KR100303991B1 - 산소 연소식 유리 용해로내의 개선된 에너지 회수방법 - Google Patents

산소 연소식 유리 용해로내의 개선된 에너지 회수방법 Download PDF

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폴 챔버랜드 레이
코바야시 히사시
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조안 엠. 젤사 ; 로버트 지. 호헨스타인 ; 도로시 엠. 보어
프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
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Abstract

산소 연소식 유리 용해로의 에너지 효율을 증대시키는 방법에 있어서 용해로에서의 고온 연도 가스로부터 발생되는 열은 연소 산화제의 일부 또는 전부를 가열시키는데 사용되고 그 후, 용융되어질 유리 성형재의 적어도 일부분을 예열하는데 사용된다.

Description

산소 연소식 유리 용해로내의 개선된 에너지 회수 방법{IMPROVED ENERGY RECOVERY IN OXYGEN-FIRED GLASS MELTING FURNACES}
본 발명은 산소 연소식 유리 용해로 내에서의 에너지 효율의 개선에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 고온 연소 생성물로부터 에너지를 회수하고 이를 용해로 내에서 용해되어질 연소 산화제와 유리 성형재를 예열하는데 이용하는 용도에 관한 것이다.
종래의 유리 용해로는 총괄적으로 배치(batch)로 언급되는 모래, 소오다 회, 석회석, 백운석, 장석 등과 같은 유리 성형재를 용해시키기 위한 공기 연소식 연소기를 사용한다. 유리 성형재는 재순환되어질 스크랩 유리 또는 카렛트(cullet)와 같은 파편 유리로 구성된다. 유리 성형재를 용해시키기 위해 요구되는 높은 온도로 인해, 유리 용해로는 모든 산업상 로 중에서 가장 높은 온도에서 작동된다. 고온 연소 생성물은 상기 로 내에서 발생된다. 아마도, 연소 생성물이 로의 연도를 통해 대량의 열이 위로 진행됨에 따라 손실될 수 있다.
공기를 기초로 한 유리 용해로인, 종래의 고온 연도 가스로부터 에너지를 회수하는 것이 알려져 있다. 예를 들어, 연소 공기를 예열시키기 위해 에너지를 사용하는 것이 공지되어 있다. 용해 장치에 공급되어지는 유리 성형재를 예열하는 것이 공지되어 있다.
점점 더 엄격한 공기 방출 기준에 따라, 최근에 연소기 기술의 발전은 연소공기가 순 산소 또는 산호 부화 공기에 의해 대체되는 산소에 기초한 연소 시스템의 채택으로 인해 증가하고 있다. 산소에 기초한 연소는 연도 가스 부피를 줄이고질소 산화물 또는 NOx의 방출을 낮춘 높은 화염 온도와 같은 유리 산업에 많은 잇점을 갖는다. 그러나, 고 효율을 갖는 용해로의 필요성은 계속적으로 요구되어 진다.
배치 또는 카렛트 유리 성형재를 예열시키기 위한 연도 가스로부터 엔탈피를 사용하는 것이 공지되어 있다. 그러나, 산소에 기초한 유리 용해는 일반적으로 1315.6℃(2400℉) 와 1537.8℃(2800℉) 사이의, 1093.3℃(2000℉)를 초과해야 연소 생성물의 제조가 용이하다. 그러나, 이와 같은 고온에서 배치또는 카렛트를 예열하는 것은 유리 성형재가 연화되어 예열기 표면에 고착될 수 있기 때문에 불가능화다.
배치 또는 카렛트 예열 단계 이전에 연도 가스 흐름의 온도를 낮추는 다양한 기술들이 제안되어져 왔는데, 로 연도 가스에 공기를 추가하는 단계와, 배치 또는 카렛트 예열기로부터 발생하는 냉각된 연도 가스를 로 연도 가스 흐름에 회수시키는 단계와, 또는 비절연 표면에 연도 가스를 노출시킴으로써 열을 뽑아내는 단계를 갖는다. 그러나, 상기 기술 방법들은 에너지 손실로 의해 시행될 수 없다. 일반적으로, 상기와 같은 방법은 예를 들어 순 산소 또는 거의 순 산소와 같은 높은 산소 농도를 갖는 연소 산화제를 예열하기 위해 안전성이나 에너지 효율성에 있어서는 고려되지 않는다.
본 발명의 목적은 산소 연소식 유리 용해로에서 에너지 효율을 증대시키기위한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 순 연소 산소 또는 산소 부화 공기를 안전하게 가열하기 위해 고온 연소 생성물로부터 폐 에너지를 사용하기 위한 방법과, 로에 공급되는 유리 성형재를 예열시키는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 연소기 온도의 증가와 과다한 NOx 량의 발생없이, 연료를 연소하기 위해 가열된 산화제를 이용하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 연소 연료들 또한 가열하기 위해 고온 연소 생성물로부터 나온 폐 에너지를 사용하기 위한 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 방법이 실행되는 유리 용해 용기, 예열 용기, 및 열교환기의 단순 개략도.
도 2는 본 발명의 실행에서 사용되어질 열교환기의 바람직한 실시예의 간략화된 수직 횡단면도.
도 3은 연료 가열용 부가적인 열 교환기를 도시하는 도 1과 유사한 도면.
도 4는 차단벽(shadow wall)을 도시하는 용해로의 간략화된 수직 횡단면도.
도 5는 NOx의 생산에 연소 산화제의 가열 최소 효과를 예시하는 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
11 : 예열 용기 15 : 열 교환기
17 : 용해로 19 : 버너
21, 23, 29 : 유리 성형재 25 : 용융 유리
51 : 희석 공기 81 : 차단벽
83 : 유리 표면 89 : 장입벽
유리 용해 방법은 에너지 회수의 개선을 가져오는데, 상기 방법은 (A) 가열된 유리 성형재가 용해로(melting vessel) 내부를 통과하는 단계와, (B) 고온 연소 생성물을 생산하고 용해로 내에 상기 유리 성형재를 용해시키기 위한 열을 제공하기 위해 연료와 가열된 산화제를 연소시키는 단계와, (C) 상기 용해로로부터 상기 고온 연소 생성물을 회수하는 단계와, (D) 부분적으로 냉각된 연소 생성물과 상기 가열된 산화제를 발생하기 위해, 상기 고온 연소 생성물에서 발생하는 열을 상기 고온 연소 생성물보다 낮은 온도를 갖는 약 50%의 산소 농도를 갖는 산화제로 전달시키는 단계와, 그리고 (E) 상기 가열된 유리 성형재를 생산하기 위해 상기 부분적으로 냉각된 연소 생성물로부터 유리 성형재까지 열을 전달하는 단계를 포함하고 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어중 "직접 발화 로(directly-fired furnace)"는 로 투입량의 가열을 위해 로 내부로 열을 제공하기 위해 연료와 산화제를 연속하기 위해 하나 이상의 연소기를 사용하는 로를 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어중 "간접 열교환"은 유체 서로간의 혼합이나 물리적인 접촉없이 열 교환 관계를 갖는 두 유체 사이에서 발생하는 열 교환을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어중 "직접 열교환"은 서로 물리적인 접촉 관계에 있는 두 유체 또는 유체와 고형질의 열교환을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어중 "열 회수" 및 "에너지 회수"는 폐 에너지 또는 폐열을 모아서 총괄 공정에 다시 이용할 수 있음을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어중 "질소 산화물" 또는 "NOx"는 하나이상의 N2O
(nitrous oxide), NO(nitric oxide), N2O3(nitrogen trioxide), N2O4(dinitrogen tetroxide), NO2(nitrogen dioxide), N3O4(trinitrogen tetroxide), NO3(nitrogen trioxide)등을 의미한다.
본 발명은 산소 농후 산화제를 함유하는 연소 연료에 의해 가열된 직접 발화 유리 로 내에서 발생하는 공정의 에너지 효율을 개선시키는 것에 관한 것이다. 산소에 기초한 연소는 고온의 연도 가스와 연소 생성물을 생산하고 측정된 온도는 종래의 공기에 기초한 연소보다 더 높다. 본 발명은 연소 산화제의 적어도 일부분을 가열하고 또한 로에 공급되는 유리 성형재의 일부 또는 전부를 가열하기 위해 고온연소 산화제로부터 열을 사용하는 것에 관한 것이다. 본 발명의 실행에 의해 가열될 수 있는 산화제는 저온 공기 분리 공정 뿐만 아니라 비 저온으로부터 얻어진 산소 농후 공기와 산소를 포함한다. 본 발명의 실행에 유용한 산화제의 산소 농도는 약 50 내지 99.9%의 범위 내에 있다. 본 발명은 적어도 90% 중량의 산소 농도를 함유하는 산화제의 가열에 특히 유용하다.
연소 산화제의 적어도 일부분의 가열은 고온 연소 생성물의 온도가 유리 성형재를 예열하기에 매우 높은 경우에 바람직하다. 가열된 고온 연소 생성물을 냉각시키고 유리 성형재를 예열하기 위해 상기 생성물을 대기시키고 또는 로에 가열된 연소 산화제를 공급함으로써 공정에서 열의 방향을 바꾸어, 그 결과 연료와 산소 요구량 및 총괄 공정 비용을 감소시킨다. 더욱이, 연소 산화제의 가열로 인한 고온 연소 생성물의 냉각은 희석된 공기를 첨가하고 예열기에 냉각된 연도 가스를 재순환시킬 필요를 없애거나 감소시킬 수 있다.
그러나, 가열된 산소 농후 산화제를 함유하는 연료를 연소시키기를 희망할 때, 고려해야 할 기술적 사항이 있다. 산소에 기초한 연소 공정의 화염 온도는 종래의 공기에 기초한 연소보다 더 높은 경향이 있다. 열로 인한 가열기 손상의 가능성은 이러한 높은 화염 온도와 관련되어 있다. 물없이 냉각된 가열기는 특히 상기와 같은 손상을 입기 쉽다. 게다가, 높은 화염 온도는 질소 산화물의 형성에 유리하다. 열로 인한 가열기 손상과 증가된 NOx수치는 연소 산화제가 부가적인 열을 함유하고 있을 때 보다 두드러진다.
본 발명의 바람직한 실시예는 연료와 별도로 유리 용해로 내부로 연소용의 가열된 산화제를 주입시키는 것이다. 그러므로, 연료용 주입 위치는 가열된 산화물용 주입 위치와 이격되어 있다. 상기 시행 방법은 미국 특허 제 5,076,779호에 기술되어 있다. 산업상 이용가능하거나 공지된 기술에 있어서 많은 수의 랜스(lance)가 연료와 산화제를 각각 주입하는데 사용되어졌다. 연소용으로 용해로 내부에 가열 산화제와 또는 연료를 주입시키기 위해 사용될 수 있는 랜스와 가스 주입 시스템은 미국 특허 제 5,266,025호에 기술되어 있다.
미국 특허 제 5,267,850호와 제 5,411,395호는 본 발명의 실시예에서 사용되지는 저속의 환형의 동축 산화제 흐름에 의해 둘러싸인 고속의 환형 동축 산화제 흐름을 사용한 연료 제트 연소기 시스템 및 연소 방법을 기술하고 있다. 상기 시스템을 사용할 때, 전술한 저속의 환형 동축 흐름과 같이 가열된 산화제의 30% 이상을 사용하는 것이 바람직하다. 잔존하는 가열된 산화제는 전술한 바와 같이 랜스 또는 주입 시스템을 사용함으로써 연료 제트 가열기로부터 이격된 위치에서 전달이 가능하다. 저속의 환형 동축 산화제 흐름의 산호 함량은 가열된 산화제의 산소 함량과 동일하거나 다르다.
본 발명은 단계별로 연소물을 처리할 수 있다. 예를 들어 연료는 연소물을 완전연소하기 위해 요구되는 화학 양론 산소의 30% 이상을 제공하는 주 산화제와 함께 용해로 내부로 주입될 수 있다. 주입되는 연료와 주산화제로부터 이격된 위치에서 공급되는 보조 산화제는 연소 공정을 완결시키기 위해 사용된다. 가열기손상과 NOX생성을 최소화하기 위해서는, 상기 단계의 연소 실행에서 보조 산화제과 같이 공급되는 가열된 산화제의 약 70%에서 100%에 이르는 것이 바람직하다. 주 화제 및 보조 산화제의 산소 농도가 동일하다 하더라도, 이는 필요하지 않다. 따라서, 주 산화제와 같이 공기, 농후 공기, 순 산소 또는 순 산소에 가까운 산소를 사용하는 것이 가능하다.
본 발명은 5 ton/day에서 600 ton/day의 범위 내의 용량을 갖는 소량과 대량의 유리 용해 시스템내에서 실시될 수 있다. 본 발명은 도면을 참조로 하여 더 상세히 기술되어질 것이다. 확대 도시되지 않은 도 1은 유리 제조에서 필요로 하는 유리 성형재(21)를 수용하는 예열 용기(11)를 도시하고 있다. 상기 성형재는 모래, 석회석, 백운석, 장석, 소오다 회, 첨가제, 착색제, 청정제, 및 카렛트등을 포함한다. 유리 성형재는 배치/카렛트로 산업상에서 흔히 사용된다. 유리 성형재는 과립 또는 미세화 형상이고, 100% 범위까지는 임의의 카렛트 양을 함유할 수 있다.
유리 성형재는 예열 상태하에서 다른 특성을 지니며, 일부는 나머지보다 더신속하게 부드러워진다. 따라서, 예열 용기(11)와 유사하게, 유리 성형재의 일부용으로 예열 인자(타겟 온도, 가열 속도 등)의 개별적인 조절을 위해 부가적인 예열 용기를 제공하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 다른 유리 성형재로부터 분리된 카렛트를 예열하는 것이 바람직하다. 유리 성형재의 일부만을 예열하는 것 또한 바람직하다. 도면부호 29로 도시되어진 것과 같이 다른 유리 성형재는 유리 용해조 내부로 통과하거나 예열 용기(11)를 통과하지 않고 용해된다.
유리 성형재는 일반적으로 204.4℃(400℉)에서 482.2℃(900℉)으로 변화하는 온도를 갖는 가열된 유리 성형재(23)와 같이 예열 용기로부터 나온다. 상기 유리 성형재는 예열되지 않는 임의의 다른 유리 성형재(29)와 함께 용해로 내부로 주입된다.
예를 들어, 용해로(17)는 직접 발화된 유리 용해로이며, 하나 이상의 버너(19)가 설치된다. 바람직하게, 버너(19)는 미국 특허 제 5,266,025호와 제 5,267,850호 및 제 5,441,395호에서 기술되어진 형태의 것이다. 버너(19)는 적어도 50 중량 %의 산소 농도를 갖는 가열된 산화제로 연료(31)를 연소하기 위해 사용된다. 버너(19)는 천연 가스, 프로판, 경유 또는 중유로 불리우는 연료 중에서 적당한 연료(31)를 사용한다.
연료 및 산화제의 연소는 용융 유리(25)처럼 유리 성형재를 용해시키고 용해로(17)를 배출시키는데 충분한 열이 생성된다. 연료와 산화제의 연소는 일반적으로 1315.6 내지 1537.8℃(2400 내지 2800℉)의 범위 내의 온도를 갖는 고온 연도 가스 또는 고온 연소 생성물을 생성한다. 일반적으로, 고온 연소 생성물은 탄소 산화물, 수증기, 질소, 산소 및 다른 성분을 포함한다.
고온 연소 생성물은 흐름(41) 내의 용해로(17)로부터 회수되고 열 교환기(15)를 통과한다. 바람직하게, 고온 연소 생성물이 용해로(17)에서 열 교환기(15)까지 흐르는 도관의 벽을 통해 발생하는 열 손실로 인해 발생되어진 것 이상일 때 고온 연소 생성물의 온도 감소는 없다. 열 교환기(15)는 산소 흐름(33)에 도시되어진 것처럼, 적어도 50 중량%의 산소 농도를 갖는 산화제를 수용한다. 산화제 흐름은 고온 연소 생성물의 온도보다 더 낮은 온도를 갖는다. 보통, 산소 흐름(33)은 주위 온도에서 열 교환기(15)에 공급된다.
바람직하게, 열 교환기(15)는 간접 열 교환을 제공한다. 일부 열 교환기 설계는 본 발명을 실행하기 위해 사용된다. 도 2에 도시되어진 열 교환기(15)용 하나의 실시예는 확대 도시되어 있다. 열교환기(15)는 외부 챔버(64) 내에 둘러싸인 적어도 하나의 내부 챔버를 갖는다. 벽(66)은 외부 챔버(64)와 내부 챔버(62)를 분리시킨다. 내부 챔버(62)를 통해 내부 흐름 통로가 발생하며, 외부 챔버(64)를 통해 외부 흐름 통로가 발생한다. 바람직하게, 고온 연소 생성물(41)은 내부 흐름통로와 같이 내부 챔버(62)에 유입되며, 산화제 흐름(33)은 외부 흐름 통로와 같이 외부 챔버(64)에 유입된다.
본 발명을 실시하기 위해 병류(co-current) 및 역류(counter-current)를 모두 이용할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 열교환기(15)내의 간접 열교환 공정은 공류 흐름 상태에서 수행된다. 따라서, 고온 연소 생성물(41)과 산화제 흐름(33)은 동일 방향으로 열교환기(15) 내부를 통과한다. 이는 열교환기(15)로 유입되는 최고 온도에서 고온 연소 생성물이 열교환기(15)에 유입할 때 최저의 온도에서 산화제 흐름(33)으로 벽(66)을 통해 간접 접촉을 하게 된다. 따라서, 고온 연소 생성물(41)은 즉시 냉각되고 실제 한계 이하로 열교환기를 가열하지 않고 내부 챔버(62)를 통해 진행될 수 있다.
열교환기(15)는 산소 농후 산화제를 다루기 위한 안전성과 고온 상태에서 양립되는 방식과 재료로 이루어진다. 열교환기(15)의 잇점은 압축 설계라는 점이다.이는 비교적 낮은 양의 질소량을 함유하는 본 발명에 따른 이용가능한 산화제를 사용함으로써 가능하며, 그 결과 산화제로서 공기를 사용하는 시스템보다 더 ??은 부피를 요한다.
고온 연소 생성물이 열교환기(15)를 통해 진행됨에 따라, 고온 연소 생성물은 1093.3 내지 1315.6℃(2000℉ 내지 2400℉)의 범위 내의 온도에서 부분적으로 냉각되고 부분적으로 냉각된 연소 생성물(43)에서 나온다. 반면 산화제는 426.7 내지 815.6℃(800℉ 내지 1500℉)의 범위 내의 온도에서 가열되고 열교환기(15)를 벗어난다. 산화제 흐름(33)의 보다 적정 가열로 인해 본 발명을 실시할 수 있으며, 필요하다면 예를 들어 93.3℃(200℉)의 낮은 온도에서 가열된 산화제(35)는 연소 공정으로 공급될 수 있다.
가열된 산화제(35)는 용해로(17)를 통과하여 전술한 바와 같이 연료로 연소된다. 허용가능한 수치까지 NOX생산과 버너 온도를 유지시키기 위해서는, 가열된 산화제는 가열기 또는 전술한 연소 방법을 사용하여 연소되는 것이 바람직하다. 일부의 경우에 있어서, 가열된 산화제는 연료를 완전히 연소하기 위해 필요한 모든 산화제이다. 그러나, 전술한 바와 같이 연소는 산화제 흐름(35)의 온도보다 더 낮은 온도에서 부가적인 산화제를 필요로 한다. 도 1에서 부가적인 연소 산화제는 산화제 흐름(33)의 부분(90)으로 도시되어 있다. 가열된 산화제(35)의 산소 함량과 다른 산화제를 추가하는 것이 또한 가능하다. 원한다면, 부가적인 산화제는 공기일 수 있다.
열교환기(15)로부터, 부분적으로 냉각된 연소 생성물(43)은 예열 용기(11)를 통과하며, 유리 성형재(21)와 열교환에 의해 더욱 냉각되며, 냉각된 연소 생성물(45)과 같이 예열 용기를 벗어난다.
하나 이상의 예열 용기(11)가 사용된다면, 부분적으로 냉각된 연소 생성물(43)은 두 개 이상의 흐름으로 분리되고 용기(11)와 평행하게 예열 용기에 각각 공급된다. 일부 경우에 있어서, 제 1 예열 용기(11)로부터 벗어나는 냉각된 연소 생성물은 냉각된 연소 생성물과 같이 시스템을 벗어나기 이전에 용기(11)와 직렬로 하나 이상의 부가적인 예열 용기내의 유리 성형재를 예열하는데 충분한 에너지를 소유한다.
연소시 발생하는 연도 가스로부터 CO2의 분리를 위해 임의의 공지된 기술을 이용하여 선택적인 회수 시스템(55)내에서 냉각된 연소 생성물(45)로부터 이산화탄소를 회수하는 것이 가능하다. CO2의 회수는 처리되어질 질소의 량이 비교적 소량이기 때문에 산소에 기초한 연소로 특히 흥미를 끈다. 또 다른 잇점은 여과 매체로 예열 용기(11) 내에서 유리 성형재를 사용하는 것이 가능하다. 따라서, 예열 용기(11)를 나오고 선택적인 회수 시스템(55)으로 유입된 냉각된 연소 생성물(45)은 입자 불순물이 비교적 없다.
산화제의 비열이 연소 산화제의 비열보다 낮고 산화제의 총괄 체적이 비교적 낮기 때문에, 일부의 경우 부분적으로 냉각된 연소 생성물(43)은 예열 용기(11) 내부로 직접 통과되기에는 너무 높다[일반적으로 1093.3 내지 1315.6℃(2000℉ 내지2400℉)]. 많은 상업상 배치/카렛트 예열 유닛은 204.4 내지 482.2℃(400℉ 내지 900℉)의 범위의 온도에서 작동한다. 배치용으로 입구 연도 가스 상한 온도 한계인, 카렛트 또는 배치/카렛트 예열기는 약 760℃(1400℉)이다.
따라서, 본문에 기술된 에너지 회수 공정은 예열 용기(11) 내부로 연소 생성물을 유입시키기 이전에 연소 생성물의 하나 이상의 부가적인 냉각 수단에 의해 구현될 수 있다.
예를 들어, 예열 용기(11) 내에서 연소 생성물을 사용하기 이전에 부분적으로 냉각된 연소 생성물(43)을 혼합하고 더 냉각하기 위해 희석 공기(51)를 부가하기 위해 공기 송풍기(13)를 사용하는 것이 가능하다. 유사하게, 냉각된 연소 생성물(45) 또는 생성물의 일부는 부분적으로 냉각된 연소 생성물(43)의 온도를 더 낮게 하며 재순환되도록 할 수 있다.
그러나, 본 발명의 바람직한 실시예는 유리 용해 공정에서 반환되는 가능한 대량의 열이 방향을 전환하면서 에너지 효율 방식으로 예열 용기(11) 내에 사용되기 이전에 연소 생성물을 냉각시키는 것이다. 상기 공정을 간략화하고 에너지 효율을 증가시키기 위해, 희석 공기(51) 또는 냉각된 연소 생성물(45)의 재순환을 피하는 것이 사실상 바람직하다. 만일 CO2가 선택 회수 시스템(55) 내에서 회수된다면, 냉각된 연소 생성물(45) 내의 CO2의 고 농도는 희석 공기의 부재하에 최상으로 유지된다.
따라서, 가열 산화제 흐름(33) 이외에도, 고온 연소 생성물(41)의 부분 또는부분적으로 냉각된 연소 생성물(43)의 일부 또는 전부는 연료(31)를 가열하는데 또한 사용되어, 그 결과 용해로(17)에 부가적인 열을 전환하고 예열 용기(11)에 통과하는 연소 생성물에 냉각을 가한다. 연료(31)의 가열은 간접 열 교환에 의해 이루어진다.
바람직한 실시예는 도 3에 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 부분적으로 냉각된 연소 생성물(43)은 열 교환기(15)로부터 부가 열교환기(57)에 이르기까지 통과되어 연료(31)를 포함하는 간접 열 교환에 의해 926.7 내지 1204.4℃(700℉ 내지 2200℉)의 범위 내의 온도에서 더 냉각된다. 연료(31)는 부분적으로 냉각된 연소 생성물(43)의 온도보다 낮은 온도에서 부가 열 교환기(57)에 공급된다. 연료(31)는 주위 온도에서 부가 열 교환기(57)에 공급되며, 204.4 내지 537.8℃(400 내지 1000℉의 온도에서 가열된다. 부가 열교환기(57)로부터, 가열된 연료(32)는 버너(19)를 통과하며, 부가 냉각된 연소 생성물(44)은 예열 용기를 통과하여, 그로부터 냉각된 연소 생성물(45)로 나타난다.
또 다른 실시예에서, 도시되지 않은 열교환기는 고온 연소 생성물(41)과 간접 접촉에 의해 산화제 흐름(33)과 연료(31)에 열을 분리 제공하는데 적합하다. 예를 들어, 이는 연료와 산화제의 흐름에 분리된 격실을 제공함으로서 이루어지고, 그 결과 열교환기 내에서 연료와 산화제에 대한 직접 접촉을 방지한다.
연소 생성물이 예열 용기(11)내에 사용되기 이전에, 연소 생성물의 냉각은 용해 로(17) 내에서 바람직하게, 고온 연소 생성물과 저온 유리 성형재 사이의 직접 열 교환에 의해 얻어진다. 바람직한 실시예에서, 고온 연소 생성물은 역류 흐름 상태하에서 유리 성형재 위로 통과되며, 동시에 유리 성형재가 용해로(17)를 통해 통과되는 방향과 반대 방향으로 유리 성형재의 표면위로 빨리 통과된다.
고온 연소 생성물의 로내의 예냉은 예열 용기(11) 내에서 예열됨이 없이 카렛트와 같은 일부 유리 성형재만이 예열 용기(11)내에 예열되며, 배치와 같은 일부 유리 성형재는 용해로(17)에 직접적으로 공급되는 경우에 특히 유용하다.
확대 도시되지 않는 도 4는 로 내에 고온 연소 생성물을 예냉하기 위한 바람직한 실시예를 도시한다. 도 4는 용해로(17)를 도시하고 있으며 유리 성형재는 장입벽(89)에서 연속적으로 유입되며, 빗금친 부분(84)으로 도시되어 있다. 용해로(17)에 유리 표면(83)을 향해 로의 상층으로부터 연장하는 복사 장벽 또는 차단벽(81)에 제공된다. 차단벽(81)의 팁 부분과 유리 표면(83) 사이에 간극이 형성된다.
차단벽(81)은 용해로(17)를 유리 표면(83) 위의 장입 벽(89)과 차단벽(81) 사이의 수용 구역(A)과, 연소 구역(B)인 두 구역으로 내부를 분할하며, 연소 구역에, 버너(19)가 위치되며, 고온 연소 생성물을 발생시키고 유리 성형재를 가열하고 용해하는 연소를 발생시킨다.
산소 또는 산소 농후 공기로 연소를 시행하는 특정 잇점은 비교적 소량 체적으로 형성되는 고온 연소 생성물이다. 공기에 기초한 로와 비교하여, 고온 연소 생성물의 소량 체적을 위해 로 내에 냉각을 제공하기 위해 비교적 적은 유리 표면적이 요구된다. 따라서, 차단벽(81)은 장입 벽(89)에 근접하여 위치된다. 차단벽(81)은 용해로(17)의 길이의 1/3보다 적은 장입 벽(89)으로부터 일정 거리에위치시키는 것이 가능하다. 본 발명의 실시예에서, 도 4에 도시된 바닥 전극에 의해서와 같이 부가적인 가열없이 용해로를 사용하거나 또는 사용하지 않는 것이 용해를 수행하는데 요구된다. 이는 본 발명의 중요한 잇점이다. 차단벽(81)은 A 구역과 B 구역 사이의 복사 열 교환을 감소시키기 위해 방벽으로 작동한다. 따라서, 수용 구역(A)은 연소 구역(B)내의 온도보다 낮은 온도에서 작동한다. B 구역 내의 연소에 의해 형성된 고온 온소 생성물은 낮은 작동 온도에서 마주치며 용해로(17) 내부로 장입된 유리 성형재에 에너지를 전달하는 A 구역 내부로 차단벽(81) 아래의 간극을 통해 통과한다. 유리 성형재는 연소 구역(B) 내에 용해되기 전에 수용 구역(A) 내에 예열되며, 고온 연소 생성물은 배기 개구(87)를 통해 용해로(17)로부터 추출되기 이전에 어느 정도 예냉되며, 이로부터 예냉된 고온 연소 생성물은 도 1과 연관되어 기술되어진 것처럼 열교환기(15)와 예열 용기(11)를 통과한다.
용해로(17)내의 고온 연소 생성물을 예냉함으로서, 열교환기(15)로 유입되는 연소 생성물의 온도는 1315.6℃(2400℉)보다 낮고 871.1℃(1600℉) 내지 1148.9℃(2100℉)의 온도내에서 변화한다. 열교환기(15)내의 연소 냉각은 예열 용기(11)에 의해 요구되는 온도보다 더 근접 온도에서 부분적으로 냉각된 연소 생성물을 발생한다.
유리 성형재의 로 내의 예열과 연관하여 고온 연소 생성물의 로 내의 예냉은 유리 용해 공정 후의 폐열을 재사용하고 고온 연소 생성물이 열교환기(15) 내부로 들어가기 이전에 고온 연소 생성물을 예냉시키는 잇점을 갖는다. 따라서, 연소 생성물이 예열 용기(11)로 통과하기 이전에 부분적으로 냉각된 연소 생성물(43)의 온도를 보다 감소시키기 위해 열 교환기를 보다 적정 온도로 노출시키는 것이다.
예열 용기(11)에 통과하기 이전에 연소 생성물을 더 냉각시키기 위한 다양한 수단은 유리 용해 공정의 에너지 및 장치 요구량을 만족시키는 유일 또는 여러 조합으로 사용될 수 있다. 유리 성형재의 로 내의 예열과 결합된 연소 산화제와 연소 연료의 가열은 냉각된 연소 생성물의 희석 공기와 재순환의 필요성을 감소시키거나 완전히 감소시킨다. 에너지 효율 관점으로부터, 유리 용해 공정 후의 대부분의 폐에너지를 재사용하는 잇점을 갖는다.
다음의 실시예는 단지 예로서 도면에 제시되어 있는 실시예를 참조하여 이후 더 상세히 설명된다.
실시예 1
실시예 1의 결과는 도 5에 도시되어 있으며, 가열된 산소를 사용한 것으로 NOX의 생산을 증가시키지 못했음을 보여주고 있다. 이러한 실시예에서, 직경이 3피트이며 높이가 10 피트 7 인치인 시험 로는 약 1537.8℃(2800℉)의 온도로 유지된다. 상기 로는 산화제로 천연 가스를 연소하는데 사용되며, 산화제의 평균 산소 농도는 95.3 중량 % 이다. 산소는 화학 양론으로 2% 초과하여 공급되고 일부 산소는 연도 가스 내에 존재한다. 실제적인 산업상 로의 환경을 가장하기 위해, 5 내지 10 %의 질소는 로 내에서 유지된다. 예를 들어, 5%의 질소 수치를 갖는 로에서, 질소는 164 SCFH(시간당 3제곱 피트)로 로에 공급되고, 천연 가스 및 산화제는 1000 SCFH 및 2170 SCFH 로 내부로 각각 유입된다. 이러한 비율에 상응하는 연소생성물은 약 1034 SCFH의 이산화 탄소, 2068 SCFH의 물, 67 SCFH의 산소, 및 164 SCFH의 질소가 요구된다.
상기 연소는 단계별로 수행된다. 연소를 완결하기 위해 필요로 하는 산소 화학 양론 양의 20%(도 5에 사방형 또는 삼각형으로 표시) 또는 30%(원형 또는 사각형으로 표시)는 미국 특허 제 5,267,850호와 제 5,411,395호에 기술되어진 것과 같이 버너를 통해 주위 온도에서 주요 산화제로 공급된다. 연소를 완결하기 위해 필요한 나머지 산소는 미국 특허 제 5,266,025호에 기술되어진 것과 같이 주입 시스템을 통해 보조 산소로 공급된다. 랜스를 통한 보조 산화제의 속도는 195 내지 240 피트/초이며 예열된 산화제의 실제 체적에 따라 달라진다. 천연 가스의 속도는 319 피트/초이다. 보조 산화제는 산소를 함유하는 소량의 연료에 의해 가열된다.
도 5는 주위 온도로부터 약 704.4℃(1300℉)까지의 주위 온도로부터 보조 산화제의 가열 함수로서 (백만 BTU당 NO2파운드로 수직축에 도시된)NOX제조 효과를 도시하고 있다. 보조 산화제의 온도를 648.9℃(1200℉)로 상승시키는 것은 NOX생성에 중요한 효과를 주지 못한다. 예를 들어, 삼각점에 의해 표시된 자료를 살펴보면, 주위 온도로부터 648.9℃(1200℉)까지 산화제를 가열시킬 때, 단지 5.5%의 NOX생성의 증가량이 관찰되었다.
실시예 2
본 실시예는 표면의 열 손실을 제외한, 에너지 회수 장치를 나타내고 있는데, 이러한 연소로 인해 발생된 고온 연도 가스의 폐에너지는 유리 용해 공정에 재사용된다. 공기 희석 또는 냉각된 연도 가스를 재순환할 필요는 없다.
예시된 경우는 예열된 산화제, 예열된 연료, 예열된 카렛트, 및 로내의 배치 예열을 사용한 유리 용해로는 전술되어진 차단벽이 제공된다. 본 발명의 실시예에서, 바람직한 산화제와 연료는 동일한 열교환기 또는 열회수기의 개별 격실 내에서 가열된다. 카렛트는 역류 흐름으로 직접 접촉하여 예열된다. 537.8℃(1000℉)에서 천연 가스의 30,200 SCFH와 648.9℃(1200℉)에서 고순도 산소(99.9 중량 %)의 60.702 SCFH(시간당 세제곱 피트)는 로의 연소 구역에 공급된다. 로의 수용 구역은 (25℃)77℉에서 습식(3% 수분 함량) 13,702 1bs/hr 와 약 426.7℃(800℉)에서 건조 카렛트 13,497 1bs/hr로 장입된다.
점화 손실, 로 내부로의 공기 침투와 유리 성형재로부터 발생된 수분을 고려하면, 37.4%의 CO2, 54.5%의 H2O, 6.2%의 N2, 1.8%의 O2, 0.1%의 Ar의 조성을 갖는 고온 연도 가스의 126,772 SCFH는 로의 연소 구역내에서 발생된다. 연소 구역으로부터, 고온 연도 가스는 차단벽 아래의 간극을 통해 수용 구역으로 흐르며, 유리 성형재에 일부 에너지를 전달하고 약 1148.9℃(2100℉)에서 로를 벗어난다. 연도 가스는 유리 용해로로부터 내화 라인 굴뚝을 통해 열회수기를 통과한다. 굴뚝 벽의 열 손실은 1148.9℃(2100℉)에서 열회수기로 유입되는 고온 연도 가스의 온도를 더 감소시킨다.
열회수기는 개별 격실 내부로 (25℃)77℉에서 고순도 산소와 천연 가스를 수용한다. 고온 연도 가스를 함유한 간접 열 교환으로, 산소는 약 648.9℃(1200℉)에서 천연 가스는 약 537.8℃(1000℉)에서 열회수기에서 빠져 나온다. 가열된 산소 및 천연 가스는 최소의 열 손실을 보장하는 절연 파이프를 사용하여 유리 용해 로의 연소 구역을 통과한다. 열회수기를 빠져나온 연도 가스는 약 746.7℃(1376℉)이다.
내화 라인 굴뚝은 열회수기로부터 직접 접촉 카렛트 예열기에 이르기까지 연도 가스를 안내한다. 약 738.9℃(1362℉)의 연도 가스의 온도보다 낮은 굴뚝 내의 부가적인 열 손실은 카렛트 예열기용으로 약 760℃(1400℉)의 상한보다 낮다.
카렛트 예열기는 약 25℃(77℉)에서 (1.5 중량 %의 수분 함량인) 카렛트 13702 1bs/hr로 장입된다. 카렛트는 연도 가스와 직접 접촉함으로써 예열된다. 13497 1bs/hr에서 예열되고 426.7℃(800℉)에서 건조 카렛트는 예열기를 벗어나고 유리 용해로 내부로 충전된다. 약 131,106 SCFH의 연도 가스는 또한 36.2%의 CO2?? 56%의 H2O, 6%의 N2, 1.8%의 O2, 0.1%의 Ar의 조성을 가지며, (출구 연도 가스 덕트내의 수 응축을 방지하기 위해 충분히 높은 온도인) 304.4℃(580℉)에서 카렛트 예열기를 벗어난다.
로 내부의 예열, 산소 예열, 천연 가스 예열, 및 카렛트 예열을 포함한 유리 제조 로 내부로의 에너지 유입은 다음과 같다. 연료: 유리의 2.45 MMBtu/ton ; 산소 예열: 유리의 0.11 MMBtu/ton ; 천연 가스 예열: 유리의 0.07MMBtu/ton 및; 카렛트 예열: 유리의 0.19 MMBtu/ton
실시예 3
본 실시예는 본 발명을 실행함으로써 얻어질 수 있는 경제적인 잇점을 도시하고 있다. 도표 1에는 (99.9 중량 %의) 순 산소에 의해 연소된 유리 용해로에서 1일당 300톤에 대한 모델링 연구가 요약 도시되어 있다. 회수된 열을 다양한 방식으로 비교하고 있음을 나타내고 있다. 열 회수가 없는 산소 발화 유리 용해로의 베이스라인 경우는 칼럼 A에 도시되어 있다. 칼럼 B, C, 및 D는 연도 가스로부터 나온 폐에너지가 연소 산소, 배치/카렛트 예열기와, 배치/카렛트 예열기와 함께 연소 산소의 예열에 사용되는 경우의 에너지 및 요구 조건을 도시하고 있다.
칼럼 E은 실시예 2에 기술된 것과 같이 에너지 회수 배열의 경제적인 잇점을 나타내고 있다.
배치/카렛트 예열(칼럼C)과 비교하여, 산소/배치/카렛트 예열(칼럼 D)은 연료와 산소 이용량의 5% 감소를 가져오며, 유리 제조기의 작동 비용을 감소시킨다.
카렛트와 조합하여 로 내의 배치 예열을 이용하여, 산소 및 천연 가스 예열(칼럼 E)은 연료 및 산소 요구량을 더 감소시키고 상기 사용량의 13.5%의 감소량은 배치/카렛트 예열(칼럼 C)과 관련하여 얻어질 수 있다.
도표 1
A B C D E
에너지 투입량(MMBTU/TON)
연료 3.61 3.44 2.83 2.69 2.45
산화제 예열 0.00 0.12 0.00 0.09 0.11
천연 가스 예열 0.00 0.00 0.00 0.00 0.07
배치 예열 0.00 0.00 0.29 0.29 0.00
카렛트 예열 0.00 0.00 0.10 0.10 0.19
총 투입량 3.61 3.56 3.22 0.18 2.82
에너지 출력량(MMBTU/TON)유리로 향하는 에너지 1.80 1.80 1.80 1.80 1.63
에너지 손실(총괄) 1.44 1.39 1.06 1.02 0.83
벽 열 손실(총괄) 0.37 0.37 0.36 0.36 0.35
총 출력량 3.61 3.56 3.22 3.18 2.82
효과적인 요구량
연료(MMBTU/HR) 45.18 42.95 35.35 33.63 30.59
산화제 소모(SCFH) 90,629 86,158 70,149 66,732 60.702
본 발명의 방법을 사용하여 높은 에너지 효율과 NOX생성의 감소로 유리 용해를 수행할 수 있다. 본 발명의 임의의 실시예와 관련하여 상세히 기술되어졌다 하더라도, 청구범위의 영역 내에 본 발명의 또 다른 실시예가 있음을 당업자들은 인지할 것이다.
본 발명은 산소 연소식 유리 용해로 내의 에너지 효율을 개선시켜 버너 온도의 증가와 과다한 NOX의 발생없이 유리를 용해시킬 수 있으며 고온 연소 생성물로부터 폐 에너지를 사용할 수 있는 잇점이 있다.

Claims (13)

  1. 에너지 회수가 개선된 유리 용해 방법에 있어서,
    (A) 가열된 유리 성형재를 용해로 내부로 통과시키는 단계와,
    (B) 고온 연소 생성물을 생산하고 상기 가열된 유리 성형재를 상기 용해로 내에서 용해시키기 위한 열을 제공하기 위해 연료 및 가열된 산화제를 연소시키는 단계와,
    (C) 상기 고온 연소 생성물을 상기 용해로로부터 회수시키는 단계와,
    (D) 부분적으로 냉각된 연소 생성물과 상기 가열된 산화제를 생산하기 위해 상기 고온 연소 생성물로부터 상기 고온 연소 생성물보다 더 낮은 온도와 적어도 중량 50%의 산소 농도를 갖는 산화제에 열을 전달시키는 단계와, 그리고
    (E) 상기 가열된 유리 성형재를 생산하고 냉각된 연소 생성물을 생산하기 위해 상기 부분적으로 냉각된 연소 생성물에서 유리 성형재에 이르기까지 열을 전달하는 단계를 포함하고 있는 유리 용해 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 산화제는 적어도 중량 90% 의 산소 농도를 갖는 유리 용해 방법.
  3. (정정) 제 1항에 있어서, 상기 연료와 70 내지 100 %의 상기 가열된 산화제는 연소가 일어나기 이전에 상기 용해로 내부로 각각 주입되고 서로 이격되어 있는유리 용해 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 가열된 산화제의 온도는 약 93.3℃ 내지 815.6℃(200℉ 내지 약 1500℉)의 범위 내에 있는 유리 용해 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 (D) 전달 단계는 간접 열 교환에 의해 수행되는 유리 용해 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 간접 열교환은 병류 방향으로 행해지는 유리 용해 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 용해로는 차단벽에 의해 유리 성형재를 수용하기 위한 제 1 구역과 상기 유리 성형재를 용해하고 상기 고온 연소 생성물을 발생시키기 위한 제 2 구역으로 분할되는 유리 용해 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 유리 성형재는 제 1 구역으로부터 제 2 구역으로 통과되며, 상기 고온 연소 생성물은 상기 용해로 내에 상기 유리 성형재와 직접 접하여 통과되는 유리 용해 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 연료는 고온 연소 생성물 부분과 열 교환에 의해 가열 되는 유리 용해 방법.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 연료는 부분적으로 냉각된 연소 생성물의 적어도 일부분과의 열교환에 의해 가열되는 유리 용해 방법.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 부분적으로 냉각된 연소 생성물과 공기가 혼합되며, 상기 공기는 상기 부분적으로 냉각된 연소 생성물의 온도보다 낮은 온도인 유리 용해 방법.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 부분적으로 냉각된 연소 생성물의 일부분은 재순환되어 상기 유리 성형재에 전달되기 이전에 상기 부분적으로 냉각된 연소 생성물과 혼합되는 유리 용해 방법.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 연소 생성물은 상기 냉각된 연소 생성물의 일부분으로부터 이산화탄소를 회수하는 추가의 단계에서 나온 이산화 탄소를 포함하는 유리 용해 방법.
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