Existing gas fired burners work in the medium wave IR range at $1000^{\circ}C$ and an energy density of $200kW/m^{2}$. The patented porous burner technology reaches the short wave IR spectrum ($1450^{\circ}C$) and comes up to an energy density of $1000kW/m^{2}$. This technology is of great interest for various applications in paper industry. Speeding up existing coating lines can be realized without a major revamp of the line. Main characteristics of this new developed technology enable a better process control. In this paper the porous burner technology for paper industry is evaluated.
The surface flames in porous ceramic burner are experimentally characterized to investigate the effects of equivalence ratio and firing rates. The results show that the surface flames are classified into green, red radiant and blue surface flame as the decrease of equivalence ratio. And each flame is maintained very stable and represents the same flame characteristics at any orientation of ceramic burner. Particularly the blue surface flame is found to be very stable at very lean equivalence ratio at 7000kcal/hr to 20000kcal/hr firing rates. And the exhausted NOx was analysed to find out which flame has lower NOx emission. The blue surface flame shows the lowest NOx emission regardless of the location of burner since it sustains very stable at lean mixture ratio.
Porous metal plates (Metal fiber, muti-hole metal plate) using mainly in surface burner are known to have a corrosion and durability problem under high temperature condition. In this study, premixed flat flame with perforated ceramic tile of more durable cordierite material was examined with respect to combustion stability and emission. The flat premixed ceramic burner consists of perforated ceramic tile and various type of baffle plates to form stable surface flame. The results show that most stable flat flame is generated using baffle plate with open ratio of 0.193. In downward flat flame mode which is widely used in condensing boiler, CO is measured below 50ppm from equivalence ratio 0.755 to 0.765 and $NO_X$ is measured below 12ppm from equivalence ratio 0.75 to 0.79. It is also found that the range of blue flame in flame stability curve becomes wider with increasing heat capacity.
Flame stabilization characteristics of premixed flames in narrow annular coaxial tubes (NACT) were investigated experimentally. The NACT burner was proposed as a model of a cylindrical refractory burner, and it was made of quartz tubes. Flame stabilization conditions affected by the characteristic length of the burner was investigated with the variation of the equivalence ratio and the flow rates. Flame behaviors in narrow spaces could be directly observed. Conclusively, more wide flame stabilization conditions could be obtained at the case of the decreased channel scale. A flame instability, such as combustion noise was detected concerned with the flame oscillation observed at the surface of multi channel stage. Some flame propagation characteristics had complicated tendencies that may exist in practical porous-media combustors. Therefore, this NACT burner can be a basic configuration for the development of flame stabilization model in porous media combustor, and it will enhance our understanding about the behavior of flames in meso-scale combustion spaces.
Experimental study on a porous ceramic liquid fuel combustor is performed. Compact burner with low pollutant emission and high combustion efficiency is realized through the use of porous ceramic materials of high porosities. The use of porous ceramic materials in burner material results in rapid vaporization of liquid fuel and enhancement in mixing process, and thus nearly premixed combustion of liquid fuel is achieved instead of diffusion and partially premixed combustion method, which is often used and apt to produce high pollutant emissions such as CO, NOx and soot. With this enhanced vaporization and premixing method of liquid fuel vapor and air, it is found that enhanced combustion process with intense radiation output and better emission characteristics in NOx, CO and soot emission, compared to other conventional liquid fuel burning method, are possible.
This study has numerically investigated the combustion processes in the bilayer porous media. To account for the velocity transition and diffusion influenced by solid matrix, porosity effects are included in the governing equations. Heat transfer coefficient is calculated by Nusselt number to reflect the effect of gas velocity, pore diameter, and material properties. Numerical results indicate that the present approach is capable of the essential features of the premixed combustion in the porous burner, in terms of the precised flame structure, pollutant formation, and flame stabilization. It is also found that heat transferred from the downstream flame zone is conducted to the upstream flame region through the solid matrix and the preheated mixture. By increasing the inlet velocity, the solid temperature of upstream is cooling down.
본 연구에서는 수관식 보일러의 열교환기를 모사하기 위하여 수관의 존재 유무에 따른 화염의 안정화와 연소 특성을 당량비와 유속에 따라 비교하였다. 버너는 화염이 존재하는 SiC foam과 역화 방지를 위한 세라믹 보드, 균일한 유동장을 형성하는 알루미나 볼로 구성되며, 반경 반향의 열 손실을 최소화하기 위하여 단열재로 밀폐되어 있다. 결과적으로 수관이 존재하는 경우 낮은 당량비 구간에서 역화 및 날림 현상의 경계가 넓어지는 것을 안정화 영역에서 확인할 수 있었다. 또한, 수관이 존재하는 경우 NOx 배출량이 수관이 없는 경우보다 증가하는 것을 확인하였다. 이는 수관이 존재함으로써 열 손실을 억제하여 화염의 온도가 증가하는 것으로 판단하였으며, O2 배출량과 화염의 온도를 예측하여 입증하였다.
With the advancement of industry, the use of various sustainable energy sources and solutions to problems affecting the environment are being actively requested. From this point of view, it is intended to directly burn unused biogas to use it as energy and to solve environmental problems such as greenhouse gases. In this study, a new type of cavity matrix combustor capable of low-emission complete combustion without complex facilities such as separation or purification of biogas produced in small and medium-sized facilities was proposed, and CFD numerical calculation was performed to understand the performance characteristics of this combustor. The cavity matrix combustor consists of a burner with a rectangular porous microwave receptor at the center inside a 3D cavity that maintains a rectangular parallelepiped shape composed of a porous plate that can store heat in the combustor chamber. As a result of numerical calculation, the biogas supplied to the inlet of the combustor is converted to CO and H2, which are intermediate products, on the surface of the 3D matrix porous burner. And then the optimal combustion process was achieved through complete combustion into CO2 and H2O due to increased combustibility by receiving heat energy from the microwave heating receptor.
Fuel processing systems which convert fuel into rich gas (such as stream reforming, partial oxidation, autothermal reforming) need high temperature environment ($600{\sim}1,000^{\circ}$). Generally, anode-off gas or mixture of anode-off gas and LNG is used as input gas of fuel reformer. In order to make efficient and low emission burner system for fuel reformer, it is necessary to elucidate the combustion and emission characteristic of fuel reformer burner. The purpose of this study is to develop a porous premixed flat ceramic burner that can be used for 1~5 kW fuel cell reformer. Ceramic burner experiments using natural gas, hydrogen gas, anode off gas, mixture of natural gas & anode off gas were carried out respectively to investigate the flame characteristics by heating capacity and equivalence ratio. Results show that the stable flat flames can be established for natural gas, hydrogen gas, anode off gas and mixture of natural gas & anode off gas as reformer fuel in the porous ceramic burner. For all of fuels, their burning velocities become smaller as the equivalence ratio goes to the lean mixture ratio, and a lift-off occurs at lean limit. Flame length in hydrogen and anode off gas became longer with increasing the heat capacity. In particular, the blue surface flame is found to be very stable at a very lean equivalence ratio at heat capacity and different fuels. The exhausted NOx and CO measurement shows that the blue surface flame represents the lowest NOx and CO emissions since it remains very stable at a lean equivalence ratio.
The effect of porous matrix on thermal fatigue behavior of 3D-orthogonally woven SiC/SiC composite was evaluated in comparison with that having relatively dense matrix. The porous matrix yields open air passages through its thickness which can be utilized for transpiration cooling. On the other hand, the latter matrix is so dense that the air passages are sealed. A quantity of the matrix was varied by changing the number of repetition cycles of the polymer impregnation pyrolysis (PIP). Strength degradation of composites under thermal cycling conditions was evaluated by the $1200^{\circ}C$/RT thermal cycles with a combination of burner heating and air cooling for 200 cycles. It was found that the SiC/SiC composite with the porous matrix revealed little degradation in strength during the thermal cycles, while the other sample showed a 25% decrease in strength. Finally it was demonstrated that the porous structure in 3D-SiC/SiC composite improved the thermal fatigue durability.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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