고온 산소 발생기의 신뢰성 있는 점화

고온 산소 발생기의 신뢰성 있는 점화{RELIABLE IGNITION OF HOT OXYGEN GENERATOR}

본 발명은 고온 산소 스트림을 형성하는 것, 특히 그와 같은 스트림을 발생시키는 방법에 관한 것이다.

수많은 산업적인 공정은 산소 함량이 공정에 따라 22 부피%부터 99 부피% 초과까지일 수도 있는 기체 산화제 스트림으로서 제공되는 산소를 사용한다. 이러한 수많은 공정에서는 기체 산화제 스트림이 주변보다 고온인 경우, 흔히 스트림의 온도가 1000℉ 또는 심지어 2000℉를 초과하는 경우, 및 기체 산화제 스트림이 상당한 속도를 갖는 경우 유익하다.

본 발명은 고온 산소 스트림을 제공하는 유용한 방법을 제공한다.

본 발명의 한 양상은 고온 산소 스트림을 형성하는 방법으로서,

(A) 출구 오리피스가 있는 덕트를 제공하고, 상기 덕트 내부에 배치하고 상기 덕트 내에서 축 방향으로 이동가능한 중공 연료 랜스 - 상기 랜스는 상기 덕트의 상기 출구 오리피스에 더 가까운 상기 랜스의 단부에 연료 배출구를 구비함 - 를 제공하는 단계;

(B) 상기 연료 랜스 내 기체 연료를 상기 연료 배출구로부터 상기 연료 배출구와 상기 출구 오리피스 사이의 상기 덕트 내 공간에 있는 상기 덕트로 흐르게 하고, 상기 덕트 내 기체 산화제를 상기 출구 오리피스 쪽에 있는 상기 공간으로 흐르게 하고, 이로 인해 상기 기체 산화제와 상기 기체 연료의 혼합물을 상기 공간에 형성하는 단계;

(C) 상기 혼합물을 상기 덕트로부터 상기 출구 오리피스를 통해 분위기 - 상기 분위기는 상기 분위기 외의 다른 점화원의 도움없이 상기 혼합물을 점화할 정도로 고온임 - 로 흐르게 하고, 상기 혼합물을 상기 덕트로 연장되지 않는 화염에서 연소시키는 단계;

(D) 이어서 상기 연료 배출구를 상기 출구 오리피스 쪽으로 이동시키기 위하여 상기 연료 랜스를 이동시켜 상기 연료 배출구는 바람직하게는 상기 덕트 출구 오리피스 내부에 있지만 상기 출구 오리피스 외부로 돌출할 수도 있고, 상기 화염의 베이스가 상기 연료 배출구로 이동하는 단계; 및 이어서

(E) 상기 연료 배출구를 상기 출구 오리피스로부터 멀리 상기 덕트 내부로 이동시키기 위하여 상기 연료 랜스를 이동시키면서, 화염의 베이스가 상기 연료 배출구에 존재하도록 상기 화염을 유지하는 단계; 및

(F) 상기 화염의 베이스가 상기 연료 배출구로 이동한 후, 상기 출구 오리피스를 향한 상기 덕트 내 상기 기체 산화제의 유속을 증가시키는 단계

를 포함하고,

상기 증가한 유속에서 상기 기체 산화제의 산소는 상기 덕트로 흐르는 상기 기체 연료에 비해 완전 연소를 위해 요구되는 화학양론적 양 초과이고, 상기 초과 산소는 상기 연소를 통해 상기 덕트에서 가열되어 상기 출구 오리피스로부터 고온 산화제 스트림으로서 나오는, 고온 산소 스트림을 형성하는 방법이다.

본 발명의 또 다른 양상은 고온 산소 스트림을 형성하는 데 유용한 장치로서,

(A) 출구 오리피스가 있는 덕트;

(B) 기체 산화제의 공급원으로서, 제어가능하게 변경할 수 있는 유속으로 상기 산화제를 상기 덕트로 공급할 수 있는 기체 산화제의 공급원;

(C) 상기 덕트 내부에 배치하고 상기 덕트 내에서 축 방향으로 이동가능한 중공 연료 랜스로서, 상기 덕트의 상기 출구 오리피스에 더 가까운 상기 랜스의 단부에 연료 배출구를 구비하는 중공 연료 랜스, 및 상기 연료 랜스를 상기 덕트 내에서 축 방향으로 이동시킬 수 있는 장치;

(D) 기체 연료의 공급원으로서, 제어가능하게 변경할 수 있는 유속으로 상기 연료를 상기 랜스로 공급할 수 있는 기체 연료의 공급원

을 포함하고,

(ⅰ) 상기 기체 산화제의 공급원은 상기 산화제의 산소가 상기 랜스로 공급되는 연료에 비해 완전 연소를 위해 요구되는 화학양론적 양 초과인 유속으로 상기 산화제를 공급할 수 있고; (ⅱ) 상기 연료 랜스가 이동하여 상기 연료 배출구를 상기 출구 오리피스 쪽에 있는 화염 포획 위치로 이동시킬 수 있고, 화염 포획 위치에서 상기 산화제와 상기 연료의 연소로 형성되고 상기 출구 오리피스 외부에만 존재하는 화염이 상기 덕트로 이동할 수 있고, 연료가 상기 연료 배출구로부터 흐르고 산화제가 상기 덕트에서 흐르는 경우 화염의 베이스는 상기 연료 배출구에 존재하고; (ⅲ) 상기 기체 산화제의 공급원과 상기 기체 연료의 공급원은 상기 연료 배출구가 상기 화염 포획 위치에 존재하지 않는 경우 상기 산화제와 상기 연료의 연소 반응으로 형성되고 상기 출구 오리피스 외부에만 존재하는 화염이 상기 덕트로 연장되지 않는 유속으로 상기 산화제와 연료를 공급할 수 있는, 장치이다.

본 발명의 바람직한 양상에서, 상기 장치는 기체 주위 분위기 - 상기 분위기는 상기 분위기 외의 다른 점화원의 도움없이 상기 혼합물을 점화할 수 있을 정도로 고온임 - 를 상기 출구 오리피스 외부에 제공할 수 있는 구조물을 또한 포함한다. 제철 용기의 송풍구가 그와 같은 구조물이다.

도 1은 본 발명에 유용한 장치의 전반적인 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 고온 산소 스트림을 형성하는 데 유용한 장치의 한 부분의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 방법의 상이한 시점에서 도시한, 도 2의 장치의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 방법의 상이한 시점에서 도시한, 도 2의 장치의 단면도이다.
도 5는 산업적인 세팅에서 본 발명의 응용의 한 실시양태의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시에 유용한 한 실시양태의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 장치의 또 다른 실시양태의 단면도이다.

도 1은 고온 산소 스트림을 제조하는 데 유용한 본 발명을 구현하는 장치의 개략적인 표현이다. 장치(1)는, 바람직하게는 균일한 직경의 통로 형태이고, 한 단부에 있는 출구 오리피스(5)에서 종료하는 덕트(3)를 포함한다. 출구 오리피스(5)의 직경이 덕트(3)의 직경 미만인, 도시한 실시양태가 유용하지만, 출구 오리피스(5)의 직경은 덕트(3)의 직경 미만, 초과 또는 동일할 수 있다. 중공 연료 랜스(hollow fuel lance)(7)는 덕트(3) 내에 바람직하게는 덕트(3)와 동일한 축 방향으로 위치한다. 랜스(7)의 두 단부 중 출구 오리피스(5)에 더 가까운 단부가 연료 배출구(9)이다. 연료 배출구(9)는 랜스(7)의 단부에 있는 단일 구멍일 수 있거나, 랜스(7)의 단부를 관통하는 복수의 더 작은 개구를 포함할 수 있다. 랜스(7)는 덕트(3) 내에서 랜스(7)가 축 방향으로 이동할 수 있는 방식으로 덕트(3) 내에 지지되어, 연료 배출구(9)가 출구 오리피스(5)에 가까운 위치로 이동할 수 있고, 랜스(7)는 연료 배출구(9)가 출구 오리피스(5)로부터 더 멀리 덕트(3) 내에 다시 위치하는 방식으로 이동할 수 있다. 랜스(7)의 그와 같은 위치선정과 이동을 가능하게 하는 적합한 지지 베어링 및 본원에서 기술한 랜스(7)를 이동시킬 수 있는 특별한 장치는 도 1에 도시하지 않지만 상세하게 후술한다.

예시의 목적이지만 이에 제한되지 않는 장치(1)의 통상적인 치수로서, 덕트(3)의 내부는 일반적으로 1피트 내지 6피트 길이 및 0.5인치 내지 2.5인치 직경이고, 출구 오리피스는 일반적으로 0.5인치 내지 2.0인치 직경이고, 랜스(7)(덕트(3) 내의 부분)는 일반적으로 1.25피트 내지 6.5피트 길이이고, 랜스의 중공 내부는 일반적으로 0.25인치 내지 1.5인치 직경이다. 단일 연료 배출구가 제공되는 경우 연료 배출구의 직경은 일반적으로 0.125인치 내지 1인치 직경이고, 복수의 연료 배출구가 제공되는 경우 연료 배출구의 직경은 일반적으로 1/32인치 내지 0.375인치이다.

덕트(3)는 적합한 배관(12)을 경유하여, 덕트(3)로 공급하는 기체 산화제의 공급원(11)에 연결한다. 배관(12)은 기체 산화제를 덕트(3)로 공급한다. 공급원(11)은 오퍼레이터가 덕트(3)로의 기체 산화제의 유속을 제어가능하게 변경할 수 있는 제어부를 또한 포함한다. 기체 산화제는 20.9 부피%(즉, 기체 산화제가 공기인 경우)부터 99 부피% 산소 초과까지 범위의 양으로 산소를 함유한다. 바람직하게는, 기체 산화제는 적어도 약 50 부피% 산소, 더욱 바람직하게는 적어도 약 90 부피% 산소를 함유한다.

중공 랜스(7)는 적합한 배관(14)을 경유하여 기체 연료의 공급원(13)에 연결한다. 배관(14)은 연료를 랜스(7)의 중공 내부로 공급한다. 공급원(13)은 오퍼레이터가 랜스(7)로의 기체 연료의 유속을 제어가능하게 변경할 수 있는 제어부를 또한 포함한다. 기체 연료는 일반적으로 임의의 기체 가연성 재료를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 기체 연료는 가연성 탄화수소이다. 바람직한 기체 연료 및 증기 연료의 예로는 천연가스, 메탄, 프로판, 석유가스, 스토브 가스, 발생로 가스, 코크스로 가스, 및 100℃ 이하에서 기체인 알칸, 알켄 및 알킨이 있다. 다른 연료로는 기화된 알코올(예컨대, 에탄올) 및 기화되거나 열분해된 연료유(예컨대, No.2, 디젤, 가솔린 또는 생물연료)가 있을 수도 있다.

출구 오리피스(5)로부터 더 멀리 있는 랜스(7)의 단부는 도 1에 도시하지 않은 본 기술분야의 당업자에게 잘 알려진 적당한 시일(seal)을 관통하여 출구 오리피스(5)에 대향하는 덕트(3)의 단부를 통과한다.

덕트(3)와 랜스(7)는 작동중 노출되는 고온을 견딜 수 있는 재료로 구성해야 한다. 적합한 재료로는 탄소강, 스테인리스강 및 고온 합금이 있다. 덕트(3)는 외부 물 재킷(도시하지 않음)을 통해 냉각수를 흐르게 함으로써 냉각할 수 있다. 그러나 본 발명의 한 장점은 장치의 컴포넌트(특히 덕트, 출구 오리피스, 랜스, 및 랜스의 연료 배출구(팁))가 과도한 가열로 손상되는 것을 방지하는 적당한 냉각은 덕트(3)를 통과하는 기체 산화제와 연료의 유속을 충분히 높게 유지함으로써 제공할 수 있다는 점이다. 이는 예상 밖의 결과인데, 랜스의 단부에 화염을 점화하기 위해서는 유속을 낮춰야하고, 그에 따른 과열의 위험을 견뎌야한다고 예상하기 때문이다. 본 발명에 따르면, 충분한 기체 유속으로 점화를 달성할 수 있어 외부 인가되는 냉각(예컨대 물 재킷을 사용하여 덕트(3)의 벽을 통해 덕트(3) 내부로부터의 열을 부분적으로 또는 완전하게 회수하는 것을 의미함)은 필요하지 않다.

도 2, 3 및 4는 본 발명에 따른 방법의 다양한 단계에서 장치(1)의 한 단부의 도면이다. 도 1에도 나타낸 참조부호는 도 2, 3 및 4에서 동일한 의미를 갖는다. 첫 번째로, 도 2를 참조하면, 랜스(7)는 연료 배출구(9)가 연료 배출구(9)와 출구 오리피스(5) 사이에 공간(15)을 형성하도록 위치한다. 연료 배출구(9)는 후술하는 바와 같이 화염이 출구 오리피스(5)에서 장치(1) 외부에 수립되는 경우 화염이 완전히 덕트(3) 외부에 있을 정도로 출구 오리피스(5)로부터 떨어져 있어야 한다.

도 2에 도시한 본 발명의 단계에서 기체 연료는 랜스(7)를 통해 연료 배출구(9) 밖의 공간(15)으로 흐르고, 기체 산화제는 덕트(3)로 흘러 공간(15)으로 역시 흐른다. 기체 산화제와 기체 연료는 공간(15)에서 혼합되고, 연료와 산화제의 혼합물은 출구 오리피스(5) 밖으로 흐른다. 본 방법의 이 단계에서 제공하는 기체 산화물의 산소는 기체 연료의 완전 연소를 위하여 공급하는 기체 연료의 양에 비해 화학양론적으로 적거나, 동일하거나, 초과할 수도 있다.

본 발명에 따른 방법의 실시에서, 본원에 기술한 장치(1)는 출구 오리피스(5) 바로 밖의 주위 분위기(ambient atmosphere)가 출구 오리피스(5)로부터 나오는 기체 연료와 기체 산화제의 혼합물이 주위 분위기의 열로 인해 점화될 정도로 높은 온도로 존재하도록 위치한다. 혼합물을 점화하기 충분한 온도는 임의의 특별한 응용에서는 쉽게 결정할 수 있지만, 일반적으로는 적어도 1000℉이다. 이러한 점화는 주위 분위기 및 주위 분위기의 높은 온도 외 다른 점화원의 도움없이 발생한다. 즉, 기체 연료와 기체 산화제의 혼합물은 개방 화염(open flame), 스파크 발생기, 고저항 와이어 등과 같은 통상적인 점화기 또는 점화원의 도움없이도 점화된다. 이러한 고온 주위 분위기를 제공하는 상황의 예는 후술한다.

출구 오리피스(5) 외부의 고온 주위 분위기에 의한 기체 연료와 기체 산화제의 혼합물의 점화로 인해 연료와 산화제는 화염에서 연소하는데, 화염의 베이스(base)는 덕트(3)로 연장되지 않는다. 화염의 베이스는 출구 오리피스(5)에 존재할 수도 있거나 출구 오리피스(5)로부터 분리될 수도 있다. 이 공정 단계에서, 기체 연료와 기체 산화제는 연소시키는 화염이 덕트(3)로 상류로 전파되지 않을 정도로 높은 속도로 출구 오리피스(5)를 통해 공급된다. 이 공정 단계에서 덕트(3)를 통과하는 기체 산화제의 유속(및 바람직하게는 또한 연료의 유속)은 (유속이 나중에 증가할 수 있도록) 설계 유속 미만이어야 한다.

그와 같은 전파가 발생하지 않게 하는 데 효과적인 속도는 임의의 정해진 장치에 대하여 쉽게 결정할 수 있지만, 예를 들어 이 공정 단계에서 덕트(3)를 통과하는 기체 산화제의 일반적인 유속은 500 내지 2000 scfh이고, 공급원(11)으로부터의 설계 유속 7500scfh 미만이고, 이 공정 단계에서 덕트(3)로의 기체 연료의 일반적인 유속은 3000℉에서 7500scfh 고온 산소를 제조하기 위한 설계 유속의 50% 내지 100%인 300 내지 600 scfh이다. 화학양론적으로, 이 단계에서 기체 산화제의 산소 대 연료의 비는 0.75 대 7의 범위이어야 한다. 이러한 통상적인 값은 산화제 농도, 연료 타입, 설계 공급 압력 및 동작 규모에 따른다.

본 발명에 따른 방법의 그 다음 공정 단계에서, 화염이 출구 오리피스(5) 외부에 수립된 후, 랜스(7)는 연료 배출구(9)가 출구 오리피스(5)에 더 가깝게 이동하도록 움직인다. 이러한 이동 동안, 기체 산화제의 흐름 및 연료의 흐름은 계속되고, 따라서 출구 오리피스(5) 외부의 화염에서의 연소를 계속 지원한다. 연료 배출구(9)가 출구 오리피스(5)에 접근함에 따라, 출구 오리피스(5) 외부에 있었던 화염의 베이스가 출구 오리피스(5)를 통해 덕트(3)로 이동하는 한 시점에 도달하여 화염의 베이스가 연료 배출구(9)에 또는 연료 배출구(9) 약간 안쪽에 있게 된다. 도 3은 화염의 베이스가 연료 배출구(9)에 있도록 이동하는 경우 덕트(3) 내 랜스(7)의 일반적인 위치를 도시한다. 연료 튜브는 출구 오리피스(5)의 외부로 돌출할 수 있지만, 이는 고온 분위기(및 가능한 과열) 및 존재할 수 있는 용융된 철과 슬래그의 스플래터링(splattering)으로 인한 잠재적인 플러깅(plugging)에 팁(tip)을 노출하기 때문에 바람직하지 않다.

이어서, 랜스(7)가 축 방향으로 움직여 연료 배출구(9)는 출구 오리피스(5)로부터 멀리 덕트(3)의 내부로 이동한다. 기체 연료 흐름 및 기체 산화제의 흐름이 유지되어 화염은 연료 배출구(9)에 화염의 베이스를 계속 유지시켜, 화염 및 바람직하게는 화염의 전부가 덕트(3)로 들어온다. 도 4는 랜스(7)가 출구 오리피스(5)로부터 멀리 덕트(3)로 들어온 후 덕트(3) 내 랜스(7)의 일반적인 위치를 도시한다. 화염(4)은 연료 배출구(9)에 화염의 베이스가 있다. 화염(4)의 베이스는 연료 배출구(9) 약간 안쪽에 있을 수 있거나, 배출구(9)로 연장되지 않으면서 배출구(9)의 외면에 있을 수 있다.

덕트(3)로의 기체 산화제의 유속이 증가한다. 랜스(7)가 연료 배출구(9)를 출구 오리피스(5)로부터 멀리 이동하도록 움직이는 동안 유속이 증가하기 시작할 수 있거나, 연료 배출구(9)가 출구 오리피스(5)로부터 멀리 이동 종료된 후 유속이 증가하기 시작할 수 있다. 기체 산화제의 유속은 덕트(3)로 공급되는 기체 연료에 비해 화학양론적 양 초과의 산소를 공급하도록 증가해야 한다. 기체 연료의 유속도 증가할 수 있다. 증가한 유속에서 산화제의 산소 대 연료의 화학양론적인 비는 2:1 초과이고, 바람직하게는 적어도 25:1, 더욱 바람직하게는 적어도 12.5:1이다. 동작 규모에 따라 1000 내지 100,000 scfh의 유속을 이용할 수 있지만, 일반적으로 기체 산화제의 유속은 5000 내지 10,000 scfh의 유속으로 증가한다. 연료 공급 유속은 연료가 천연가스인 경우 일반적으로 화학양론 기준 산소 유속의 3% 내지 12% 정도이다. 다른 연료의 경우, 대응하는 특징부는 천연가스에 대한 발열량에 기초하여 조절하는데; 예를 들어 프로판의 발열량은 천연가스 발열량의 2.5배이고, 따라서 동일한 산소의 유속에 필요한 프로판의 양은 천연가스 유속의 1/(2.5)=0.4배이다. 덕트(3) 내 기체 산화제와 기체 연료의 연소 반응은 미연소된 초과 산소를 적어도 1000℉의 온도, 바람직하게는 적어도 2000℉의 온도, 더욱 바람직하게는 적어도 3000℉의 온도로 가열한다. 기체 연료와 산화제의 연소 생성물을 또한 함유하는 고온 산소 스트림은 출구 오리피스(5)로부터 일반적으로 적어도 초당 1000피트 및 심지어 적어도 초당 2000피트의 속도로 나온다. 물론, 기체 연료의 양에 대한 초과 산소의 양에 따라, 출구 오리피스(5)로부터 나오는 고온 산소 스트림의 산소 함량은 일반적으로 약 80 부피%, 바람직하게는 적어도 65 부피%이다. 산소가 고온일수록 고온 산소 스트림에서 유지되는 산소 함량은 낮아진다. 화염이 덕트(3) 내에서 수립되고, 고온 산소 스트림이 덕트(3)에서 발생하여 출구 오리피스(5)로부터 나오는 경우, 화염의 작용 및 고온 산소 스트림의 발생은 원하는 한 계속될 수 있다. 이러한 동작 동안, 조건은 변하지 않고 유지될 수 있거나, 오퍼레이터는 원하는 경우 산화제 유속 및 연료 유속 및/또는 덕트(3)로 공급하는 산화제의 산소 함량을 변경함으로써 고온 산소 스트림의 속도 및/또는 고온 산소 스트림의 산소 함량을 변경할 수도 있다.

예로서, 7500scfh의 산화제(99 부피% O ₂ 로서) 및 600scfh의 천연가스를 사용하여 3000℉의 온도를 갖는 고온 산소 스트림을 제조하기 위하여, 천연가스 유속은 산화제 유속의 (100×600)/7500=8%이다. 천연가스가 100% CH ₄ 라고 가정하면, 600scfh의 천연가스는 1200scfh의 O ₂ 와 반응할 것이고, 따라서 미연소된 산화제의 양은 초기 흐름의 (100×(7500-1200)/7500)=84%이다. 이러한 예는 1인치 내부 직경을 갖는 산화제 덕트, 0.65인치 직경을 갖는 출구 오리피스, 0.5인치 내부 직경을 갖는 연료 랜스, 및 랜스의 단부에 각각 1/16 ^th (1/16)인치 직경인 5개의 구멍으로 이루어진 연료 배출구에 기초한다.

덕트(3) 내 랜스(7)의 상술한 이동은 손으로, 예컨대 출구 오리피스(5)가 위치하는 단부에 대향하는 장치의 단부로부터 돌출하는 랜스(7)의 한 부분을 조작함으로써 이루어질 수 있다. 그러나 랜스(7)의 이동은 바람직하게는 기계식 또는 공압식 제어부로 이루어질 수 있다. 예를 들어 도 6을 참조하면, 장치(1)로부터 돌출하는 랜스(7)의 한 부분에 톱니형 트랙(61)을 부착할 수 있고, 트랙(61)과 맞물리는 원주 둘레에 톱니가 있는 톱니바퀴(63)를 제공할 수 있다. 톱니바퀴(63)는 모터(67)가 회전시킬 수 있는 차축(65)을 중심으로 회전할 수 있다. 통상적인 제어부로 인해 오퍼레이터는 차축(65)의 회전(및 따라서 바퀴(63)의 회전)을 개시 및 정지시켜 랜스(7)를 한 위치에 있게 할 수 있거나, 모터를 작동시키고, 차축(65)과 바퀴(63)의 회전 방향, 차축(65)이 회전하는 속도(따라서 랜스(7)가 덕트(3)로 이동하는 속도를 제어함), 및 차축(65)의 회전이 정지하는 경우 랜스(7)의 위치를 제어할 수 있다.

랜스(7)를 제어가능하게 움직이는 또 다른 바람직한 방식은 랜스(7)에 부착하는 플래튼(platen)의 한 면 또는 다른 한 면에 대하여 인가하는 액체 또는 기체 유체, 예컨대 압축 공기 또는 질소 또는 산소를 사용한다. 도 7을 참조하면, 랜스(7)는 하우징(70)에 고정식으로 부착하는 덕트(3)의 단부로 연장된다. 랜스(7)는 기체가 시일을 지나 하우징(70) 내 캐비티(cavity)(76)로 이동하는 것을 방지하는 기밀 시일(gastight seal)을 제공하는 O-링(80)과 같은 시일을 지나 하우징(70)을 관통해 활주가능하다. 전술한 산화제 배관(12)은 산화제 커넥터(71)에 연결하고, 산화제는 산화제 커넥터를 통과해 덕트(3)로 이동할 수 있다. 하우징(70)은 공기 배관(73)에 연결하는 공기 커넥터(72) 및 공기 배관(75)에 연결하는 공기 커넥터(74)를 또한 포함한다. 압력 플레이트(77)는 캐비티(76)에 존재하는 랜스(7)의 한 부분에 부착한다. 압력 플레이트(77)는 플레이트(77)의 가장 바깥쪽 에지와 캐비티(76)의 내부 표면의 활주가능하지만 기밀한 맞춤을 제공하도록 치수조정한다. 하우징(70)의 내부는 배관(73)을 통해 공급된 공기가 커넥터(72)를 통해 플레이트(77)의 한 면상의 캐비티(76)로 이동할 수 있고, 배관(75)을 통해 공급된 공기 또는 질소 또는 산소가 커넥트(74)를 통해 플레이트(77)의 다른 한 면상의 캐비티(76)로 이동할 수 있도록 구성한다. 랜스(7)의 이동을 원하는 경우, 컨트롤러(78)는 랜스(7)의 원하는 이동 방향에 따라 배관(73 또는 75) 중 하나의 압력을 증가시킨다. 압력은 랜스(7)가 원하는 거리를 이동할 때까지 인가되고, 이어서 압력은 배관(73 및 75)에서 동일하게 된다. 랜스(7)의 이동 속도는 배관(73 및 75) 사이에 인가된 압력 차의 크기만큼 제공된다. 이러한 실시양태는 랜스(7)를 움직이도록 압력을 인가하는 배관(73 및 75) 내 매체 및 캐비티(76) 내 매체로서 공기를 사용하여 기술하지만, 이러한 실시양태는 공기 대신 임의의 다른 기체 또는 액체 유체, 예컨대 질소 또는 다른 비활성 기체를 사용할 수 있다.

산업적인 응용이 상술한 고온 주위 분위기를 출구 오리피스(5) 외부에 제공하여 출구 오리피스(5)로부터 나오는 연료와 산화제의 혼합물을 점화한다면, 본 발명에 따라 발생한 고온 산소 스트림은 그와 같은 스트림을 원하는 임의의 산업적인 응용에 사용할 수 있다. 예를 들어 고온 산소 스트림은 연소 챔버로부터의 고온 연도 가스에 공급하여 연도 가스의 성분과 반응할 수 있는데; 그와 같은 연소 챔버의 예로는 소각로, 및 기체, 액체 및/또는 고체 연료를 연소시키는 다용도 보일러가 있다. 또한, 고온 산소 스트림은 (예를 들어) 제조 공정, 화학 공장, 또는 석유화학 정제 공장의 처리 단계에서 형성되는 고온 연도 가스 또는 생성된 가스 스트림에 공급할 수 있다.

본 발명에 따라 발생한 고온 산소 스트림을 위한 산업적인 응용의 바람직한 예는 철, 강철, 및 구리와 같은 금속의 제조이다. 도 5는 제철 및 고온 금속 제조를 위한 그와 같은 응용을 예시하는데, 전술한 장치(1)는 고온 산소 스트림을 취관(blowpipe)(51)으로 공급하고, 고온 산소는 석탄 랜스(53)를 통해 공급된 미분탄 및 취관(51)을 통해 공급된 고온 분사 공기와 혼합된다. 기체 산화제와 연료의 미점화된 혼합물이 장치(1)로부터 고온 분사 공기로 나오는 경우, 분사 공기는 일반적으로 1500℉ 내지 2400℉ 정도로 고온이어서 혼합물을 점화시키고, 이어서 장치(1)의 연료 랜스는 전술한 바와 같이 덕트(3)로 이동하고, 장치(1) 내의 기체 연료와 산소의 연소 반응으로 형성되는 화염은 장치(1)로부터 나오는 고온 산소 스트림을 발생시킨다. 고온 산소 스트림과 석탄은 취관(51)에서 연소 반응하고, 그 결과로 생긴 고온 연소 생성물을 포함하는 혼합물은 송풍구(55)를 통해 용광로(도시하지 않음)로 들어간다.

본 발명은 많은 장점을 제공한다. 예를 들어 덕트(3)로의 화염의 전파(역화)에 의한 점화에 의존하는 대신 장치(1) 외부에서 화염을 점화하는 것은 산화제 유속 및 연료 유속을 낮게 유지하여 역화가 발생할 수 있는 것으로부터 비롯되는 작동 제어 어려움을 방지한다.

또한, 점화 공정의 부분인 덕트로의 역화에 의존하는 것은 역화를 가능하게 할 정도로 산화제 유속 및 연료 유속을 낮추는 것을 필요로 하고, 이러한 낮은 유속에서 양쪽 흐름의 적절한 제어를 가능하게 하기 위해서는 메인 흐름 제어부 주변에 우회 장비를 포함하는, 복잡하고 비싼 흐름 제어 장비가 필요하다. 본 발명은 별도의 우회 흐름 제어 장비에 대한 필요성을 방지한다.

본 발명의 또 다른 장점은 역화를 방지하는 것이 장치 내부에 부과되는 열 응력을 방지한다는 점이다. 대신, 장치 외부에서 점화되기 전에 덕트(3)를 통과하는 기체 산화제의 흐름 및 연료의 흐름은 장치에 냉각을 제공하고, 따라서 물 재킷과 같은 추가 냉각 구조물이 필요하지 않다.