KR102214645B1 - 액중 연소 용융기 및 방법 - Google Patents

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Abstract

액중 연소 용융기(10)는 원주형일 수 있는 수직 용융 챔버(11), 및 바닥 기저부(13)에서 적어도 다섯 개의 액중 연소 버너(21-26)를 가지도록 배열되고, 상기 버너는 서로 그리고 벽으로부터 간격이 떨어지고 수직으로부터 기울어져 토로이드형 유동 패턴이 달성되어 강한 혼합을 제공할 수 있다. 청구항은 또한 액중 연소 용융에 의하여 고체 배치로부터 유리화 가능 재료를 용융시키는 방법에 관한 것이다.

Description

액중 연소 용융기 및 방법{SUBMERGED COMBUSTION MELTERS AND METHODS}
본 발명은 특히 유리질(vitreous) 또는 유리화 가능(vitrifiable) 재료 용융을 위한 액중 연소 용융기, 및 액중 연소 용융기를 이용하는 공정에 관한 것이다.
유리질 재료는 용융기에 주입되어 대략 1250 내지 1500℃의 온도에서 점성 액체 상태로 용융되는 원료, 예를 들어 규산염, 현무암, 석회석, 소다회 및 기타 부차적인 성분의 혼합물로부터 일반적으로 제조되며; 용탕은 이후 조형 공정에 공급된다. 예를 들어 판유리, 중공 유리, 강화 목적의 연속 섬유 또는 절연 목적의 섬유의 제조를 위한 용탕의 사용 용도에 따라, 적절한 추가의 용탕 정련 단계가 조형 공정의 상류에서 요구될 수 있다. 용탕의 화학적 조성 및 이의 물성은 사용 용도 및 조형 공정의 함수로서 선택된다.
종래의 유리 용융기는 유리 용탕 표면 위로부터, 예를 들어 유리 용탕 표면과 용융기의 크라운 사이의 공간에 화염을 발생시키는 버너로부터의 에너지 공급을 포함하고, 이로 인하여 화염 자체에 의하여 그리고 크라운 재료로부터의 복사에 의하여 열이 유리 용탕으로 전달된다. 용융될 배치 원료는 용융기 내의 유리 용탕의 최상단에 로딩되고 열이 용탕으로부터 용탕에 혼입되는 배치 재료로 전달된다.
일부 유리 용융기에서, 에너지는 용탕의 표면 아래에 배열된 전기적으로 가열된 전극에 의하여 공급되고; 그러한 전극은 단지 열원을 제공할 수 있거나 버너와 조합으로 사용될 수 있다.
또 다른 유형의 유리 용융기는 버너 화염 및 연소 생성물이 용탕을 통과하도록 용탕의 표면 아래에 배열된 하나 이상의 버너 노즐을 가진다. 이 배열은 액중 연소로 지칭된다.
스톤 울 절연체 제조에 사용되는 유리 용융기는 전통적으로 용선로였다.
본 발명의 양태 중 하나에 따르면, 본 발명은 청구항 1에 정의된 바와 같은 액중 연소 용융기를 제공한다. 다른 독립청구항은 발명의 다른 양태를 정의한다. 종속청구항은 바람직한 및/또는 대안의 구체예를 정의한다.
액중 연소 용융 및/또는 용융기에 또한 연관된 하기 특허 출원에 기재된 하나 이상의 양태는, 본 특허 출원의 발명에 대하여 이용될 수 있고 하기 특허 출원 각각은 이에 의하여 참조로 편입된다:
Figure 112016018529534-pct00001
본원에서 사용 시 용어 "수직 중심 용융 챔버 축"은 수직인 또는 실질적으로 수직인 용융 챔버의 대칭축을 의미한다. 용융 챔버는 원형 수평 횡단면을 가질 수 있고; 원주형일 수 있다. 그 대신에, 용융 챔버는 특히 정다각형 형태의 다각형 수평 횡단면을 가질 수 있고; 다각형은 여섯, 일곱, 여덟, 아홉, 열 이상의 변을 가질 수 있다. 이들 형상 각각은 정의된 중심 대칭축을 가진다. 용융 챔버의 수평 횡단면은 타원형 또는 난형일 수 있고; 이러한 경우 및 유사한 경우에 수직 중심 용융 챔버 축은 연관된 수평 횡단면 형상이 내접하는 원의 중심을 통과하는 축이다.
액중 연소 버너의 노즐 유출구는 용융 챔버 내의 동일한 수직 높이에, 즉 동일한 수평면에 배열될 수 있다. 그 대신에, 이들은 상이한 수직 높이로 배열될 수도 있다. 따라서 버너 위치 평면은 "노즐 유출구 각각에 대한 가중평균 거리"로 배열되어 있는 것으로 정의된다. 이는 평균 거리가 버너의 수에 대하여 가중됨을 의미한다.
용어 "용융기 안의 가중 버너 축-테두리 거리"는 정의된 중심 버너 축과 용융 챔버의 내부 테두리 사이의 가중 거리를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 버너 축과 용융 챔버의 둘레벽(들)이 평행할 경우, 이는 단순히 버너 축과 둘레벽 사이의 거리이다. 다른 경우에, "용융기 안의 가중 버너 축-테두리 거리"는 버너 축과 이의 가장 가까운 둘레벽 부분 사이의 용융 챔버의 높이에 대한 산술 평균 거리이다.
용융기는 원료를 소결 및/또는 용융시키도록 개조 및/또는 구성될 수 있다. 이는 "유리 용융기", 다시 말해서 유리, 유리질 재료, 석재 및 암석으로부터 선택된 재료를 포함하는 유리-유사 재료를 용융시키기 위하여 개조 및/또는 구성된 용융기일 수 있다. 유리 용융기는 판유리, 중공 유리, 유리 섬유, 강화 목적을 위한 연속 섬유, 절연 목적을 위한 광물 섬유, 미네랄 울, 스톤 울 또는 글래스 울을 제조하기 위하여 이용될 수 있다. 용융기는 프리트, 시멘트 클링커, 특히 알루미나 시멘트 클링커, 또는 연마재, 특히 용융에 의하여 제조된 연마재를 제조하기 위하여 원료를 변환시키기 위하여 이용될 수 있다. 용융기는, 특히 유리화, 예를 들어: 의료 폐기물의 유리화; 회분, 특히 소각로에서 나온 회분의 유리화; 분말, 예를 들어 주철 또는 기타 금속 주물로부터 나온 분진의 유리화; 갈바닉전기 슬러지, 제혁소 슬러지 또는 광업 폐기물의 유리화; 특히 유리화에 의한 폐기물, 예를 들어, 오염된 토양, 중금속 또는 타르에 의하여 오염된 토양, 점토 필터, 슬러지, 활성 탄소, 방사성 폐기물, 납 또는 아연 함유 슬래그, 내화물, 특히 크롬 함유 내화물의 처리에 의하여 원료를 변환시키기 위하여 이용될 수 있다. 특히 유리 용융기의 경우에, 원료는 규산염, 현무암, 석회석, 소다회, 제올라이트 촉매, 기사용 촉매, 기사용 포트 라이터, 내화재, 알루미늄 드로스(dross), 알루미늄 용융 스컴(scum), 모래 기초 소화기 폐기물, 슬러지, 갈바닉전기 슬러지, 클링커, 폐기물, 회분 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.
조업 동안 용융기 내의 용탕은 온도, 특히 용탕이 용융기로부터 제거되는 온도에 도달할 수 있고, 이는 최소 1100℃, 최소 1200℃ 또는 최소 1250℃이며 1650℃ 이하, 1600℃ 이하, 1500℃ 이하 또는 1450℃일 수 있다.
유리 용탕의 경우에, 생성된 용탕의 조성은 다음 중 하나 이상을 포함할 수 있다:
Figure 112016018529534-pct00002
B2O3로 표현되는, 생성된 유리의 붕소 함량은 ≥ 1w%, ≥ 2 w%, ≥ 3w%, ≥ 5w% 및/또는 ≤ 20%, ≤ 18%, ≤ 15% 또는 ≤ 10 w%일 수 있다.
상기 용융기는 적은 에너지 소비량 및 적은 자본 비용으로써 용융 재료, 특히 유리화 가능 재료를 위한 효율적인 구성을 제공하고, 용탕의 온도 분포 및 조성 측면의 균질성을 비롯한 바람직한 용탕 특징을 제공하여, 개선된 최종 제품 품질을 야기한다. 이들은 (예를 들어 규산염, 현무암, 석회석, 소다회 및 기타 부차적인 성분일 수 있는 유리 형성을 위한) 원료 및 폐기물 또는 회분을 비롯한 광범한 재료, 특히 유리화 가능 재료의 용융을 또한 허용하고, 공정 파라미터 제어에 있어서 높은 유연성을 제공한다.
바람직한 구성에서 그러한 용융기는 특히 용탕의 최상단에 첨가될 경우, 용융기를 통한 원료의 임의의 우회가 크게 회피되거나 적어도 더욱 감소되면서 용탕 내의 새로운 원료의 흡수 및 새로운 원료로의 열의 관류 효율을 개선한다. 이는 온도 프로파일 및 조성 측면의 용탕 균질성을 또한 개선하면서, 특히 유리화 가능 재료의 효율적인 용융, 및 이에 따른 주어진 산출물 유동에 대한 더 작은 용융기의 조합을 제공한다.
용융기 내의 용탕 풀의 높이는, 특히 용융 챔버가 실질적으로 원주형이며, 바람직하게는 1.5m 내지 3m, 더욱 바람직하게는 1.75 내지 2.5m의 용융 챔버 내경을 가질 경우, 다음과 같을 수 있다:
≥ 약 0.75m, ≥ 약 0.8m, ≥ 약 0.85m 또는 ≥ 약 0.9m; 및/또는
≤ 약 2.2m, ≤ 약 2m, ≤ 약 1.8m, 또는 ≤ 약 1.6m.
바람직하게는, 용융 챔버는 실질적으로 원주형이고 1.5m 내지 3.5 m의 직경을 가지는 테두리를 가진다.
바람직하게는, 대부분의 용탕 혼합은 실질적으로 원주형일 수 있고 하기와 같은 직경을 가질 수 있는 중심 용융 구역에서 일어난다: 최소 25cm, 최소 30cm, 최소 40cm, 최소 50 cm, 최소 60 cm 또는 최소 70 cm 및 또는 200 cm 이하, 180 cm 이하 또는 160 cm 이하.
용융기, 또는 적어도 용융 챔버는, 액체 냉각될 수 있다. 예를 들어, 이는 함께 냉각 유체, 특히 물이 통과하는 통로를 한정하는, 용융 챔버의 테두리를 형성하는 내벽 및 간격이 띄어진 외벽을 포함하는 이중 벽식 구조물을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 용융 챔버 및/또는 용융 챔버의 테두리는 내화재를 포함하지 않는다.
바람직한 구체예에서, 용융기의 구성은 토로이드형 용탕 유동 패턴의 발생을 가능하게 하며, 상기 패턴에서 용탕이 해당 중심 버너 축의 근접부에서 상승하고 용탕 표면에서 수직 용융기 축을 향하여 내향으로 그리고 상기 수직 용융기 축의 근접부에서 하향으로 수렴하며, 그 안에서 본질적으로 원주형인 형상이 기저(basis)로서 중심 용융 구역을 가진다.
액중 연소 용융기에는 용융기 치수, 버너 치수, 조업 압력 및 기타 설계 파라미터에 따라 5 내지 10 액중 연소 버너, 더욱 바람직하게는 6 내지 8 버너가 구비될 수 있다. 특히 유리 섬유, 글래스 울 또는 스톤 울 제조를 위한 용탕 제공의 경우에, 용융 챔버는 원주형일 수 있고 1.5 내지 3 m, 바람직하게는 1.75 내지 2.5 미터의 내경을 가질 수 있다.
인접 버너 사이의 간격은 버너 디자인, 조업 압력 및 기타 파라미터의 함수로서 선택되어야 한다. 버너 사이의 지나치게 짧은 거리는 개별적인 버너의 화염의 합체를 유발할 수 있으며, 이는 방지되어야 하는 현상이다. 바람직하게는, 인접 버너 간격은 버너 축-테두리 거리의 약 1.5 내지 2.5 배, 더욱 바람직하게는 1.75 내지 2.25 배, 가장 바람직하게는 약 두 배이다.
유리하게는, 인접 버너는 약 250 - 1200mm, 바람직하게는 약 500 - 900 mm, 더욱 바람직하게는 약 600 - 800, 더욱더 바람직하게는 약 650 - 750 mm의 버너 사이의 간격으로 배열된다. 각각의 인접 버너 간격과 인접 버너 간격 간의 평균(mean average) 차이는 인접 버너 간격의 평균의 20% 이하이다. 액중 연소 버너 각각에 대한 각각의 버너 위치와 중심 용융기 축 사이의 거리는 50 cm 내지 150 cm이다.
바람직한 한 구체예에 따르면, 버너는 위에 기재한 해당 유동을 유리하게 하고 화염이 용융기 측벽에 이끌리는 것을 방지하는 적합한 버너 축-테두리 거리로 배열된다. 유리하게는, 버너 축-테두리 거리는 5 cm 내지 80 cm, 바람직하게는 약 250 - 750 mm이다. 버너와 측벽 사이의 지나치게 짧은 거리는 측벽을 손상시키고 및/또는 불필요하게 변형시킬 수 있고 및/또는 용탕으로의 열전달에 비효율적일 수 있다. 버너와 용융 챔버의 테두리 사이의 특정 용탕 유동은 해롭지 않을 수 있고 일부 경우에는 바람직하다. 그럼에도 불구하고, 버너와 용융 챔버의 테두리 사이의 지나치게 긴 거리는 바람직하지 않은 용탕 유동을 발생시키는 경향이 있고 용융기의 중심에서 용탕과의 혼합이 덜 일어나는 데드존(dead zone)을 생성할 수 있으며; 이는 용탕의 균질성 감소를 유발할 수 있다. 바람직하게는, 각각의 버너와 용융 챔버의 테두리 사이의 거리는 용탕의 층, 예를 들어 약 2 mm 내지 20 mm의 두께를 가지는 층이 테두리에서 실질적으로 정지 경계층으로서 축적되도록 배열된다. 그러한 경계층은 특히 용융기 챔버 테두리가 액체 냉각될 경우, 용융 챔버의 테두리에서 보호층을 제공하고 내화 라이닝 없이 조업을 용이하게 한다.
특히 유리 용융기의 경우에, 각각의 버너에는 바람직하게는 특히 탄화수소(들), 예를 들어 천연 가스, 및 산소 함유 가스, 특히 산소, 공업 등급(technical grade) 산소 (예를 들어 최소 95중량%의 산소 함량을 가지는 가스) 또는 산소 부화 공기를 포함하는 가연성 가스가 공급된다. 바람직하게는, 가연성 가스 및 산소 함유 가스가 버너에 별도로 공급되고 버너 및/또는 버너의 노즐(들)에서 조합된다. 그 대신에, 기타 연료 유형, 예를 들어 액체 연료 또는 고체 미분 연료가, 특히 폐기물 유리화를 위하여 이용될 수도 있다.
바람직한 구체예에서, 용탕 중의 토로이드형 용탕 유동 패턴이 용융 챔버에서 발생한다. 용어 "토로이드형 유동 패턴"은, 움직이는 유체 물질의 속도 벡터가 순환 패턴을 형성하고, 상기 순환 패턴에서 속도 벡터가 본질적으로 수평인 토로이드의 단면을 채우며, 상기 토로이드는 중심 회전축으로서 실질적으로 수직인 중심 용융 챔버 축 및 외경으로서 대략적으로 중심 버너 축에 의하여 한정되는 둘레를 가지고 재료가 용탕 표면에서 외부로부터 중심 용융기 축을 향하여 유동함을 의미한다. 그러한 토로이드형 유동은 기저로서 중심 용융 구역을 가지는 실질적으로 원주형인 공간 내의 중심 용융기 축의 근접부에서 유리 용융기 안으로 새로운 원료를 중심으로 깊숙히 동반시키고, 원료를 신속하고 용이하게 용융시켜 용탕의 균질성을 더욱 향상시키기 위하여 새로운 원료로의 열 관류 효율을 개선한다. 바람직하게는, 용융기 안의 용탕은 그러한 단일 토로이드형 유동 패턴을 포함한다.
용융기의 적어도 일부에서, 특히 중심 용융 구역에서 용융기 내의 용탕 및/또는 원료는 ≥0.1 m/s, ≥0.2 m/s, ≥0.3 m/s 또는 ≥0.5 m/s인 속도 및/또는 ≤2.5 m/s, ≤2 m/s, ≤1.8 m/s 또는 ≤1.5 m/s인 속도에 도달할 수 있다.
용융될 원료는 유리하게는 용탕 표면에 또는 표면 위에 주입될 수 있다. 용융기의 유동 패턴은 용탕으로의 원료의 효율적인 흡수 및 이에 따른 용탕에 주입된 새로운 원료로의 효율적인 열전달을 허용한다.
각각의 버너 또는 버너의 그룹, 예를 들어 서로 마주하는 버너들 각각은 개별적으로 제어될 수 있다. 그 결과, 하나 이상의 원료 배출부에 가까운 버너는 상이한, 바람직하게는 인접 버너보다 더 높은 가스 속도 및/또는 압력으로 제어되어, 용융기에 로딩되고 있는 새로운 원료로의 열전달 개선을 가능하게 할 수 있다. 단지 일시적으로, 즉, 새로운 원료의 회분식 로딩의 경우에, 본 발명의 용융기에 수용된 용탕으로의 해당 로드의 흡수에 필요한 시간 동안 더 높은 가스 속도가 요구될 수 있다. 용탕의 유출구를 제어하기 위하여 용탕 유출구에 가깝게 위치된 버너를 더 낮은 가스 속도/압력으로 제어하는 것이 또한 바람직할 수 있다.
각각의 중심 버너 축은 특히 용융기의 중심을 향하여, 수직으로부터, 예를 들어 ≥1°, ≥2°, ≥3° 또는 ≥5°인 각도 및/또는 ≤30°, 바람직하게는 ≤15°, 더욱 바람직하게는 ≤10°인 각도만큼 약간 기울어질 수 있다. 그러한 배열은 유동을 개선하고, 용탕 유동을 유출구 개구로부터 용융기의 중심을 향하여 유도시키고 및/또는 토로이드형 유동 패턴을 유리하게 할 수 있다. 바람직하게는, 하나 이상의 버너에 대하여 버너 위치 평면과 용융기의 최상단 사이에 최소 1%의 버너 축-테두리 거리 증가가 존재한다.
유리하게는, 하나 이상의 버너에 대하여 중심 버너 축은 버너 위치 평면에 수직이고, 수직 중심 용융 챔버 축을 통과하고, 버너 위치를 통과하는 평면에 대하여 최소 1°의 선회 각도를 형성한다. 선회 각도는 ≥1°, ≥2°, ≥3°, ≥5° 및/또는 ≤ 30°, ≤ 20°, ≤ 15° 또는 ≤ 10°일 수 있다. 바람직하게는, 각각의 버너의 선회 각도는 대략 동일하다. 이러한 버너 배열은 연소 가스에 접선 속도 성분을 부여하여, 용탕 유동에 선회 움직임을 부여하고 원료의 혼합 및 용탕의 균질성을 더욱 개선하기 위하여 이용될 수 있다.
용융기는 바람직하게는 실질적으로 원주형 테두리를 가지지만, 다른 형상, 예를 들어 타원형 단면 또는 4 초과의 변, 바람직하게는 5 초과의 변을 나타내는 다각형 단면을 나타낼 수 있으며, 핵심은 바람직한 구체예에서 배열이 상기한 바와 같은 토로이드형 용탕 유동을 발생시킨다는 것이다. 버너와 측벽 사이의 거리가 더욱 균일할수록, 토로이드형 용탕 유동이 더욱 균일할 것임이 이해될 것이다.
새로운 원료는 공급기에 의하여 로딩될 수 있다. 유리하게는, 원료는 개구를 통하여 용탕 표면 위에 위치한 용융 챔버로 로딩된다. 원료는 회분식으로 로딩될 수 있다. 원료의 배치는 20 내지 50 kg로 포함될 수 있다. 대략 70000 kg/일의 생산 속도를 나타내는 용융기의 경우에, 배치 로딩 빈도는 20 내지 50 kg/min에서 가변적일 수 있다. 그러나, 원료를 실질적으로 연속으로 또는 연속에 가까운 방식으로 공급하는 것이 바람직하다. 온도 및 유량 제어를 비롯한 공정 제어 및 용탕의 균질성의 이유로 인하여, 낮은 빈도의 큰 배치보다는 높은 빈도의 작은 배치를 공급하는 것이 바람직하다. 상기 개구는 바람직하게는,예를 들어 피스톤 또는 액츄에이터에 의하여 폐쇄 가능하고; 이는 공급기를 통한 열 손실 및/또는 연무의 누출을 최소화하기 위하여 이용될 수 있다. 원료는 획득될 해당 용탕에 적절한 대로 제조되고, 중간의 슈트(chute)에 로딩될 수 있다. 용융 챔버로의 개구가 개방될 경우, 원료는 특히 연무가 누출되는 방향과 반대로 용융기에 주입될 수 있고 따라서 원료가 용탕 표면으로 낙하함에 따라 부분적으로 예열된다. 바람직하게는, 공급 개구가 용탕 표면 위의 용융기 테두리에 제공된 함몰부에 배열되어, 원료가 용융기 테두리로부터의 거리에서 로딩 구역 내에 용탕 표면 위로 낙하한다.
용탕은 용융기로부터, 예를 들어 용융기의 바닥에서의 또는 바닥을 향하는 위치로부터 연속으로 또는 회분식으로 인출될 수 있다. 원료가 용융기 벽에 가깝게 로딩되는 경우, 용탕 유출구는 바람직하게는 용융기 테두리에서 원료 유입구의 맞은편에 배열된다. 용탕의 불연속 배출의 경우에, 배출부 홀은 바람직하게는, 예를 들어 세라믹 피스톤을 이용하여 제어된다.
버너 중 하나 이상은 동심 튜브 버너(concentric tube burner)로도 알려진 튜브 인 튜브 버너(tube in tube burner)일 수 있다. 액중 연소 버너 중 하나 이상의 중심 버너 축은 유리하게는 튜브-인-튜브 버너의 동심 튜브의 중심축을 포함한다. 액중 연소 버너는 용탕의 압력을 극복하고 화염 및 연소 생성물의 강제된 상향 이동을 야기하기에 충분한 연소 생성물의 고압 제트를 용탕으로 분사한다. 특히 버너 노즐(들)의 출구에서 연소 및/또는 가연성 가스의 속도는 ≥ 60 m/s, ≥ 100 m/s 또는 ≥ 120 m/s 및/또는 ≤350 m/s, ≤330 m/s, ≤300 또는 ≤200 m/s일 수 있다. 바람직하게는 연소 가스의 속도는 약 60 내지 300 m/s, 바람직하게는 100 내지 200 m/s, 더욱 바람직하게는 110 내지 160 m/s 범위이다.
바람직한 한 구체예에 따르면, 용융 챔버의 둘레벽은 냉각 액체, 바람직하게는 물 순환에 의하여 분리되는 이중 강철 벽으로 이루어진다. 특히 원주형 용융 챔버의 경우에, 그러한 조립체는 용융 챔버의 건설 및 큰 기계적 힘 및 응력에 대한 저항을 용이하게 한다. 용융기의 원주형 형상은 외벽에 대한 응력 균형의 최적화를 가능하게 한다. 바람직하게는, 벽이 냉각됨에 따라, 바람직하게는 수냉됨에 따라, 용탕이 고화하고 용융기 벽 내부에 보호층을 형성한다. 바람직한 구체예에서 용융 챔버는 내부 내화 라이닝을 필요로 하지 않고, 그러므로 연관 비용 및 유지보수의 필요성을 방지한다. 또한, 그러한 경우에 용탕은 내부 내화 라이닝으로부터 부식된 내화재의 바람직하지 않은 성분으로 오염되지 않는다. 용융기 벽의 내면에는 유리하게는 용융기의 내부를 향하여 돌출된 탭(tab) 또는 패스틸(pastille) 또는 기타 소형 요소가 구비될 수 있다. 이들은 내열성을 발생시키고 용융기의 이중 벽 안의 냉각 액체로의 열전달을 감소시키는 라이닝 역할을 하는 내부 용융기 벽 상의 고화된 용탕 층을 구성하고 고정시키는 것을 도울 수 있다.
본 발명의 액중 연소 용융기에는 열회수 설비가 구비될 수 있다. 예를 들어, 용융 챔버로부터 배기된 고온 연무가 원료를 예열하기 위하여 이용될 수 있고 및/또는 이들의 열에너지의 일부가 열교환기를 이용하여 회수될 수 있고 및/또는 이들의 열에너지가 생산 라인, 예를 들어 절연 섬유 제품을 위한 생산 라인의 상류 또는 하류 설비에서 다른 목적을 위하여 이용될 수 있다. 유사하게, 용융 챔버의 빈 벽 사이를 순환하는 임의의 냉각 액체로부터의 열에너지가 가열 또는 다른 목적을 위하여 회수될 수 있다.
개시된 방법 및 용융기는 감소된 에너지 소비량 및 감소된 유지보수 비용으로써 효율적인 방식으로 모든 종류의 유리화 가능 재료를 용융시키기에 특히 적합하다. 따라서 본 발명에 따른 용융기는 광물 섬유 제품을 위한 생산 라인, 예를 들어 유리 섬유, 글래스 울 및 스톤 울 제조에서의 이용에 특히 매력적이다. 특히 미네랄 울 섬유 제조의 경우에, 산출물은 바람직하게는 정련 단계 없이 섬유화로 직접 취해진다. 본 발명에 따른 용융기를 포함하는 광물 섬유 제품을 위한 생산 라인은 용융기로부터의 용탕을 섬유로 변환하기 위하여 배열된 섬유화기를 포함한다.
본 발명의 한 구체예는, 단지 예로서, 하기의 첨부된 도면과 연관하여 아래에 더욱 상세히 기재된다:
- 도 1은 용융기의 횡단면도이고;
- 도 2는 도 1의 용융기의 종단면을 나타내고;
- 도 3은 버너 레이아웃의 개략적 표현이고; 및
- 도 4는 바람직한 토로이드형 유동 패턴의 개략적 표현이다.
도 1, 2 및 3에 도해된 유리 용융기(10)는 용융 챔버(11), 다시 말해서 예를 들어 스톤 울 또는 글래스 울 섬유 제조를 위한 조성물의 가열된 용탕(17)을 보유하고 용융시키도록 개조된 용융기(10)의 일부, 및 상부 챔버(90)를 포함한다.
도해된 용융 챔버(11)는 원주형이고, 수직 중심 용융 챔버 축(7), 약 2 m의 직경을 가지는 챔버의 내부 둘레에 의하여 한정되는 테두리(12), 원주의 하단을 형성하는 기저부(13) 및 상부 챔버(90)와 소통하는 실린더 상단의 개방단을 가진다.
상부 챔버(90)에는 다음이 구비된다:
- 용융 챔버(11)에서 나온 가스의 배기를 위한 연돌(91);
- 용탕(14)의 표면으로부터 던져질 수 있는 임의의 용탕 투척물에 대한 접근을 차단하는 배플(92, 93); 및
- 용탕의 표면(18) 위에 위치하고 용융기의 둘레 측벽(12)에 가까운 배치 주입 위치(101)에서 새로운 원료를 용융기(10)에 로딩하도록 상부 챔버(90)의 높이에 배열된 원료 공급기(15).
공급기(15)는 스크류 또는 기타 수평 공급기를 포함하고, 이는 원료 혼합물을 피스톤에 의하여 개방 및 폐쇄될 수 있는 호퍼에 전달한다.
용융기는 원하는 용융기 및 냉각 유체의 온도를 유지하고, 용탕의 일부가 내부 둘레벽 상에 고화되거나 부분적으로 고화되어 경계층을 형성할 수 있도록 내부 둘레벽(12)으로부터 에너지를 끌어내기에 충분한 유량으로 내부에서 순환하는 냉각 액체, 바람직하게는 물을 가지는 이중 강철 둘레벽(19)을 가진다.
원하는 경우 용융기는 진동을 흡수하기 위한 댐퍼 상에 탑재될 수 있다.
여섯 개의 액중 버너(21, 22, 23, 24, 25, 26)가 중심 수직 용융 챔버 축(7)과 동심이고 대략 1.4 m의 직경을 가지는 실질적으로 원형인 버너 라인(27) 둘레에 동일한 간격으로 배열된다. 각각의 액중 연소 버너는 중심 버너 축(31, 32, 33, 34, 35, 36) 및 화염 및/또는 연소 유체가 용탕(17)으로 분출되는 하나 이상의 유출 노즐(41, 42, 43, 44, 45, 46)을 각각 가진다. 각각의 버너는 둘의 가장 가까운 버너 위치 각각에 대하여 실질적으로 동일한 인접 버너 간격(512, 523, 534, 545, 556, 561)으로 위치된다. 도해된 구체예에서 버너 노즐(41, 42, 43, 44, 45, 46)은 각각 버너 위치 평면(14)과 동일한 수직 높이에서 용융 챔버의 기저부(13) 약간 위에 분출하도록 배열된다.
각각의 중심 버너 축(31, 32, 33, 34, 35, 36)은 중심 버너 축과 용융 챔버의 둘레벽(12) 사이의 거리와 실질적으로 같은 반경(r1, r2, r3, r4, r5, r6)을 가지며 중심 버너 축 주위로 확장되는 각각의 버너 축 원(71, 72, 73, 74, 75, 76)을 가진다. 이들 버너 축 원은 최소 250 mm의 직경을 가지는 위치 평면(14)에서 중심 구역(70)을 한정한다. 각각의 버너-축 원(71, 72, 73, 74, 75)의 반경과 버너-축 원(71, 72, 73, 74, 75)의 평균 반경 간의 차이는 버너-축 원의 평균 반경의 20% 이하이다.
용탕(17)은 용융기 챔버 테두리 측벽(12)에 위치하고, 용융기 바닥(13)에 가까우며, 실질적으로 원료 공급기(15)의 맞은편인 제어 가능 유출구 개구(16)를 통하여 용융 챔버로부터 인출될 수 있다.
액중 버너(21, 22, 23, 24, 25, 26)는 100 내지 200 m/s, 바람직하게는 110 내지 160 m/s의 용탕 중 기체 유동 또는 속도로 가동되는, 때때로 동심 파이프 버너로도 지칭되는 튜브 인 튜브 버너이다. 버너는 용탕 내 연료 가스 및 공기 및/또는 산소의 연소를 일으킨다. 연소 및 연소 가스는 용탕으로부터 상부 챔버(90)로 누출되고 연돌(91)을 통하여 배기되기 전에 용탕 내의 고 혼합 및 고 열전달 속도를 발생시킨다. 이들 고온 가스는 원료 및/또는 버너에서 사용되는 연료 가스 및/또는 산화제(공기 및/또는 산소)를 예열하기 위하여 이용될 수 있다. 배기 연무는 환경에 방출되기에 앞서 바람직하게는, 예를 들어 주위 공기과의 희석에 의하여 냉각되고, 및/또는 여과된다.
상기 배열이 도 4에 도해된 바와 같은 토로이드형 용탕 유동을 발생시키는 것이 바람직하며, 상기 토로이드형 용탕 유동에서 용탕이 각각의 액중 버너의 중심 버너 축 가까이에서 상승 방향을 따르고, 용탕 표면(18)에서 수직 중심 용융 챔버 축(7)을 향하여 내향으로 흐른 다음, 중심 용융 구역(70)으로부터 수직 중심 용융 챔버 축(7)을 따라 돌출된 용융 챔버의 실질적으로 원주형인 부분에서 하향으로 흐른다. 그러한 토로이드형 유동은 용탕 중의 고 혼합을 일으키고, 우수한 용탕의 교반 및 새로운 원료의 흡수를 보장하며, 용융기 내의 재료의 적절한 체류시간을 허용하여, 이에 의하여 원료가 불충분하게 용융된 또는 혼합된 경우 조기의 유출이 방지된다.
버너는 이의 근접부에서 용탕의 상승 움직임 및 용탕 내의 순환을 일으킨다. 한 바람직한 구체예에서, 각각의 버너 축은 위에 교시된 바와 같은 토로이드형 유동의 발생을 유리하게 하기 위하여, 수직으로 배향되거나, 유리하게는 용융기의 중심을 향하여 수직으로부터 15° 이하의 각도로 기울어진다.
용탕의 균질성을 더욱 개선하기 위하여, 하나 이상의 버너는 연소 가스에 접선 속도 성분을 부여하여, 용탕 유동에 더하여 위에 기재된 토로이드형 유동 패턴에 선회 움직임을 부여할 수 있다. 그러한 목적을 위하여, 하나 이상의 버너의 중심 버너 축은 버너 위치 평면(1)에 대하여 수직이고 수직 중심 용융 챔버 축(7) 및 버너 위치를 통과하는 평면에 대하여 최소 1 °의 선회 각도를 형성할 수 있다.
용융기에는 특히 임시 사용을 위하여, 예를 들어 시작 시 용융기 예열을 위하여, 위에 기재된 액중 버너 중 하나의 기능불량의 경우에, 또는 추가적인 열이 임시로 요구되는 기타 경우에 보조 버너(나타나지 않음)가 구비될 수 있다. 보조 버너는 유리하게는, 용융기 둘레벽(12)에 제공된 개구에 인도될 수 있도록 레일 상에 탑재되고, 개구는 보조 버너가 사용되지 않을 경우 폐쇄된다.
내부 용융기 벽(12)은 유리하게는 용융기 챔버(11) 내부에 돌출된 다수의 탭 또는 패스틸(나타나지 않음)을 포함한다. 이들 돌출부는 절연층을 이루는 냉각된 벽(12) 상의 고화된 용탕층의 형성 및 고정을 유리하게 하는 것으로 생각된다. 유리 용탕의 경우에 예를 들어, 유리가 냉각된 벽 상에 고화되고 절연 경계층을 형성한다. 유리는 이렇게 유리 중에 용융되고, 용탕은 임의의 내화 재료의 부식 잔류물로 오염되지 않는다.
본 발명에 따른 용융기는 이의 효율이 낮은 에너지 소비량을 제공하고 이의 유연성이 원료 조성의 변화를 용이하게 하므로, 특히 유리 섬유, 글래스 울 또는 스톤 울 생산 라인에서 특히 유리하다. 용융기의 유지보수 및 낮은 자본 비용 각각이 또한 그러한 생산 라인 구축에서 주요 관심사이다. 상기 장점이 또한 본 발명의 용융기를 폐기물 및 회분 유리화 공정에서 선택되는 용융기로 만든다.

Claims (15)

  1. 테두리(12), 기저부(13), 수직 중심 용융 챔버 축(7) 및 버너 위치 평면(14)을 가지는 용융 챔버(11)를 포함하는 액중 연소 용융기(10)에 있어서,
    상기 용융기에는 다음이 구비되고:
    원료 공급기(15);
    용탕 유출구 (16); 및
    적어도 다섯 개의 액중 연소 버너(21, 22, 23, 24, 25), 적어도 다섯 개의 액중 연소 버너(21, 22, 23, 24, 25) 각각은 각각의 중심 버너 축(31, 32, 33, 34, 35) 및 하나 이상의 노즐 유출구(41, 42, 43, 44, 45)를 가짐;
    상기 버너 위치 평면은 중심 용융기 축(7)에 대하여 수직이고 노즐 유출구(41, 42, 43, 44, 45) 각각에 대하여 가중 평균 거리로 배열됨;
    다음을 특징으로 하는 액중 연소 용융기:
    적어도 다섯 개의 액중 연소 버너(21, 22, 23, 24, 25) 각각은 이의 중심 버너 축(31, 32, 33, 34, 35)의 사영(projection)과 위치 평면(14) 간의 교선에 의하여 한정되는 각각의 버너 위치(51, 52, 53, 54, 55)로부터 돌출하도록 배열됨;
    각각의 버너 위치(51, 52, 53, 54, 55)는 둘의 가장 가까운 인접 버너 위치(51, 52, 53, 54, 55) 각각에 대하여 각각의 인접 버너 간격(512, 523, 534, 545, 555, 561)으로 배열되고 각각의 인접 버너 간격과 인접 버너 간격 간의 평균(mean average) 차이는 인접 버너 간격의 평균의 20% 이하임;
    각각의 중심 버너 축(31, 32, 33, 34, 35)은, 상기 중심 버너 축(31, 32, 33, 34, 35) 주위로 돌출하고 용융기 내의 가중 버너 축 - 테두리 거리와 동일한 반경(r1, r2, r3, r4, r5)을 가지는 각각의 버너 축 원(71, 72, 73, 74, 75)을 가짐;
    각각의 버너-축 원(71, 72, 73, 74, 75)의 반경과 버너-축 원(71, 72, 73, 74, 75)의 평균 반경 간의 차이는 버너-축 원의 평균 반경의 20% 이하임; 및
    용융기는 위치 평면(14)에서 버너 축 원(71, 72, 73, 74, 75) 사이에 한정된 위치 평면(14)의 중심 구역 (70)을 가지고, 중심 용융 구역(70)은 최소 250 mm의 직경을 가짐.
  2. 제1항에 있어서, 용융기에는 5 내지 10 액중 연소 버너가 구비되는 용융기.
  3. 제1항에 있어서, 각각의 중심 버너 축은 수직으로부터 15° 미만의 각도로 배열되는 용융기.
  4. 제1항에 있어서, 하나 이상의 버너에 대하여 상기 중심 버너 축은 버너 위치 평면에 수직이고; 수직 중심 용융 챔버 축을 통과하고; 버너 위치를 통과하는 평면에 대하여 최소 1 °의 각도를 형성하는 용융기.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 액중 연소 버너 중 하나 이상의 중심 버너 축은 튜브 인 튜브(tube in tube) 버너의 동심 튜브의 중심축을 포함하는 용융기.
  7. 제1항에 있어서, 용융 챔버는 원주형인 용융기.
  8. 제1항에 있어서, 용융 챔버는 원주형이고 1.5m 내지 3.5 m의 직경을 가지는 테두리를 가지는 용융기.
  9. 제1항에 있어서, 적어도 다섯 개의 액중 연소 버너 각각에 대한 가중 버너 축 - 테두리 거리는 5 cm 내지 80 cm인 용융기.
  10. 제1항에 있어서, 적어도 다섯 개의 액중 연소 버너 각각에 대하여 인접 버너 간격은 25 cm 내지 120 cm인 용융기.
  11. 제1항에 있어서, 적어도 다섯 개의 액중 연소 버너 각각에 대한 각각의 버너 위치와 중심 용융기 축 사이의 거리는 50 cm 내지 150 cm인 용융기.
  12. 다음을 포함하는, 유리 섬유, 글래스 울 및 스톤 울로 이루어진 군으로부터 선택되는 유리 제품을 위한 생산 라인:
    제1항에 따른 용융기; 및
    용융기로부터의 용탕을 섬유로 변환하기 위하여 배열된 섬유화기.
  13. 다음 단계를 포함하는, 용융된 유리화 가능 재료 제공 방법:
    - 고체 배치 재료를 용융기에 주입하는 단계; 및
    - 용융기 내의 용융된 유리화 가능 재료를 제공하기 위하여 용융기에서 고체 배치 재료를 액중 연소에 의하여 용융시키는 단계;
    여기서 상기 용융 단계 동안, 용탕 표면에서 중심으로 내향으로 수렴하는 주요 유동을 포함하고 토로이드형 유동의 중심 회전축은 수직인, 토로이드형인 용탕 유동 패턴이 유리화 가능 재료의 용탕에서 발생하고, 상기 토로이드형 용탕 유동은 용탕 표면에서 중심으로 내향으로 수렴하는 주요 유동을 포함함.
  14. 제13항에 있어서, 용탕은 상기 중심 회전축에 근접하는 중심에서 하향으로 움직이고, 용탕 표면으로 되돌아가는 상승 움직임으로 재순환되는 방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 용융기는 제1항 내지 제4항 및 제6항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 용융기인 방법.
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