료 유동을 증가시킬 수 있다. 따라서, 1차 및 2차 연료 유동은 버너(또는 히터/노)로의 총 연료 유동 및 연료 연소에 의해 방출되는 총 열량이 변화하지 않는 그러한 방식으로 동시에 조절될 수 있으며; 즉, 그것들은 일정하다. 따라서, 연소 공기 유동을 고정시키고, 1차 연료 유동을 감소시키는 동시에 2차 연료 유동을 증가시키는 것은 버너의 1차 구역에서의 EXA 유동 증가로 이어지는데, 이는 정확하게는, 연료 조성에 기초하여 변하지 않는 NOx 및 CO 배출을 얻기 위해, 더 높은 수소 함량 연료와 같은 더 고온의 연소 연료에 필요한 것이다.
연료 유동이 변화될 때, 히터 스택 내의 측정된 산소 함량은 대체적으로 사전결정된 범위로, 예를 들어 스택 내의 총 기체 함량을 기준으로 1 내지 4%(건조 체적), 또는 2 내지 3%(건조 체적), 또는 2.5 내지 3%(건조 체적)로 유지될 필요가 있을 것이다. 따라서, 1차 및 2차 연료 유동을 변화시키는 것은 최종 단계(970)에서, 스택 내의 산소 함량이 항상 사전결정된 범위 내에 있도록 보장하기 위해 총 연소 공기에 대한 조절을 필요로 할 수 있다.
인식될 바와 같이, 정상 버너 작동 단계(960)는, 연료 조성이 단계(962)에서 지속적으로 모니터링되고, 연료 조성의 상당한 변화가 있을 때마다; 즉, 연료 조성의 변화가 NOx 배출의 적어도 5% 변화, 전형적으로는 NOx 배출의 적어도 10% 변화, 그리고 더 전형적으로는 NOx 배출의 적어도 15% 변화를 일으킬 가능성이 있을 때마다 단계(964) 내지 단계(970)가 수행되는 진행중인(ongoing) 공정이다. 그러나, 이러한 변화는 배출 목표 및 노에 대한 확립된 마진(margin)에 따라 달라질 수 있다. 종래의 노는 하루에 NOx 배출이 25% 내지 50%만큼 변할 수 있지만; 현재의 시스템 및 방법을 사용하는 노는 하루에 NOx 배출의 5% 미만의 변화로 감소될 수 있다.
또한, 인식될 바와 같이, 연료의 조절이 위의 설명과 반대일 수 있는데, 즉 연료 조성의 변화가 1차 연료 유동을 증가시키고 동시에 2차 연료 유동을 감소시키는 것을 필요로 할 수 있다. 예를 들어, 연료가 이전의 조성보다 더 저온 상태에서 연소되는 조성으로 변화할 때, 예컨대 연료 조성이 더 적은 수소 함량을 갖도록 변화할 때, 1차 연료 유동이 증가될 필요가 있을 수 있고, 2차 연료 유동이 감소될 필요가 있을 수 있다. 추가로, 연료 유동의 그러한 변화는 또한, 스택 내의 산소를 사전결정된 범위로 유지시키기 위해 총 연소 공기를 증가 또는 감소시키는 것을 필요로 할 수 있다.
이제 도 19를 참조하면, 전술된 공정을 수행하기 위한 시스템(972)의 개략도가 예시된다. 시스템(972)은 스택(504), 복수의 연료 분배기(978) 및 컴퓨터 처리 시스템(CPS)(980)을 갖는 노(500)를 포함한다. 또한, 노(500)는 전술된 버너 실시예에 따를 수 있는, 내화 타일, 연료 팁, 플리넘 등과 같은 노 내에서 연료를 점화 및 연소시키기 위한 구성요소를 전형적으로 갖는 버너를 포함한다. 도 19에서는, 버너의 플리넘(985)만을 볼 수 있다.
연료 분배기(978)는 연료 라인(982)을 통해 (1차 연료 인젝터 및 점화 유닛 둘 모두를 위한) 1차 연료를 그리고 연료 라인(984)을 통해 2차 연료를 제공한다. 대체적으로, 1차 연료 및 2차 연료의 연료 유량이 별도로 제어될 수 있도록 1차 연료 및 2차 연료를 위한 별개의 연료 분배기가 있을 것이다. 또한, 흔히 1차 연료 인젝터 및 점화 유닛은 별도의 분배기를 가질 것이며, 따라서 이들에 대한 연료 소비율(fuel rate)이 별도로 제어될 수 있다. 연료 라인(982 및/또는 984)은 플리넘(985)(노(500) 내에 적어도 부분적으로 수용되는 버너의 일부를 형성함)을 통과하며, 여기에서 플리넘으로부터의 연소 공기가 예컨대 혼합 관의 사용에 의해, 연료 라인을 통과하는 연료와 혼합될 수 있다. 전형적으로, 1차 인젝터를 위한 연료 라인(982)은 연료-공기 혼합물을 도입할 것이다.
하나 이상의 센서(986)는 1차 연료 및 2차 연료의 조성을 결정하기 위해 연료의 측정을 수행하고 결과 데이터를 CPS(980)로 전송한다. 1차 및 2차 연료의 유량을 각각의 센서(988, 990)가 측정하여, 그 결과 데이터를 CPS(980)로 전송한다. 일부 실시예에서, 시스템(972)은 센서(992, 994)를 사용하여, 노(500) 내의 1차 연소 구역 및 2차 연소 구역을 포함하는 다양한 위치에서 단열 화염 온도를 측정한다. 다른 실시예에서, 단열 화염 온도는 연료 조성 및 사전로딩된 실험 데이터에 기초하여 CPS(980)에 의해 결정된다. 또한, 시스템(972)은 센서(996)를 이용하여 노 스택(504) 내의 NOx, CO 및/또는 과잉 공기량을 측정할 수 있다. 다양한 밸브 및 액추에이터(998)가 연료의 유동, 및 일부 실시예에서는 노 내로의 공기의 유동을 제어하는 데 사용될 수 있다. CPS(980)는 1차 연료 유동, 2차 연료 유동 및 연소 공기 유동을 독립적으로 조절하기 위해 밸브 및 액추에이터를 제어하도록 구성될 수 있다. 인식될 바와 같이, CPS(980)는 컴퓨터 메모리, 컴퓨터 처리 유닛 및 유사한 표준 컴퓨터 시스템 구성요소를 포함할 것이다. CPS는 노에 대한 다양한 조건을 계산하는 데 그리고 1차 연료, 2차 연료 및 연소 공기에 대한 유량을 조절하는 데 이용된다. 예를 들어, AFT는 연료 조성에 기초하여 계산될 수 있고, NOx를 최소화시키기 위한 공기량은 실험 곡선 데이터에 기초하여 계산될 수 있다.
시스템(972)은 측정, 계산, 실험 데이터에 대한 참조, 및 노 시스템의 조절에 관한 특징들을 상호관련시킨다. 시스템(972)은 지속적으로 변화하는 연료 조성 가스(예를 들어, 천연 가스, 프로판, 수소)의 연속 샘플링 및 측정에 이어서, 최소 NOx, CO 또는 출력되는 다른 배출물을 얻기 위해 버너를 작동시키는 데 필요한 과잉 공기(EXA)의 추가의 결정과 함께 단열 화염 온도(AFT) 및/또는 예측 배출의 계산 또는 측정을 제공한다.
위의 시스템 및 공정은 다양한 노(히터) 시스템에 적용가능하다. 예를 들어, 본 시스템 및 공정은 모든 연소 공기가 낮은 화염 정착을 이용하여 버너 챔버 내로 1차 연료와 함께 도입되는 노 시스템에서 사용될 수 있다.
본 발명의 장치, 시스템 및 방법은 도면에 예시된 특정 실시예에 관하여 기술되었지만; 실시예는 그들 특정 실시예로 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 당업자에게 명백할 바와 같이, 일 실시예의 특징들은 그것들이 다른 실시예의 요소와 직접 상충되지 않는 한 다른 실시예들 중 하나에 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 7의 발산 타일은 도 7에 대해 개시된 특정 점화 유닛이 그러할 수 있는 바와 같이 다른 실시예들 중 임의의 것과 관련하여 사용될 수 있다. 또한 예를 들어, 도 19는 도 17의 공정을 수행하기 위한 시스템을 예시한다. 도 19가 도 6에 예시된 바와 같은 중심 공기 관을 도시하지 않지만, 당업자는 본 발명에 기초하여, 도 17 및 도 19에 묘사된 시스템 및 공정이 도 6에 예시된 것과 같은 중심 공기 관을 통한 공기의 유동을 제어하도록 쉽게 구성될 수 있음을 인식할 것이다.
조성 및 방법이 다양한 구성요소 또는 단계를 "포함하는", "갖는", 또는 "구비하는" 것의 관점으로 기술되어 있지만, 이들 조성 및 방법은 또한 그들 다양한 구성요소 및 단계로 "본질적으로 이루어질" 수 있거나 또는 "이루어질" 수 있다. 상한치와 하한치를 갖는 수치 범위가 개시될 때마다, 그 범위에 속하는 임의의 숫자 또는 임의의 내포되는 범위가 명확히 개시된다. 구체적으로는, 본 명세서에 개시되는 ("약 a 내지 약 b", 또는 동등하게는 "대략 a에서 b", 또는 동등하게는 "대략 a-b"의 형태의) 모든 값의 범위는 더 넓은 값의 범위 내에 포함되는 모든 숫자 및 범위를 설명하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 용어 "약"이 범위와 관련하여 사용되는 경우, 문맥이 "약"의 다른 정의가 적용됨을 나타내지 않는 한, 그것은 대체적으로 범위 값의 마지막 유효 숫자의 플러스 또는 마이너스 절반을 의미한다.
또한, 청구범위의 용어는 특허권자에 의해 명확하고 분명하게 달리 정의되지 않는 한 보통의 일반적인 의미를 갖는다. 또한, 청구범위에 사용되는 바와 같은 부정 관사("a" 또는 "an")는 그것이 도입하는 요소들 중 하나 또는 하나 초과를 의미하는 것으로 본 명세서에서 정의된다. 본 명세서 및 본 명세서에 참고로 포함될 수 있는 하나 이상의 특허(들) 또는 다른 문헌에서의 단어 또는 용어의 사용에 임의의 상충이 있는 경우, 본 명세서와 일치하는 정의가 채택되어야 한다.

Claims (39)

  1. 낮은 NOx 함량 및 낮은 CO 함량을 갖는 연도 가스(flue gas)가 형성되도록 연료가 연소되는 노 공간 내로 상기 연료 및 일정량의 공기를 배출하는 방법으로서,
    상기 연료의 제1 부분 및 실질적으로 모든 공기를 혼합하여 희박 1차 연료-공기 혼합물을 형성하는 단계;
    버너 타일(burner tile)을 둘러싸는 노 환경이 존재하도록 상기 버너 타일에 의해 한정되는 1차 연소 구역 내에서 상기 노 공간 내로 상기 희박 1차 연료-공기 혼합물을 배출하는 단계; 및
    상기 1차 연소 구역에서 상기 1차 연료-공기 혼합물을 연소시켜 화염 및 그에 따라 생성된 연도 가스를 생성하는 단계 - 상기 1차 연소 구역은 제1 단부 및 제2 단부를 갖고, 상기 희박 1차 연료-공기 혼합물은 상기 화염이 상기 1차 연소 구역 내에서 상기 제1 단부에 인접하게 정착되고 생성된 연도 가스가 상기 제2 단부에서 상기 노 환경 내로 배출되도록 도입됨 - 를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 희박 1차 연료-공기 혼합물의 배출은 상기 연료의 제1 부분 및 실질적으로 모든 공기가 혼합되어 상기 연료-공기 혼합물을 형성하는 적어도 하나의 관을 통해 이루어지고, 상기 1차 연소 구역의 제1 단부는 상기 적어도 하나의 관을 통한 것 이외의 공기 도입에 대해 폐쇄되는, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 연료의 제2 부분이 상기 1차 연소 구역의 하류에 2차 연소 구역을 형성하고 상기 2차 연소 구역에 대한 실질적으로 모든 공기가 상기 희박 1차 연료-공기 혼합물에 의해 제공되도록 상기 1차 연소 구역 외부에서 상기 노 내로 연료의 상기 제2 부분을 도입하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  4. 제3항에 있어서, 실질적으로 모든 공기는 상기 연료의 제1 부분 및 상기 연료의 제2 부분을 연소시키는 데 필요한 상기 공기에 기초하여 상기 연료의 연소에 필요한 상기 공기의 적어도 97%인, 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 연료의 조성을 결정하는 단계;
    상기 연료의 제1 부분의 유량 및 상기 연료의 제2 부분의 유량을 결정하는 단계;
    상기 연료의 조성에 대한 단열 화염 온도(AFT)를 결정하는 단계;
    상기 AFT에 기초하여 사전결정된 NOx 배출 수준을 생성하는 데 필요한 과잉 공기량을 결정하는 단계; 및
    상기 연료의 제1 부분의 유량, 상기 연료의 제2 부분의 유량, NOx를 최소화시키는 데 필요한 과잉 공기량에 기초한 공기의 양, 및 상기 버너 내의 공기의 분포 중 적어도 하나를 조절하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 조절하는 단계는 상기 연료의 제1 부분의 유량 및 상기 연료의 제2 부분의 유량 둘 모두를 조절하는 단계를 포함하는, 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 연료의 제1 부분의 유량 및 상기 연료의 제2 부분의 유량은 동시에 조절되는, 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 희박 1차 연료-공기 혼합물의 배출은 상기 1차 연소 구역 및 2차 연소 구역에 대한 모든 상기 공기와 상기 연료의 제1 부분이 혼합되어 상기 연료-공기 혼합물을 형성하는 복수의 관을 통해 이루어지고, 상기 연료-공기 혼합물은 단지 상기 관을 통해서만 상기 1차 연소 구역에 공급되는, 방법.
  9. 연료 가스 버너 장치로서,
    버너 타일 - 상기 버너 타일은:
    기부;
    상기 기부 반대편에 있는 배출 단부 - 상기 배출 단부는 배출 출구를 한정함 -; 및
    상기 기부를 상기 배출 단부에 연결하고 상기 배출 출구를 둘러싸는 벽 - 상기 벽은 노 내로 연장되고, 1차 연소 챔버를 한정하는 내부 표면 및 외부 표면을 가지고, 상기 배출 출구는 상기 1차 연소 챔버로부터 상기 노 내로 유동을 허용함 - 을 포함함 -;
    상기 연소 챔버 내에 위치되는 복수의 화염 홀더(flame holder); 및
    복수의 1차 관 -
    상기 각각의 1차 관은 출구 단부를 갖고, 상기 각각의 1차 관은 연료-공기 혼합물을 상기 1차 연소 챔버 내로 도입시키도록 구성되고, 상기 출구 단부는 연료-공기 혼합물이 상기 출구 단부를 통해 상기 1차 연소 챔버 내로 도입되어 상기 화염 홀더와 만나서 연료-공기 혼합물의 연소로 인한 화염이 상기 1차 연소 챔버내에 정착(anchor)하도록 상기 화염 홀더에 대해 위치되는, 연료 가스 버너 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 버너는 상기 노 내로 도입되는 연료의 연소를 위한 실질적으로 모든 공기가 상기 1차 관을 통해 도입되도록 구성되는, 연료 가스 버너 장치.
  11. 제10항에 있어서, 2차 다단식 연료 가스가 상기 버너 타일의 외부로부터 상기 버너 타일의 배출 출구에서 하류에 있는 지점으로 분사되도록 연료 가스의 공급원에 연결되고 상기 버너 장치와 작동가능하게 연관되는 복수의 2차 연료 팁을 포함하는, 연료 가스 버너 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 1차 관 및 상기 2차 연료 팁을 통해 도입되는 연료의 양이 제어될 수 있는 컴퓨터 처리 시스템을 추가로 포함하는, 연료 가스 버너 장치.
  13. 제9항에 있어서, 상기 화염 홀더는 상기 1차 관의 출구 단부에 부착되는, 연료 가스 버너 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 화염 홀더는 천공을 갖는 원통형 형상, 컵 형상, 원추 형상 및 피라미드 형상으로부터 선택되는 형상을 갖는, 연료 가스 버너 장치.
  15. 제9항에 있어서, 점화 유닛을 더 포함하고,
    상기 점화 유닛은:
    내부 표면, 제1 단부 및 제2 단부를 갖는 라이저 관(riser tube) - 상기 라이저 관의 제2 단부는 상기 타일 내에 있고, 상기 연소 챔버와 유체 유동 접촉함 -;
    연료 공급부와 유체 유동 접촉하는 제1 단부 및 상기 라이저 관 내의 제2 단부를 갖는 연료 랜스(fuel lance) - 상기 연료 랜스의 제2 단부는 상기 라이저 관 내에서 원주방향으로 그리고 종방향으로 이동하고 상기 라이저 관의 제2 단부로부터 상기 연소 챔버 내로 통과하게 연료를 분사하도록 구성되는 배출 노즐을 가짐 -; 및
    상기 라이저 관의 제2 단부를 통과하는 상기 연료-공기 혼합물을 점화시키는 점화기를 포함하는, 연료 가스 버너 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 라이저 관의 제2 단부는 만곡된 발산 벽을 갖는 스월러 컵(swirler cup)을 추가로 포함하는, 연료 가스 버너 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 라이저 관의 제1 단부는 상기 배출 노즐로부터의 연료가 상기 라이저 관을 통과하는 공기와 혼합되어 스월링(swirling) 공기-연료 혼합물을 생성하도록 상기 라이저 관 내로의 공기의 유입을 허용하도록 구성되는, 연료 가스 버너 장치.
  18. 제9항에 있어서, 점화 유닛을 더 포함하고,
    상기 점화 유닛은:
    연료 공급부와 유체 유동 접촉하는 제1 단부 및 제2 단부를 갖는 중심 관 - 상기 중심 관의 제2 단부는 상기 연소 챔버 내에 있고, 상기 타일의 벽의 내부 표면을 따라 원주방향으로 상기 연소 챔버 내부로 연료를 배출하도록 구성되는 적어도 하나의 배출 노즐을 가짐 -; 및
    상기 배출 노즐을 통과하는 상기 연료를 점화시키는 점화기를 포함하는, 연료 가스 버너 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 중심 관은 상기 타일의 벽의 내부 표면을 향해 상기 중심 관으로부터 밖으로 연장되는 하나 이상의 레그(leg)를 추가로 포함하고, 상기 레그는 상기 적어도 하나의 배출 노즐에서 상기 벽의 내부 표면에 인접하게 종단되는, 연료 가스 버너 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 노즐은 상기 벽의 내부 표면 상의 레지(ledge) 및 상기 레지에 연결되는 링에 의해 형성되는 공동 내에 위치되는, 연료 가스 버너 장치.
  21. 제18항에 있어서, 상기 배출 노즐로부터 배출되는 상기 연료는 연료-공기 혼합물 내에 있는, 연료 가스 버너 장치.
  22. 제11항에 있어서,
    상기 1차 관을 통해 도입되는 1차 연료의 연료 유량 및 상기 2차 연료 팁을 통해 도입되는 2차 연료의 연료 유량을 측정하기 위한 복수의 센서;
    상기 1차 연료의 연료 유량 및 상기 2차 연료의 연료 유량을 제어하기 위한 복수의 밸브; 및
    상기 센서 및 밸브에 작동가능하게 연결되고, 상기 1차 및 2차 연료의 조성, 상기 1차 및 2차 연료의 단열 화염 온도, 및 NOx 배출의 양에 대한 측정된 값 중 하나 이상에 기초하여 상기 1차 연료의 유량 및 상기 2차 연료의 연료 유량을 조절하도록 구성되는 컴퓨터 처리 시스템을 추가로 포함하는, 연료 가스 버너 장치.
  23. 제22항에 있어서, 상기 버너는 상기 노 내로 도입되는 연료의 연소를 위한 실질적으로 모든 공기가 상기 1차 관을 통해 도입되도록 구성되는, 연료 가스 버너 장치.
  24. 제23항에 있어서, 상기 화염 홀더는 상기 1차 관의 출구 단부에 부착되는, 연료 가스 버너 장치.
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