KR101602966B1 - 산소 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 교환기의 배출구에 온도가 300℃ 미만으로 있지 않은, 양호하게는 400℃보다 높은 온도로 있는, 산소 또는 적어도 50% 산소를 함유한 기체 혼합물을 공급하는 열교환기에 관한 것으로, 산소 또는 산소 농후한 기체를 유리 용해로의 1개 이상의 버너에 공급하고, 연소 기체의 열을 상기 교환기의 산소 또는 산소 농후한 기체를 가열하는데 직접 또는 간접적으로 사용하고, 교환 전력은 20 내지 300kW 사이, 양호하게는 40 내지 250kW 사이, 그리고 아주 양호하게는 80 내지 170kW 사이에 있는 것이다.

열교환기, 유리 용해로, 버너, 관, 산소 농후한 기체, 열전달 기체, 평판.

Description

산소 열교환기{OXYGEN HEAT EXCHANGER}

본 발명은 유리 용해로의 버너에 공급할 목적으로 산소 또는 산소 농후한 기체에 열을 가하는 열교환기와 관련한 것이다.

예를 들어, 판유리를 생성하는 "부유물"을 공급하는 가열로(furnaces)인, 최고 생산용량의 가열로를 구비한 유리 용해로(glass melting furnaces)에는, 대부분 화석연료와 공기로 동작하는 버너가 장착된다. 이러한 타입의 에너지 선택은 경제적인 이유로 에너지 소비를 중요하게 고려하고 운영된다. 하루에 600톤 내지 900톤을 생산하는 일반적인 용해로는 50 내지 80메가와트 정도의 이용 전력을 필요로 하는 것으로 알려져 있다.

상기 가열로의 사용은 상당한 에너지 소비를 초래할 뿐만 아니라, 상당량의 연소기체도 방출하는 것이다. 이러한 이유로, 부단히 에너지 비용과 연소기체를 처리하기 위한 비용을 가능한 낮추려는 노력이 이루어져 왔다.

또한, 공기 내의 질소가 고온으로 되어서 결과적으로 연소에 의해 방출된 상당한 양의 에너지를 흡수함으로, 연소물로서 공기를 사용하는 현재 상당히 폭넓게 사용하는 방식은 가능한 에너지 소비가 최저가 되게 이끌지 않고, 그리고 이러한 에너지 부분은 연기(fumes)가 회복 동작을 받더라도 상실된다. 게다가, 널리 알려 진 바와 같이, 질소가 있음으로서 소위 산성비(acid rain)라고 불리는 것에 반응하는 산화물을 형성하게 하기도 한다.

이러한 이유로, 공기만이 아니라 산소 또는 산소 농후한 기체(oxygen or gases rich in oxygen)를 사용하는 해결방식이 개발되었으며, 이미 일부는 적용되어 사용되고 있다.

그런데, 산소의 조직적인 사용(systematic use)은 실질적인 면과 경제적인 면에서 그 사용이 곤란한 것이다. 소요되는 산소 비용이 첫째로 경제성 면에서 곤란하다. 에너지 수지는 추가 산소 비용을 보상하는 것보다 반드시 더 많은 이득이 있어야 한다. 또한, 버너, 서플라이 또는, 아래에서 연구되는 바와 같이 교환기(exchanger)와 관련하는 지의 여부는, 시스템의 경제성 면에서 특정 재료의 투자(investment)에서 중요한 사항이다. 실질적으로, 대규모 조립체에 산소를 지속적으로 공급하는 일은 현장에 생산 설비를 필요로 하거나 또는 기체 배관을 통한 공급을 필요로 하는데, 어느 것이든 대체로 투자를 유발시키는 것이다.

만족할 수 있는 경제 수지에 이르게 하기 위해서는, 이러한 유리 용해로에 산소 또는 산소 농후한 기체를 사용하여 받게 되는 부담을 고려하여, 선택을 최적하게 할 필요가 있다.

최상의 에너지 수지는 버너를 산소와 예열된 연료를 사용하여 가동하고, 적어도 연소기체의 일부가 이러한 예열 동작에 사용하여, 이루어질 수 있을 것이다.

고온 산소를 사용하는 것이 매우 추천할 만한 것이기는 하지만, 이러한 방식을 실제에 적용하는 경우엔 이들 설비의 구조와 이들이 동작하기 위해 새로이 해결 해야할 문제가 나타난다. 따라서, 통상적으로 버너용으로 사용된 공기는 축열실에서 예열된다. 타워는 내열재로 줄지어 늘어서 있고, 연소기체가 제1상(first phase)의 내열재를 가열하게 통과하고 그리고 연소에 사용된 공기가 제2상(second phase)으로 재가열하기 위해 통과한다. 상기 상들의 교체(the alternation of this phase)가 높은 특정적인 가열로 구조를 초래한다. 따라서, 일반적으로 활성 버너에 대해 반대편 측에 위치한 버너와 관련한 축열실이 있으며, 상기 버너는 용융욕조의 어느 일 측에 있다.

산소를 재가열하는데 축열실을 사용할 수는 없다. 일반적으로, 발생기(generators)가 사전에 이물질 제거 동작을 받게 되어져 있더라도, 연소기체에 의해 운반된 미립자가 침적하는 저장소이다. 고온 산소와 상기 침적물과의 접촉은 위험성이 있는 것이다. 또한, 상기 축열실을 완벽하게 밀봉하기는 곤란하다. 공기 통로와 누설 가능성이 위험한 것은 아니지만, 이러한 사실이 산소와 관련하여서는 위험한 것이다.

또한, 열교환기의 사용도 고온 산소와의 접촉으로 물질 내성의 민감한 문제를 일으킨다. 이러한 어려움의 관점과 경제적인 면을 고려하여 볼 때에, 고온 산소의 사용은 대용량 유리 용해로에 사용하는 것과 같이 대형 설비에 적용할 수가 없다.

본 발명의 목적은 유리 용해로의 버너에, 특히 대용량 가열로에 산소 또는 산소 농후한 고온 기체의 사용을 조성하는 방식을 제안하는 것이다. 본 발명은 또한 고온에서 산소 사용과 관련한 특정 기술이 필요함에도 불구하고 충분히 안전하게 사용할 수 있게 하는 해결방식을 제공하는 것이다.

산소 사용과 관련한 위험은 온도가 올라가는 순간에 설비에서 일어나기 때문에, 발명인은 고온 산소(hot oxygen)와 접촉하는 장치, 특히 교환기(exchangers)에 모든 주의를 기울였다. 상기 교환기는 상당한 양의 산소를 함유하고 그리고 그 구조는 관리 또는 수리를 위한 간섭으로 발생하는 어려움이 있기 때문에 장기간 고장 없이 작동하여야 한다.

또한, 고온 산소의 사용과 관련한 상술한 문제를 고려하여 기체 혼합물, 특히 공기와의 기체 혼합물을 적용하고, 산소 함유량은 충분히 높은 것이다. 실질적으로, 상기 기체 혼합물이 사용 이점을 갖기 위해서는 이들의 산소 함유량이 50% 이상이어야 한다. 후술하는 본 발명에 이러한 요건을 적용한다. 본 발명은 바람직하게 적어도 80%의 산소 함유량을 가진 기체 혼합물에 적용한다.

본 발명에 따라서, 상기 가열로의 버너에 공급하는 산소 또는 산소 농후한 기체의 열(heating)이 교환기에 전해지고, 교환 전력(exchange power)은 산소 또는 산소 농후한 기체가 이르게 되는 온도를 최소로 하지 않고 서서히 감소 된다.

에너지 수위의 이점을 충분하게 얻도록, 교환기의 배출구에 산소 또는 산소 농후한 기체의 온도는 300℃ 이상이고, 바람직하겐 400℃ 이상이고, 그리고 본 발명에 따르는 온도로 산소가 되도록 교환기에서 교환된 전력은 20 내지 300kW 사이에 있고, 바람직하겐 40 내지 250kW 사이에 있고, 더욱 바람직하겐 80 내지 170kW 사이에 있다.

제시된 수준보다 낮은 전력은 경제적이지 않고, 시스템 경합부(the competitiveness of the system)를 손상시킨다. 높은 전력은 상기 교환기 사용의 안정성 및 무엇보다도 안전성과 관련하여 좋지 않은 것이다.

통상적인 유리 용해로에서, 적어도 대용량의 로에서는, 사용 버너가 시간 당 200 내지 1200N㎥ 정도의 산소를 소비하는 1 내지 6MW 정도의 상당한 전력을 발생한다.

전력 면에서, 그리고 그에 따른 상기 로에서 일반적으로 사용하는 버너 각각의 소비 면에서 볼 때에, 본 발명에 따르는 교환기는 오직 소수 버너와 관련한 것이다. 각 교환기는 유익하게 고온 산소 또는 산소 농후한 기체를 많아야 3개의 분리 버너에 동시적으로 공급할 뿐이고, 각각의 버너는 예를 들어 EP 1 194 719호에 기재된 것과 같은 명세서에 따르는 수개의 인젝션 노즐을 갖는 것이다.

이러한 교환기의 수를 증가하게 하는 배열의 설치는 각 교환기의 치수와 용량을 제한할 뿐만 아니라 버너로 인도하는 교환기의 덕트 하류의 길이도 상당히 제한하여 설비의 안전성 향상을 보장한다.

경제적인 관점에서의 이점을 유지하기 위해서, 본 발명에 따르는 교환기의 사용은 바람직하게 반드시 한계 치수로 하며, 상기 한계 치수는 동작의 완전한 특정 모드를 포함하고 그리고 특히 가능한 작은 교환 구역을 지키면서도 소요 전력을 발전할 수 있게 하는 것이다.

본 발명에 따라서, 산소 또는 산소 농후한 기체를 가열하는 교환기는 유익하게 5 내지 15kW/㎡ 사이의 범위, 바람직하겐 7 내지 12kW/㎡ 사이의 범위에서 교환 벽과 산소가 접촉하는 단위 면적 당 전력을 갖는다. 문제의 구역은 열전달 기체에서 산소 또는 산소 농후한 기체를 분리하는 벽의 구역이다.

본 발명에 따라 사용된 교환기 구조는 사용 재료 쪽으로 고온 산소가 침략한 결과로 부식(erosion)과 누설(leakage)의 위험을 방지하게 가능한 단순한 구조로 이루어져야 한다. 편의상, 본 발명에 따르는 교환기는 바람직하게 관형상으로 하고, 산소 또는 산소 농후한 기체는 관의 외측을 순환하는 열전달 기체로 관의 뱅크에서 순환하는 것으로 한다.

상술한 전력 수준, 특히 단위 구역 당 전력 수준을 보장하기 위해서는, 상기 구역을 가능한 작게 유지하면서, 열교환 상태를 최적하게 하여야 한다.

이러한 교환을 유익하게 하는 첫째 방식은 기체, 특히 산소 또는 산소 농후한 기체의 순환 비율을 증가시키는 동작을 갖는 것이다. 그런데, 이러한 관점에서는, 순환 비율의 증가가 위험 요소인 점을 한번 더 고려할 필요가 있다. 상기 위험은 고온 산소가 산소와 반응할 수 있는 미립자를 반출하는 것 같이 있고 그리고/또는 벽과의 충돌이 산소 마찰로 발생하는 것에 더하여 빠른 부식을 촉진하고 있기 때문에 한 층 더 중요한 것이다.

이러한 위험을 고려하도록, 본 발명에 따라서, 교환기 요소의 치수를 유익하게 한정하여, 필요한 전력 수준을 구하는데 산소 또는 산소 농후한 기체의 순환 비율이 교환기의 임의 지점에서 120m/s 보다 빠르지 않고, 그리고 바람직하게는 100m/s보다 빠르지 않게 한다.

산소의 온도와 순환 비율에 더하여, 특정 연소의 위험도 압력에 따른다고 알려져 있다. 만일 압력 증가가 교환기에서 용량 및 그에 따른 순환 비율의 감소를 일으킨다면, 이러한 타입의 변경은 또한 문제의 로에서 사용할 수 있는 버너의 작동 특성에 따를 것이다. 실질적으로, 교환기로 통과한 후에 그리고 버너에 닿기 전에 고온 산소의 압력을 감소하는 쪽으로 진행하는 일은 매우 세심한 주의가 필요한 문제이다. 이러한 성질 때문에, 압력 감소수단 쪽으로 신뢰성 있는 통과를 할 수 없고, 그리고 이러한 작용을 전하도록 다이어프램을 사용한다 하더라도 그 침입의 결과로 제안되지 않은 것이다. 정확한 배달 비율을 유지하는 버너의 인젝션 노즐 또는 노즐들의 상기 수준에서의 고압력은, 상기 노즐(들)의 개구를 감소하게 한다. 이러한 사실은 빠르게 불비한 동작으로 이끄는 노즐의 마모 및/또는 손상의 위험이 있기 때문에 바람직하지 않은 것이다.

이러한 요소들을 고려하여, 본 발명에 따르는 교환기는, 전력 수준을 찾기 위해 교환기 내의 산소 또는 산소 농후한 기체의 압력이 3bar를 넘지 않게, 바람직하겐 2bar를 넘지 않게, 특히 바람직하게는 1.5bar를 넘지 않게 정해진다.

이러한 설비의 작동 내역을 연구한 결과는, 최상의 에너지 수지는 연료와 산소 캐리어가 상승 온도로 이루어져야 한다는 것이다. 기체가 이루어야 하는 온도는 사용 설비가 허용하는 만큼 상승한 온도이다.

버너의 효율 면에서 보면 산소가 가장 상승한 온도를 이루는 것이 유익한 것이지만, 실질적으로는 산소와 접촉하는 재료의 연소 또는 부식의 위험을 제한할 필요가 있는 것처럼 교환 부분을 취하는 열전달 유체의 온도에 의해서도 제한을 받게 된다.

산소 또는 산소 농후한 기체를 가열하는 에너지 공급은 교환기에서의 순환에 의한 직접적인 방식으로 또는 연소기체와의 교환으로 사전에 재가열 되어져 있는 유체를 통한 양호한 간접적인 방식으로 연소기체에서 일어난다.

이러한 진행의 후자 방식은 산소 순환에서 부족하게 산소가 채워진 경우에 추가 안전성을 제공한다. 완전 분리가 어려운 기체와 상당한 양의 이물질을 연소기체가 반출하여서, 결과적으로 교환기의 빠른 오염물 부착을 방지한다.

양호하게, 이중 교환(double exchange)이 일어나야 하는 중간개재 기체(intermediate gas)는 산소에 대해 불활성의 것이다. 이러한 기체에는 양호하게 공기, 질소, CO₂, 증기 또는 이들 기체의 혼합물이 있다.

필요하다면, 상기 중간개재 기체를 상술된 불활성 기체의 혼합물과 사전에 이물질 분리가 행하여진 연소기체로 형성한다.

연기의 온도는 1550℃ 까지 증가할 수 있고 그리고 가장 일반적으론 1250℃ 내지 1450℃ 사이 온도에 있으며 그리고 산소가 벽과 접촉하여 벽을 이루는 재료의 품질을 너무 심하게 떨어뜨리지 않고 될 수 있는 온도보다 높게 있다.

열전달 유체가 공기로 형성된 이중 교환을 포함한 설비인 경우에, 연소기체에 의해 예열된 후에 온도는 바람직하게 450℃ 내지 1000℃ 사이에 있고, 특히 바람직하게는 600℃ 내지 800℃ 사이에 있다.

아래에 개략 기술한 시험과제를 형성한 발명인의 연구결과로부터 분명하게 확인되는 바와 같이, 열교환기를 형성하는 재료의 부식은 바람직하게 과도한 부식에 대한 내성을 보장하는 상태에서 산소를 유지하도록 온도를 빠르게 상승시킨다.

실질적으로, 열교환으로 초래되는 고온 산소 또는 산소 농후한 기체의 온도는, 본 발명에 의거하여 제조된 재료의 선택이 설비의 과도한 부식을 막을 수 있는 한계 범위 내에서 유지된다. 이러한 온도는 일반적으로 900℃를 넘지 않으며, 바람직하게는 700℃ 보다 높지 않다.

상기 교환기를 형성하는 재료와 주로 고온 산소와 접촉하는 재료는, 이러한 온도 조건에서 기체에 의한, 특히 산소에 의한 산화에 대한 우수한 내성을 보장하는 것을 선택한다.

통상적으로 널리 사용되는 강(steel)은 내성이 충분하지 않은 것이다. 결과적으로 설비를 장기간에 걸친 사용 수명을 보장하기 위해서는 특별히 세심한 재료 선택을 할 필요가 있다.

재료의 선택은 설비에 닿는 최고 온도에 대한 내성을 고려할 뿐만 아니라, 그보다 낮지만 품질 저하를 일으킬 수 있는 특정적으로 민감하게 이룰 수 있는 재료 상태의 변화를 유발하는 것으로 알려진 온도에 대한 우수한 내성도 고려하여야 한다. 온도가 올라가는 중에, 특정된 일부 강은 금속의 취성을 일으키는 전이 온도지대를 통해 지나간다.

필요한 내성에는 여러 면이 있다. 즉, 연소 형태에서, 재료의 산화를 강력히 막는 문제만이 아니고, 벽에 구멍을 낼 뿐만 아니라 그보다 더한 사고로 이끌 수 있는 산소와 접촉하는 면에서의 임의적인 변경을 방지하는 문제도 있고, 어떠한 경우에는 부차적인 반응을 방해하고 그리고/또는 고온 산소를 유지하는 연소에 의해 준비된 제품을 더럽히는 것과 같은 미립자의 이탈을 방지하는 것을 제안할 수도 있다.

모든 경우에서, 산소 농후한 기체가 순환하는 설비는 자연적으로 고유 성질에 의해 특정 공격성이 있는 기체에 대한 필요한 내성을 제공하고, 그리고 온도, 순환 비율 및 압력이 보다 많이 상승되었을 때에도 그보다 더 큰 내성을 제공하는 재료로 제조되어야 한다.

산소 또는 산소 농후한 기체를 가열하는데 사용된 교환기가 지속가능한 방식으로 상술한 사용 조건에 부합할 수 있게, 발명인들은 이들을 형성하는 재료가 직면해야 하는 특성들을 확립시키었다.

일반적으로, 본 발명에 따라서, 300℃ 이상의 온도에서 적어도 50% 산소를 함유한 기체를 수용하여야 하는 교환기는, 적어도 상기 기체와 직접적으로 접촉하는 벽의 경우에는, 다음의 테스트 프로토콜에 따르는 금속 합금으로 제조된다.

설비 내에서 순환하고 그리고 설비에서 마주치는 가장 상승한 온도의 산소 농후한 기체에 대응하는 분위기에 위치한 본 발명에 따르는 금속합금의 샘플은 1000회 순환 후에 노출된 면의 0.1mg/㎠ 보다 많은 중량 증가(weight gain)를 나타내지 않았고, 각각의 순환은 1시간 동안 예상 최대 온도를 유지하고, 이러한 온도에서 각각의 상(phase)은 주변 온도로의 회복에 따르게 된다.

주변 온도로의 회복에 따른 상승 온도를 통한 반복 통과의 선택이 특히 어려운 동작이다. 금속의 구성은 특히 최고의 스트레스를 야기하는 반복 상 변화와 만날 수 있으며, 따라서 품질저하의 위험이 증가한다. 실질적으로, 이러한 테스트는 의도적으로 연속하여 동작하는 산업용 교환기를 사용하는 동안에 견디는 것보다 더 중요한 시험을 금속이 받게 하는 것이고, 이러한 동작은 가능한 최장 시간으로 유지 동작을 하기 위해서 때때로 중단될 뿐이다.

상술한 바와 같이, 유리 로의 버너에는 양호하게 80%보다 높고, 100%에 도달할 수 있는 산소를 함유한 기체가 공급됨으로, 상기 테스트는 유리하게 상기 산소 내용물이 통과되어야 한다.

교환기의 장기간 사용수명을 최상으로 보장하게, 선택된 금속합금은 동일한 테스트를 받고, 여기에서 제어 온도는 적어도 500℃이다. 그리고, 직면한 극단적인 조건과 만나도록, 상기 합금은 가장 상승한 테스트 온도가 적어도 600℃ 인 테스트를 받았고, 그리고 800℃의 온도에서도 이 테스트를 통과할 수 있는 것이다.

부가하여, 표준 ASTM G-124에 따르는 산화 분위기에서의 자연발화 테스트에서, 본 발명에 따르는 교환기를 형성하는데 가장 적절한 합금은 적어도 3bar의 압력까지는, 바람직하겐 적어도 10bar의 압력까지는 이러한 연소에 대한 내성이 있는 것이다.

550℃를 넘는 온도 범위에서 사용할 때에 부식 테스트에 대한 긍정응답을 갖고 유리하게 사용하는 합금에는 페라이트 타입 비-산화 합금(ferritic type non-oxidising alloys)이 포함되고, Cr을 12 내지 30중량% 범위에서 함유하고 그리고 동시에 1 내지 8% 비율로 Al을 함유한다.

페라이트 합금은 400℃ 내지 500℃ 사이의 온도 범위에 있을 때에 취화(脆化)가 일어난다. 이러한 이유로, 상기 합금의 사용은 반드시 교환기에서 유효한 주요한 요소와 조건, 특히 온도 조건을 고려하여야 한다.

또한, 고온 산소에 노출되는 교환기 부분은 25중량%보다 높은 Ni 함유량을 가지면서 동시에 10 내지 30% Cr을 함유한 Cr과 Ni 농후한 합금으로 제조할 수 있다. Ni함유량은 75% 이상으로 올릴 수 있다.

상기 합금은 특히 그들의 기계적 성질이 서로 다르다. 또한, 이들의 선택은 직면한 사용에 대한 임의적인 특정 제한 사항을 가능한 고려하여야 한다. 판유리 생산 설비에는 높은 Ni함유량의 합금이 양호하게 작용하지만, Ni에 의한 미립자 반출이 파쇄를 일으키는 유리 시트에 형성한 니켈 설파이드의 위험 때문에 가능한 피해야만 하는 것으로, Ni의 존재로 취해진 위험을 고려하는 것은 중요한 일이다.

상기 합금은 크롬 또는 알루미늄 옥사이드제 보호 필름을 형성하여서 상승 온도에서 부식에 대한 양호한 내성을 갖는다. 상기 합금의 크롬 함유량은, 빠르게 증가하고 그리고, 만일 반출 된다면, 파쇄를 일으키는 유리 시트에 니켈 설파이드를 형성할 수 있는 니켈 옥사이드 덩어리(nodules)를 형성하는 것을 막도록 충분히 높아야 한다.

500℃ 보다 높고, 특별하게는 500℃ 내지 700℃ 사이의 산소 온도 범위를 가진 상황에서는, 바람직하게, 크롬 함유량이 오직 10 내지 20%인, 특히 바람직하겐 10 내지 16% 사이에 있는 합금을 사용한다. 특히, 특정 요건과 만나는 Ni 농후한 합금은 상품명 인코넬(Inconel) 600H, 600L, 인콜로이(Incoloy) 800H으로 일반적으로 언급되는 것이다.

100℃ 보다 높고, 특별하게는 100℃ 내지 600℃ 사이에 산소 온도 범위를 가진 상황에서는, 바람직하게, 크롬 함유량이 16%보다 높은, 특히 바람직하겐 20 내지 30% 사이에 있는 합금을 사용한다. 특히, 특정 요건과 만나는 Ni 농후한 합금은 상품명 인코넬(Inconel) 600H, 600L, 601, 617, 625, 인콜로이 800H 및 800HT로 일반적으로 언급되는 것이다.

또한, 작업이 용이하지만 사용 수명이 덜 보장되는 스테인리스 강 316L 및 310과 같은 합금을 사용할 수도 있다.

상승 온도에서의 높은 산화 기체의 순환 비율은 부식에 대한 위험 요소이면서, 이것은 이들 기체에 의해 운반되는 미립자에 의해 증가 될 수도 있는 것이다. 초기에, 상기 기체에는 대체로 고체 입자가 없지만, 그러나 이들은 설비에서 올 수 있는 것이다. 기체에 의한 부식에 대해 노출된 열교환기와 덕트 벽은 사실상 미립자를 방출하고, 이들이 상기 요소와 충돌하여 하류에서도 부식이 일어나고, 그리고 상기 기체의 유량 증가로 상당히 더 높은 정도까지 일어날 것이다.

교환기 벽의 표면 상태는 부식에 대한 내성에 영향을 미칠 수 있다. 표면이 일정하지 않다고 선고될수록, 합금도 다른 동일한 조건에서 점점 더 부식을 당하게 될 것이다. 이러한 이유로, 산소 농후한 기체와 접촉하는 본 발명에 따르는 교환기 벽의 표면은 매끄럽게 연마되고 그리고 6 마이크로미터(μ) 미만의 표면 거칠기를 갖는다. 상기 표면 거칠기는 바람직하게 4μ 미만이며, 가장 유리하게는 많아야 2μ 이어야 한다.

도1은 산소 또는 산소 농후한 기체를 예열하도록 본 발명에 따라서 사용할 수 있는 기체 교환기를 단면으로 개략적으로 나타낸 도면이다.

도2는 도1에 도시한 교환기의 단부를 부분 확대하여 나타낸 도면이다.

도3은 도2의 A부분을 절취하여 확대하여 나타낸 도면이다.

교환기의 일반적인 구성은 종래 타입의 기체 교환기의 구성이다. 본원의 교환기는 관(2)의 뱅크를 에워싸고 있는 챔버(1)를 포함한다. 상기 관은 평판(3, 4)에 의해 챔버 내측에 고정된다.

상기 평판은 챔버(1) 지대의 경계를 정하는 밀봉 벽을 형성하고, 상기 열전달 기체가 순환한다.

상기 챔버는 2개 덮개(5, 6)에 의해 단부가 폐쇄된다. 상기 덮개는 플랜지(7, 8, 9, 10)에 의해 챔버에 견고하게 고정되어 밀봉된다. 상기 플랜지는 필요한 경우엔 관(2)의 단부로 접근할 수 있게 제거할 수 있다.

가능한 최상의 교환이 이루어지게, 열전달 기체와 산소 또는 산소 농후한 기체의 순환이 역흐름으로 유리하게 전해진다. 고온 열전달 기체는 도관(11)을 통해서 챔버를 지나가고, 챔버 내측의 배플(13, 14, 15)에 의해 생성된 순환로(circuit)를 통해 지나간 후에 도관(12)을 빠져나간다.

산소 또는 산소 농후한 기체는 대략 직선적인 코스를 따라서 관(2) 안에서 순환한다. 냉기는 단부(16)를 통해 지나가고, 그리고 단부(17)에서 고온의 열(hot)이 빠져나가 버너에 전달된다.

교환(exchange)은 순환 비율이 높을수록 효율성도 좋은 것이다. 그렇기는 하지만, 산소의 유량 비율 및 압력은 장치가 안전한 동작을 하게 하는 한계 범위 내에서 유지되어야 한다. 산소의 순환은 산소가 벽과 접촉하여 일어나는 벽의 과도한 부식을 초래하는 것을 방지한다. 또한, 산소는 벽과 부딪치지 않게도 해야한다. 따라서, 직선적인 관의 사용은 부식이 일어나지 않게 한다.

상기 관(2)의 단부 배열은 도2에 상세하게 도시되었다.

상기 관의 단부에서의 난류를 방지하기 위해서, 일반적으로 적절한 용접에 의해 평판(4)에 연결되는 지점에서의 증가된 부식 위험성이 있는 관은, 확장 구간(widened section)에서 종결된다. 이러한 배열은 산소의 흐름과 팽창 및 부차적인 감속을 수월하게 한다. 이러한 확장 구조는 도면에서 개구 각도(α)로 절두원추형의 형태로 도시하였다.

동일한 이유로, 덮개, 무엇보다도 산소 배출구에 배치된 덮개(6)가 상기 관(2)의 단부에서 일정 거리에 위치한다. 이러한 방식에서는 상기 덮개의 벽을 따르는 산소의 흐름비율이 관의 배출구에서의 흐름과 관련하여 대체로 감소한다.

또한, 이러한 덮개(6)의 일반적 형태는 고온 산소의 전진이 덮개의 벽과 저 발생율로 마주치게 선택한다. 예를 들어, 덮개의 벽은 관(2)의 방향에 대해 약 20도 내지 30도의 각도로 있다. 덮개의 외형은 배출구 덕트와의 접속부에 이를 때까지 점진적으로 감소하는 형상이다.

또한, 이러한 구간에서는 예각 또는 용접이 없게 하는 것이 유리하다.

관의 치수와 그 분포는 상술한 유량과 압력 조건이 실행되는 배달 비율에 따르게 한다.

교환기는 매우 오랜 시간에 걸쳐 지속적으로 동작하여야 함으로, 관이 더이상 교환기 요소의 마모를 방지하게 갖춘 예방수단임에도 불구하고 필요한 단단함을 갖지 않게 되었다. 상기 교환기의 조립체는 결함이 있는 관(defective tube)이 양쪽 단부를 차단할 수 있는 것이다. 상기 동작은 덮개 제거가 필요한 것이다. 결함이 있는 관이 서비스 불능으로 된 후에는, 교환기를 나머지 활성 관에 비례하여 약간 변하는 작용 효능으로 다시 한번 사용할 수 있다.

교환기 덮개(9, 10)의 플랜지 레벨의 또는 산소 흡입 또는 배출 덕트와의 상기 덮개의 연결의 단단함(tightness)은 산소에 대한 내성을 가진 재료(19, 20)와 일렬로 금속 환형상 밀봉(18)을 하여 유익하게 구해진다. 문제의 재료는 예를 들어 운모(mica) 또는 압축성 미네널 재료이다. 이러한 타입의 밀봉물은 "Vitaflex" 상표명으로 갈록(Garlock)에서 특정 생산된 것이다.

본 발명에 따르는 실시 조건에 부합하는 합금을 정하기 위해서, 발명자들은 다음과 같은 시험을 하였다.

이 시험용의 샘플은 금속합금 20x20mm의 2mm 두께 평판으로 형성된 것이다.

샘플 면의 상태는 산화에 대한 민감성 면에서 분명히 중요한 것이다. 이러한 이유로, 상기 평판의 각각의 일 면을 입자크기 1200으로 SiC 연마시트로 닦았다. 반대 면은 공업 압연공정으로 생산된 대로의 원래의 상태로 남겼다.

시험받는 합금의 샘플 중량 조성물은 다음의 표로 특정된다.

샘플의 산화 측정은 1000회 순환 이상의 시험을 한 후에 이들의 질량(mass) 증가로 평가된다. 다른 상 온도(different phase temperatures)의 결과는 다음의 표에 나타내었다.

상기 시험으로부터 산화는 상 온도(phase temperatures)가 높을수록 더 중요하다는 사실이 확인된다. 550℃에서, 모든 경우에서의 증가는 0.1mg/㎠ 밑으로 양호하게 유지한다. 800℃에서, 가장 큰 내성의 샘플은 합금 IV와 V의 것이다.

샘플의 금속현미경 관찰은 샘플의 연마처리 면에서 훨씬 낮은 산화 성질을 보여준다.

동시에 상기 측정은 샘플의 양쪽 면의 산화를 포함한다. 한쪽 면 만을 연마처리하여, 구한 산화 측정치는 산소와 접촉하는 면을 연마하였을 때에 실시한 관측 값보다 더 높다.

상기 시험이 정적인 방식으로, 다시 말해서 샘플과 관련한 대기의 순환 없이 수행되어서, 나타난 "스케일(scale)"이 표면에서 이탈된 것은 없다.

표면에서의 조성물 변경의 분석, 특히 Cr 함량의 감소 분석은, 이탈성 입자 형성의 위험을 평가하는 수단이다. 7% 이상 함량의 Cr이 있으면 스케일 형성을 막는 보호층의 형성을 보장한다.

다음의 표에 기재한 측정치는 Cr함량이 그 값 위에서 양호하게 남아있음을 보여준다. 상기 상은 지시된 최대 온도에 있는 상황에서 1000회 이상 순환 시험을 한 후에, 제품의 코어(C)에서 그리고 표면(S)에서 샘플의 중량 백분율의 분석은 다음과 같이 표에 기재된 결과를 나타낸다.

예상되는 대기의 성질을 고려하여, 재료 사용은 엄격한 안전 조건에 따라야 한다. 따라서, 순수 산소와 만나 상승 온도로 되는 재료의 연소 위험은 표준 ASTM G124의 프로토콜에 따라서 평가된다.

이 시험에서는, 압력 하의 산소 대기압에 위치한 재료 시약이 연소 시험을 받았다. 이 시험의 결과는 550℃ 온도와 3bar의 압력에서, 연소가 샘플에서 일어나지 않았음을 보여준다.

압력 또는 온도가 증가하면, 연소 경향도 증가한다. 합금Ⅲ이 이 시험에 가장 민감한 것으로 발견되었다.

일반적으로, 상기 고찰된 온도에서, 압력은 합금이 무엇이 선택되든, 10bar를 넘지 않아야 한다. 이러한 조건에서, 상기 표준에 따르는 시험은 산소 농후한 기체의 공급 설비에 사용이 연소의 임의적인 위험을 일으키지 않음을 보여준다.

고온 산소에 대한 내성 시험의 결과에 기본하여, 특별한 관심점은, 본 발명에 따르는 교환기에서, 벽의 두께가 종래기술에서 취한 것보다 상당히 더 두껍지 않은 두께를 나타낸 것이다. 이러한 결과에 기본한 수명 시뮬레이션은 3mm이하로 할 수 있는 두께를 가진 본 발명에 따르는 교환기 관용의 벽이 되게 하였다. 이러한 두께는 2.5mm 미만으로 할 수도 있다.

교환기 관의 벽 두께를 상당히 낮추어 열교환기에 이점을 주어서, 동일한 교환 구역용으로 이용할 수 있는 전력을 증가하였다.

예를 든 실시예에서, 본 발명에 따르는 교환기는 다음과 같은 방법으로 구성된다. 인코넬 600의 40개 관의 뱅크로 형성된다. 상기 관의 외부직경은 17.2mm이고 그리고 벽 두께는 2.3mm이다. 상기 관은 4000mm의 길이를 갖는다.

따라서, 산소와 접촉하는 교환 구역은 8.4㎡이다.

제1교환기에서 나와서, 열전달 기체(추출된 이물질을 가진 공기)는 650℃의 온도로 교환기에 유입한다. 열전달 기체의 배달율은 750N㎥/h로 설정된다. 산소 배달율은 400N㎥/h이다. 주변 온도로 유입하여, 산소는 550℃까지 가열된다.

덕트 내의 산소의 유량은 67m/s 이고 그리고 교환기에서의 로드 손실은 0.15bar 미만이다. 압력 컨트롤러를 포함한 안전 시스템은 1bar 미만으로 교환기의 압력을 유지한다.

교환기의 통상의 전력은 84kW 이고 그리고 단위 구역 당 전력은 9.7kW/㎡으로 설정된다.

상기 교환기는 2MW 전력의 유리 용해로의 버너에 산소를 공급한다.

전체 용해로에는 10개 유사 치수의 교환기가 산소를 공급한다. 상기 교환기 각각의 전력은 상기 용해로를 작동하는데 필요한 총 전력을 양호하게 배분하도록 조정된다.

Claims (23)

1. 유리 용해로의 하나 이상의 버너에 기체를 공급하는 방법에 있어서,

   상기 유리 용해로로부터 제1 열교환기에 연소기체를 공급하는 단계;

   제1 열교환기에서 산소에 대하여 불활성인 중간 개재(intermediate)의 열 전달 기체를 가열하여 가열된 열 전달 기체를 생성하도록, 상기 연소기체를 사용하는 제1 열교환기를 작동하는 단계;

   배출구를 구비하는 제2 열교환기에 산소 또는 적어도 50%의 산소를 포함하는 기체 혼합물을 포함하는 산소 기체를 공급하는 단계;

   가열된 산소 기체를 형성하도록 상기 가열된 열 전달 기체에 의해 300℃ 보다 낮지 않은 상기 제2 열교환기의 배출구에서의 온도로, 제2 열교환기에서 산소 기체를 가열함으로써 제2 열교환기를 작동한는 단계; 및

   상기 배출구로부터 상기 유리 용해로의 하나 이상의 버너로 가열된 산소 기체를 공급하는 단계를 포함하고,

   상기 제1 및 제2 열교환은 모두는 간접적인 열 교환이고,

   상기 산소 기체를 가열하기 위해 제2 열교환기에서 교환되는 전력은 20 내지 300kW 사이의 범위에 있으며,

   상기 제2 열교환기에서의 산소 기체의 압력은 3bar 이하로 유지되고,

   상기 산소 기체를 포함하는 제2 열교환기의 표면은 6㎛를 넘지 않는 거칠기를 가지도록 연마되고,

   상기 제2열교환기에서 상기 산소 기체와 접촉하는 교환의 단위 면적당 전력은 5 내지 15kW/㎡ 사이의 범위이고,

   상기 산소 기체를 운반하는 관에서의 순환 비율이 제2 교환기의 임의 지점에서 120m/s 보다 빠르지 않는 것을 특징으로 하는 유리 용해로의 하나 이상의 버너에 기체를 공급하는 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,

   각각의 제2 열교환기는 가열된 산소 기체를 상기 용해로의 많아야 3개의 버너에 공급하는 것을 특징으로 하는 유리 용해로의 하나 이상의 버너에 기체를 공급하는 방법.
5. 제1항에 있어서,

   제2 열전달기에서 관(tube)에 있는 상기 산소 기체를 순환시키는 단계; 및

   상기 제2 열교환기의 내부 벽을 열 전달 기체와 접촉시키는 단계를 추가로 포함하고,

   상기 제2 열교환기는 관 형상의 구성을 구비하는 것을 특징으로 하는 유리 용해로의 하나 이상의 버너에 기체를 공급하는 방법.
6. 삭제
7. 제5항에 있어서,

   상기 산소 기체가 순환하는 관은 직선형이고 상기 관의 벽들은 3mm이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 유리 용해로의 하나 이상의 버너에 기체를 공급하는 방법.
8. 제1항에 있어서,

   제2 열교환기에서 상기 산소 기체와 접촉하는 표면의 재료는 상기 산소 기체에 노출된 샘플이 1000회 노출 순환 후에 0.1mg/㎠ 보다 많은 중량 증가를 나타내지 않는 금속 합금으로 제조되고, 각각의 순환은 상기 산소 기체의 온도를 400℃ 이상의 온도로 증가하고, 1시간 동안 이러한 상 온도를 유지하고 그리고 주위 온도로 돌아오는 동작을 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 용해로의 하나 이상의 버너에 기체를 공급하는 방법.
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