KR100769098B1 - 산화제 분사 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 점화 지역 및 배출 지역을 포함하는 로에서, 세가지 산화제 및 연료를 연소시키는 방법에 관한 것으로, 연료를 점화 지역에 도입하는 단계; 제 1의 산화제를 점화 지역에 도입하는 단계; 제 2의 산화제를 점화 지역에 도입하는 단계; 및 제 3의 산화제를 배출 지역에 도입하는 단계를 포함하며, 제 1의 산화제를 도입하는 단계 동안, 제 2의 산화제를 도입하는 단계 및 제 3의 산화제를 도입하는 단계가 수행되는 방법에 관한 것이다.

Description

산화제 분사 방법 {OXIDANT INJECTION METHOD}
도 1은 6-포트, 측면-포트 축열식 로를 나타낸 것이다.
도 2는 화학양론 대 NOx 방출의 그래프를 나타낸 것이다.
도 3은 점화측 및 배출측(side) 둘 모두 상에 측면-포트(side-port) 산화제 분사기가 부가된 도 1에 나타낸 라인 3-3에 따른 측단면도를 나타낸 것이다.
도 4는 하부-포트(under-port) 산화제 분사기의 하나의 구체예 및 본 발명의 방법에 사용될 수 있는 분사기에 대한 공급 배관의 일부를 나타낸 것이다.
도 5는 점화측 및 배출측 둘 모두 상에 하부-포트 산화제 분사기를 포함하는 본 발명의 방법의 대안적인 구체예를 나타냄을 제외하고 도 3과 동일하다.
도 6은 점화측 및 배출측 둘 모두 상에 스루-포트(through-port) 산화제 분사기를 포함하는 본 발명의 방법의 대안적인 구체예를 나타냄을 제외하고 도 5와 동일하다.
도 7은 본 발명의 방법에서 사용될 수 있는 분사 노즐 팁의 단면 평면도와 입면도, 및 단부도를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 방법에서 사용될 수 있는 대안적인 분사 노즐 팁의 단면 평면도와 입면도, 및 단부도를 나타낸 것이다.
축열식 유리로(glass furnace)는 고온 공기 사전가열 수준으로 인해 매우 높은 공정 온도에서 작동한다. 보다 높은 열적 효율을 달성하기 위하여, 연소 공기는 로 내부에서 연료와 반응시키기 전에 세라믹 축열기에서 대략 2400℉로 사전가열된다. 축열식 유리로로부터 질소산화물 (NOx)의 방출을 감소시키기 위한 수많은 방법들이 제안되었으나, 실제로 거의 실행되지 않았다.
축열식 유리로에서 관찰된 바와 같이 고온 연소 동안, NOx는 연소 공기 중에서 질소를 가열산화시킴으로써 형성되는데, 이는 열적 NOx(thermal NOx)로서 나타낸다. 일반적으로, 열적 NOx는 화염의 시간-온도 이력(history)에 따르며, 피크 화염 온도가 증가할수록 증가한다.
피크 화염 온도를 감소시키는 첫번째 방법은 공기 사전가열 수준을 감소시키고, 전기 부스트(boost)를 이용하여 로의 특정 위치에서 점화율을 감소시키는 것이다. 둘 모두의 접근은 로의 효율 및 생산율을 보다 낮추는 한계를 가지고 있으며, 로 설계시 고려사항으로 인해 종종 실행하기 어렵다.
오염방지 기술은 대개 추가 비용을 초래한다. 그러므로, 유리제조업자는 경쟁적이기 위해, 규정된 방출 한계를 충족하는 이용가능한 가장 비용효율적인 기술 을 선택해야만 한다. 일부의 경우에서, NOx 법률은 신규하거나 재건설되는 로에만 적용되는 반면, 다른 경우에서는 현재 작동하는 로에 적용된다. 가장 통상적인 평면 유리로는 통상적으로 약 600 톤/일의 유리를 생산하고 150 MM Btu/Hr의 연료를 소비하는 축열식 측면-포트 로이다. 이러한 로는 임의의 NOx 저감 기술없이 유리 1톤 당 12 내지 20 lb의 NOx가 산출된다. 미국에서 1990년의 대기환경법하에서, 미국의 대부분의 지역은 거대한 축열식 로로부터의 NOx 방출을 톤당 2 내지 8 lb로 제한한다. 따라서, 대부분은 유리제조업자는 이들의 국부적인 방출 목표를 충족시키기 위한 방출 조절 기술의 선택을 필요로 하였다.
축열식 유리로에서 NOx 감소를 위한 몇가지 공지된 기술이 있다. 연료-풍부 점화, 로의 배출측 상에서 가스의 재연소, 및 NOx의 1차 소스인 질소를 제거하는 옥시-연료 점화를 포함한다. 하기 참고문헌을 참조하며, 이는 본원에서 참고문헌으로 포함된다:
[1. "Controlling Glass Furnace NOx with Gas Reburn", Ceramic Bulletin, Feb. 1998, pp 51-56 (R.Koppang, A.Marquez, D.Moyeda, M.L.Joshi, P.Mohr and R.Madrazo);
2. "References: "Cost-Effective NOx Reduction Using Oxygen - Enriched Air Staging (OEAS) on Regenerative Glass Furnaces", Presented at 55th Conference on Glass Problems, Columbus, OH, Nov. 8-9, 1994 (M.L.Joshi, D.B.Wisnick, S.K.Panahi, H.A.Abbasi, R.E.Grosman, R.F.Madrazo, W.H.Benz, A.G.Slavejkov, and L.W.Donaldson);
3. US 5,203,859, Oxygen-enriched combustion method, Khinkis et al., Apr 20, 1993;
4. Pilkington Technology Datasheet 2, "Float Glass Technology" (http://www.pilkington.com/resources/datasheet2float.pdf)].
유리제조업자는 축열식 로로 개량가능하고, 하나 이상의 하기 이점을 제공할 수 있는 비용-효율적인 NOx 감소 기술을 요구하고 있다: 보다 낮은 피크 화염 온도; 전략적 점화측의 산화제 분산으로 인한 알맞은 화염 길이; CO 및 연소물의 완전 연소; NOx 방출 감소; 및 용해장치(melter) 내에서 발생하는 상당한 연소로 인한 개선된 로 효율.
본 발명은 점화 지역 및 배출 지역을 포함하는 로에서 세가지 산화제 및 연료를 연소시키는 방법으로서, 연료를 점화 지역에 도입하는 단계; 제 1의 산화제를 점화 지역에 도입하는 단계; 제 2의 산화제를 점화 지역에 도입하는 단계; 및 제 3의 산화제를 배출 지역에 도입하는 단계를 포함하며, 제 1의 산화제를 도입하는 단계 동안, 제 2의 산화제를 도입하는 단계가 수행되고, 제 3의 산화제를 도입하는 단계가 수행되는 방법을 제공한다.
용어 "산화제"는 공기, 또는 (대기 보다 높은 산소 비율을 갖는 공기인) 농축된 공기를 의미하는 것으로 사용된다.
용어 "농축된 공기"는 21 부피% 이상의 산소를 포함하는 가스 스트림을 의미한다. (21 부피%의 산소는 대기 중의 산소의 양이다). 이는 임의의 소스로부터 얻을 수 있으며, 배기 스트림, 진공 또는 압력 스윙 흡착 장치 (VSA 또는 PSA), 또는 극저온 분리 유닛, 또는 다른 분리 메카니즘으로부터의 단독 또는 공기와 혼합된 임의의 순도의 산소-풍부 가스 스트림을 포함한다.
용어 "배기 스트림(vent stream)"은 진공 또는 압력 스윙 흡착 장치 (VSA 또는 PSA), 또는 극저온 분리 유닛, 또는 주로 사용되는, 즉 공기로부터 생성 가스, 예를 들어 질소 또는 다른 가스를 분리하는데 주로 사용되는 다른 공기 분리 메카니즘으로부터의 (생성가스 스트림이 아닌) 배출되는 가스 스트림을 의미한다.
용어 "연료"는 가스 연료, 예를 들어 천연가스, 프로판, 및 정유 가스 (연소가능한 가스의 혼합물); 액체 연료, 예를 들어 디젤, 등유, 벙커-C, 및 6번 연료오일; 고체 연료, 예를 들어 석탄, 및 석유 코크스를 의미한다.
용어 "점화 지역"은 로에서 연료 및 산화제가 혼합되고 연소되는 공간이다.
용어 "배출 지역"은 로에서 배출 가스 및 연소되지 않은 연료가 배출 가스 및 연소되지 않은 연료를 위한 배출구 쪽으로 흐르는 공간이다. 배출 가스 및 연소되지 않은 연료를 위한 로의 배출구는 파이프, 통로, 송기관, 굴뚝, 또는 열교환기, 예를 들어 축열기 격자(checker), 또는 환열기, 또는 이들의 임의의 결합체일 수 있다.
제안된 발명은 로로부터 NOx를 감소시키기 위한 개선된 산화제 분사 방법에 관한 것이다. 본 발명에서 유용한 로의 하나의 유형은 도 1에 나타낸 바와 같은 축열식 유리로이다. 도 1은 지붕(roof)을 제거한 로의 위에서 본 모습이다. 도 1에서는 배치 또는 원료 장전기(charger) (111), (잘룩한 부분 (115)을 통과하는) 화살표에 의해 지시되는 용융된 유리 흐름 (113)을 지닌 용해장치 (112) 및 안정화 구간 (117)을 갖는 6-포트, 측면-포트 로 (100)를 볼 수 있다. 보는 바와 같이, 본 구체예에서의 축열기는 로의 A측 상에 개개의 격자 (121, 123, 125, 127, 128 및 129)를, 및 로 B측 상에 개개의 격자 (131, 133, 135, 137, 138 및 139)를 갖는다. 보는 바와 같이 A측이 점화측이고 B측이 배출측일 때, 축열기 격자 (121, 123, 125, 127, 128 및 129)는 연소를 위한 산화제를 공급하도록 작동하며, 축열기 격자 (131, 133, 135, 137, 138 및 139)는 배출 가스로부터 열을 회수하도록 작용한다. 점화 지역 (198)은 연료 및 산화제가 혼합되고 점화측 (A) 상에서 연소되는 용해장치 (112)에서 유리에 대한 공간이다. 점화 지역은 또한 점화측 상에서 포트 (161, 162, 163, 164, 165 및 166)의 일부를 포함한다. 배출 지역 (199)은 배출측 상에 제 3의 산화제의 첨가가 결여되고, 통상적으로 어떠한 연소도 발생하지 않으며, 배출 가스 및 연소되지 않은 연료는 배출측 (B) 상에 포트 (171, 172, 173, 174, 175 및 176) 쪽으로 및 이들 내로 흐르는, 용해장치 (112)에 대한 공간이다. 배출 지역은 배출측 상에 포트, 예를 들어 포트 (171, 172, 173, 174, 175 및 176)를 포함한다. 용해장치 (112)는 유리가 정위되고 용융되는 로의 공간이며, 임의의 경우에 점화 및 배출 지역의 일부인 임의의 포트를 제외한 배출 지역 (199) 및 점화 지역 (198)으로 구성된다.
통상적으로, 축열식 로는 산화제, 통상적으로 연소 공기와 함께 대략 20 분 간격으로 순환하여, 축열기 격자 (121, 123, 125, 127, 128, 129)로부터의 열을 배출시키고 로의 반대측, B측 상의 축열기 격자 (131, 133, 135, 137, 138 및 139)에서 배출구로부터 배출시킴으로써 연소 공기가 가열되는 동안 로의 A측 상의 축열기 격자 (121, 123, 125, 127, 128, 129)를 통과한다. 열은 배기 스트림으로부터 축열기 격자 (131, 133, 135, 137, 138 및 139)에 의해 20 분 마다 회수된다. 20 분 후에, 로의 점화측 및 배출측은 다음 20 분 동안 전환되는데, 이는 B측이 점화측이 되고, A측이 배출측이 됨을 의미하며, 이후 점화측 및 배출측이 20 분 마다 전환된다.
본 발명의 방법이 사용될 수 있는 대안적인 로에서, 열은 배출로부터 회수될 수 있으며, 축열기 격자 이외의 다른 열교환기, 예를 들어, 환열기에 의해 제 1의 산화제로 공급될 수 있다. 본 발명의 방법이 사용될 수 있는 다른 대안적인 로에서, 열은 배기 스트림으로부터 회수되지 않을 수 있다.
도 1에서 보는 바와 같이, 화염 (141)은 제트 또는 버너 (미표시됨)를 이용하여 연료를, 점화측 축열기 격자에서 로로 배출되는 대략 2400℉의 연소 공기 산화제 스트림 (제 1의 산화제)으로 분사함으로써 생성된다. 화염 (141)은 대략적으로 로의 너비 (점화 지역 (198))의 2/3를 덮을 수 있다. 화염은 용해장치 (112) 및 로 내부 (189)의 다른 부분 (벽, 지붕 등)에서 복사를 통하여 열을 유리로 이동 시킨 후, 배출 포트 (171, 172, 173, 174, 175 및 176)를 통하여 로 (100)의 B측 상의 개개의 축열기 격자 (131, 133, 135, 137, 138 및 139)로 배출된다. 공정에서, 축열기 격자는 2900 내지 3000℉의 배출 가스와 함께 가열된다. 로에서 고온 연소 및 비교적 높은 잔류 시간으로 인해, 열적 NOx가 생산된다. 거대한 축열식 로로부터의 통상적인 NOx 방출은 생산된 유리 1톤당 12 내지 20 lb이다.
상기에서 설명된 바와 같이, NOx는 연소 공기에서 질소를 가열산화시킴으로써 주로 형성되는데, 열적 NOx로서 나타낸다. 일반적으로, 열적 NOx는 화염의 시간-온도 이력에 따르며, 피크 화염 온도가 증가함에 따라 증가하게 된다.
열적 NOx를 감소시키기 위하여, 피크 화염 온도는 감소될 수 있는데, 이는 피크 화염 영역에서 산소의 유용성을 감소시킴으로써 수행될 수 있다. 화염 화학양론을 기초로 한 특징적 NOx 방출의 특징은 도 2에 나타내었다. 도 2에서, 전반적인 로의 화학양론비 (S)는 NOx 방출에 대하여 플롯팅되었다. 화학양론비는 이론적으로 보정된 공기 (또는 다른 산화제)/연료의 비로 나누어진 실제 공기 (또는 다른 산화제)/연료의 비로서 정의된다. (예를 들어, 천연가스 연소에 대해, 이론적으로 보정된 공기/연료의 비는 대략 10이다.) 임의의 연료에 대해, 로가 이론적으로 보정된 양의 산화제에서 작동되는 경우, S의 값은 1이다. 연료-풍부 작동에 대해, S의 값은 1 미만이고, 반대로 연료-부족 작동에 대해, S의 값이 1 초과이다. 도 2에서 보는 바와 같이, 최대 NOx 방출은 약간의 연료-부족 조건 (지점 1)에서 생산된 다. 그러나, NOx 방출은 S가 지점 1 로부터 멀어짐에 따라 연료-풍부 조건 및 연료-부족 조건 둘 모두에서 줄어든다.
연료-풍부 조건 (S<1)에서 로를 작동시키면, NOx 방출은 감소된다. 도 2에서, 연료가 부족한 지점 1 (대략 1.05) 대신에 연료가 풍부한 지점 2 (대략 0.8)에서 로의 작동은 NOx 방출의 60% 감소를 제공할 수 있다. 그러나, 통상적인 로에 대해, 화염은 화학양론의 수준에 따라 매우 길어지게 된다. 이는 필요한 산소를 발견할 수 없는 연소물 (연료)에 기인한 것으로, 화염은 느리고 (또는 높이 올라온) 밝은 화염이 된다. 연소물이 로내에서 연소되지 않는 경우, 로의 열적 효율이 감소되고, CO 방출이 증가되고 CO 방출 제한을 준수할 수 없을 수 있다.
본 발명은 NOx 방출의 감소(열적 NOx의 감소)를 제공하기 위해, 점화 및 배출측 둘 모두 상의 산화제를 점화 및 배출 지역 둘 모두에 도입함을 제공한다. NOx 감소는 50% 이상 또는 심지어 60% 이상일 수 있으며, 이는 길고, 느린 화염의 생산없이 달성될 수 있다. 본 발명의 방법은 점화 지역 및 배출 지역을 포함하는 로에서, 세가지 산화제 스트림 및 연료를 연소시키는 방법으로, 연료를 점화 지역에 도입하는 단계; 제 1의 산화제를 점화 지역에 도입하는 단계; 제 2의 산화제를 점화 지역에 도입하는 단계; 및 제 3의 산화제를 배출 지역에 도입하는 단계를 포함하고, 제 1의 산화제를 도입하는 단계 동안, 제 2의 산화제를 도입하는 단계 및 제 3의 산화제를 도입하는 단계를 포함한다.
도입 단계는 로의 임의의 위치에 정위된 임의의 도입 수단, 예를 들어, 랜스(lance), 노즐, 파이프, 버너, 통로, 밸브 등을 이용하여 산화제 또는 연료를 분사, 가압, 또는 접근시킴으로써, 연료 또는 산화제를 로에 제공하는 임의의 방법일 수 있다. 도입 단계는 벽, 지붕, 스루-포트, 하부-포트, 측면-포트 또는 도입 수단, 예를 들어, 랜스, 노즐, 파이프, 버너, 통로, 밸브 등이 제공될 수 있는 임의의 요망되는 위치를 통과할 수 있다. 압력하에서 산화제 또는 연료의 가압은 고압용기에 산화제 또는 연료를 저장하고, 이를 분산시키거나, 기계적 수단를 제공하여 산화제 또는 연료 상에 예를 들어 팬, 압축기, 배출기, 밴투리 또는 제트 펌프에 의한 압력을 발생시킴으로써 수행될 수 있다. 하기 설명에서 참고문헌은 산화제를 분사기 또는 노즐을 경유하여 분사되도록 이루어질 수 있으나, 임의의 도입 수단을 사용한 임의의 도입 단계가 본 발명의 방법에 의해 사용될 수 있는 것으로 이해된다.
도 1에 나타낸 로에 대한 제 1의 산화제는 점화측 또는 구역 상에 축열식 격자 (열교환기)를 통하여 공기 흐름을 경우하여 로로 도입되는 연소 공기일 수 있다. 거대한 팬은 제 1의 산화제를 축열기 격자를 경유하여 로로 밀어낸다. 그러나, 다른 구체예에서, 제 1의 산화제는 임의의 도입 수단에 의해 로로 도입되는 공기 또는 농축된 공기일 수 있다.
도 3에 나타낸 로의 구체예에서, 제 2의 산화제는 분사기 (400, 401)를 경유하여 로로, 점화측 (A) 상에서 점화 지역 (198)로 분사된 산화제이다. 제 2의 산화제는 공기 또는 농축된 공기일 수 있는데, 이는 임의의 온도에서 존재할 수 있으 며, 즉, 사전가열된 온도, 주위 온도 또는 주위 온도 이하에서 존재할 수 있다.
도 3에 나타낸 로의 구체예에서, 제 3의 산화제는 분사기 (402, 403)를 경유하여 로로, 배출측 (B) 상에서 배출 지역 (199)로 분사된 산화제이다. 제 3의 산화제는 공기 또는 농축된 공기일 수 있는데, 이는 임의의 온도에서 존재할 수 있으며, 즉, 사전가열된 온도, 주위 온도 또는 주위 온도 이하에서 존재할 수 있다.
본 발명의 방법의 일부 구체예에서, 점화 지역 (198) (도 1 및 3에서 A측 상에 나타냄)은 제 1의 산화제 (연소 공기) 화학양론비 S가 1 미만이거나; S가 0.9 이하이거나 또는 S가 0.8 이하인 제 1의 산화제를 가지며, 이는 연료-풍부 작동을 초래하여 점화 지역내에 피크 화염 온도를 감소시킨다. 예를 들어, 연료에 대한 제 1의 산화제 (연소 공기)의 화학양론비는 S가 0.4 이상이고 1 미만이거나; S가 0.4 내지 0.95이거나; S가 0.4 내지 0.9이거나; S가 0.4 내지 0.85이거나; S가 0.4 내지 0.8인 범위일 수 있다. 본 발명은 제 2의 산화제를 점화 지역 가까이에, 이의 지점에 또는 이의 속으로, 예를 들어, 화염 속으로 도입함을 제공한다 (용해장치 내에서 길고 느린 화염을 제한하는데 도움을 주고, 배출 포트로 넘치는 화염을 방지하는데 도움을 준다). 추가적으로, 본 발명은 제 3의 산화제를 배출 지역, 예를 들어, 배출 스트림이 바람직하게는 용해장치 내의 로에서 배출되기 전에 연소물 및 CO를 연소시키기 위한 배출 스트림에 도입함을 제공한다.
각각의 상기 공정은 도 3을 참조하여 상세히 설명한다. 점화측의 제 1의 산화제 (연소 공기)의 화학양론 S는 1 미만, 또는 0.9 이하, 또는 0.8 이하로 감소된다. 점화측 상에 제 2의 산화제, 예를 들어 농축된 공기 또는 공기를 분사함으로 인해, 격자로부터 로로 흐르는 제 1의 산화제, 예를 들어, 가열된 연소 공기의 양이 감소되어 유리로의 열전달에 영향을 미치지 않고 연료-풍부 연소 또는 보다 더 연료-풍부 연소를 제공할 수 있다. 제 2의 산화제 스트림은 제 1의 산화제의 일반적인 확산 없이 연료 제트와 즉시 반응할 수 있다. 제 2의 산화제 및 연료의 혼합은 화염 켄칭 효과로 인해 화염 온도 증가를 억제하하도록 화염에서 그을음 입자를 생산할 수 있다. 하나의 구체예에서, 점화측 분사기는 주 버너 주위에 정위되어 분사된 농축된 공기 및/또는 분사된 공기 (제 2의 산화제)와 연료 제트로부터의 연료를 고속으로 혼합시킬 수 있다. 점화측의 제 2의 산화제 분사기의 갯수, 유형 및 위치는 연료 제트로부터의 연료와 양호하게 혼합시킬 수 있도록 선택될 것이다. 점화측의 제 2의 산화제 분사기는 연소를 위한 연료에 산소를 제공하며, 비록 분사된 제 2의 산화제를 제외한 제 1의 산화제 (예를 들어, 연소 공기)가 1 미만의 화학양론을 갖게 되더라도, 화염은 길고 느리지 않게 되며, 전반적인 화염은 배출포트로 넘치없이 용해장치 내에 지속된다. 점화측 분사를 위한 분사기 배열은 버너 점화 배열 (하부포트, 측면-포트, 스루-포트, 상부-포트, 지붕, 등)에 따른다. 점화측 및 배출측 작동은 임의의 시간, 예를 들어 매 15분, 20분, 25분, 30분 동안일 수 있는, 규칙적인 로 사이클을 기초로 하여 전환된다. 추가적으로, 점화측 상의 제 1의 산화제, 제 2의 산화제 및 배출측 상의 제 3의 산화제의 도입은 로의 전체 사이클 동안 또는 단지 사이클의 일부 동안 수행될 수 있다.
하나의 구체예에서, 축열식 로에서, 예를 들어, 점화측의 제 2의 산화제 분 사의 지속은 대부분의 열적 NOx가 형성될 때 로의 사이클의 일부 동안 가장 유리한데, 이는, 각각의 로의 반주기 (점화 동안)의 말단 쪽이다. 점화측이 로의 한측으로부터 로의 다른측으로 전환될 때, NOx 형성은 각각의 점화 사이클의 초기에서 비교적 낮으나, 시간이 지날수록 NOx 형성은 증가한다. 점화측이 점화되는 전체 시간 동안 점화측 상에 제 2의 산화제 (예를 들어, 농축된 공기 및/또는 공기)의 분사는 NOx 형성을 감소시킨다. 대안적으로, 점화측 상에 제 2의 산화제의 분사는 점화측 상의 점화 (반주기)의 임의의 일부로 제한될 수 있다. 예를 들어, 제 2의 산화제는 점화측이 점화되는 중에 로 사이클 기간의 3/4 이하, 1/2 이하, 또는 1/4 이하 동안 로에서 점화측 상으로 분사될 수 있다. 점화 사이클의 일부 동안 제 2의 산화제의 도입 단계는 로의 각각의 측(side)이 점화측일 때 로의 양 측상에서 반복될 수 있다. 제 2의 산화제의 분사는 각각의 반주기 (점화 사이클)의 후반 부분 동안, 즉 로의 한 측이 점화되는 시간의 후반 부분 동안 보다 유익하다; 그러나, 제 2의 산화제 분사의 시간 및 양은 가장 낮은 NOx를 제공하고, 점화 사이클의 임의의 부분 동안 용해장치 내에서 및 축열기 격자에서 온도를 조절할 수 있도록 조정될 수 있다. 대안적으로, 제 2의 산화제의 분사 속도는 반주기의 시작부터 끝까지 증가 (또는 감소)될 수 있다.
본 발명에서 사용되는 제 1, 제 2 및/또는 제 3의 산화제로서 사용될 수 있는 농축된 공기는 임의의 소스로부터 수득될 수 있다. 농축된 공기의 저렴한 소스는 서로 다른 가스를 제조하는 공기분리 유닛으로부터의 배기 스트림으로부터 수득 한다. 판 유리 공장에서, 질소의 소스는 산소 부재 주석-배치 대기를 유지시키는데 필요로 한다. 대개, 고순도 질소 (HPN) 유형 질소 공장은 필요로 하는 질소를 공급하는데 유용하다. HPN 공장의 폐스트림은 대략 40 부피%의 산소를 함유하며, 나머지는 아르곤 및 질소이다. 배기 스트림으로서 언급될 수 있는 상기 폐스트림은 NOx를 감소시키기 위한 산화제의 소스로서 사용될 수 있다. 요망되는 경우, 배기 스트림에 공기가 첨가된다. 공기 및 배기 스트림은 로로 분사 전, 동안 또는 후에 점화측 상에서 혼합될 수 있다. 분사기에 공급하고 배기 스트림과 혼합하는 공기의 하나의 소소는 팬 공기, 즉 팬을 경유하여 상승된 압력, 예를 들어 2 내지 5 psig의 공기이다.
두가지 구체예에 대해, 여러가지 공정 파라미터는 하기 표에서 규정된다. 점화측 상에서 산화제의 소소는 노즐 (또는 분사기)를 경유하여 로로 도입되는 농축된 공기 및 공기 또는 점화측 상에서 격자 또는 다른 통로로부터의 연소 공기 중 하나, 또는 둘 모두일 수 있다. 표 1에서, 화학양론비는 점화측에 대해 계산된다.
표 1: 실례의 로에 대한 점화측 파라미터의 범위
점화측 파라미터 수치 범위
NOx 감소를 위한 요망되는 전반적인 점화측의 화학양론비 (S) 0.70 내지 0.90
연소 공기의 화학양론비 (S공기) (이론적으로 보정된 공기 흐름속도 평균 S공기=1) 0.60 내지 0.80
점화측 분사기 O2의 화학양론비 0.02 내지 0.30
점화측 분사기 공기의 화학양론비 0.02 내지 0.30
분사기 흐름 산소농도 (공기=0.21) 0.21 내지 1.00
점화측/배출측 분사기 산화제 흐름비율 0.05 내지 0.50
표 1 및 표 3에서, 점화측/배출측 분사기 산화제 흐름비율이 제 2의 산화제/ 제 3의 산화제의 비임에 주목하라.
표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 하나의 구체예에 대해, 연소 공기 (제 1의 산화제)의 화학양론은 연료-풍부 작동, 즉 0.7로 감소된다. 이러한 점에서, 점화측의 농축된 공기 및/또는 공기 분사기 (제 2의 산화제)는 작동되고, 점화측의 전반적인 화학양론비는 0.8에 도달한다. 다시 말해서, 점화측의 농축된 공기 및/또는 공기 (제 2의 산화제)의 분사는 전반적인 점화측의 화학양론비를 0.7 (단지 연소 공기에 의해 수행되는 경우) 내지 0.8로 상승시킨다. 따라서, 점화측 분사기의 기여는 전반적인 화학양론비에 대해 0.1이다. 그러나, 화학양론비에 대한 분사된 농축된 공기 및/또는 공기 (제 2의 산화제)에 의한 기여 범위는 보다 크거나 보다 작을 수 있으며, 예를 들어 표 1에 나타낸 바와 같이 0.02 내지 0.3일 수 있거나, 다른 구체예에 대해서는, 로 디자인 및 NOx 감소를 위해 점화측 상에 요구되는 연료-풍부 작동의 수준에 따라, 0.05 내지 0.75, 또는 0.05 내지 0.5, 또는 0.1 내지 0.3일 수 있다. 표 1은 또한 점화측 상에서 로로 분사된 농축된 공기 및/또는 공기 (제 2의 산화제) 중의 산소 농도가 0.21 내지 1의 범위일 수 있음을 나타낸다. 비록 표 1에 나타내지 않았지만, 본 발명의 방법에서, 농축 수준은 대안적으로 0.25 내지 0.9, 또는 0.3 내지 0.8일 수 있다. 1.00의 농축 수준은 99.999% 순도의 순수한 산소기 점화측 상에서 농축된 공기로서 분사됨을 의미한다.
표 2에서, 본 발명의 추가 구체예 (실시예)는 통상적인 판유리로의 단일 포트에 대해 규정된다 (600 톤/일의 생산율 및 150 MM Btu/Hr의 점화가열속도). 포트는 1000 Btu/scf 천연가스 (NG) 연료를 사용하여 30 MM Btu/Hr 점화속도로 점화되는 것으로 가정된다. 연소 공기 (제 1의 산화제) 및 분사된 농축된 공기 및/또 는 분사된 공기 (제 2의 산화제)의 통상적인 흐름속도는 배출 포트에서 측정된 바와 같이 NOx 감소 (약 60%인 것으로 평가됨)에 대해 나타낸다.
표 2: 점화측 작동의 실례의 흐름속도
30 MM Btu/Hr 점화속도에 대한 흐름 파라미터 통상적인 수치
NG 연료 흐름속도 (mscfh) (NG의 LHV=1000 Btu/scf) 30,000
NOx 감소를 위한 요망되는 전반적인 점화측의 화학양론비 (S) 0.80
연소 공기의 화학양론비 (S공기) (이론적으로 보정된 공기 평균 S공기=1) 0.70
연소 공기 흐름 (scfh) 210,000
99.9% 순도의 O2가 사용되는 경우, 점화측 분사기 O2 흐름속도 (scfh) 3,150
40% 순도의 배기스트림 산화제가 사용되는 경우, 점화측 흐름속도 (scfh) 7,875
점화측 분사기 공기 흐름 속도 (scfh) 15,000
점화측 분사기 산화제 농축 수준 (공기=0.21) 0.35
표 2에서 나타낸 구체예에 대해, (S=0.7 수준에서 연소 공기를 사용하여) 0.8의 점화측의 화학양론을 유지시키기 위하여, 점화측 농축된 공기 및 공기 분사기는 3,150 scfh의 고순도 산소 및 15,000 scfh의 팬 공기 (모두 제 2의 산화제임)를 분사한다. 대안적으로, 40% 산소 순도의 배기 스트림이 사용되는 경우, 농축된 공기분사기 흐름은 7,875 scfh의 배기 스트림 및 15,000 scfh의 팬 공기 (모두 제 2의 산화제)일 수 있다. 이들 얻어진 농축된 공기 및 공기 분사기 (제 2의 산화제) 흐름에 대해, 산소 수준은 0.35이다. 구체예는 보다 낮은 NOx 방출을 수득하기 위해 낮은 피크 화염 온도 작동을 수행할 수 있으나, 동시에 용해장치내에서 화염을 제한할 것이다. 공기 및 농축된 공기 (제 2의 산화제)는 로에 분사 전, 동안 또는 후에 혼합될 수 있으며, 농축된 공기 및 공기 스트림을 위한 단일 분사기 또는 별도의 분사기를 경유하여 분사될 것이다.
본 발명의 일부 구체예에 대해, 제 3의 산화제는 제 2의 산화제 보다 높은 흐름 속도로 분사된다. 제 3의 산화제는 로 배열에 따라 배출 지역의 여러 위치에서 분사될 수 있다. 요망되는 설비의 수를 줄이기 위해, 로의 반주기 동안 제 2의 산화제 (농축된 공기 및/또는 공기)를 점화 지역에 도입시키기 위한 동일한 수단은, 동일한 로측(furnace side)이 배출측일 때, 두번째 절반의 사이클 동안 제 3의 산화제를 배출 지역에 도입하는데 사용된다; 그러나, NOx 감소의 최적화를 요망하는 경우, 이는 요구되지 않으며, 두개의 별도의 도입 수단, 예를 들어 노즐 또는 분사기 세트가 제공될 수 있다. 하나 이상의 노즐의 제 1 세트는 점화 지역에서 제 2의 산화제 분사를 위해 사용될 수 있으며, 하나 이상의 노즐의 제 2 세트는 배출 지역에서 제 3의 (배출측) 산화제 분사를 위해 제공될 것이다. 배출 지역 산화제 분사노즐은 점화 지역으로의 산화제 분사를 위해 사용되는 노즐로부터의 크기, 디자인, 위치 및 방향이 서로 다를 수 있다. 점화 및 배출측 노즐에 대한 산화제 분사의 방향은 동일하거나, 반대방향이거나, 또는 연소 공기 및 배기 스트림의 방향에 대한 각도일 수 있다. 동일하거나, 반대방향이거나, 또는 다른 산화제 분사 스트림의 각도는 로의 특징, 예를 들어, 로 크기, 포트 기하학, 점화 속도, 및 다른 작동상 요구사항에 따라 최적화될 수 있다.
분사기의 특정 구체예의 설명은 하기에 기술하였다. 용어 "배출측 (배출 지역) 분사된 산화제" 또는 "배출측 (배출 지역) 산화제"는 "점화측 (점화 지역) 분사된 농축된 공기 또는 공기"과 비교로서 사용되어, 기술되는 사이클의 부분에 대 하여 구별된다; 그러나 배출측 산화제는 점화측 분사된 농축된 공기 및/또는 공기와 동일하거나 유사한 조성물의 농축된 공기 및/또는 공기일 수 있다. 용어 "배출측 (배출 지역) 분사된 산화제" 또는 "배출측 (배출 지역) 산화제"는 제 3의 산화제이다. "점화측 (점화 지역) 분사된 농축된 공기 또는 공기"는 제 2의 산화제이다. 제 3의 산화제는 배출 지역으로 분사되는 반면, 제 1 및 제 2의 산화제는 점화 지역으로 분사된다.
제 3 또는 배출측 산화제 분사 속도는 점화측 분사된 제 2의 산화제 흐름 속도를 초과하거나, 미만이거나 동일할 수 있다; 그러나, 일부 구체예에서 상응하는 점화측 제 2의 산화제 흐름 속도의 2 내지 20 배의 배출측 산화제 분사 속도가 유용할 수 있다. 제 3의 산화제 분사의 목적은 연소되지 않은 연료, CO 및 기타 탄화수소의 완전 연소에 있다. 점화측의 연료-풍부 연소로 인해, CO는 버너 화염 중에 예를 들어 습식을 기초로 하여 전체 화염 가스의 1 내지 10 부피%일 수 있도록 잔류한다. CO는 배출 지역으로 도입된 제 3의 산화제를 사용하여 연소된다. 제 3의 산화제의 도입 수단, 이들 수단, 예를 들어 분사기의 개수 및 위치는 바람직하게는 배출 포트 또는 축열기 격자가 아닌 용해장치내의 연소 공정을 완결하도록 배기 스트림과 완전히 혼합하기 위한 것으로 선택된다. 제 3의 산화제의 흐름 속도 및 농축 수준 (즉, 제 3의 산화제 내의 산소의 비율)은 점화측 및 전반적인 로 화학양론을 기초로 하여 계산된다. 본 발명의 구체예의 하나의 실시예에서, 로에 대한 화학양론은 표 3에서 보는 바와 같이 계산될 수 있다.
표 3 : 실례의 로에 대한 화학양론 파라미터
배출측 파라미터 수치 범위
NOx 감소를 위한 요망된느 전반적인 점화측 화학양론비(S) 0.70 내지 0.90
연소 공기 화학양론비 (S공기) (이론적으로 보정된 공기 흐름속도 평균 S공기=1) 0.60 내지 0.80
배출측 분사기 O2 화학양론비 0.00 내지 0.35
배출측 분사기 공기 화학양론비 0.15 내지 0.35
분사기 흐름 산소 농도 (공기=0.21) 0.21 내지 1.00
점화측/배출측 분사기 산화제 흐름 비율 0.05 내지 0.50
표 3에 나타낸 구체예에 대한 계산을 목적으로, 표 3에서 "O2"로서 나타낸 배출측 농축된 공기에 대한 화학양론비는 0 내지 0.35이다. 0은 농축된 공기가 분사되지 않음 (이러한 경우, 공기는 제 3의 산화제로서 배출측 상에 분사됨)을 나타낸다. 0.35는 배출측 분사 농축된 공기, 또는 배출측 분사 공기, 또는 배출측 분사 공기 및 농축된 공기의 조합물 (제 3의 산화제)에 의해 제공되는 배출측 산화제 분사에 의한 화학양론비에 대한 바람직한 최대 기여일 수 있다. 혼성 (배합된 공기-연료 및 옥시-연료) 로의 하나의 구체예의 경우에서, 배출측 산화제 화학양론비의 최대 한계는 0.6 정도일 수 있다. 그러나, 표 3은 공기가 항상 제 3의 산화제 일부 또는 전부로서 배출 지역으로 분사되는 하나의 구체예를 반영하는데, 즉, 이는 0.15의 화학양론비에 대한 배출측 분사 공기의 최소 기여이다. 배출 지역에 도입하기 위한 농축된 공기 및 공기에 대한 소스는 점화 지역에 대해 상술된 것과 동일하거나 상이할 수 있다.
표 2에 대해 상술된 동일한 로를 사용하여, 본 발명의 하나의 구체예에 대한 배출 지역으로의 제 3의 산화제의 흐름 속도가 계산되었으며, 표 4에 나타내었다.
표 4 : 실례의 로에 대한 배출측 흐름의 예
점화측 상의 30 MM Btu/Hr 점화속도에 대한 흐름 파라미터 통상적인 수치
요망되는 전반적인 로 화학양론비 (S) 1.10
NOx 감소를 위한 요망되는 점화측 화학양론비 (S) 0.80
연소 공기 화학양론기 (S공기) 0.70
점화측 분사기 화학양론비 0.1
배출측 분사기 화학양론비 0.30
99.9% 순도의 O2를 사용하는 경우, 배출측 분사기 O2 흐름 속도 (scfh) 9,450
40% 순도의 배기스트림 산화제를 사용하는 경우, 배출측 분사기 흐름 속도 (scfh) 23,625
배출면 분사기 공기 흐름 속도 (scfh) 45,000
배출면 분사기 산화제 농축 수준 (공기=0.21) 0.35
도 4에서 보는 바와 같이, 전반적인 점화 지역 화학양론은 0.8로서, 로는 1.10의 요망되는 전반적인 로 화학양론을 달성하기 위해 제 3의 산화제로서 9,450 scfh의 고순도 산소 및 45,000 scfh의 팬 공기를 필요로 한다. 대신에 40% 산소 순도를 지닌 배기 스트림을 사용하는 경우, 23,625 scfh의 배기 스트림 흐름 및 동일한 양의 팬 공기가 제 3의 산화제로서 사용될 수 있다. 고순도 산소 또는 배기 스트림을 포함하는 제 3의 산화제는 35% 산소 함량을 갖을 것이다. 상기 흐름 수치는 단지 설명하기 위한 것으로 이들은 로 디자인, 버너 배열 및 분사기 배열에 매우 의존적이다. 보다 많거나 보다 적은 농축된 공기 (고순도 또는 배기 스트림)를 사용할 수 있는 경우 예상되는 바와 같이, 제 3의 산화제에 분사된 공기의 양이 조정될 수 있다.
배출 지역 분사의 지속은 대부분의 열적 NOx가 형성될 때 로의 사이클의 일부 동안 유리한데, 이는, 각각의 로의 반주기 (배출 사이클)의 말단 쪽이다. 축열식 로에서, 점화측이 로의 A측으로부터 로의 B측으로 전환될 때, NOx 형성은 초기에 비교적 낮다; 그러나 시간이 지남에 따라, NOx 형성이 증가한다. 배출 지역, 예 를 들어 A측으로의 제 3의 산화제의 분사는 B측이 점화되는 전반적인 시간 동안 NOx의 형성을 감소시키나, 바람직한 경우, 배출측 분사가 사이클의 단지 일부 동안 감소시킨다. 예를 들어, 배출측 상에서 산화제는 배출 사이클의 3/4 이하, 1/2 이하, 또는 1/4 이하 동안 로에 분사될 수 있다. 산화제 분사는 각각의 배출 사이클의 후반부, 즉 로의 배출측이 점화되지 않는 후반부의 시간 동안 더욱 유익하다; 그러나, 배출측 상의 산화제 분사의 시간 및 양은 가장 낮은 NOx를 제공하고, 점화의 임의의 부분 동안 용해장치 내의 및 축열기 격자의 온도를 조절하도록 조정될 수 있는 것으로 현재 여겨진다. 대안적으로, 배출 사이클 동안 분사된 제 3의 산화제의 양은 배출 사이클 동안 증가 (또는 감소) 될 수 있다. 제 1, 제 2 및 제 3의 산화제 분사의 시간 및 양은 제공된 로에 대해 실험적으로 결정될 수 있다.
그러나, 전반적인 점화 지역 화학양론비가 1 이하인 로 구체예에서, 제 3의 산화제는 점화 동안 연속적으로 배출 지역으로 분사되어 용해장치에서 연료의 완전 연소를 위한 필요한 산소를 제공하는 것이 바람직하다.
산화제는 분사기 또는 노즐에 의해 로로 도입될 수 있다. 점화측 및 배출측에 대한 분사기 또는 노즐은 이러한 목적에 유용한 임의의 디자인의 임의의 분사기 또는 노즐일 수 있다. 점화 지역 및 배출 지역 분사기의 위치는 산화제가 분사되고 점화 지역의 연료 스트림 또는 배출 지역의 배출 가스 각각과의 양호한 혼합을 제공하는 한 임의의 장소일 수 있다. 예를 들어, 분사기 (400)는 로 및 버너 배열, 안정성, 및 처리능력에 따른 위치를 갖는 도 3에서 보는 바와 같은 측면 포트, 도 5에서 보는 바와 같이, 하부 포트, 도 6에서 보는 바와 같은 스루-포트, 상부 포트 (미기재됨), 지붕 상 또는 이를 통하여 (미기재됨) 정위될 수 있다.
제안된 방법의 다른 양태는 도 4에 보는 바와 같은 신규한 분사기 (400)로서, 이는 본 발명의 방법 및 종래 기술의 로를 작동시키는 다른 방법에서 사용될 수 있다. 분사기 (400)는 공기 단독, 농축된 공기 (공업용 산소 또는 배기 스트림) 단독, 또는 공기 및 농축된 공기를 동시에 분사하기에 적합하다. 공기 및 농축된 공기의 개개의 흐름 및 압력 독립성을 유지시키기 위하여, 공기 및 농축된 공기는 별도의 배관 또는 다기관에 개별적으로 이송된 후 관내관(pipe-in-pipe) (동심 파이프) 분사기 (400) 내부에서 혼합된다. 대안적으로, 내부 및 외부 파이프는 로로 동시에 또는 교차되어 도입될 수 있는 서로 다른 압력으로 동일한 조성의 스트림을 이송시킬 수 있다. 도 4에서 보는 바와 같은 노즐의 하나의 구체예에서, 내부 파이프 (410)는 농축된 공기를 위해 사용되는 반면, 내부 및 외부 파이프 (420)에 의해 형성된 고리형 공간 (450)은 팬 공기를 공급하기 위해 사용된다; 그러나, 이러한 배열은, 고리형 공간에 농축된 공기 및 내부 파이프에 공기 또는 임의의 다른 조성의 2개의 산화제, 예를 들어 서로 다른 조성 및/또는 흐름 속도를 갖는 2개의 농축된 공기 스트림이 정위는 것이 바람직한 경우, 전환될 수 있다. 팬 또는 압축된 공기는 필수적인 분사 속도를 달성하기 위한 충분한 압력, 예를 들어 2 내지 5 psig를 가질 수 있다. 도 4에 나타낸 개략적인 분사기는 하부-포트 산화제 분사에 유용하며, 점화측 및 배출측 둘 모두에 대해 사용될 수 있으며, 로 사이클 동안 하나 또는 둘 모두의 파이프 중의 조성 및/또는 흐름 속도의 변화를 조절할 수 있다. 예를 들어, 로의 한쪽측이 점화측으로부터 배출측으로 전환될 때, 공기의 흐름 속도는 2 내지 6 배 증가할 수 있으며, 농축된 공기는 잠가서 막을 수 있다.
도 4에 나타낸 분사기 (400)는 하부-포트 배열을 나타낸 것이다. 분사기 (400)는 두개의 별도의 가스 스트림을 위한 두개의 별도의 연결부 또는 배관 (412, 422)을 갖는다. 나타낸 구체예의 하나의 예에서, 분사기는 농축된 공기 (예를 들어, 공기 보다 많은 산소 함량은 갖는 공업용 산소) 연결부 (412) 및 팬 공기 연결부 (422)를 갖는다; 그러나, 임의의 조성의 산화제 가스 스트림은 분사기 (400)에서 사용될 수 있다. 농축된 공기 및 팬 공기 각각의 흐름은 바이어싱 밸브 (biasing valve; 414, 424) 각각을 이용하여 경향화(bias)될 수 있다. 게다가, 분사기는 기울기 능력 (431)을 구비한 적절한 마운팅 브라켓 (mounting braket, 430)을 이용하여 서로 다른 각도로 조준될 수 있다. 로 복사에 대한 방어를 위하여, 노즐 팁 (440)은 로의 버너 (미기재됨)와 유사하게, 내화 블록 (441)의 후면이 오목하게 되어 있다. 각각의 파이프 (412, 422)는 산화제 흐름 속도의 표시로서 공급 압력을 표시하기 위해, 압력 탭 (416,426)을 제공한다. 흐름은 상류흐름 압력 및 배출구 노즐 크기를 기초로 하여 용이하게 계산된다. 현저한 압력의 하강 없이 각각의 파이프 (412, 422)로부터 산화제의 양호한 혼합을 발생시키기 위해, 보다 고압의 산화제, 예를 들어, 농축된 공기가 중심 파이프 (410)에 흐르고, 보다 저압의 산화제, 예를 들어, 공기가 고리형 공간 (450)에 흐르게 할 수 있다. 이렇게, 밴투리 효과로 인해 잘 규정된 농축된 산화제 혼합물이 로로 분사될 수 있다. 다 중 오리피스 (451)를 구비한 노즐 팁 (440), 예를 들어, 홀 또는 슬롯은 하기에서 설명하였다. 각각의 배관 (412, 422)은 헤더 (header; 417, 427)로 각각 구성된다.
다양한 버너 점화 배열을 위한 산화제 분사기 위치는 상이할 수 있다. 예를 들어, 도 3에 나타낸 측면-포트 버너 점화 배열을 참고한다. 도 3에서, 두개의 분사기, 상부 및 하부에 측면 포트 점화 버너가 설치된다. 분사기는 제 1의 산화제 (연소 공기) 스트림에 대한 각도에 조준된다. 분사기는 분사기가 설치되는 곳과 근접한 버너와 동일한 각도를 가질 수 있다. 연소 공기 스트림에 대해 10°각도를 갖는 통상적인 버너를 기초로 하여, 제 2의 산화제 분사기는 연소 공기 (제 1의 산화제) 스트림에 대해 10 내지 30°의 각도를 가질 수 있다. 이러한 각도는 하기의 분사기 노즐 기술에서 동작 각도 (toe angle)로서 기술된다. 대안적으로, 임의의 동작 각도는 본 발명의 방법에서 사용될 수 있거나, 예를 들어 0 내지 45°의 동작 각도일 수 있다.
버너(미기재됨) 주변에 산화제 분사를 위해, 버너의 디자인이 고려되는 것이 중요하다. 버너의 노즐 팁 및 동작 각도에서 연료 분사 속도 및 오리피스의 각도는 산화제 분사 속도 및 도입 수단 (예를 들어, 분사기)의 조준된 각도를 계산할 때 고려될 수 있다. 점화 지역에서, 산화제 분사기 스트림은 직접적으로 연료 제트를 이용하며 그을음 입자로 연료 스트림을 열적으로 균열시킬 수 있다. 배출 지역에서, 산화제 분사기는 가장 넓은 가능한 포획 각도 및 용해장치 내에서 고속으로 CO 연소시키기 위한 발산을 갖는 배출 스트림으로 사용된다. 신중하게 결정된 디자인 동작 각도를 갖는 다중 도입 수단 (분사기)의 이용은 배출 가스와 효과적으로 혼합시킬 수 있다. 도 5 및 6에서, 산화제 분사기의 하부-포트 및 스루-포트 배열이 기술되어 있다.
도 5에서 보는 바와 같이 하부-포트 산화제 분사기에 대해, 동작 각도는 로 크라운(crown, 180) 위쪽으로 또는 이를 향하도록 조준된다. 이렇게, 산화제 스트림은 점화측 상에서 연료로 사용되거나 배출 지역에서 배출 스트림으로 사용될 수 있다. 도 6에서 보는 바와 같이 스루-포트 산화제 분사기에 대해, 분사기는, 배출 포트의 고온 환경에서 금속 산화를 방지하기 위해 적당히 냉각, 예를 들어, 수-냉각시킬 것을 요구한다. 분사기는 또한 크라운 상에 과열점의 생성을 방지하기 위하여 노즐 동작 각도를 사용하여 노즐 팁에서 약간 아래쪽으로 각도를 갖는다.
그 결과 흐르는 두개의 산화제를 갖는 기술된 분사기에서, 각각의 산화제 스트림은 표준 흐름 스키드(skid)를 사용하여 규제되거나 조절될 수 있다. 높은 산소 함량의 산화제 (예를 들어, 배기 스트림 또는 공업용 산소)는 표준 흐름 스키드를 사용하여 규제되거나 조절될 수 있다. 흐름 스키드는 안전성 (이중 블록 및 누출) 및 흐름을 점화 속도로 조절하기 위한 흐름 조절 밸브를 요구한다. 팬 공기가 로로 분사되는 산화제 중 하나인 경우, 팬 공기는 흐름 조절 스키드 상에 마운팅된 고압 팬에 의해 공급될 수 있다. 가변 주파수 드라이브 (VFD)는 팬 속도 및 산화제 흐름 속도를 조절하는데 사용될 수 있다. 신뢰성을 증가시키기 위하여, 백업 (backup) 팬이 공급될 수 있다.
효율적인 혼합을 제공하기 위한 산화제 분사기의 다른 양태는 (관내관 디자 인 및 분사기 각도 이외에) 노즐 팁 (440)의 디자인이다. 노즐 오리피스는 산화제 흐름 속도 및 이용가능한 압력을 기초로 하여 치수화된다. 양호한 혼합을 위하여, 100 내지 1000 피트/초의 산화제의 분사 속도가 필수적이다. 동일한 노즐이 점화측 및 배출측 둘 모두에 대해 사용되는 경우, 흐름속도는 점화측 대 배출측 상에서 현저하게 상이할 수 있다. 예를 들어, 배출측은 점화측 보다 5배 큰 흐름 속도를 가질 수 있으며; 그러므로, 배출측 상에서의 속도는 점화측 보다 5 배 클 수 있다.
도 7은 도 4에서 산화제 분사기 (400)의 일부인 다중-홀 노즐 팁 (440) 및 면 (459)의 단면도 및 정면도를 나타낸 것이다. 노즐은 오리피스 (451)를 갖는데, 이러한 경우에서 홀은 복식 각도로 천공된다. 보는 바와 같이, 각도 α는 축방향 발산 각도이다. 이러한 각도는 축방향으로 발산에 의해 산화제를 분배하는데 도움을 준다. α는 0 내지 30°로 다양할 수 있다. α에 대한 최적의 수치는 약 15°이다. 동작 각도 β는 0°내지 15°의 범위일 수 있다. β에 대한 최적의 수치는 약 7°이다. 동작 각도는 점화측 상에서 버너 연료 제트 쪽으로, 또는 로의 배출측상에서 송기관 스트림 쪽으로 산화제 스트림을 구부려지게 하는 것이 중요하다.
도 8은 다중-슬롯 산화제 분사기 디자인을 나타낸 것이다. 여기에서, 각도 α1 및 α2는 축방향 발산 각도이며, 각도 β는 동작 각도이다. 넓은 가로세로비 슬롯 디자인으로 인해, 이러한 노즐의 동반 흐름 효율은 도 7에서 보는 바와 같이 다중-홀 노즐 보다 우수하다. 지퍼 형태 노즐은 원형 홀 기하학의 유사한 흐름 영역 노즐 보다 3배 짧은 축간 거리에서 산화제 스트림을 혼합할 수 있다. 하나의 바람직한 홀 기하학은 US 특허 제6,866,503호에 기술되어 있으며, 이는 본원에서 참고문헌으로 포함된다.
본 발명의 방법은 제 1의 산화제가 버너를 통하여 점화 지역에 도입되는 농축된 공기 스트림이며, 제 2의 산화제가 버너를 통하여, 또는 버너에 인접하여, 또는 제 2의 산화제가 점화 지역 상에 도입될 수 있는 보다 용이하게 기술된 다른 임의의 위치의 점화 지역에 도입되는, 옥시-연료 로 (미기재됨)에 사용될 수 있다. 표현 "버너를 통과하는"은 산화제가 버너의 일부 또는 이에 부착된 연결부를 통하여 연료 위, 아래, 측면, 또는 주위에 도입되는 것을 의미한다. 본 구체예에서 제 1의 산화제 및/또는 제 2의 산화제는 별도의 배출구를 통하여 버너에서 배출될 수 있으나, 이는 버너로의 단일 공급 라인 또는 파이프를 통하여 버너로 유입될 수 있다. 제 1 및 제 2의 산화제를 점화 지역에 도입하기 위한 본 발명의 방법에서 사용될 수 있는 버너의 일예는 종래 기술에서 다단식의 옥시-연료 버너로서, 에어 프로덕츠 앤드 케미칼스사 (Air Products and Chemicals, Inc.)로부터 구입가능한 클린파이어 (Cleanfire®) HR™으로서 언급될 수 있다. 비록 제 1 및 제 2의 산화제의 조성이 동일하거나 단일 소스에 의해 버너로 도입되더라도, 다단계의 옥시-연료버너는 제 1 및 제 2의 산화제를 위한 두개의 별도 배출구를 갖는다. 제 1 및 제 2의 산화제를 위한 두개의 별도 배출구를 갖는 버너의 예들로는 에어 프로덕츠의 특허 제5,611,682호, 미국특허출원 제10/919940호에 기술된 것을 포함하는데, 이는 본원에서 참고문헌으로 포함된다. 제 3의 산화제는 본 발명의 방법의 다른 구체예에 대해 상술된 바와 같은 로에 도입될 것이다. 제 1 및 제 2의 산화제가 버너를 경유하여 로 지역에 도입되는 본 발명의 방법에서, 제 1 및 제 2의 산화제는 바람 직하게는 90 부피% 이상, 또는 93 부피% 이상의 산소 조성을 갖는 농축된 공기 스트림이다.
본 발명은 유리로와 관련하여 설명한다; 그러나, 철, 또는 비철 금속을 용융시키는데 사용되는 다른 유형의 고온 공업용 로도 동일하게 적용가능하다. 방법은 판유리, 또는 다른 유형의 평평한 유리, 콘테이너 유리, 직물 유리, 전문 유리 (CRT/TV 유리, 식탁용품, 조명 등)로서 분류되는 다른 유리 유형을 용융시키는데 사용되는 유리로에서 사용될 수 있다. 이들 로는 유닛 용해장치, 열회수식 용해장치, 측면포트 축열식 용해장치, 말단포트 축열식 용해장치, 혼성 공기-연료/옥시-연료 용해장치, 및 "풀 컨버젼(full conversion)" 완전 옥시-연료 점화된 용해장치를 포함한다. 서로 다른 배열의 로에 대해, 점화 지역 및 배출 지역은 본원의 도면에서 보는 바와 같이 로의 반대측으로 정위되지 않을 수 있으나, 연료 제트가 정위된 (점화 지역) 및 배출 가스가 배출구로 흐르는 (배출 지역)에 정위될 것이다.
본원에서 참고문헌으로 포함되는 US 제6,519,973호에 기술된 바와 같이, 유리를 용융시키기 위한 혼성 로에서, 로의 용융 부분에 걸쳐 대부분의 연소 에너지는 옥시-연료 연소에 의해 제공되며, 로의 미세 부분에 걸쳐 대부분의 연소 에너지는 공기-연료 연소에 의해 제공된다. 혼성 로는 옥시-연료 버너가 용해장치의 용융 부분에 걸쳐 사용되는 부분 및 공기-연료 버너가 용해장치의 미세 부분에 걸쳐 사용되는 다른 부분을 갖는다. 본 발명의 방법은 옥시-연료 및 공기-연료 연소의 장점이 실현되는 혼성 로에 적용가능할 수 있다. 연소 공기 화학양론비 S는 0.2<S<1의 범위로 셋팅되어 공기-연료 버너의 점화측 상에 연료-풍부 연소를 가능 하게 한다. 제 2의 산화제는 공기-연료 버너의 점화측 상에 분사되어 전반적인 화염 길이를 감소시킨다. 배출측 상에서, 제 3의 산화제는 예를 들어, 로 내에서 CO 및 연소되지 않은 연료를 완전 연소시키기 위해, 0.05 내지 0.75의 배출측 화학양론으로 분사될 수 있다. 제안된 산화제 분사를 갖는 옥시-연료 및 공기-연료 분사의 사용은 높은 열적 효율, 개선된 유리 질, 및 보다 낮은 NOx 방출을 가능하게 한다.
본 발명의 대부분의 구체예는 본원에서 규정된 하나 이상의 화학양론비 내에 포함될 것이다. 제 1의 산화제에 대한 화학양론비는 0.2 내지 1.1, 또는 0.4 내지 0.9, 또는 0.6 내지 0.8의 범위일 수 있다. 제 2의 산화제에 대한 화학양론비는 0.05 내지 0.75, 또는 0.05 내지 0.5, 또는 0.1 내지 0.3의 범위일 수 있다. 점화 지역 상에서 전반적인 화학양론비는 0.45 내지 1.15, 또는 0.5 내지 1.1, 또는 0.7 내지 0.95일 수 있다. 배출측 상에서 제 3의 산화제에 대한 화학양론비는 0.05 내지 0.75, 또는 0.1 내지 0.6, 또는 0.2 내지 0.4일 수 있다. 로 (점화 및 배출 지역)에 대한 전반적인 화학양론비는 0.9 내지 1.3, 또는 0.9 내지 1.1, 또는 0.95 내지 1.05의 범위일 수 있다. 상기 나열된 S의 임의의 조합을 갖는 방법은 본 발명의 일부이다. 이들 S 수치는 연료, 제 1, 제 2 및 제 3의 산화제를 로에 도입하는 속도에 따라 모두 계산된다.
비록 본 발명이 특정 구체예에 대한 특정한 주의로 기술된 것이지만, 추가 구체예에 대한 본 발명의 방법의 적용은 당업자에게 명백할 것이며, 그러므로 본 발명은 청구범위 내 구체예의 명백한 변형을 포함한다.

Claims (21)

  1. 연료를 점화 지역(firing zone)에 도입하는 단계;
    공기인 제 1의 산화제를 점화 지역에 도입하는 단계;
    농축된 공기를 포함하는 제 2의 산화제를 점화 지역에 도입하는 단계; 및
    제 3의 산화제를 배출 지역(exhaust zone)에 도입하는 단계를 포함하며,
    제 1의 산화제를 도입하는 단계 동안, 제 2의 산화제를 도입하는 단계 및 제 3의 산화제를 도입하는 단계가 수행되는 것인, 점화 지역 및 배출 지역을 포함하는 로(furnace)에서 연소시키는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 제 1의 산화제를 도입하는 단계의 일부 동안, 제 2의 산화제를 도입하는 단계 및 제 3의 산화제를 도입하는 단계 둘 모두가 수행되는 점화 지역 및 배출 지역을 포함하는 로에서 연소시키는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 제 1의 산화제가 점화 지역에 0.2 내지 1.1의 화학양론비로 제공되는 점화 지역 및 배출 지역을 포함하는 로에서 연소시키는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 제 1의 산화제가 점화 지역에 1 미만의 화학양론비로 제공되는 점화 지역 및 배출 지역을 포함하는 로에서 연소시키는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 제 1의 산화제가 점화 지역에 0.9 이하의 화학양론비로 제공되는 점화 지역 및 배출 지역을 포함하는 로에서 연소시키는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 제 1의 산화제가 점화 지역에 0.8 이하의 화학양론비로 제공되는 점화 지역 및 배출 지역을 포함하는 로에서 연소시키는 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 제 2의 산화제가 점화 지역에 0.05 내지 0.5의 화학양론비로 제공되는 점화 지역 및 배출 지역을 포함하는 로에서 연소시키는 방법.
  8. 제 5항에 있어서, 제 2의 산화제가 점화 지역에 0.05 내지 0.5의 화학양론비로 제공되는 점화 지역 및 배출 지역을 포함하는 로에서 연소시키는 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 제 1 및 제 2의 산화제가 점화 지역에 0.45 내지 1.15의 화학양론비로 제공되는 점화 지역 및 배출 지역을 포함하는 로에서 연소시키는 방법.
  10. 제 3항에 있어서, 제 1 및 제 2의 산화제가 점화 지역에 0.45 내지 1.15의 화학양론비로 제공되는 점화 지역 및 배출 지역을 포함하는 로에서 연소시키는 방법.
  11. 제 1항에 있어서, 제 3의 산화제가 배출 지역에 0.05 내지 0.75의 화학양론비로 제공되는 점화 지역 및 배출 지역을 포함하는 로에서 연소시키는 방법.
  12. 제 3항에 있어서, 제 3의 산화제가 배출 지역에 0.05 내지 0.75의 화학양론비로 제공되는 점화 지역 및 배출 지역을 포함하는 로에서 연소시키는 방법.
  13. 제 1항에 있어서, 제 1, 제 2 및 제 3의 산화제가 점화 및 배출 지역에 0.9 내지 1.3의 화학양론비로 제공되는 점화 지역 및 배출 지역을 포함하는 로에서 연소시키는 방법.
  14. 제 3항에 있어서, 제 1, 제 2 및 제 3의 산화제가 점화 및 배출 지역에 0.9 내지 1.3의 화학양론비로 제공되는 점화 지역 및 배출 지역을 포함하는 로에서 연소시키는 방법.
  15. 제 1항에 있어서, 제 1의 산화제가 점화 지역에 0.4 내지 0.9의 화학양론비로 제공되고, 제 2의 산화제가 점화 지역에 0.1 내지 0.3의 화학양론비로 제공되는 점화 지역 및 배출 지역을 포함하는 로에서 연소시키는 방법.
  16. 제 15항에 있어서, 제 3의 산화제가 배출 지역에 0.1 내지 0.6의 화학양론비로 제공되는 점화 지역 및 배출 지역을 포함하는 로에서 연소시키는 방법.
  17. 제 16항에 있어서, 제 1의 산화제, 제 2의 산화제 및 제 3의 산화제가 점화 지역 및 배출 지역에 0.9 내지 1.1의 화학양론비로 제공되는 점화 지역 및 배출 지역을 포함하는 로에서 연소시키는 방법.
  18. 제 1항에 있어서, 제 2의 산화제 및 제 3의 산화제가 농축된 공기와 혼합한 공기 또는 배기 스트림인 점화 지역 및 배출 지역을 포함하는 로에서 연소시키는 방법.
  19. 제 1항에 있어서, 제 3의 산화제를 배출 지역에 도입하는 단계가 제 1의 산화제를 점화 지역에 도입하는 단계 소요 시간의 3/4 또는 그 이하 동안 수행되는 점화 지역 및 배출 지역을 포함하는 로에서 연소시키는 방법.
  20. 제 1항에 있어서, 제 1의 산화제, 제 2의 산화제 및 제 3의 산화제는 점화 지역에 0.7 내지 0.95의 전반적인 화학양론비로 제공되는 점화 지역 및 배출 지역을 포함하는 로에서 연소시키는 방법.
  21. 제 16항에 있어서, 제 1의 산화제, 제 2의 산화제 및 제 3의 산화제가 점화 지역 및 배출 지역에 0.95 내지 1.05의 화학양론비로 제공되는 점화 지역 및 배출 지역을 포함하는 로에서 연소시키는 방법.
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