KR101354797B1 - 경사 회전로에서 장입물의 가열의 균일성 향상을 위한 열플럭스의 선택 조절 방법 및 그 시스템 - Google Patents

Abstract

경사 회전로에서 열플럭스를 제어함으로써 장입물을 가열하는 방법을 개시한다. 버너에 의한 연소는 고열플럭스 영역을 포함한 열 방출 프로파일을 형성한다. 고열플럭스 영역의 위치는 제어된 양의 2차 또는 스테이징된 산화제를 제공함으로써 제어할 수 있다. 버너는, 실질적으로 균일한 용융 및 열 분포를 제공하도록 회전로에서 최대 장입 깊이의 영역과 같은 보다 많은 가열을 필요로 하는 영역에 상응하는 위치에 고열플럭스 영역을 배치하도록 구성되고 제어될 수 있다.

Description

경사 회전로에서 장입물의 가열의 균일성 향상을 위한 열플럭스의 선택 조절 방법 및 그 시스템{SELECTIVE ADJUSTMENT OF HEAT FLUX FOR INCREASED UNIFORMITY OF HEATING A CHARGE MATERIAL IN A TILT ROTARY FURNACE}

본 발명은 용융로 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 경사 회전로 시스템 및 이 경사 회전로 시스템을 작동시키는 방법에 관한 것이다.

경사 회전로(tilt rotary furnace)는 노를 기울임으로써 금속을 출탕(tapping)하는 데에 융통성을 제공한다는 점에서 알루미늄 용융 등의 공정에 이용되고 있다. 그 세 가지 이점으로는, 1) 경사 회전로는 기울어지게 함으로써 장입물을 제거할 수 있다는 점에서 훨씬 낮은 공정 온도로 작동할 수 있으며(이와 달리, 고정축 회전로의 경우, 공정 온도는 매 사이클마다 제거될 첨가된 플럭스를 액화시키기 위해 장입물을 용융시키는 데에 필요한 것보다 종종 훨씬 높아짐), 2) 보다 완전하게 비워질 수 있으며, 그리고 3) 장입물 상에서의 산화물 형성을 감소시킬 수 있다는 점이 포함된다.

그러나, 경사 회전로에서의 장입물의 분포는 경사로 인해 균일하지 않다. 중력으로 인해, 장입물은 노의 가장자리보다는 노의 단부를 향해 흐르게 된다. 그러한 장입물 분포는 화염 주변에서 비교적 높은 열플럭스를 급송하는 경향이 있는 통상의 열 급송 수단, 특히 산소-연료 버너에 대한 차선책이다. 경사 회전로에 이용되는 공지의 버너는 장입물의 위치 및 깊이에 대응하는 열 방출 분포를 제공하도록 제어하기에는 부족함이 있다. 따라서, 그러한 공지의 버너는 장입물의 특정 부분에 대해서는 너무 적은 열을 제공하거나, 장입물의 다른 부분에 대해서는 너무 많은 열을 제공하여 열을 낭비하게 된다. 이로 인해, 공지의 버너 장치를 갖는 공지의 경사 회전로는 금속의 산화가 증가할 수 있고 빈번하게 청소할 필요가 있다.

미국 특허 출원 공개 공보 제2009/0004611 A1호(이하, '611 특허 문헌이라 칭함)에 연소 방법이 개시되어 있다. 이 방법에서, 산업용 노가 하나 이상의 버너에 의해 가열된다. 그 노의 예로는 강 재열로, 알루미늄 용융로, 유리 용융로, 시멘트 킬른(cement kiln), 납 용융로, 구리 용융로, 및 철 용융로가 있다. 연료(예를 들면, 임의의 연소 가능 유체) 및 1차 산화제(적어도 50 체적%의 산소 농도를 갖는 유체)가 하나 이상의 버너를 통해 노에 공급된다. 연료와 1차 산화제는 연료에 대한 1차 산화제의 화학양론적 비가 70%미만으로 되게 하는 유량으로 제공된다. 연료와 1차 산화제는 100 ft/sec 이하의 속도로 제공된다. 2차 산화제가 랜스(lance)를 통해 주입된다. 연소 반응에서 생성된 열은 장입물로 방사되어 이 장입물을 가열한다. 열은 노의 가스 및 벽을 통해 직간접적으로 복사되며, 매우 적은 양의 열이 대류에 의해 전달된다. 그 특허 문헌에서는 동일한 유량의 버너를 이용하여 불균일한 깊이를 갖는 용융물에 대한 균일한 가열을 달성하기 위해 열플럭스를 선택적으로 조절하는 것에 대해서는 전혀 개시하지 않고 있다.

미국 특허 제5,755,818A호(유럽 특허 제EP 0 748 818 B1호에 대응)(이하, '818 특허 문헌이라 칭함)는 다단 연소 방법(staged combustion method)이 개시되어 있다. 이 연소 방법은 '611 특허 문헌에 개시된 것과 유사하지만, 연료와 1차 산화제가 적어도 100 ft/sec의 속도로 제공된다. '611 특허 문헌과 마찬가지로, 연소 반응에서 생성된 열은 장입물로 방사되어 이 장입물을 가열하는데, 그 열은 노의 가스 및 벽을 통해 직간접적으로 복사되며, 매우 적은 양의 열이 대류에 의해 전달된다. 마찬가지로, '818 특허 문헌에서도 상이한 용례 및 상이한 작동 조건에 대해 화염의 형상 및 길이를 조절할 방안을 교시하고 있지 않다.

미국 특허 제5,609,481호(유럽 특허 제EP 0 748 994호에 대응)(이하, '481 특허 문헌이라 칭함)는 직접 연소로에서 장입 재료를 가열 또는 용융하는 방법에 대해 개시하고 있다. 이 방법에서, 장입물은 직접 연소 버너로부터의 복사열에 의해 가열된다. 산화를 증가 또는 감소시키도록 장입물 근접 가스(charge-proximal gas)가 직접 연소 버너와 장입물 사이에 도입된다. 장입물 근접 가스는 장입물로부터 연소 생성물을 분리시키는 기층(stratum)을 형성한다. 이 기층은 장입물의 산화를 제어하도록 조절될 수 있다. 기층을 유지하기 위해, 연료, 산화제 및 장입물 근접 가스가 50 ft/sec 이하의 속도로 도입된다. '481 특허 문헌에서는 다수의 단점을 보이고 있다. 예를 들면, 기층은 장입물을 섞음으로써 끊어질 수 있어, 장입물 내에 열을 분배하는 능력을 제한하고 대류 가열을 이용하는 능력을 감소시킬 수 있다.

전술한 특허 문헌들에 개시된 내용은 본 명세서에 참조로 인용된다.

당업계에는, 용융로 시스템의 제어된 가열을 제공하여, 용융의 균일성을 향상시키고, 장입물의 산화를 감소시키며, 보다 완전히 비워지게 하여 청소 사이클의 횟수를 감소시킬 수 있는 방법을 제공하는 것이 바람직할 것이다.

본 발명의 하나의 양태는 장입물을 가열하는 방법을 포함한다. 이 방법은, 장입물을 가열할 노를 제공하는 단계; 및 제1 연료와 제1 산화제를 제1 주입기에 제어 가능하게 제공하고, 제2 연료와 제2 산화제 중 하나를 제2 주입기에 제어 가능하게 제공하여, 버너로부터 제어된 거리만큼 떨어진 위치에 고열플럭스 영역을 포함하는 열 방출 프로파일을 장입물 위에 형성하는 단계를 포함한다. 제어된 거리는 최대 장입 깊이의 위치에 상응한다.

본 발명의 다른 양태는 장입물을 가열하는 경사 회전로를 포함한다. 이 회전로는, 최대 장입 깊이의 위치를 포함한 깊이 프로파일을 갖는 장입물을 수용하는 용기를 포함하는 회전 가능부, 및 제1 주입기 및 제2 주입기를 갖는 버너를 포함한다. 회전 가능부는 제1 축선과 제2 축선 사이에서 조절될 수 있다. 경사 회전로의 기울기는 장입물이 최대 장입 깊이의 위치를 포함한 깊이 프로파일을 갖게 한다. 버너는, 제1 연료와 제1 산화제를 제1 주입기에 제어 가능하게 제공하고, 제2 연료와 제2 산화제 중 하나를 제2 주입기에 제어 가능하게 제공하여, 버너로부터 제어된 거리만큼 떨어진 위치에 고열플럭스 영역을 포함하는 열 방출 프로파일을 장입물 위에 형성한다. 제어된 거리는, 최대 장입 깊이 위치에 상응하는 장입물의 표면의 부분과, 최대 장입 깊이 위치에 상응하는 회전 가능 부분의 벽 부분 중 하나 이상에 고열플럭스 영역이 근접하게 한다.

본 발명의 다른 양태는 장입물을 가열하는 방법을 포함한다. 이 방법은, 장입물을 가열하는 경사 회전로를 제공하는 단계; 제1 연료와 제1 산화제를 제1 주입기에 제어 가능하게 제공하고, 제2 연료와 제2 산화제 중 하나를 제2 주입기에 제어 가능하게 제공하여, 열 방출 프로파일(이 열 방출 프로파일은 버너로부터 제어된 거리만큼 떨어진 위치에 고열플럭스 영역을 포함)을 장입물 위에 형성하는 단계; 장입물의 깊이 프로파일에서 최대 깊이의 위치를 결정하는 단계; 및 최대 깊이의 위치에 상응하게 제어된 거리에서의 열 방출 프로파일을 조절하는 단계를 포함하며, 제어된 거리는, 장입물의 최대 깊이 위치에 상응하는 장입물의 표면의 부분과, 장입물의 최대 깊이 위치에 상응하는 회전 가능 부분의 벽 부분 중 하나 이상에 고열플럭스 영역이 근접하게 한다.

그 방법은 경사 회전로에서 장입물의 가열의 균일성 향상을 위한 열플럭스의 선택 조절을 포함한다. 그 시스템은 장입물의 가열의 균일성 향상을 위해 열플럭스를 선택적으로 조절할 수 있는 경사 회전로를 포함한다. 그러한 선택적 조절은 예를 들면 연료 또는 산화제의 스테이징(staging)에 의해 제공될 수 있다.

그 방법은, 고열플럭스 영역을, 장입물의 최대 깊이 위치에 상응하는 장입물의 표면의 부분에 근접하게 또는 장입물의 최대 깊이 위치에 상응하는 회전 가능 부분의 벽 부분에 근접하게 배치하는 것을 포함한다.

경사 회전로는 회전 가능부(예를 들면, 배럴), 비회전부, 및 버너를 포함하다. 회전 가능부는 제1 축선과 제2 축선 사이에서 조절될 수 있으며, 제1 축선과 제2 축선은 경사 회전로의 상이한 작동 조건에 대응하는 기울기를 갖는다. 경사 회전로에서, 그 기울기는 장입물이 장입물 최대 깊이의 위치를 포함한 깊이 프로파일을 갖게 한다. 버너에 의한 연소는 고열플럭스 영역을 포함한 열 방출 프로파일을 형성한다. 버너는, 고열플럭스 영역을, (1) 장입물의 최대 깊이 위치에 상응하는 장입물의 표면의 부분과, (2) 장입물의 최대 깊이 위치에 상응하는 회전 가능부의 벽 부분 중 하나 이상에 근접하게 위치 설정하도록 산화제 또는 연료의 스테이징에 의해 조절될 수 있다.

고열플럭스 영역은 고열플럭스 지점이거나 이 지점을 포함할 수 있다. 장입물의 표면 상의 영역이 최대 깊이의 위치이거나 이 위치를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 이용되는 바와 같은 "고열플럭스(high heat flux)"란 용어는 열 방출 프로파일의 대부분에 대한 열플럭스의 양보다 큰 열플럭스를 지칭하는 것으로, 열 방출 프로파일에 대한 최대 열플럭스를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 특징 및 이점들은, 본 발명의 원리를 예로서 도시하고 있는 첨부 도면을 참조한 바람직한 실시예에 대한 후술하는 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

본 발명에 따르면, 용융로 시스템에 제어된 가열을 제공하여, 용융의 균일성을 향상시키고, 장입물의 산화를 감소시키며, 보다 완전히 비워지게 하여 청소 사이클의 횟수를 감소시킬 수 있는 방법 및 시스템을 제공한다.

도 1은 작동 중의 예시적인 경사 회전로의 투시 사시도이다.
도 2 내지 도 5는 다양한 각도로 배치된 일련의 예시적인 경사 회전로의 단면도들이다.
도 6은 경사 회전로를 위한 예시적인 다단식 버너(staged burner)이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 방법에 따라 테스트된 추가적인 버너들을 도시하는 도면이다.
도 10은 다양한 버너 구성에 대한 특정 고열플럭스 지점을 나타내는 전산 유체 역학으로부터 얻어진 결과의 그래프이다.
도 11은 다양한 버너 구성에 대한 열 방출 프로파일의 일부분을 나타내는 전산 유체 역학으로부터 얻어진 결과의 그래프이다.
도 12는 스테이징 비(staging ratio)에 대한 고열플럭스 위치의 상대적 위치를 나타내는 전산 유체 역학으로부터 얻어진 결과의 그래프이다.

용융로 시스템에 제어된 가열을 제공하여, 용융의 균일성을 향상시키고, 장입물의 산화를 감소시키며, 보다 완전히 비워지게 하여 청소 사이클의 횟수를 감소시킬 수 있는 방법 및 시스템을 제공한다. 본 발명의 실시예는 경사 회전로에서 장입물의 위치 및 깊이에 상응하는 열 방출 패턴을 제공할 수 있는 버너를 이용하여 열 분포의 향상된 제어를 제공한다. 이러한 향상된 열 분포는 또한 금속의 산화를 최소화하고 보다 완전히 비워질 수 있게 하여, 청소 사이클의 횟수를 감소시킬 수 있다.

도 1에서는 예시적인 경사 회전로(100)를 도시하고 있다. 이 경사 회전로는 제1 축선(102)에 상응하는 위치(예를 들면, 경사 위치)와, 제2 축선(104)에 상응하는 제2 위치(예를 들면, 실질적으로 수평 위치) 간에 조절될 수 있다. 제1 축선(102)과 제2 축선(104)은 각도 θ를 형성한다.

경사 회전로(100)는 제1 위치에 있는 동안에 제1 축선(102)을 중심으로 회전할 수 있는 제1 단부(106) 또는 장입 단부를 갖는 회전 가능부(105)를 포함한다. 경사 회전로(100)는 또한 제1 축선(102) 또는 제2 축선(104)을 중심으로 회전할 수 없는 제2 단부(107) 또는 버너 단부[버너(111)에 근접한 단부]를 포함한다. 그러나, 제2 단부(107)는 제1 축선(102)에 상응하는 제1 위치와 제2 축선(104)에 상응하는 제2 위치 간에 경사 회전로(100)를 조절할 수 있도록 구성된다. 제2 단부(107)는 경사 회전로(100) 내의 장입물(108)(예를 들면, 알루미늄, 유리, 시멘트, 납, 구리, 철 및 강 등)에 염/플럭스를 첨가할 수 있게 하는 개구(109)를 포함한다.

경사 회전로(100)가 제1 위치에 있는 경우, 경사 회전로(100)의 제1 단부(106)가 경사 회전로(100)의 다른 부분에 비해 보다 많은 양의 장입물(108)을 수용하고 있다. 제1 위치에서의 각도(챔버의 형상도 함께)는 장입물(108)이 깊이 프로파일을 갖게 한다. 이 깊이 프로파일은 최대 깊이 위치(110)[장입물(108)의 표면(119)에 의해 정해짐]와 보다 낮은 깊이(113)의 기타 영역을 포함한다. 버너(111)는 연소에 의해 생성된 열 방출 프로파일(112)에서의 고열플럭스 영역(114)이 최대 깊이 위치(110)에 상응하도록 제어될 수 있다. 고열플럭스는 열 방출 프로파일에 대한 열플럭스 분포에 걸친 평균 열플럭스보다 큰 크기의 열플럭스이다. 열플럭스 분포는 버너로부터 거리에 대한 열플럭스의 그래프로 나타낼 수 있다(예를 들면, 도 11 참조). 고열플럭스 영역(114)은 예를 들면 전체 열 방출 프로파일에 대한 평균 열플럭스와 열플럭스 분포의 교차가 발생하는 위치(즉, 버너로부터 거리)들 사이의 영역일 수 있다.

경사 회전로(100)가 회전하는 경우, 연소 영역(117) 내의 경사 회전로(100)의 벽 부분(121)이 회전하여 장입물(108)의 아래에 배치된다. 그러면, 가열된 벽 부분(121)으로부터의 열이 전도에 의해 장입물(108)을 가열한다. 하나의 실시예에서, 예를 들면, 장입물(108)에 제공된 열의 1/4보다 많은 양이 벽 부분(121)과 장입물(108) 간의 전도에 의해 제공된다. 이러한 전도로 인한 상당한 양의 열은 미리 정해진 위치[예를 들면, 최대 깊이 위치(110)] 또는 영역[예를 들면, 고열플럭스 영역(114)]에 기초한 수 있다. 즉, 최대 깊이 위치(110)는 경사 회전로(100)의 둘레 벽 부분(121)에 상응할 수 있는데, 이 부분은 바람직하게는 고열플럭스 영역(114)에 의해 가열되어, 장입물(108)의 저부에 전도열을 제공할 수 있다.

도 2 내지 도 5에서는 다양한 위치의 경사 회전로(100)와 최대 깊이 위치 및 둘레 벽 부분(121)의 위치의 변화를 개략적으로 도시한다. 도 2는 제2 위치(즉, 장입 위치)에서의 회전 가능부(105)를 도시한다. 제2 위치에 배치된 된 동안에, 회전 가능부(105)는 제2 축선(104)을 중심으로 회전할 수 있다. 이 위치는 장입물(108)을 장입하거나, 장입물(108)을 빼내거나, 및/또는 경사 회전로(100)를 청소하는 데에 이용될 수 있다.

균일한 가열을 달성하기 위해, 열 방출 프로파일(112)로부터 얻어지는 열 전달은, 최대 깊이 위치(110) 및/또는 이 최대 깊이 위치(110) 아래에 있도록 회전하는 벽 부분(121)(도 3 내지 도 5 참조)에 근접하게 고열플럭스 영역(114)을 위치시키도록 버너(111)를 선택적으로 조절함으로써 수정될 필요가 있다. 버너(111)는 동일한 연소율에서 용융물의 깊이에 따라 화염의 길이 및 열전달을 선택적으로 조절하도록 구성된다. 화염 길이의 조절 및 고열플럭스 영역(114)의 위치 설정은 산화제 또는 연료의 스테이징에 의해 달성될 수 있다. 화염 길이 및 열전달의 조절은 스테이징 비의 조절을 통해 다단식 버너(111)에 의해 달성될 수 있다.

전술한 것 외에도, 열 방출 프로파일(112)의 조절과 조합하여 용융 및/또는 가열 속도를 향상시킬 기타 방법이 또한 제공될 수도 있다. 예를 들면, 경사 회전로(100)에 첨가되는 플럭스/염의 양을 증가시켜, 용융 및/또는 가열 속도를 증가시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 회전 속도 및/또는 기울기 역시 용융 및/또는 가열 속도를 변경하는 데에 이용될 수 있다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 장입물(108)의 표면(119)을 따른 최대 깊이 위치(110)가 각도 θ의 변화에 기초하여 이동할 수 있다. 각도 θ를 증가시키면, 최대 깊이 위치(110)가 버너(111)에 더 근접하게 제2 단부(107)쪽으로 이동한다(도 1 참조). 다양한 각도 및/또는 회전로의 구성에 대처하도록 하기 위해, 버너(111)는 최대 깊이 위치(110)에 고열플럭스(114)를 제공하도록 구성될 수 있다. 도 3 내지 도 5에서는 다양한 값의 각도 θ에서 경사 회전로(100)의 회전 가능부(105)를 도시하고 있다. 도시한 구성의 경우, 각도 θ는 약 30°내지 35°에 이르는 임의의 적절한 값일 수 있다. 이해할 수 있는 바와 같이, 경사 회전로(100)는 각도 θ가 30°내지 35°보다 큰 값을 갖게 하는 다른 구조를 포함할 수도 있다. 버너(111)는 최대 깊이 위치(110)의 변화에 대응하게 조절되는 고열플럭스 프로파일(114)을 제공하도록 구성되거나, 고열플럭스(114)를 단일의 위치, 즉 용융 사이클과 같은 작동 조건에 상응하는 대표 위치 및/또는 최대 깊이 위치(110) 근처 또는 그에 인접한 위치에 제공하도록 구성될 수 있다.

축척대로 도시하진 않았지만, 도 3 내지 도 5 각각은 회전 가능부(105) 내에 동일한 체적의 장입물(108)을 예시하고자 한 것이다. 회전 가능부(105)는 각도 θ의 최대값이 최대 깊이 위치(110)를 제1 단부(106) 쪽으로 이동시키지 않도록 하는 기하학적 형상[예를 들면, 제1 단부(106) 근처에 라운드지거가 경사진 내부 코너(115)를 마련함으로써]으로 구성될 수 있다. 마찬가지로, 챔버(100)는 각도 θ 값의 증가가 표면(119)에서의 장입물(108)의 양을 감소시켜 잠재적으로 산화의 위험성을 감소시키도록 구성될 수 있다.

도 3에서, 회전 가능부(105)는 제1 축선(102)에 상응하는 제1 위치에 있다. 각도 θ의 값은 약 5°이다. 표면(119)은 미리 정해진 길이(302)를 갖고 최대 깊이 위치(110)는 미리 정해진 깊이(304)를 갖는다.

도 4에서, 회전 가능부(105)는 제1 축선(102)에 상응하는 제1 위치에 있다. 각도 θ의 값은 약 20°이다. 표면(119)은 도 3에 도시한 표면(119)의 미리 정해진 길이(302)보다 짧은 미리 정해진 길이(402)를 갖는다. 게다가, 최대 깊이 위치(110)는 도 3에 도시한 최대 깊이 위치(110)의 미리 정해진 깊이(304)보다 큰 미리 정해진 깊이(404)를 갖는다. 표면(119)의 감소된 길이(402)와 증가된 깊이(404)는 증가된 각도 θ의 결과이다. 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 버너(111)에서부터 최대 깊이 위치(110)까지의 수평 거리는 도 2 및 도 3에서 버너에서부터 수평 거리보다 작다. 최대 깊이 위치에 상응하게 고열플럭스 영역(114)을 제공하기 위해, 고열플럭스 영역(114)은 도 2 및 도 3에서보다 버너(111)에 더 근접하게 이동될 수 있다.

도 5에서, 회전 가능부(105)는 제1 축선(102)에 상응하는 제1 위치에 있다. 각도 θ의 값은 약 30°내지 35°이다. 표면(119)은 도 4에 도시한 표면(119)의 미리 정해진 길이(402)보다 짧은 미리 정해진 길이(502)를 갖는다. 게다가, 최대 깊이 위치(110)는 도 4에 도시한 최대 깊이 위치(110)의 미리 정해진 깊이(404)보다 큰 미리 정해진 깊이(504)를 갖는다. 표면(119)의 감소된 길이(502)와 증가된 깊이(504)는 증가된 각도 θ의 결과이다. 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 버너(111)에서부터 최대 깊이 위치(110)까지의 수평 거리는 도 2, 도 3 및 도 4에서 버너에서부터 수평 거리보다 작다. 최대 깊이 위치에 상응하게 고열플럭스 영역(114)을 제공하기 위해, 고열플럭스 영역(114)은 도 2, 도 3 및 도 4에서보다 버너(111)에 더 근접하게 이동될 수 있다.

도 2 내지 도 5에 대한 전술한 설명은 고열플럭스 영역(114)을 위치 설정하기 위한 버너(111)의 적극적 조절에 대해 언급하고 있지만, 고열플럭스 영역(114)은 경사 회전로(100)가 용융 사이클과 같은 특정 작동 사이클을 수행하고 있을 때에 최대 깊이 위치(110)에 대응하게 위치 설정될 수도 있다. 고열플럭스 영역(114)의 위치 설정은 산화제 또는 연료의 스테이징 비를 변경함으로 인한 버너(111)의 선택적 조절에 의해 달성될 수 있다.

도 6에서는 경사 회전로(110)를 위한 예시적인 다단식 버너(111)의 개략도를 도시하고 있다. 버너(111)는 열 방출 프로파일(112)(도 1 참조)을 선택적으로 조절하도록 구성된다. 버너(111)는 제1 또는 1차 주입기(604) 및 제2 또는 2차 주입기(602)를 포함한다. 예를 들면, 버너(111)는 제2 주입기(602)를 통한 산화제 또는 연료의 제어된 도입 또는 스테이징에 의해 챔버(100) 내에서 고열플럭스 영역(114)의 위치 및/또는 고열플럭스 영역(114)의 세기(도 1 참조)를 선택적으로 조절할 수 있다. 버너(111)는 제2 단부(107)에서 장입물(108)에 염/플럭스를 첨가할 수 있게 하는 개구(109)(도 1 참조) 바로 아래에 배치된다. 본 명세서에서 이용되는 바와 같은 "스테이징(staging)"이란 용어는 제1 또는 1차 주입기에 대한 연료 또는 산화제 흐름을 제2 또는 2차 주입기로 방향 전환 또는 분할하는 것을 의미한다. 마찬가지로, "스테이징 비(staging ratio)"는 제2 또는 2차 주입기로 보내질 연료 또는 산화제의 양의 백분율로서 정의한다.

다단식 버너(111)에서, 연료와 산화제가 제1 주입기(604)를 통해 도입된다. 연료는 연료 파이프를 통해 주입된다. 산화제는 버너에서 경사 회전로로 보내질 총 산화제 유량의 10% 내지 90%의 유량으로 연료 파이프를 둘러싸는 1차 파이프를 통해 도입된다. 하나의 실시예에서, 2차 산화제는, 이용되는 연료의 완전 연소에 필요한 이론적 화학양론의 20% 내지 100%에 해당하는 전체 화학양론 비를 형성하도록, 1차 주입기의 직경의 15 내지 60배 떨어진 위치에서 1차 주입기의 축선을 가로지르는 축선을 갖는 제2 주입기(602)를 통해 주입된다. 이러한 식으로 작동하는 버너는 스테이징이 없는 경우로부터 산화제를 70% 스테이징하는 경우로 전환할 때에 버너로부터 고열전달 위치의 거리를 63%만큼 증가시킨다(예를 들면, 도 12 참조).

제1 주입기(604)에 의해 제공되고 특정 실시예에서는 제2 주입기(602)에 의해서도 제공되는 산화제는 산소를 약 5 체적% 내지 약 100 체적% 함유한다. 하나의 실시예에서, 버너(111)는 임의의 적절한 불활성 가스(예를 들면, 질소)와 혼합된 40 체적%의 산소를 함유한 산화제에 의해 작동된다. 다른 실시예에서, 버너(111)는 임의의 적절한 불활성 가스와 혼합된 70 체적%의 산소를 주입하는 제2 주입기(602)에 의해 작동된다. 산화제의 주입은 임의의 적절한 속도 및/또는 양으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 그 속도는 약 5 ft/sec 내지 약 200 ft/sec일 수 있다.

제1 주입기(604)에 의해 제공되고 특정 실시예에서는 제2 주입기(602)에 의해서도 주입되는 연료는 임의의 적절한 연료일 수 있다. 적절한 연료로는 천연 가스와 같은 연소 가능 유체를 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 제1 주입기(604)에서의 연료의 주입은 임의의 적절한 속도 및/또는 양으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 그 속도는 약 5 ft/sec 내지 약 200 ft/sec일 수 있다. 예를 들면, 회전로에서 천연 가스의 연소시에 전체 화학양론 비는 약 1.4 내지 약 2.2로 설정된다.

버너(111)는 열 방출 프로파일(112)의 조절 및 이에 따른 고열플럭스 영역(114)의 위치의 조절을 가능하게 한다. 이러한 조절은 산화제의 스테이징, 즉 전환 밸브(diverter valve)(606)를 통과하는 산소 흐름의 제어에 의해 달성된다. 특정 실시예에서, 제2 주입기(602)로 더 많은 산소가 주입되는 경우에, 연소 화염이 더 길어질 수 있다. 추가로 또는 대안으로, 특정 실시예에서 버너(111)는 장입물(108)의 표면(119)에서의 산화를 감소시키거나 실질적으로 제거한다. 예를 들면, 그러한 실시예에서, 버너(111)가 산화제의 스테이징을 통해 경사 회전로(100)의 고온 금속으로부터 멀리 떨어지게 산화제를 주입하여, 연료가 장입물의 표면에 인접하여 환원 또는 비산화 분위기를 생성하게 된다.

도 7에서는 주입기(604)의 개략적인 단부도를 도시하고 있다. 주입기(604)에서, 연료는 중앙 연료 파이프(704)에서 주입되는 한편, 산화제는 환형 파이프(706)에서 주입된다. 중앙 연료 파이프(704)와 환형 파이프(708)는 모두 주입기(604)의 단부에서 좁아져, 화염을 지지한다. 다단식 버너(111)에서, 주입기(604)는 스테이징된 연료 또는 스테이징된 산화제를 주입하는 제2 주입기(602)(예를 들면, 도 6 참조)와 함께 이용될 수 있다.

도 8에서는 대안적인 실시예에 따른 주입기(604)의 개략적인 단부도를 도시하고 있다. 도 8의 주입기(604)에서, 연료는 중앙 연료 파이프(704)에서 주입되는 한편, 산화제는 환형 파이프(706)에서 주입된다. 중앙 연료 파이프(704)와 환형 파이프(708)는 모두 주입기(604)의 단부에서 좁아져, 화염을 지지한다. 다단식 버너(111)에서, 주입기(604)는 스테이징된 연료 또는 스테이징된 산화제를 주입하는 제2 주입기(602)(예를 들면, 도 6 참조)와 함께 이용될 수 있다. 도 8의 주입기(604)는 도 7의 주입기(604)와 유사하지만, 도 8의 중앙 연료 파이프(704) 및 환형 파이프(706)가 도 7의 중앙 연료 파이프(704) 및 환형 파이프(706)보다 더 크다. 이러한 보다 큰 사이즈는 주입기(604) 및 버너(111)의 보다 높은 연소율을 가능하게 한다.

도 9에서는 주입기(604)의 개략적인 단부도를 도시하고 있다. 주입기(604)는 연료를 주입하는 복수의 연료 파이프(704)와 산화제를 주입하는 하나의 환형 파이프(708)를 포함한다. 복수의 연료 파이프(704)는 연소 가능 연료를 산화제에 의해 둘러싸인 채로 도입하게 된다. 다단식 버너(111)에서, 주입기(604)는 스테이징된 연료 또는 스테이징된 산화제를 주입하는 제2 주입기(602)(예를 들면, 도 6 참조)와 함께 이용될 수 있다. 도 9에 도시한 주입기(604)는 강력한 혼합을 제공한다.

예

최대 깊이 위치(110) 및/또는 이 최대 깊이 위치(110) 아래에 있도록 회전하는 벽 부분(121)에 고열플럭스 영역(114)을 대응시키는 능력을 비교하기 위해 다양한 구성의 버너를 분석하였다. 그 분석은 전산 유체 역학(Computational Fluid Dynamic : CFD) 소프트웨어 프로그램에 의해 용이하게 이루어졌고, 당업자들에게 알려진 가정을 세웠다. 도 10 내지 도 12를 참조하면, 다양한 버너 구성 및 스테이지 비가, 약 37.4 ㎥의 경사 회전로(100) 내의 총체적, 약 26.6 ㎥의 연소 영역(117)의 체적, 약 10.8 ㎥의 장입물(108)의 체적, 약 900K의 용융점을 갖는 장입물(108), 약 20°의 각도 θ, 약 3.80 m의 최대 깊이 위치(110), 약 19 mmbtu의 버너의 연소율, 및 약 3 rpm(분당 회전수)의 회전 가능부(105)의 회전 속도에 대해 분석되었다. 게다가, 버너(111)는 제2 주입기를 지나는 산화제 흐름을 조절함으로써 분석되었다. 분석에 이용되는 산화제는 100% 산소이다.

도 10에 도시한 바와 같이, 스테이징이 없는 경우의 도 7에 도시한 바와 같은 버너("이중 파이프 버너")는 버너로부터 약 2.25 m 위치에 특정 고열플럭스 지점을 갖는다. 스테이징이 없는 경우의 도 8에 도시한 바와 같은 버너("대형 이중 파이프 버너")는 버너로부터 약 1.75 m 위치에 특정 고열플럭스 지점을 갖는다. 스테이징이 없는 경우의 도 9에 도시한 바와 같은 버너("튜브 번들")는 버너로부터 약 2.25 m 위치에 특정 고열플럭스 지점을 갖는다. 제2 주입기를 통해 40 체적%의 산화제 흐름이 흐르게 하여, 즉 스테이징 비를 40%로 하여 작동된 버너("Staging-40" 및 "Stg-40")는 버너로부터 약 3.25 m 위치에 특정 고열플럭스 지점을 포함한다. 제2 주입기를 통해 70 체적%의 산화제 흐름이 흐르게 하여, 즉 스테이징 비를 70%로 하여 작동된 버너("Staging-70" 및 "Stg-70")는 버너로부터 약 3.25 m 위치에 특정 고열플럭스 지점을 포함한다. 산화제로서 공기와 산소의 미리 정해진 혼합물을 사용하여 작동된 버너("Air-O2")는 버너로부터 약 2.25 m 위치에 특정 고열플럭스 지점을 포함한다.

그러한 특정 고열플럭스 지점들은, 40 체적%의 산화제가 제2 주입기를 통해 흐르게 하여 작동하거나 70 체적%의 산화제가 제2 주입기를 통해 흐르게 하여 작동하는 버너가 장입물(108) 내의 최대 깊이 위치(110)에 가장 근접함을 의미한다.

도 11에 도시한 바와 같이, 열 방출 프로파일(112)[고열플럭스 영역(114) 포함]이 도 10을 참조하여 전술한 각각의 조건에 대해 분석되었다. 개개의 버너에 대한 열 방출 프로파일은 가변적인 고열플럭스 영역을 포함하고 있다. 본 예들에서 이용되는 바와 같은 고열플럭스 영역은 전체 열 방출 프로파일에 대한 평균 열플럭스와 열플럭스 분포의 교차가 발생하는 위치(즉, 버너로부터 거리)들 사이의 영역일 수 있다. 예를 들면 스테이징이 없는 경우의 대형 이중 파이프 버너는 버너로부터 약 1.2 m 내지 약 3 m 위치에 고열플럭스 영역을 갖는다. 제2 주입기를 통해 40 체적%의 산화제 흐름이 흐르게 하여, 즉 스테이징 비를 40%로 하여 작동된 Stg-40 버너는 버너로부터 약 1.6 m 내지 약 4.2 m 위치에 고열플럭스 영역을 포함한다. 제2 주입기를 통해 70 체적%의 산화제 흐름이 흐르게 하여, 즉 스테이징 비를 70%로 하여 작동된 Stg-70 버너는 버너로부터 약 2.1 m 내지 약 4.6 m 위치에 고열플럭스 영역을 포함한다.

게다가, 장입물(108)의 깊이 프로파일이 그래프로 나타내어져 있다[최대 깊이 위치(110) 및 그 보다 낮은 깊이(113)의 기타 영역을 포함]. 분석 결과에서는 제2 주입기를 통해 40%의 스테이징 비로 작동하는 버너와, 제2 주입기를 통해 70%의 스테이징 비로 작동하는 버너에 대한 특정 고열플럭스 지점들이 실질적으로 동일하지만, 전체 고열플럭스 영역(114)은 제2 주입기를 통해 70%의 스테이징 비로 작동하는 버너의 경우에 버너로부터 더 멀리 떨어져 있음을 보여준다. 구체적으로, 제2 주입기를 통해 40%의 스테이징 비로 작동하는 버너는 약 2 m까지는 더 높은 열플럭스를 갖는 한편, 2 m를 지나서는 더 낮은 열플럭스를 갖는다(제2 주입기를 통해 70%의 스테이징 비로 작동하는 버너와 비교한 경우). 따라서, 제2 주입기를 통해 70 체적%의 산화제가 흐르게 하여 작동하는 버너의 열 방출 프로파일(112)은 최대 깊이 위치(110)에 근접한 영역에서 전체 열의 대부분을 방출한다.

게다가, 그 분석 결과는 버너의 구성이 장입물(108)의 표면(119)에서의 산소의 차이를 가져옴을 보여주고 있다. 구체적으로, 버너(702)는 표면(119)에서 약 2.47%의 산소 함량을 포함하며, 제2 주입기를 통해 40 체적%의 산화제가 흐르게 하여 작동하는 버너는 장입물의 표면에서 약 0.95%의 산소 함량을 가지며, 제2 주입기를 통해 70%의 스테이징 비로 작동하는 버너는 장입물의 표면에서 약 0.94%의 산소 함량을 가지며, 공기에 의해 작동하는 버너(111)는 표면(119)에서 약 3.07%의 산소 함량을 갖는다.

도 12에 도시한 바와 같이, 고열플럭스의 위치를 결정하기 위해 가변적인 비율로 스테이징된 산화제로 작동하는 버너를 분석하였다. 도 12에 도시한 바와 같이, 고열플럭스의 변화는 버너로부터의 길이의 백분율로 나타낸 것으로서, 100%는 스테이징이 없는 경우의 버너에 상응하는 고열플럭스의 위치에 위치하는 경우이다. 버너로부터 고열플럭스의 위치의 거리는 스테이징 비의 증가에 의해 증가한다.

바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 당업자라면 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 다양한 변형이 이루어질 수 있고 그 구성 요소들이 등가물로 대체될 수 있다는 점을 이해할 것이다. 게다가, 본 발명의 근본적인 범위를 벗어나지 않고 특정 상황 또는 재료를 본 발명의 교시에 맞추도록 수많은 수정이 이루어 질 수도 있다. 따라서, 본 발명이 본 발명을 실시하는 데에 있어서 예상되는 최선의 형태로서 개시한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명은 첨부된 청구 범위 내에 포함되는 모든 실시예들을 포함할 것이다.

100 : 경사 회전로
102 : 제1 축선
104 : 제2 축선
105 : 회전 가능부
106 : 제1 단부
107 : 제2 단부
108 : 장입물
110 : 최대 깊이 위치
111 : 버너
112 : 열 방출 프로파일
114 : 고플럭스 영역
119 : 장입물의 표면
121 : 회전 가능부의 벽 부분

Claims (18)

1. 장입물을 가열하는 방법으로서,
   장입물을 가열하는 노(furnace)를 제공하되,
   최대 깊이의 위치를 포함한 깊이 프로파일을 갖는 장입물을 수용하는 용기; 및
   제1 주입기 및 제2 주입기를 갖는 버너를 포함하는 노를 제공하는 단계; 및
   제1 연료와 제1 산화제를 제1 주입기에 제어 가능하게 제공하고, 제2 연료와 제2 산화제 중 하나를 제2 주입기에 제어 가능하게 제공하여, 상기 버너로부터 제어된 거리만큼 떨어진 위치에 고열플럭스(high heat flux) 영역을 포함한 열 방출 프로파일을 장입물 위에 형성하는 단계
   를 포함하며, 상기 제어된 거리는 상기 최대 깊이의 위치에 상응하는 것인 장입물 가열 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 고열플럭스 영역은 장입물의 최대 깊이 위치에 상응하는 장입물의 표면의 부분에 근접하는 것인 장입물 가열 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 고열플럭스 영역은 장입물의 최대 깊이 위치에 상응하는 용기의 벽 부분에 근접하는 것인 장입물 가열 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 제어된 거리는 노의 작동 조건에 대한 최대 깊이 위치에 근접한 위치인 것인 장입물 가열 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 노의 작동 조건은 용융 사이클인 것인 장입물 가열 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 장입물의 최대 깊이 위치를 결정하는 단계, 및 이 결정 단계에 의해 결정된 거리로 상기 제어된 거리를 조절하는 단계를 더 포함하는 것인 장입물 가열 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 버너를 조절함으로써 상기 열 방출 프로파일을 수정하는 단계를 더 포함하는 것인 장입물 가열 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 제1 주입기는 장입물의 표면에 인접한 영역으로 제1 연료를 보내는 것인 장입물 가열 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 장입물을 용융시키는 단계를 더 포함하는 것인 장입물 가열 방법.
10. 제1항에 있어서, 상기 장입물은, 알루미늄, 유리, 시멘트, 납, 구리, 철 및 강으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 장입물 가열 방법.
11. 제1항에 있어서, 상기 제2 연료가 제2 주입기에 제공되는 것인 장입물 가열 방법.
12. 제1항에 있어서, 상기 제2 산화제가 제2 주입기에 제공되는 것인 장입물 가열 방법.
13. 장입물을 가열하는 경사 회전로로서,
    최대 깊이의 위치를 포함한 깊이 프로파일을 갖는 장입물을 수용하는 용기를 포함하는 회전 가능부; 및
    제1 주입기 및 제2 주입기를 갖는 버너
    를 포함하며, 상기 회전 가능부는 제1 축선과 제2 축선 사이에서 조절될 수 있으며,
    상기 경사 회전로의 각도는 장입물이 최대 깊이의 위치를 포함한 깊이 프로파일을 갖게 하며,
    상기 버너는, 제1 연료와 제1 산화제를 제1 주입기에 제어 가능하게 제공하고, 제2 연료와 제2 산화제 중 하나를 제2 주입기에 제어 가능하게 제공하여, 버너로부터 제어된 거리만큼 떨어진 위치에 고열플럭스 영역을 포함하는 열 방출 프로파일을 장입물 위에 형성하며,
    상기 제어된 거리는 고열플럭스 영역이,
    상기 장입물의 최대 깊이 위치에 상응하는 장입물의 표면의 부분; 및
    상기 장입물의 최대 깊이 위치에 상응하는 회전 가능부의 벽 부분
    중 어느 하나 또는 둘 모두에 근접하게 하는 것인 경사 회전로.
14. 제13항에 있어서, 상기 제2 연료는 제1 연료의 일부인 것인 경사 회전로.
15. 제13항에 있어서, 상기 제2 산화제는 제1 산화제의 일부인 것인 경사 회전로.
16. 장입물을 가열하는 방법으로서,
    장입물을 가열하는 경사 회전로를 제공하되,
    깊이 프로파일을 갖는 장입물을 수용하는 경사 및 회전 가능한 용기; 및
    제1 주입기 및 제2 주입기를 갖는 버너를 포함하는, 경사 회전로를 제공하는 단계;
    제1 연료와 제1 산화제를 제1 주입기에 제어 가능하게 제공하고, 제2 연료와 제2 산화제 중 하나를 제2 주입기에 제어 가능하게 제공하여, 상기 버너로부터 제어된 거리만큼 떨어진 위치에 고열플럭스 영역을 포함한 열 방출 프로파일을 장입물 위에 형성하는 단계;
    상기 장입물의 깊이 프로파일에서 최대 깊이의 위치를 결정하는 단계; 및
    상기 제어된 거리를 최대 깊이 위치에 상응하게 조절하는 단계
    를 포함하며, 상기 제어된 거리는 고열플럭스 영역이,
    상기 장입물의 최대 깊이 위치에 상응하는 장입물의 표면의 부분; 및
    상기 장입물의 최대 깊이 위치에 상응하는 회전 가능부의 벽 부분
    중 어느 하나 또는 둘 모두에 근접하게 하는 것인 장입물 가열 방법.
17. 제1항 또는 제16항에 있어서, 상기 제2 연료는 제1 연료의 일부인 것인 장입물 가열 방법.
18. 제1항 또는 제16항에 있어서, 상기 제2 산화제는 제1 산화제의 일부인 것인 장입물 가열 방법.

Images