KR102399193B1 - 실리카 용융물의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
비산 회분 및/또는 왕겨 회분이, 가능하게는 플럭싱제 및/또는 추가적인 유리질화가능 재료와 함께 침지식 연소 용융기에서 용융되며, 냉각시 유리질화된다.
Description
본 발명은 비산 회분(fly ash) 및/또는 왕겨 회분(rice husk ash)과 같은 미세 실리카 분말을 사용하는 것에 의한 실리카 기재 용융물의 제조 방법에 관한 것이다.
비산 회분은 일반적으로 석탄의 연소 후에 남는, 조질 저부 회분이 아닌 다른 미세 잔류물로 정의된다. 비산 회분 중 약 80 중량% 초과가 45 ㎛ 미만의 입자 크기를 나타낸다. 비산 회분은 일부 잔류 탄소, 즉 25 중량% 이하의 탄소를 함유할 수 있지만, 그와 같은 잔류 탄소는 비산 회분의 특정 용도에 바람직하지 않을 수 있다. 그의 주 구성성분은 실리카이다. 비산 회분은 매립처리에 의해 폐기 제거되거나 시멘트 조성물에 블렌딩되는 폐기 생성물이다. 비산 회분을 합성 슬래그(slag) 또는 다른 유리질 재료 제조용 원료 또는 무기질 폐기물과 블렌딩하는 것이 제안된 바도 있다.
왕겨 회분은 예를 들어 전력 또는 스팀 발생 장치에서 왕겨의 소각 후 남는 잔류물이다. 그것은 80 내지 95% 이상 수준까지 실리카로 구성된다. 입자 크기는 35 ㎛ 가량으로 다양하다. 왕겨 회분은 보통 시멘트 및 콘크리트 제제, 페인트, 난연제, 및 기타 적용분야에 사용되고 있다.
그럼에도 불구하고, 미세 분말상 재료를 조작함에 있어서의 어려움을 고려할 때, 50 중량% 초과, 바람직하게는 60 중량% 초과, 더욱 더 바람직하게는 70 중량% 또는 80 중량%를 초과하는 50 ㎛ 미만, 바람직하게는 45 ㎛ 미만의 입자 크기를 나타내는 비산 회분 및 왕겨 회분과 같은 입자를 함유하는 미세 실리카 분말의 경제적으로 유익하며 환경 친화적인 폐기에 대한 추가적인 선택사항에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명은 바람직하게는 용융기(melter)의 저부에 배열된 적어도 하나의 침지식(submerged) 연료 버너를 포함하며, 비산 회분 및/또는 왕겨 회분과 같은 미세 실리카 분말이 용융기에 버블링되는 용융물 수준(level) 아래 및/또는 용융물 수준 아래에서 공급되는 침지식 연소 용융기에서, 적어도 35 중량%의 실리카, 바람직하게는 적어도 40 중량%의 실리카, 더욱 바람직하게는 적어도 45 중량%의 실리카 또는 적어도 50 중량%의 실리카를 포함하는 실리카 용융물을 제조할 것을 제안한다. 용융물의 적어도 일부는 용융기로부터 인출되고 냉각시 유리질화되어 유리질화된 생성물을 생성시킬 수 있다. 유리질화된 생성물은 이후 적절히 추가 처리되어, 콘크리트 조성물, 건설 요소, 도로 건설물 등의 제조에서 적용분야를 찾을 수 있다. 그것은 또한 유리 제조 공정, 더 구체적으로는 유리 용융 공정에서 유리질화된 원료 (본질적으로 실리카)로서의 용도를 찾을 수도 있다. 유리질화된 생성물은 비산 회분 또는 왕겨 회분과 같은 미세 분말상 재료에 비해 조작, 수송 및 사용하기가 더 용이하며, 더 환경 친화적이다. 본 발명은 또한 그와 같은 미세 실리카 분말의 폐기 방법을 제공하며, 그것을 매립처리하기보다는 그의 용도를 찾는다.
상기 실리카 용융물의 제조 방법은 각각 의거 참조로 개재되는 WO 2015/014919호, WO 2015/014920호 또는 WO 2015/014921호 중 어느 것에 개시되어 있는 방식 및/또는 용융기를 사용하여 수행될 수 있다.
비산 회분 또는 왕겨 회분과 같은 미세 분말상 실리카를, 표준 유리 용융기에, 예를 들어 용융물의 상단 위에서 충전하기 위한 원료와 혼합하는 것은 부적절한데, 이는 용융물로부터의 연도 기체가 경질 분말상 재료를 용융기 장비 밖으로 연행하기 때문이다. 침지식 연소 용융기를 고려할 경우, 용융물 수준 위로부터 미세 분말상 실리카를 포함하는 원료 배치를 적재하는 것은 더 적합하지 않게 보이는데, 시스템으로부터 경질 분말상 재료를 인출하는 경향이 있는 용융물 조의 고도의 난류 및 상승된 연도 기체 유동 때문이다. 침지식 연소 버너의 저부 버너를 통하여 연료로서 아직 환원형 탄소 함량을 나타내는 비산 회분 또는 왕겨 회분을 블로잉하는 것은 시스템 밖으로 회분을 분출할 가능성이 있는데, 이는 그와 같은 침지식 연소 버너에서 발생되는 높은 기체 속력 때문이다.
침지식 연소 용융기에 대해서는 알려져 있다. 이러한 용융기는, 버너 화염 및/또는 연소 생성물이 용융물을 통과하며 직접적으로 용융물에 에너지를 전달하도록, 그것이 바람직하게는 용융기 저부에서 용융물 수준 아래에 배열된 하나 이상의 버너 노즐을 갖는다는 사실을 특징으로 한다. 침지식 연소 용융기는 또한 용융물에서의 효율적인 혼합을 보장하며, 온도 프로파일 및 조성 면에서 용융물을 균질화한다. 그것은 또한 용융물에의 원료의 흡수를 촉진하여, 분진 입자가 굴뚝을 통하여 유출될 위험성을 감소시키고, 새로운 원료에의 열 전달을 향상시킨다. 이는 하류 처리 및/또는 성형을 위한 인출 전에 용융기에서 요구되는 체류 시간을 감소시킨다.
미세 실리카 분말이 유리하게도 임의의 선행 컨디셔닝 또는 준비 없이 바람직하게는 스크류 공급부 또는 수압식 공급부에 의해 용융기의 저부에 배열된 침지식 버너를 포함하는 침지식 연소 용융기에 버블링되는 용융물 수준 아래에서 및/또는 용융물 수준 아래에서 도입될 수 있다는 것이 드디어 발견되었다.
이와 같은 문맥에서, "버블링되는 용융물 수준 아래"는 용융기 작동 동안 용융물 중의 버블링 및/또는 거품질 물질에 의해 도달되는 용융기 저부로부터의 최고점 아래를 의미하는 것으로 이해된다.
예시되는 실시양태에서, 미세 실리카 분말은 용융기 작동 동안 액체 용융물이 연속적으로 용융기 측벽과 접촉하는 용융기 저부로부터의 높이를 의미하는 용융물 수준 아래로 도입된다.
침지식 연소 용융기에 들어있는 용융물은 유리하게는 난류 상태로 유지된다. 고압으로 용융물에 주입되는 연소 기체로 인하여, 그리고 그에 의해 용융물 중에 생성되는 대류 유동으로 인하여, 침지식 연소는 용융물 조에서 고도의 교반 및 난류를 발생시키는 것으로 알려져 있다. 바람직하게는, 침지식 버너는 난류 용융물의 부피가, 임의의 버너 연소가 없을 때 갖게 되는 부피에 비해 적어도 8%, 더욱 바람직하게는 적어도 10%, 더욱 더 바람직하게는 적어도 15% 더 크게 되도록 조절된다. 액체 용융물에의 기체 주입 및 그에 의해 용융물 중에 생성되는 대류 유동은 그의 밀도를 감소시킨다는 것이 발견되었다. 산소-연료(oxy-fuel) 버너의 적합한 조절은 원하는 밀도 감소 또는 부피 증가를 발생시킨다. 바람직하게는, 상기 방법은 용융물 수준 상단 위에 현저한 거품 층이 발생하지 않거나 거품 층이 전혀 발생하지 않도록 전개된다. 그와 같은 거품 층은 용융기 내에서의 에너지 전달 및 그에 따른 그의 효율에 불리하다는 것이 발견되었다.
명확성 및 완전성을 위하여, 버너가 연소중이지 않은 때에 용융물이 갖게 되는 수준은 용융물 조성을 기준으로 계산되고/거나 용융기 내에서 용융물이 냉동되도록 하는 것에 의해 확인될 수 있다. 난류 용융물의 수준은 적절한 측정 장치, 예컨대 1 또는 5분과 같은 주어진 시간 기간에 걸쳐 용융물 수준을 평균하는 공지의 레이저 포인터 또는 유사 장치에 의해 측정될 수 있다.
용융물 조의 증가된 부피 또는 감소된 밀도는 용융물 중 난류 수준의 반영인 것으로 생각되는데; 용융물이 더 난류성일수록, 더 많은 기포가 용융물 내로 흡수되어, 용융물을 "에어레이션(aeration)시킨다". 용융물 수준 상단 위에서의 감소된 거품 층은 또한 기체 주입에 의해 발생되는 기포가 그의 표면 상에 축적되기 보다는 용융물 조 내에서 유지된다는 것을 반영한다.
비산 회분은 탄소 및 실리카 이외에도 미량으로 많은 상이한 산화물, 금속 및 기타 물질들을 포함할 수 있다. 왕겨 회분도 마찬가지이다. 본 발명은 추가적인 무기질 재료의 어떠한 현저한 추가도 없이 플럭싱제(fluxing agent)와 함께 미세 분말상 실리카 원료를 용융시킬 것을 고려한다. 이와 같은 문맥에서 사용될 때의 "현저한"이라는 단어는 비산 회분-플럭싱제 조성물 중 5 중량% 미만, 또는 3% 미만, 바람직하게는 2% 미만, 더욱 바람직하게는 1% 미만을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 플럭싱제에 대해서는 유리 제조 산업에 알려져 있다. 그것은 용융물 점도, 및 더 낮은 온도에서 원하는 점도를 달성하기 위한 에너지 요구량을 감소시키는 데에 사용된다. 예시적으로, 플럭싱제는 산화나트륨, 산화칼륨, 산화리튬, 산화납, 산화아연, 산화칼슘, 산화바륨, 산화마그네슘, 산화스트론튬 및 산화붕소, 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다.
유리 용융 관련 기술분야 통상의 기술자라면, 최종적으로 수득되는 유리질화 조성물의 원하는 적용분야의 관점에서 적절한 플럭싱제를 선택할 수 있다. 플럭싱제로 사용되는 일부 산화물이 어떤 최종 적용분야에는 실제로는 바람직하지 않을 수 있다. 예로서, B2O3는 바람직한 플럭싱제이지만, 용융된 미세 실리카 분말을 사용하여 제조되는 유리의 특정 최종 적용분야에서는 붕소가 바람직하지 않을 수 있는데; 그와 같은 경우, K2O 및/또는 Na2O 및/또는 CaO와 같은 다른 플럭싱제가 사용될 수 있다.
마찬가지로, 플럭싱제의 함량은 조성물 중 0.5 내지 25 중량%, 바람직하게는 0.5 내지 20 중량%, 또는 1.0 내지 15 중량%로 달라질 수 있다.
대안적인 본 발명의 방법에서, 미세 분말상 실리카는 이상에서 개시된 바와 같은 침지식 연소 용융기 중 유리 용융물 또는 석재 용융물 중으로 도입될 수 있다. 이는 미세 분말상 실리카가 상기 용융기로 공급된다는 것, 그리고 또한 추가적인 유리질화가능 원료가 상기 용융기로 공급된다는 것을 의미한다. 추가적인 유리질화가능 원료는 용융물 위로부터 적재될 수 있다. 대안적으로, 추가적인 유리질화가능 원료는 용융물의 버블링 수준 아래 또는 용융물 수준 아래에 배열된 공급부를 통하여 충전될 수도 있다.
용융 챔버 벽은 유리하게는 냉각될 수 있으며, 순환하는 냉각액, 바람직하게는 물에 의해 분리된 이중 강철 벽을 포함할 수 있다. 특히 원통형 용융 챔버의 경우, 그와 같은 조립체를 구축하기가 상대적으로 용이해서, 높은 기계적 응력을 견딜 수 있다. 용융기의 원통 형상은 외부 벽 상에서의 응력 균형을 용이하게 한다. 벽이 냉각, 예를 들어 수냉되면서, 용융물은 바람직하게는 고체화되어 용융기 벽 내부에 보호 층을 형성한다. 용융기 조립체는 임의의 내부 내화 라이닝도 필요로 하지 않을 수 있으며, 그에 따라 더 적은 유지 또는 유지 비용을 필요로 할 수 있다. 용융기 벽의 내부 면에는 유리하게는 용융기 내부를 향하여 돌출된 탭(tab) 또는 파스틸(pastille) 또는 기타 소형 요소가 장착될 수 있다. 이들은 내부 용융기 벽 상에 고체화된 용융물의 층을 구성하고 고정하여, 내열성을 가짐으로써 용융기 이중 벽 중 냉각액으로의 열 전달을 감소시키는 라이닝을 생성시키는 것을 도울 수 있다.
용융기에는 열 회수 장비가 장착될 수 있다. 용융기로부터의 고온 흄(fume)이 원료를 예열하는 데에 사용될 수 있거나, 또는 거기에 함유되어 있는 열 에너지가 달리 회수될 수도 있다. 비산 회분은 여전히 특정 탄소 농도를 나타낼 수 있다는 것에 유의해야 한다. 그와 같은 탄소는 용융 공정의 과정에서 산화됨으로써, 부분적으로는 용융물로 전달되고 부분적으로는 연도 기체와 함께 유출되는 열을 발생시킨다.
마찬가지로, 용융기의 2개 벽 사이를 순환하는 냉각액에 함유되어 있는 열 에너지 역시 원료 가열 또는 다른 목적을 위하여 회수될 수 있다.
침지식 연소 용융기의 전체적인 에너지 효율은 다른 용융기에 비해 현저히 향상되었다.
관련 기술분야 통상의 기술자라면 알고 있을 바와 같이, 연도 기체 조성이 유리하게 조절되는데, 연도 기체는 유리하게는 환경 중으로 유출되기 전에 처리될 수 있다.
용융물은 용융기로부터 연속적으로 또는 배치식으로 인출될 수 있다. 용융물 유출구는 바람직하게는 원료 유입구에 대향하여 배열된다. 불연속 용융물 방출의 경우, 방출 개구부는 예를 들어 세라믹 피스톤에 의해 조절될 수 있다. 대안으로는, 용융기에서의 용융물 수준을 조절하는 사이폰(syphon)-유형 방출이 사용될 수 있다.
침지식 버너는 바람직하게는 연소 생성물의 고압 분출물을 용융물로 주입하는데, 액체의 압력을 극복하여 화염 및 연소 생성물의 강제 상향 이동을 생성시키기에 충분하다. 특히 버너 노즐(들)로부터 유출구에서의 연소 및/또는 연소가능 기체의 속도는 ≥60 m/s, ≥100 m/s 또는 ≥120 m/s, 및/또는 ≤350 m/s, ≤330 m/s, ≤300 m/s 또는 ≤200 m/s일 수 있다. 바람직하게는, 연소 기체의 속도는 약 60 내지 300 m/s, 바람직하게는 100 내지 200, 더욱 바람직하게는 110 내지 160 m/s 범위이다.
용융물의 온도는 1200℃ 내지 1600℃일 수 있으며; 그것은 적어도 1350℃ 또는 1400℃ 및/또는 1550℃ 또는 1520℃ 이하일 수 있다.
바람직한 실시양태에 있어서, 침지식 연소는 실질적으로 수직인 중앙 회전 축을 가지며 용융물 표면에서 중앙으로 내향 수렴하는 주 유동을 포함하는 실질적으로 토로이드형(toroidal)인 용융물 유동 패턴이 용융물에서 발생되도록 수행되는데; 용융물은 수직 중앙 회전 축 근접부에서 하향 이동하고 다시 용융물 표면으로의 상승 이동으로 재순환됨으로써 실질적으로 토로이드형인 유동 패턴을 한정한다.
그와 같은 토로이드형 유동 패턴의 발생은 고도로 효율적인 용융물 혼합, 및 용융물에의 미세 분말상 실리카를 포함한 원료의 흡수를 보장하며, 온도 프로파일 및 조성 면에서 용융물을 균질화한다.
유리하게는, 용융 단계는 컴퓨터 유체 역학 분석에 의해 시뮬레이션하였을 때 용융물 표면에서 중앙으로 내향 수렴하는 주 유동 벡터를 포함하며 실질적으로 수직인 토로이드 중앙 회전 축을 갖는, 용융물에서 실질적으로 토로이드형인 용융물 유동 패턴을 나타내는 유동 패턴에 용융물을 적용함으로써, 적어도 하나의 저부 버너를 포함하는 침지식 연소 용융기에서 상기한 바와 같은 비산 회분 및/또는 왕겨 회분과 같은 미세 실리카 분말을 용융시키는 것을 포함한다.
상기 토로이드형 유동 패턴의 수직 회전 축에서, 유동 벡터는 상기 축 근접부에서의 용융물의 현저한 하향 이동을 반영하는 하향 성분을 갖는다. 용융기 저부를 향하여, 유동 벡터는 외향 및 이어서 상향 성분을 나타내며 배향을 변경한다.
고체 배치 물질로부터 전환 과정에서 생성되는 액체 용융물 내지 기체 범위인 다-단계 유동 장, 그리고 배치-내지-용융물 전환을 고려할 때, 바람직하게는 유체 역학 모델은 코드 ANSYS R14.5이다.
토로이드형 용융물 유동 패턴은, 실질적으로 수직인 상향 방향 속도 성분을 연소 기체에 부여하는, 용융기 저부의 실질적으로 환형인 버너 구역에 배열된 침지식 연소 버너를 사용하여 수득될 수 있다. 유리하게는, 버너는 약 250-1250 mm, 유리하게는 500-900 mm, 바람직하게는 약 600-800, 더욱 더 바람직하게는 약 650-750 mm의 인접 버너간 거리로 배열된다. 인접 화염은 융합되지 않는 것이 바람직하다.
상기한 토로이드형 용융물 유동 패턴을 수득하기 위한 버너 배열 및 조절은 적절한 용융물 중 혼합은 물론, 용융물 부피를 충분히 증가시켜 (또는 용융물 밀도를 감소시켜) 본 발명의 목적을 달성하는 데에 요구되는 난류를 보장할 수 있다는 것이 발견되었다. 특히, 용융물 상단에 도달하는 기포가 흡수되고 토로이드형 유동 패턴의 결과로서 용융물 내에 혼합되기 때문에, 거품 형성이 감소된다.
각 버너 축, 및/또는 침지식 버너 상에서 상향으로 또는 침지식 버너에 인접하여 이동하는 용융물의 속도 벡터는 수직으로부터, 예를 들어 ≥1 °, ≥2 °, ≥3 ° 또는 ≥5 ° 및/또는 ≤30 °, 바람직하게는 ≤15 °, 더욱 바람직하게는 ≤10 °의 각도로, 특히 용융기 중앙을 향하여 약간 경사질 수 있다. 그와 같은 배열은 유동을 향상시키고, 유출구 개구부로부터 밖으로 및/또는 용융기의 중앙을 향하여 용융물 유동을 안내하여, 용융물로의 미세 분말상 실리카 입자를 포함한 원료의 토로이드형 유동 및 혼입을 도울 수 있다.
일 실시양태에 있어서, 각 중앙 버너 축은 용융기의 중앙 수직 축 및 버너 중앙을 통과하는 수직 평면에 대하여 와류 각도만큼 경사진다. 상기 와류 각도는 ≥1 °, ≥2 °, ≥3 °, ≥5 ° 및/또는 ≤30 °, ≤20 °, ≤15 ° 또는 ≤10 °일 수 있다.
바람직하게는, 각 버너의 와류 각도는 대략 동일하다. 와류 각도에서의 각 버너 축의 배열은 상향 블로잉되는 화염에 약간 접선인 속도 성분을 부여하여 토로이드형 유동 패턴에 더하여 용융물에 와류 이동을 부여한다.
상기 버너 구역은 실질적으로 환형인 구역으로 정의된다. 관련 구역 내에서의 예를 들어 타원형 또는 난형인 선 상에서의 버너 배열이 가능하지만, 버너는 바람직하게는 실질적으로 원형인 버너 선 상에 배열된다.
바람직하게는, 유동 패턴은 용융물 표면에서의 내향 수렴하는 유동 후 이어지는 환형면 중앙 회전 축 근접부에서의 하향 배향 유동을 포함한다. 상기 중앙 회전 축은 유리하게는 용융기 대칭성의 수직 축에 해당한다. 대칭 축은 대칭성의 중앙 축을 의미하는 것이며, 용융기가 어떠한 단일의 한정된 대칭 축도 가지지 않는 횡단 단면을 나타내는 경우라면, 용융기 단면이 내접하는 원의 대칭 축을 의미한다. 하향 배향 유동 후에는 용융기 저부에서의 외향 배향 유동, 및 버너 근접부에서의 실질적으로 환형인 상향 유동이 이어짐으로써, 버너 구역을 향하는, 그리고 다시 용융물 표면으로 상승 이동하는 용융물의 재순환을 반영하며, 이에 따라 실질적으로 토로이드형인 유동 패턴을 한정한다.
용융물 표면에서의 내향 수렴하는 유동 벡터는 유리하게는 0.1-3 m/s에 포함되는 속도를 나타낸다. 수직 중앙 회전 축 근접부에서의 하향 배향 속도 벡터는 바람직하게는 하향으로 유동하는 물질의 상대적으로 높은 속도를 반영하는 현저한 크기의 것이다. 하향 속도 벡터는 0.1-3 m/s일 수 있다. 용융기 내, 적어도 용융기의 일 부분, 특히 용융물 표면 및/또는 수직 중앙 회전 축 근접부에서의 용융물 및/또는 원료는 (특히 용융물 표면에서의 내향 수렴하는 유동 벡터는) ≥0.1 m/s, ≥0.2 m/s, ≥0.3 m/s 또는 ≥0.5 m/s, 및/또는 ≤2.5 m/s, ≤2 m/s, ≤1.8 m/s 또는 ≤1.5 m/s인 속도에 도달할 수 있다.
바람직한 토로이드형 유동 패턴은 매우 효율적인 혼합을 보장하며, 온도 프로파일 및 조성 면에서 용융물을 균질화한다. 그것은 또한 용융물에의 원료의 흡수를 촉진함으로써, 미세 분말상 회분이 굴뚝을 통하여 유출될 위험성을 감소시키고, 새로운 원료 및 용융물에의 열 전달을 향상시킨다. 이는 인출 전에 용융기에서 요구되는 체류 시간을 감소시키는 동시에, 원료가 용융물 순환을 단축할 위험성을 회피하거나, 적어도 감소시킨다. 상기에서 언급한 바와 같이, 용융물 상단에서의 거품 형성이 감소되며, 기포가 용융물 내에 유지되어, 원하는 대로 용융물 밀도가 감소된다.
바람직한 일 실시양태에서, 버너는 상기 용융기 챔버의 측벽으로부터 약 250-750 mm의 거리로 용융기 저부에 배열되는데; 이는 상기한 바람직한 유동을 촉진하며, 용융 챔버 측벽으로의 화염 유인을 회피한다. 버너와 측벽 사이의 너무 작은 거리는 측벽에 손상을 주거나 불필요하게 그것을 압박할 수 있다. 버너와 벽 사이의 특정 용융물 유동이 유해하지는 않을 수 있으며 심지어는 바람직할 수도 있지만, 너무 큰 거리는 바람직하지 않은 용융물 유동을 발생시키게 되는 경향이 있으며, 용융기 중앙의 용융물과 덜 혼합되어 용융물 균질성 감소로 이어지는 데드 존(dead zone)을 생성시킬 수 있다.
침지식 버너들 사이의 거리는 유리하게는 용융물 내에 원하는 토로이드형 유동 패턴을 제공함은 물론, 인접 화염이 융합하는 것은 회피하도록 선택된다. 이와 같은 현상이 용융물의 온도 및 점도, 버너의 압력 및 기타 특징들과 같은 많은 파라미터에 따라 달라지기는 하지만, 약 1200 내지 2000 mm에 포함되는 버너 원 직경을 선택하는 것이 유리하다는 것이 발견되었다. 버너 유형, 작동 압력 및 기타 파라미터들에 따라, 너무 큰 직경은 발산형 화염으로 이어지게 되며; 너무 좁은 직경은 화염 융합으로 이어지게 된다.
바람직하게는, 용융기 직경, 버너 치수, 작동 압력 및 기타 설계 파라미터에 따라, 예를 들어 버너 원 선 상에 배열된 적어도 6개의 버너, 더욱 바람직하게는 6 내지 10개의 버너, 더욱 더 바람직하게는 6 내지 8개의 버너가 제공된다.
각 버너, 또는 다수의 버너 군 중 각각의 것, 예를 들어 대향 버너는 개별적으로 조절될 수 있다. 원료 적재와 가까운 버너는 상이한, 바람직하게는 인접 버너에 비해 더 높은 기체 속도 및/또는 압력으로 조절되어, 용융기에 적재되는 새로운 원료에 대한 열 전달 향상을 가능케 할 수 있다. 더 높은 기체 속도는 일시적으로만, 다시 말하자면 새로운 원료의 배치식 적재의 경우, 용융기에 들어있는 용융물로의 관련 적재물의 흡수에 필요한 시간 기간 동안만 필요할 수 있다.
용융물 유출구를 교란하지 않기 위하여, 용융물 유출구에 가깝게 위치되는 버너는 더 낮은 기체 속도/압력으로 조절하는 것이 바람직할 수도 있다.
용융 챔버는 바람직하게는 실질적으로 단면이 원통형인데; 그럼에도 불구하고, 그것은 타원형 단면, 또는 4개를 초과하는 변, 바람직하게는 5개를 초과하는 변을 나타내는 다각형의 단면을 가질 수도 있다.
본 발명에 따라 사용하기에 적합한 용융기의 실시양태를 하기하는 바, 하기의 첨부 도면을 참조한다:
도 1a 및 1b는 토로이드형 유동 패턴의 도식적 표현이며;
도 2는 용융기의 수직 단면을 나타내고;
도 3은 버너 배치의 도식적 표현임.
도 1a 및 1b를 참조하면, 바람직하게는 토로이드형 유동 패턴이 확립되는데, 거기에서 용융물은 원형 버너 선(27) 상에 배열된 침지식 버너들(21, 22, 23, 24, 25, 26)에 가까운 상승방향에 따르며, 용융물 표면에서는 원형 버너 선의 중앙을 향하여 내향으로 유동하고, 상기 중앙 근접부에서는 하향으로 유동한다. 상기 토로이드형 유동은 용융물 중에 교반 및 난류를 발생시키고, 용융물의 우수한 교반, 및 용융물로의 원료 및 기포의 흡수를 보장한다.
예시된 용융기(1)는 하기를 포함한다: 약 2.0 m의 내부 직경을 가지며 용융물이 들어있는 원통형 용융 챔버(3); 상부 챔버(5); 및 흄의 배기를 위한 굴뚝. 상부 챔버(5)에는 용융물 표면(18)으로부터 분출되는 임의의 용융물 분출이 흄으로 연행되는 것을 방지하는 배플(baffle)(7)이 장착된다. 원료 공급부(10)는 용융 챔버 벽의 버블링되는 용융물 수준 아래에 배열되며, 용융기(1)로 새로운 분말상 회분 및 플럭싱제를 적재하도록 설계된다. 용융물 수준 아래에 및/또는 용융물 수준과 용융물의 버블링 수준 사이에 분말상 또는 미세 원료 공급부가 배열될 수도 있다. 공급부(10)는 가능하게는 플럭싱제, 및/또는 다른 유리 용융물 제조용 원료와 혼합되었을 수 있는 비산 회분 및/또는 왕겨 회분을 직접 용융물로 수송하는 수평 공급 수단, 예를 들어 공급 스크류 또는 피스톤을 포함한다. 용융 챔버의 저부는 용융기 축과 동심이며 약 1.4 m의 직경을 가지는 원형 버너 선(27) 상에 배열된 6개의 침지식 버너(21, 22, 23, 24, 25, 26)를 포함한다. 용융물은 용융 챔버 측벽에 용융기 저부에 가깝게 공급 장치(10)에 대하여 실질적으로 대향으로 위치되는 조절가능한 유출구 개구부(9)를 통하여 용융 챔버(3)로부터 인출될 수 있다. 용융기로부터 인출된 용융물은 이후 냉각 및 고체화될 수 있으며, 가능하게는 필요에 따라 하류의 용도로 분쇄될 수 있다. 그와 같은 하류의 용도에는 나중의 유리 제조에서의 용도를 위한 컬릿(cullet) 제조가 포함될 수 있다. 원래 알려져 있는 바와 같은 섬유화를 포함하여, 유리 성형을 위한 용융물의 실제 사용이 포함될 수도 있다. 다른 용도로는 시멘트 및/또는 콘크리트 조성물, 건설 재료 등에서의 사용을 위한 유리질화된 재료의 분쇄가 포함된다.
용융물 내의 온도는 용융물의 조성, 원하는 점도 및 기타 파라미터들에 따라 1200℃ 내지 1600℃일 수 있다. 바람직하게는, 용융기 벽은 냉각액, 바람직하게는 물에 의해 냉각되는 이중 강철 벽이다. 외부 용융기 벽에 제공된 냉각수 연결부는, 용융물이 내부 벽 상에서 고체화될 수 있도록 내부 벽으로부터 에너지를 인출하고 여기서는 물인 냉각액이 비등하지 않도록 하기에 충분한 유동을 허용한다.
침지식 버너는 100 내지 200 m/s, 바람직하게는 110 내지 160 m/s의 기체 유동으로 작동되어 용융물 내에서 연료 기체와 산소 함유 기체의 연소를 야기하는 동심형 튜브 버너들을 포함한다. 연소 및 연소 기체는 그것이 상부 챔버로, 그리고 이후에 굴뚝을 통하여 유출되기 전에 용융물 내에 교반을 발생시킨다. 이러한 고온 기체는 버너에 사용되는 원료 및/또는 연료 기체 및/또는 산화제 기체 (예컨대 산소, ≥95 중량%의 산소 함량을 가지는 산업용 산소, 또는 산소 강화 공기)를 예열하는 데에 사용될 수 있다. 흄은 바람직하게는 여과하기 전에 그의 온도를 감소시키기 위한 임의적인 주변 공기와의 희석을 사용하여, 환경으로 방출되기 전에 여과되거나 달리 처리된다.
본 발명의 요건에 따라 기술되고 조절되는 바와 같은 용융기에서, 용융물 수준은 버너가 연소되지 않는 때의 동일 온도에서 용융물이 갖게 되는 수준에 비해 30-50%까지 증가되는 것으로 측정되었다. 버너 연소가 없는 용융물 수준은 용융물 조성을 기준으로 계산되었으며, 용융기 내에서 용융물을 경화시키는 것에 의해 확인되었다. 난류형의 "에어레이션되는" 용융물 수준은 5분의 시간 기간에 걸쳐 측정된 값들을 평균하는 레이저 포인터에 의해 정상 작동 모드에서 측정되었다. 유사 장치들도 적절할 것이다. 흥미롭게도, 원하는 바와 같은 용융물 유동 패턴은 용융물 수준 위에 어떠한 현저한 거품도 발생시키지 않았다. 기포가 용융물 상단 위에 축적되기보다는 관련 유동에 의해 용융물로 흡수되는 것으로 이해된다.
용융물로의 에너지 전달 향상, 더 짧은 체류 시간 및 그에 따른 더 적은 열 손실을 가능케 하는 침지식 연소 용융기의 선택으로 인하여, 그리고 고도의 교반 및 난류가 감소된 용융물 점도에서 더 균질한 용융물로 이어지며, 그것은 다시 감소된 온도에서의 작동을 가능케 할 수 있는 것으로 인하여, 상기한 제조 방법은 에너지 효율적이다. 또한, 침지식 연소는 유리하게도 유지하고 수리하기가 더 용이하며 비용이 덜 들고 추가적으로 냉각액으로부터 인출되는 에너지의 재순환을 가능케 하는 수냉식 용융기에서 수행될 수 있다. 또한, 분말상 회분 재료의 수준 아래로의 공급은 흄의 오염 위험성을 감소시키고, 새로 충전되는 재료에의 동시적인 에너지 전달을 동반하는 용융물로의 분말상 회분 재료의 혼입을 용이하게 한다.
[
실시예
]
제1 실시예로서, 수득된 유리질화된 생성물은 73 중량%의 SiO2, 22 중량%의 B2O3, 1.5 중량%의 Na2O 및 K2O, 그리고 합쳐서 100 중량%를 이루는 미량의 다른 산화물을 포함하였다. 이와 같은 유리질화된 생성물은 그대로 사용될 수 있거나, 또는 다른 유리 조성물을 제조하기 위한 원료와 추가적으로 조합될 수 있다.
대안적인 실시예로서, 플럭싱제로서의 CaO, MgO, 및 Na2O 및/또는 K2O의 사용은 하기와 같은 조성으로 이어질 수 있었다: 69 중량%의 SiO2, 8 중량%의 CaO, 2 중량%의 MgO, 15 중량%의 Na2O + K2O, 및 합계가 100 중량%가 되게 하는 미량의 다른 산화물.
추가적인 실시예로서, 비산 회분, Al2O3, B2O3, CaO, MgO 및 Na2O 및 K2O를 적합한 비율로 혼합하여, 상기한 바와 같은 저부 버너가 장착된 침지식 연소 용융기의 유출구에서 C-유리 조성물을 생성시킬 수 있었다. 통상적인 C-유리 조성물은 64-68 중량%의 SiO2, 3-5 중량%의 Al2O3, 4-6 중량%의 B2O3, 11-15 중량%의 CaO, 2-4의 MgO, 7-10 중량%의 Na2O + K2O, 및 합계가 100%가 되게 하는 미량의 다른 산화물을 포함한다.
마찬가지로, 왕겨 회분, Al2O3, B2O3, CaO, MgO 및 Na2O 및 K2O를 적합한 비율로 혼합하여, 상기한 바와 같은 저부 버너가 장착된 침지식 연소 용융기의 유출구에서 E-유리 조성물을 생성시킬 수 있었다. 통상적인 E-유리 조성물은 52-62 중량%의 SiO2, 12-16 중량%의 Al2O3, 0-10 중량%의 B2O3, 16-25 중량%의 CaO, 0-5의 MgO, 0-2 중량%의 Na2O + K2O, 및 합계가 100%가 되게 하는 미량의 다른 산화물을 포함한다.
Claims (23)
- 50 중량% 초과 또는 60 중량% 초과 또는 70 중량% 초과 또는 80 중량%를 초과하는 50 ㎛ 미만 또는 45 ㎛ 미만의 입자 크기를 나타내는 입자를 함유하는 미세 실리카 분말을 용융기 저부에 배열된 적어도 하나의 침지식(submerged) 버너를 포함하는 침지식 연소 용융기에 버블링되는 용융물 수준 아래에서 공급하는 것인, 적어도 35 중량%의 실리카, 또는 적어도 40 중량%의 실리카, 또는 적어도 45 중량%의 실리카 또는 적어도 50 중량%의 실리카를 포함하는 실리카 용융물의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 미세 실리카 분말이 비산 회분 및/또는 왕겨 회분인 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 하나의 침지식 버너는, 버너가 연소되지 않는 경우에 용융물이 갖게 되는 수준보다 난류 용융물의 부피가 적어도 8%, 또는 적어도 10%, 또는 적어도 15% 더 크게 되도록 용융물을 난류 상태로 유지하도록 조절되는 것인 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 용융물 수준 상단 위의 거품 층의 생성이 감소되도록 작동되는 것인 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 추가로 플럭싱제(fluxing agent)를 용융물에 도입시키거나, 또는 플럭싱제를 미세 실리카 분말과 조합하여 용융물에 도입시키는 것인 방법.
- 제5항에 있어서, 플럭싱제가 산화나트륨, 산화칼륨, 산화리튬, 산화납, 산화아연, 산화칼슘, 산화바륨, 산화마그네슘, 산화스트론튬 및 산화붕소, 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것인 방법.
- 제6항에 있어서, 플럭싱제를 조성물의 0.5 내지 25 중량%, 또는 0.5 내지 20 중량%, 또는 1.0 내지 15 중량% 범위의 양으로 첨가하는 것인 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 추가적인 유리질화가능 원료를 용융기에 공급하는 것을 포함하는 방법.
- 제8항에 있어서, 추가적인 유리질화가능 원료를 용융기에 용융물 수준 위에서 공급하는 것인 방법.
- 제8항에 있어서, 유리질화가능 원료를 버블링되는 용융물 수준 아래에서, 또는 용융물 수준 아래에서 공급하는 것인 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 용융물 중 적어도 일부가 용융기로부터 인출되고 냉각시 유리질화되어 유리질화된 생성물을 생성시키는 것인 방법.
- 제11항에 있어서, 유리질화된 생성물이 콘크리트 조성물, 건설 요소, 도로 건설물의 제조를 위하여, 또는 유리 제조 공정 또는 유리 용융 공정에서의 유리질화된 원료로서의 용도를 위하여 적절히 추가 처리되는 것인 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 용융 챔버 벽은 냉각되며, 순환 냉각액 또는 물에 의해 분리된 이중 강철 벽을 포함하고, 냉각액에 의해 인출되는 에너지는 재순환되며, 내측 용융기 벽은 내화 재료로 라이닝되지 않은 것인 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 고온 흄 및/또는 냉각액으로부터 열이 회수되는 것인 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 용융물의 적어도 일부를 용융기로부터 연속적으로 또는 배치식으로 인출하는 것인 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 침지식 연소는, 수직인 중앙 회전 축을 가지며 용융물 표면에서 중앙으로 내향 수렴하는 주 유동을 포함하는 토로이드형인 용융물 유동 패턴이 용융물에서 발생되도록 수행되며; 용융물은 수직 중앙 회전 축 근접부에서 하향 이동하고 다시 용융물 표면으로의 상승 이동으로 재순환됨으로써 토로이드형인 유동 패턴을 한정하게 되는 것인 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 용융 단계가, 용융물 표면에서 중앙으로 내향 수렴하는 주 유동 벡터를 포함하며 수직인 토로이드 중앙 회전 축을 갖는, 용융물에서 토로이드형인 용융물 유동 패턴을 나타내는 유동 패턴에 용융물을 적용함으로써, 침지식 연소 용융기에서 미세 실리카 분말 재료를 용융시키는 것을 포함하고, 용융기 저부를 향하여, 유동 벡터가 외향 및 이어서 상향 성분을 나타내며 배향을 변경하고, 용융물 유동 패턴은 컴퓨터 유체 역학 분석에 의한 시뮬레이션에 의해 측정되는 것인 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 침지식 연소 버너가 용융기 저부에서 환형, 타원형, 난형 또는 원인 버너 구역에 배열된 것인 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 버너들이 250-1250 mm, 또는 500-900 mm, 또는 600-800 mm, 또는 650-750 mm의 인접 버너간 거리로 배열된 것인 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 각 버너 축, 및/또는 침지식 버너 상에서 상향으로 또는 침지식 버너에 인접하여 이동하는 용융물의 속도 벡터가 수직으로부터 ≥1 °, ≥2 °, ≥3 ° 또는 ≥5 ° 및/또는 ≤30 °, 또는 ≤15 °, 또는 ≤10 °의 각도로, 용융기 중앙을 향하여 약간 경사진 것인 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 각 중앙 버너 축이 용융기의 중앙 수직 축 및 버너 중앙을 통과하는 수직 평면에 대하여 와류 각도만큼 경사지며, 상기 와류 각도는 ≥1 °, ≥2 °, ≥3 °, ≥5 ° 및/또는 ≤30 °, ≤20 °, ≤15 ° 또는 ≤10 °인 방법.
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