KR101315541B1 - 산화 가능한 재료를 처리하기 위한 방법 - Google Patents

산화 가능한 재료를 처리하기 위한 방법 Download PDF

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러셀 제임스 휴어트슨
치아오이 헤
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에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
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Abstract

상승된 온도에서 산화에 민감한 재료의 산업적인 가열 및 용융 용례에 사용을 위한 버너 조립체는, 연료의 환형 유동 통로에 의해 둘러싸인 산화제의 유동 통로로 구성되고, 이에 의해 산화제는 산화제와 노 적재물 사이의 접촉을 최소화하기 위해 버너 출구의 하류로 적어도 산화제 노즐 직경의 5배까지 연료층 내부에 실질적으로 포함된다.

Description

산화 가능한 재료를 처리하기 위한 방법{METHOD FOR PROCESSING OXIDIZABLE MATERIALS}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2009년 7월 6일 출원된 미국 가출원 제61/223155호의 이득을 청구한다. 이 출원의 개시 내용은 본 명세서에 참조로 포함되어 있다.
기술 분야
본 발명은 버너 및 산화 가능 재료를 가열하고 용융하기 위한 버너의 사용 방법에 관한 것이다.
다양한 버너 및 방법이 알루미늄과 같은 산화 가능 재료를 가열하고 용융하기 위해 당 기술 분야에 공지되어 있다. 이러한 한 가지 방법이 미국 특허 제5,563,903호(본 명세서에 참조로 포함되어 있음)에 설명되어 있고, 이 특허는 비산화 가스의 층이 화염과 용융되는 알루미늄 사이에 분사되는 프로세스를 설명하고 있다. 비산화 가스는 다양한 불활성 가스 또는 연료를 포함한다.
유럽 특허 제0748982호(본 명세서에 참조로 포함되어 있음)는 알루미늄을 용융하는 데 사용되는 버너가 아화학양론(sub-stoichiometry)에서 작동하도록 허용되어 알루미늄 위에 환원 분위기를 생성하는 프로세스를 설명하고 있다. 연소를 위해 요구되는 잔류 산화제는 버너 위의 개별 스트림을 통해 분사된다.
알루미늄 용융 또는 재생(recycling)과 같은 프로세스에서 사용되는 연소 설비와 관련된 주요 문제점은 금속 수율이다. 알루미늄은 용이하게 산화되고, 산화 프로세스는 노 또는 용융기 내에서 확인되는 상승된 온도에서 가속화된다. 산화에 기인하는 알루미늄 금속 손실은 막대한 비용을 소모시키며, 이에 따라 노 작업자는 종종 노 내에서 발견되는 유리 산소(free oxygen)를 최소화하기 위해 연료 농후 방식으로 노를 가열하도록 사용 대상 버너를 작동시킨다.
이러한 재료의 산화를 최소화하여 이에 의해 재료 수율을 증가시키는, 알루미늄과 같은 재료를 가열하기 위한 버너 및 방법에 대한 요구가 당 기술 분야에 존재한다.
본 발명은, 연료가 산화제(예를 들어, 산소 농후 공기 또는 산업용 산소)를 차폐하는(예를 들어, 둘러싸는) 버너 구성을 제공함으로써 종래의 버너 및 방법과 관련된 문제점을 해결한다. 연료로 산소를 차폐함으로써, 이러한 것은 가열될 재료("충전물" 또는 "적재물"로서 또한 알려짐)와 접촉하게 되는 산소의 능력(ability)을 감소시킨다. 본 발명의 버너 및 방법은, 산화되는 재료의 양을 감소시킬 수 있어, 이에 의해 재료 수율을 증가시킨다.
본 발명의 일 양태는, 상승된 온도에서 산화에 민감한 재료를 가열 및 용융하기 위한 개량된 방법 및 장치에 관한 것이다. 이러한 프로세스의 예는, 고체 알루미늄(예를 들어, 재생된 또는 스크랩 알루미늄)이 화염을 사용하는 직접 가열에 의해 용융되는 2차 알루미늄 용융이다. 이러한 프로세스에 사용된 화염은 일반적으로 화염으로부터 적재물로의 복사 열전달을 최대화하기 위해 적재물에 비교적 근접하여 위치되고, 그 비율은 거리의 제곱으로 스케일된다. 본 발명의 버너는 열을 발생시키기 위해 연소에 사용되는 산소와 가열되는 재료 사이의 임의의 상호 작용을 최소화하면서 열을 제공하고, 재료를 재생하는 경우에, 회수되는 유용한 재료의 양을 증가시킨다.
본 발명의 일 양태는 재료의 충전물을 가열하기 위한 프로세스로서,
가열될 재료의 충전물을 제공하는 것과,
버너를 사용함으로써 연료 및 산화제를 연소시키는 것으로서, 산화제는 연료가 실질적으로 산화제를 둘러싸는 방식으로 버너에 공급되어 이에 의해 충전물에 인접하여 연료 농후 구역을 제공하는 것인 연료 및 산화제를 연소시키는 것과,
연소로부터 충전물로의 복사 열전달에 의해 충전물을 가열하는 것과,
가열된 재료를 회수하는 것
을 포함하는 프로세스에 관한 것이다.
본 발명의 일 양태는, 하나의 가스 스트림이 제2 가스 스트림 주위에서 완전히 또는 실질적으로 덮고 있는 동축 구성을 갖는 버너를 사용하는 것에 관한 것이다. 이 양태는 산화제 코어가 연료와 실질적으로 반응할 때까지 연료층에 의해 차폐되어 유지되는 방식으로 산화제 또는 산화제 유동의 중앙 코어를 포위(envelope)하는 연료의 환형 유동을 사용한다.
본 발명의 다른 양태는 산화 가능한 재료의 충전물을 가열하기 위한 프로세스로서,
가열될 재료의 충전물을 제공하는 것과,
적어도 2개의 동축 도관을 포함하는 버너를 사용함으로써 산화제 및 연료를 연소시키는 것으로서, 산화제는 제1 도관에 의해 공급되고 연료는 제2 도관에 의해 공급되고 제2 도관은 제1 도관을 실질적으로 둘러싸고 상기 연소는 상기 산화제가 재료를 산화하는 것을 방지하기에 충분한 조건 하에서 수행되는 것인 산화제 및 연료를 연소시키는 것과,
연소로부터 충전물로의 복사 열전달에 의해 충전물을 가열하는 것과,
가열된 재료를 회수하는 것
을 포함하는 프로세스에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 산화 가능한 재료의 산화를 최소화하여 이에 의해 재료 수율을 증가시키는, 알루미늄과 같은 재료를 가열하기 위한 버너 및 방법을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 버너의 일 양태의 개략도.
도 2는 컴퓨터 모델링에 의해 결정된 바와 같은 CO 체적 대 평균 산소 몰 분율의 도식도.
도 3은 컴퓨터 모델링 및 실험 데이터에 의해 결정된 바와 같은 산소 백분율 대 CO의 도식도.
도 4는 천연 가스 노즐의 각도 대 산소 농도의 도식도.
도 5는 본 발명의 버너 구성 대 산소의 도식도.
도 6은 본 발명의 버너 구성 대 산소의 도식도.
도 7은 회전로 내의 산소 농도의 도식도.
본 발명은 고온 산화에 민감한 재료를 가열하고 용융하기 위한 개량된 연소 방법 및 버너 구성에 관한 것이다. 본 발명은 특히 금속 생성물의 용융 및 가열에 있어서 산소-연료(oxy-fuel) 버너와 함께 사용될 때 실용성을 갖는다. 본 발명은 노 내의 충전물의 표면에 인접한 산화제(예를 들어, 산소)의 농도를 감소시킬 수 있다. "인접한"이라는 것은, 영역 내의 산화제의 농도가 충전물의 산화율을 제어하는, 충전물의 표면과 접촉하는 가스의 영역 또는 구역을 의미한다. "산소-연료"는 여기서 순수 산소의 사용(산화제 내의 90% 이상의 산소 함량) 또는 연료의 연소를 위한 높은 레벨의 산소 농후도를 갖는 산화제(35% 체적의 산소 또는 그 이상을 함유하는 산화제)로서 정의된다. 본 발명에 따라 연소되는 연료는 통상적으로 기체이고, 또는 미세하게 미립화된 액체 또는 미세하게 분쇄된 고체 연료와 같이 이송 가스의 보조에 의해 운반될 수 있는 것이다. 적합한 기체 연료의 예는 천연 가스를 포함한다. "금속 생성물"이라는 것은 여기서 가열 또는 용융될 때 반응 손실을 겪기 쉬운 다른 금속 중에서도 알루미늄, 철, 납, 니켈, 주석 및 아연, 이들 금속 중 하나 이상을 함유하는 합금을 포함하는 산화 가능한 금속으로서 정의된다.
본 발명에 이용될 수 있는 버너 구성의 예는, 가스 스트림 중 하나가 다른 가스 스트림을 위한 환형 도관에 의해 완전히 또는 실질적으로 완전히 둘러싸인 중앙 도관을 통해 유동하는, 일반적으로 동축형 구성을 포함할 수 있다. 외부 환형 유동은 연료 또는 주로 연료를 포함하고, 중앙 유동은 산화제 또는 주로 산화제를 포함한다. 버너 도관의 형상은 원형 또는 정사각형, 직사각형 또는 다른 다각형과 같은 임의의 다른 유형일 수 있다. 형상은 대칭일 필요는 없지만, 비대칭성은 설계의 어려움 및 성능상의 문제점을 유발할 수 있고 따라서 바람직하지 않다. 중앙 도관 및 환형 도관은, 둥근 환형부(annulus)에 의해 둘러싸인 타원형 중앙 도관 또는 직사각형 환형부에 의해 둘러싸인 원형 중앙 도관과 같은 상이한 유형의 형상일 수 있다. 버너 축 주위에 최소한의 이방성을 위해 중앙 도관 및 환형 도관에 대한 자체 상사(self-similar) 형상을 이용하는 것이 통상적으로 바람직하다. 더욱이, 중앙 버너 도관은 외부 환형부와 동심일 필요는 없다. 중앙 도관은 환형부의 일 측면을 향해 바이어스(bias)될 수 있다. 본 발명의 다른 양태는, 하나의 도관이 다른 도관에 의해 또한 에워싸여 있는 또 다른 도관에 의해 완전히 에워싸여 있는 2개 초과의 버너 도관 또는 다수의 인접하지만 에워싸지 않는 도관이 더 큰 환형부에 의해 완전히 둘러싸여 있는 것에 관한 것이다. 이러한 예에서, 연료의 작은 부분은, 연료의 균형 유동을 위해 다른 환형 도관에 의해 또한 에워싸이는, 산화제를 유동시키는 환형 도관에 의해 둘러싸인, 중앙 도관을 통해 안내될 수 있다.
이제, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명에 이용될 수 있는 버너의 양태의 개략도이다. 외부 파이프 또는 도관(1)은 플랜지(3) 및 각진 개구(7)를 형성하는 멈춤쇠(5)를 형성한다. 파이프(1)는 또한 연료 공급부(도시 생략)에 연결되는 커플러(9)를 형성한다. 파이프(2)는 플랜지(4) 및 각진 개구(8)를 형성하는 멈춤쇠(7)를 형성한다. 파이프(2)는 또한 확산기 플레이트(6) 및 산화제 공급부(도시 생략)에 연결되는 커플러(9)를 형성한다. 버너는 외부 파이프 또는 도관(1) 내에 내부 도관 또는 파이프(2)를 위치시킴으로써 조립된다. 가스켓 또는 그로밋(grommet)(10)이 파이프(1)와 파이프(2) 사이에 유체 밀봉을 제공하기 위해 플랜지(3)와 플랜지(4) 사이에 위치된다. 파이프(1) 내의 파이프(2)의 상대 위치는 다월(dowel) 또는 핀(11)에 의해 유지된다.
본 발명의 버너 및 방법은, 당 기술 분야에 공지되어 있는 다른 노 중에서, 회전로 또는 반사로와 같은 임의의 적합한 노에 사용될 수 있다. 마찬가지로, 버너는 노에 대해 임의의 바람직한 위치에 위치될 수 있다.
본 발명의 버너는 임의의 바람직한 방식으로 작동될 수 있지만, 산화제로부터 충전물을 차폐하기 위한 연료의 배치(예를 들어, 연료가 산화제의 외부에 공급됨)는, 통상적으로 종래의 버너와 비교하여 노 내의 화염 및 기체 흐름 유동 패턴을 변화시킨다. 연료는 또한 노 내의 다른 가스보다 가볍다. 그 결과 버너가 적절하게 설계되지 않으면, 환형 유동 내의 연료가 고온 노 내에서 상향으로 일단 상승될 수 있어, 이에 의해 노 내부의 적재물에 노출된 순수 산화제의 제트를 남겨둔다. 이 가능한 시나리오는, 노가 이중 패스 구성을 갖는 경우, 상승하는 연료 유동이 연도 가스의 유동과 함께 짧은 경로를 경유하여 노로부터 용이하게 탈출할 수 있을 때, 더더욱 현저하다.
몇몇 경우에, 산화제 유량은 연료의 유량의 다수배이고, 연소 화학양론이라 칭하는 비는 연료의 몰 유량에 대한 산화제의 몰 유량의 비로서 정의되고, 산화제 유량은 산소에 추가하여 산화제의 조성상의 일부인 모든 가스를 포함한다. 예를 들어, 메탄의 완전 연소를 위한 화학양론은, 완전 산소 연료 연소의 경우의 약 2로부터 공기 내의 질소 및 다른 미량 가스의 존재에 기인한 공기-연료 연소에서의 약 10에 근접한 값의 범위이다. 연료가 산화제 대신에 버너의 도관 또는 외부 환형부를 통해 진행할 때, 환형부의 두께는 동일한 가스 속도에서도 상당히 감소될 수 있어, 이에 의해 중앙 산화제 제트를 차폐함에 있어 환형 연료 유동을 훨씬 덜 효과적이게 한다.
일반적으로, 버너의 중앙 도관에서 산화제 속도는 비교적 빨라야 하고, 반면에 외부에서 연료 속도는 비교적 느려야 한다. 산화제 유동이 더 빨리 견인할수록 그를 따른 연료 유동이 더 저속이 되어, 이에 의해 주위로의 신속한 연료 소산이 방지된다. 연료와 산화제 사이의 속도차는 또한 경로를 따라 제어된 방식으로 산화제를 소비하는 연소의 진행을 보장한다. 그러나, 속도비는 일반적으로 R/r의 비에 의해 지시되는 바와 같은 범위 내에서 유지되는데, 여기서 R은 외부에 있는 연료 노즐의 반경이고, r은 중심에 있는(예를 들어, 산화제가 반응할 때까지 연료로 차폐될 수 있도록 하기 위함) 산화제 노즐의 반경이다. 중심에서의 산화제의 속도는 vo = Fo/πr2이고, 외부에서 연료의 속도는 vf = Ff/π(R2-r2)이고, 여기서 산화제 유량(Fo)은 x 곱하기 연료 유량(Ff)이고, 여기서 x는 연소 화학양론에 의존한다. 본 발명에 있어서 산화제 대 연료 속도비 vo/vf = x(R2-r2)/r2는 통상적으로 약 1 내지 약 5이다. 약 1 미만의 비(즉, 연료가 산소보다 빠름)는 연료 환형부의 과잉 박형화(over-thinning)의 결과로서 난류 가스 확산 및 혼입을 통해 연료 차폐층의 급속한 손실을 초래할 수 있다. 약 5 초과의 비는 버너 노즐 출구의 하류측에 상당한 거리에 대해 응집성 환형층을 유지하기에 너무 느린 연료 속도를 초래할 수 있다. 이들 경우에 연료 유동은 상향으로 상승될 수 있고 노 가스 유동 패턴에 의해 일소될 수 있다. 너무 높거나 너무 낮은 산화제 대 연료비는 양자 모두 화염의 길이의 적어도 일부를 따라 비교적 순수 산화제 제트 또는 스트림을 노출하는 바람직하지 않은 결과를 초래할 수 있다. 통상적으로, 바람직한 연료 대 산소 비는 이하의 기준
Figure 112012001756231-pct00001
을 만족함으로써 얻어진다.
본 발명의 일 양태에서, 약간 수렴하는 버너 노즐에 의해, 노즐을 나올 때 바로 팽창하는 연료 또는 산화제 제트의 경향이 극복될 수 있다. 통상적으로, 수렴각은 버너축에 대해 약 0° 내지 약 15°이어야 한다. 몇몇 경우에, 이 각도는 유동 전이로부터 발생하는 과잉의 난류의 가능성을 회피하기 위해 약 4° 내지 약 9°이어야 한다. 몇몇 추가적인 경우에 또는 다른 경우에, 산화제 및 연료 모두에 대해 수렴각을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 몇몇 경우에, 외부에 있는 연료 노즐에 관한 버너축에 대한 수렴각은, 중심에 있는 산화제 노즐에 관한 버너축에 대한 수렴각보다 작지 않은 것이 유용하다(예를 들어, 여전히 버너 노즐의 내부에 있으면서 연료 가스 유동의 팽창을 최소화하기 위함).
본 발명의 다른 양태에서, 버너의 연료 노즐은 산화제 노즐에 앞서 종료되지 않는다(그렇지 않으면, 예를 들어, 연료가 산화제 제트 주위에 차폐부를 형성하지 않을 수 있고 또는 산화제 노즐이 손상될 수 있음). 산화제 주위에 연료의 차폐부를 유지하기 위해 유동을 스트림라인으로 유지하는 것이 통상적으로 유용하다. 일반적으로, 연료 노즐과 산화제 노즐 사이에 약 1 인치 미만(예를 들어, 약 0.5 인치 미만)의 오프셋이 유용하다.
본 발명의 일 양태에서, 본 발명의 버너는 이중 패스의 기다란 노에 이용되고, 연도 가스 배기 포트가 버너의 동일한 면에, 그리고 다수의 경우에 버너 위에 배치된다. 이러한 노 내의 화염은 방향을 바꾸어 연도를 향해 배향하기 전에 노의 대향 단부로 연장되도록 의도된다. 따라서, 버너를 빠져나오는 가스는, 복귀하는 노 가스의 유동을 극복하고 노의 길이에 대한 운동량을 유지하기에 충분한 운동량을 가져야 한다. 가스 출구 속도는 초당 약 150 내지 약 250 피트와 같이 본 발명의 이 양태에서 비교적 높을 수 있다. 산화제와 연료 사이의 속도비(vo/vf)는 높은 연료 속도를 유지하기 위해 통상적으로 약 1.5 미만인 범위의 하한에 있을 수 있다. 산화제와 연료 사이의 작은 속도차, 그러나 연료와 노 가스 사이의 큰 속도차는, 산화제 주위의 연료층의 보유에 공헌하지 않을 수 있다. 보상하기 위해, 연료 유동과 산화제 유동 사이의 교점의 각도는 산화제 노즐에서의 수렴을 구현하도록, 그러나 연료 유동 스트림라인의 대부분을 여전히 보존하면서 연료 노즐을 위한 최대 수렴각을 갖도록 증가될 수 있다. 연료 노즐에 대한 유용한 수렴각은 버너축에 대해 약 7° 내지 약 15°이다. 최소 노즐 오프셋(예를 들어, 1/2 인치 미만)이 사전 연소에 의해 발생되는 과잉 난류를 추가하는 것을 회피하기 위해 이 양태에서 이용될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에서, 본 발명의 버너는 단일 패스의 기다란 노에 이용되고, 버너로부터 방출되는 우세한 유동은 추가의 회전 없이 노의 대향측 상의 연도 가스 배기 포트를 통해 노를 빠져나온다. 이 양태에서, 가스 속도는 통상적으로 초당 약 50 내지 약 150 피트로 이중 패스 노에 대해 적절한 것보다 낮을 수 있다. 산화제와 연료 사이의 속도비(vo/vf)는, 유동이 노를 빠져나오기 전에 연소를 완료하도록 산화제와 연료 사이의 양호한 혼합을 위한 충분한 속도차를 제공하기 위해, 범위의 상한(예를 들어, 약 2 초과)에 있을 수 있다. 연료의 비교적 낮은 정방향 속도에 기인하여, 2개의 스트림의 교점의 각도가 최소화될 수 있다. 산화제 노즐에 대한 바람직한 수렴각은 약 9° 미만이고(예를 들어, 유동 스트림라인을 방해하지 않기 위함), 반면에 연료 유동과 산소 유동 사이의 유용한 교점의 각도는 통상적으로 약 5° 이하이다.
본 발명의 다른 양태에서, 회전로는 충전물에 인접하여 산화제의 양을 감소시키는 방식으로 작동된다. 충전물에 인접하여 감소된 산화제의 양은 가열될 때 산화되는 충전물의 양을 감소시키고, 이어서 노에 의해 생성되는 금속 생성물의 양을 증가시킨다.
연도 가스 배기 포트가 버너 바로 위에 있지 않고 또한 버너에 바로 대향하여 있지 않는 다른 유형의 노 구성에서, 전술된 것과 같은 더 넓은 기준이 적용될 수 있다.
임의의 이론 또는 설명에 의해 구속되기를 바라지는 않고, 이하의 표는 상이한 유형의 노에 대한 본 발명의 버너의 효용성 및 그 사용을 최대화하기 위해 이용될 수 있는 특정 설계 파라미터를 요약한다.
단일-패스 노 이중-패스 노 다른 노
연료 속도(ft/s) 50-150 150-250 50-250
산화제 속도(ft/s) 50-150 150-250 50-250
Vo/Vf 2-5 1-1.5 1-5
축에 대한
산화제 노즐각		 0°- 9° 0° 4°- 9°
산화제에 대한
연료 노즐각		 0°- 5° 7°- 15° 0°- 7°
노즐 오프셋(인치) 0-0.5 0-0.5 0-0.5
이하의 예는 본 발명의 특정 양태를 예시하기 위해 제공되고, 첨부된 청구범위의 범주를 한정하는 것은 아니다.
예 1
도 1에 도시되어 있는 버너는 플루언트(FLUENT)
Figure 112012001756231-pct00002
소프트웨어에 의한 전산 유체 역학("CFD") 기법을 사용함으로써 평가되었다. 이하의 표는 평가 중에 변경되는 버너의 특정 양태 및 이들의 각각의 영향을 열거한다.
조정 가능성 범위 영향을 받는 파라미터
산소 파이프 크기 2.5", 3", 3.5" O2 및 NG 속도
천연 가스 노즐각 0°, 7.5°, 15° NG 속도 및 방향
NG/O2 노즐 오프셋 0", 1" 화염 안정성
이제, 도 2를 참조하면, 도 2는 CO 기류(plume)의 체적에 대해 용융 표면에서 평균 O2 농도를 플롯팅한, 상이한 버너 구성의 CFD 모델 결과를 모아놓은 것이다. 도 2는 2개의 파라미터 사이에 강한 상관 또는 관계(예를 들어, 파라미터가 역관계에 있음)가 존재한다는 것을 도시하고 있다.
이제, 도 3을 참조하면, 도 3은 도 2에 도시되어 있는 관계가 실험 데이터에 의해 확인되는 것을 도시하고 있다(즉, CO와 O2 농도 사이의 역관계). 실험 데이터는 안정한 버너 점화 및 노 온도 조건 하에서 각각의 데이터점에 대해 약 2분 동안 단일 패스 실험실 노에서의 다양한 노 깊이에서 화염 바로 아래 2 피트에서 가스 조성물의 실시간 프로빙(probing)에 의해 생성되었다. 도 3의 CO의 측정의 유닛은 단지 점 농도만이 실험에서 측정될 수 있기 때문에 모델링에서의 것과는 상이하다. 측정된 O2 농도의 스케일은 또한, 모델링된 것보다 화염에 더 근접하는 샘플링 위치에 기인하고, 측정이 산소 연료 연소에서 중요할 수 있는 가스 내의 수분을 제거한 후에 건조 샘플로부터의 것이라는 사실에 기인하여, 모델링 결과보다 비교적 크다.
증가된 CO 체적의 실용성(즉, 기초의 충전물 또는 용융된 재료의 산화를 감소시키기 위해 더 높은 CO 농도)이 버너 구성에 대해, 특히 연료 노즐각에 대해 평가되었다. 도 2의 곡선의 중앙 영역은 바람직한 작동 범위이다. 알 수 있는 바와 같이, 곡선에서의 대부분의 점과 연료 또는 천연 가스("NG") 노즐각은 약 7.5°이다.
노즐 오프셋의 길이는 사전 연소의 양을 결정할 수 있고, 이는 이어서 화염의 크기를 결정할 수 있다. 유리 O2 농도를 감소시키기 위해, O2가 NG와 우선적으로 혼합되어 반응하도록 O2 농도를 제어하는 것이 유용하다. NG는 실제로 내부에서 고속 산소 제트 및 외부에서 노 가스의 훨씬 저속 이동층에 의해 양자 사이에 개재된다. 천연 가스가 노 가스보다 산소와 우선적으로 혼합되면, 급속한 산소 소비가 최소 산화 환경을 보장하게 될 것이다. 그러나, 천연 가스가 노 가스와 우선적으로 혼합되면, 산소의 소모가 느려지고, 유동은 분리되어 매우 농축된 산소 제트를 노출시킬 수 있다. 난류 유동 범위에서, 이들 스트림의 혼합은 속도차의 함수인 운동량 전달의 정도에 의해 상관될 수 있다.
O2 파이프 크기의 영향을 결정하기 위해, 이하의 실험이 NG 노즐각 및 오프셋을 일정하게 유지하면서 수행되었다.
O 2 파이프 크기 NG 노즐각 노즐 오프셋
시험 "cab" 3.5" 0° 1"
시험 "bab" 3" 0° 1"
시험 "aab" 2.5" 0° 1"
노즐각 및 오프셋의 영향을 결정하기 위해, 이하의 실험이 O2 파이프 크기를 일정하게 유지하면서 수행되었다.
O 2 파이프 크기 NG 노즐각 노즐 오프셋
시험 "bab" 3" 0° 1
시험 "bca" 3" 15° 0
시험 "bba" 3" 7.5° 0
시험 "bbb" 3" 7.5° 1
이제, 도 4 및 도 5를 참조하면, 도 4 및 도 5는 비교를 위해 CFD 예측과 함께 전술한 실험 결과를 요약하고 있다. 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 실험 경향은 일반적으로 CFD 결과에 대응한다. 그래프 상의 첫 데이터 점은 3.5" 산소 파이프로부터의 것이고, 마지막 점은 2.5" 산소 파이프로부터의 것이다. 이들 사이에 있는 점은 3" 산소 파이프로부터의 것이다.
CO 및 O2 농도에 대한 산소 파이프의 영향이 확인되었다. 3" 및 3.5" 산소 파이프의 사용은 통상적으로 비교적 낮은 O2 또는 높은 CO를 유도한다. 3" 산소 파이프를 평가함으로서 얻어진 실험 결과는, 산소 측정값이 NG 노즐각에 대응한다는 것을 지시한다(예를 들어, 더 큰 NG 각은 더 높은 O2 농도를 유도함). CO에 대한 실험 결과는 2개의 데이터 세트로 발산한다. CO 농도 및 O2 농도의 균형을 맞추기 위해, 7.5°의 중간 NG 각이 바람직하다.
구성 "bba" 및 "bbb"에 대한 실험 결과의 평가는, CO 및 O2 농도에 대한 노즐 오프셋의 영향을 지시하고 있다. 이들 결과는, 더 큰 오프셋을 갖는 더 높은 O2 농도, 그리고 CO 농도에 대한 발산 결과의 경향이 있는 것을 지시하고 있다.
유효 연료 노즐 특성을 결정한 후에, 산소 파이프 크기가 평가되고 선택될 수 있다. 이제, 도 6을 참조하면, 도 6은, 1" 노즐 오프셋에 대해 더 큰 O2 파이프 크기가 용융 표면에서 더 낮은 O2 농도를 유도하는 것을 도시하고 있고, 이하의 2개의 버너 구성이, 기초 충전물 또는 용융물에 열을 공급하고 5 내지 10 MMbtu/hr의 버너 점화를 위한 충전물의 산화를 최소화하는 데 효과적이라는 것을 확인한다.
구성 1: NG 노즐 7.5°, 3" O2 파이프, 오프셋 = 0.5"
구성 2: NG 노즐 7.5°, 3.5" O2 파이프, 오프셋 = 1"
구성 1과 관련하여, 더 작은 O2 파이프 크기는 비교적 높은 O2 속도 및 비교적 낮은 NG 속도를 초래할 수 있다. 따라서, NG와 O2 사이의 운동량 전달은 NG와 노 가스의 운동량 전달과 상당히 비교되어, 이에 의해 최소 산화 환경을 제공한다. 이 구성에서 본 발명의 버너는 최소 사전 연소를 갖고 작동할 수 있는데, 이는 0.5" 노즐 오프셋을 이용하는 것을 허용한다.
구성 2와 관련하여, 더 큰 O2 파이프 크기는 NG 속도를 증가시키면서 O2 속도를 감소시킬 수 있다. NG와 O2 사이의 속도차는 NG와 노 가스 사이의 운동량 전달의 증가된 구동력에 비교하여 감소된다. 따라서, 1" 노즐 오프셋이 NG와 O2 사이의 혼합을 촉진하기 위해 비교적 대량의 사전 연소를 발생시키고 이어서 노 내의 용융물에 최소 산화 환경을 제공하기 위해 이용될 수 있다.
예 2
CFD(전산 유체 역학; Computational Fluid Dynamics) 시뮬레이션이 충전물 표면에 인접하는 산소의 양을 감소시키는 회전로 내부의 연소를 나타내기 위해 사용되었다. 특히, 충전물 표면에서 산소 농도는 2개의 상이한 버너, 즉 종래의 구성을 갖는 것과 도 1의 버너를 갖는 것에 대해 비교된다. 종래의 구성의 버너는, 중앙의 원형 연료 통로가 산소 유동의 환형부에 의해 둘러싸이는 동축형 버너를 포함한다. 이 시뮬레이션에서 점화 속도는, 연료가 메탄이고 산화제가 산소일 때 10 mmbtu/hr이다. 화학양론비(연료에 대한 산소의 체적비)는 2.0이다. CFD 소프트웨어, 즉 플루언트[버전 6.3, 앤시스 인크(ANSYS Inc)]가 시뮬레이션을 위해 사용된다.
이제, 도 7을 참조하면, 도 7은, 도 7의 좌측 축에 도시되어 있는 바와 같은 가스 조성물 내의 산소의 몰 분율의 견지에서, 금속의 바로 위에서의 가스 상태인 회전로 내 산소 농도를 도시하고 있다. 종래의 버너에서, 연료는 중앙 통로를 통해 노에 도입되고, 반면에 산소는 중앙 연료 파이프를 둘러싸는 환형부를 통해 도입된다. 연료 및 산소는 혼합되고 반응하기 위해 소정의 거리를 필요로 하기 때문에, 용융로에 일부 산소가 잔류할 가능성이 있다. 종래의 버너의 이 특정 시뮬레이션에서, 용융 표면에서의 평균 산소 농도는 약 1.04%이다. 도 1의 버너를 모델링할 때, 산소는, 연료가 주위 환형부 내에서 시스템에 진입하는 동안 중앙에서 도입된다. 환원제로서, 연료는 용융 금속의 충전물로부터 산소를 분리하거나 분리하는 것을 돕는다. 본 발명의 버너의 이 특정 시뮬레이션에서, 용융 표면에서의 평균 산소 농도는 종래의 버너의 경우로부터 8배 감소된 약 0.13%이다.
용융 표면에 바로 인접한 가스 상태 조성물이 2개의 버너 구성에 대해 표 5에 요약되어 있다.
플루언트에 의해 모델링된 바와 같은 회전로 내의 용융 표면 바로 위의 가스 조성물
종래의 버너 본 발명
H2O 65.8% 65.83%
CO2 32.94% 32.77%
O2 1.04% 0.13%
H2 0.14% 0.73%
CO 0.08% 0.54%
이들의 각각의 용융점을 약간 상회하는 프로세스 온도에서 표 5에 나타낸 분위기에 노출된 다양한 비철 금속에 열화학적 소프트웨어 팩트세이지(FactSage)TM 버전 6.1을 사용하여 화학 평형 계산이 수행되었다. 금속 산화 반응이 완료될 수 있게 하기 위해 충분한 금속이 존재하는 것으로 가정되었다. 결과는 총 100 mol의 가스에 대해 표 6에 제시되어 있다.
다양한 비철 금속에 대한 모든 100 mol 가스의 반응 평형에서 형성된 금속 산화물의 양
용융점
(℃)		 계산을 위한
온도
(℃)		 금속 산화물
종래
Mol		 금속 산화물
본 발명
mol		 차이

mol
Al 660.6 670 44.61 44.06 0.56
Cu 1083.3 1100 1.87 0 1.88
Pb 327.2 335 1.86 0 1.86
Zn 419.4 430 133.84 132.17 1.67
표 6에 명백하게 설명되어 있는 바와 같이, 본 발명에 개시되어 있는 버너 구성(고수율 버너)을 운전하는 노 내의 고온 금속 표면에 인접한 연소 공간에서의 가스 조성물은, 조사된 4개의 비철 금속의 모든 것에 대해 낮은 정도의 금속 산화를 유도할 수 있다.
본 발명은, 본 발명의 몇몇 양태의 예시로서 의도된 예에 개시되어 있는 특정 양태 또는 실시예에 의해 범주가 한정되는 것은 아니고, 기능적으로 동등한 임의의 실시예가 본 발명의 범주 내에 있다. 본 명세서에 도시되어 있고 설명되어 있는 것들에 추가하여 본 발명의 다양한 수정은 당 기술 분야의 숙련자들에게 명백할 것이고 첨부된 청구범위의 범주 내에 있도록 의도된다.
1: 도관 2: 파이프
3: 플랜지 4: 플랜지
5: 멈춤쇠 6: 확산기 플레이트
7: 각진 개구 8: 각진 개구
9: 커플러 10: 가스켓

Claims (11)

  1. 재료의 충전물을 가열하기 위한 방법으로서,
    가열될 재료의 충전물을 제공하는 것과,
    버너를 사용함으로써 연료 및 산화제를 연소시키는 것으로서, 상기 산화제는, 상기 연료가 상기 산화제를 둘러싸는 방식으로 상기 버너에 공급되어 이에 의해 상기 충전물로부터 산화제를 차폐하고 상기 충전물에 인접하여 연료 농후 구역을 제공하는 것인 연료 및 산화제를 연소시키는 것과,
    상기 연소로부터 상기 충전물로의 복사 열전달 및 대류 열전달에 의해 상기 충전물을 가열하는 것과,
    가열된 재료를 회수하는 것
    을 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 충전물은 알루미늄, 철, 납, 니켈, 주석 및 아연으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 요소이고, 상기 충전물은 가열되어 온도가 상승하게 되는 것인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 충전물은 회전로, 반사로 및 스택 용융로로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 요소에 제공되는 것인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 충전물은 단일 패스 노(single pass furnace)에 제공되는 것인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 충전물은 이중 패스 노에 제공되는 것인 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 연료는 기체 연료, 액체 연료 및 고체 연료로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 요소를 포함하는 것인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 산화제는 산소 농후 공기 또는 산소를 포함하는 것인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 버너는, R이 연료 노즐의 반경이고, r이 산화제 노즐의 반경이며, x가 연소 화학양론일 때,
    Figure 112013033313326-pct00003
    을 만족하는 치수를 갖는 것인 방법.
  9. 제7항에 있어서, 연료 노즐은 종방향으로 연장되는 버너축에 대해 7 내지 20도의 각도를 갖는 것인 방법.
  10. 제7항에 있어서, 산화제 노즐은 종방향으로 연장되는 버너축에 대해 9도 미만의 각도를 갖는 것인 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 충전물에 인접한 산화제의 농도는 1.0 체적 % 미만인 것인 방법.
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