KR20010024745A - 유리 용해로용의 덮개부-장착식 산소-연료 버너 및 이산소-연료 버너를 이용하는 방법 - Google Patents

유리 용해로용의 덮개부-장착식 산소-연료 버너 및 이산소-연료 버너를 이용하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 버너 블록 (38) 안에 설치되어 노 (10) 의 덮개부 (22) 에 장착되는 적어도 하나의 산소-연료 버너 (34) 를 이용하여 생 유리형성 물질 (30) 로부터 정제된 유리를 제조하는 내화벽-설치식의 유리 용해로 (10) 및 상기 버너 (34) 를 사용하는 방법이 제공된다. 상기 산소-연료 버너 (34) 로부터 나오는 가스연료와 산소의 속도는, 일반적으로 층류인 가스연료 흐름과 산소 흐름이 생 유리형성 물질 (30) 의 상부표면 직전에서 연소하여, 주형 모양의 중앙부를 가지면서 상기 생 유리형성 물질 (30) 의 표면에 충돌하는 화염을 생성하도록, 실질적으로 동등하게 제어된다.

Description

유리 용해로용의 덮개부-장착식 산소-연료 버너 및 이 산소-연료 버너를 이용하는 방법 {ROOF-MOUNTED OXYGEN-FUEL BURNER FOR A GLASS MELTING FURNACE AND PROCESS OF USING THE OXYGEN-FUEL BURNER}
유리의 제조에는, 용해영역과 정제영역을 가지는 축열식 또는 회수식 노가 통상적으로 쓰인다. 이 축열식 또는 회수식 노는, 다른 타입의 노와는 달리, 공기-연료 버너를 작동함에 있어 적어도 하나의 축열기 또는 회수열교환기를 이용한다. 모양과 크기가 다양한 적어도 하나의 축열기 또는 회수열교환기는 공기-연료 버너에 사용되는 공기를 예열하는데 이용된다. 축열기에 있어서, 일반적으로 예열은, 폐기가스에 존재하는 열을 용해실로부터 바둑판식으로 적층된 내화벽돌에 전달함으로써 이루어진다. 이 벽돌은, 차례로, 나중에 연료를 연소시키는 데에 사용될 유입 공기에 대한 열을 잃어버린다. 보통, 회수열교환기는, 용해실로부터의 기체폐기물이 환대 (annulus) 를 통해 흐르는 공기에 대해 역류하거나 병류하여 중앙의 관에서 흐르도록 되어 있는 이중벽의 관으로 이루어질 수도 있다. 그러나, 축열기 또는 회수열교환기는, 화학 오염물질을 함유하는 폐기가스에 장시간 노출되는 경우에 부분적으로 막히거나 파괴되어 버리므로, 시간이 흐름에 따라 그 성능이 열화될 수도 있다. 축열기 또는 회수열교환기가 부분적으로 막히거나 파괴되면, 공기-연료 버너의 성능에 역효과가 일어나 유리의 생산속도 및 연료효율이 떨어진다.
그러므로, 다수의 노에 산소-연료 버너를 기용함으로써 상기 공기-연료 버너를 보완하거나 완전히 대체하는 것이 알려져 있다. 이 산소-연료 버너는 종래의 공기-연료 버너의 그것과 동일한 화염 및 열전달을 얻도록 구성되어 있다. 특히, 상기 산소-연료 버너는 유리의 표면에 대해 평행하게 또는 거의 평행하게 점화를 행하도록 구성된다. 이들 버너는, 유리 뿐만 아니라 노의 크라운과 주위의 내화물에도 열을 상방으로 전달한다. 열전달은, 화염으로부터의 직접적인 복사와 유리 용해로의 내화 상부구조물로부터의 재복사에 의해 달성된다. 대류나 전도에 의해 유리에는 약간의 열만이 전달된다. 유리 용해로의 용량은 용해실 안에서의 최고 내화온도에 의해 제한된다. 따라서, 산소-연료 버너의 사용시에는, 버너의 높은 온도와 노벽 및 내화 덮개부의 과열로 인한 위험이 우려되고 있다.
본 발명은, 고온의 화염 온도 및 산소-연료 연소에 의해 달성될 수 있는 저 매스 플로우 레이트를 활용함으로써, 작동한도내의 내화온도를 유지하면서 유리로의 열전달을 크게 증가시킨다. 이는, 종래의 평행한 구성과는 다르게, 유리표면에 대하여 수직하게 또는 거의 수직하게 적어도 하나의 산소-연료 버너를 점화시킴으로써 달성된다. 유리표면에 대해 수직하게 버너를 점화시키게 되면, 화염의 대류 및 복사 특성은 복사열 전달 보다는 오히려 생 유리형성 물질에 에너지를 전달하는 데에 활용된다. 따라서, 복사를 통한 열전달을 증가시키 위하여, 화염의 발광 및 고온 부분을 생 유리형성 물질과의 직접적인 접촉은 없어도 그에 가깝게 위치시킨다. 복사가 열원으로부터 지수관계의 거리에 있으면, 복사에 의한 열전달은 종래의 노에서 보다 본 발명에 따른 유리 용해로에 있어서 훨씬 더 크다. 더욱이, 생 유리형성 물질상에 고온의 화염이 충돌하므로 화염의 충돌부위에서 대류를 통한 열전달이 실질적으로 증가한다. 결과적으로, 유리 및 배치에 전달되는 열전달속도의 증가에 의해, 유리의 용해속도 및 정제속도가 실질적으로 증가한다. 더욱이, 대부분의 열전달이 내화물로부터 일어나는 것이 아니고 고온의 충돌 화염으로부터 직접적으로 일어나므로, 내화물의 열적인 열화없이 유리 용해로의 용해 용량이 증가한다.
따라서, 본 발명의 목적은, 노벽 및 덮개부의 과열위험을 증가시키지 않고서 유리 용해로의 용해 용량을 증가시키는 데에 있다. 본 발명의 또 다른 목적은, 축열기 또는 회수열교환기를 사용하지 않고서 특정의 유리 생산속도를 유지하는 데에 있다. 본 발명의 또 다른 목적은, 유리용해중에 NOx가 형성되는 것을 저감하는 데에 있다. 본 발명의 또 다른 목적은, 종래의 공기-연료 유리 용해로 또는 종래의 산소-연료 유리 용해로에 비하여, 주어진 용량당 필요시되는 유리 용해로의 크기를 줄이는 데에 있다. 본 발명의 또 다른 목적은, 종래의 공기-연료 유리 용해로에 비하여, 톤당의 용융유리에 필요시되는 총 에너지를 저감하는 데에 있다. 본 발명의 또 다른 목적은, 용량의 활용도가 높고 작업성이 더 유연하여, 톤당의 생산유리에 따른 용해로의 자본 코스트를 저감할 수 있는 유리 용해로를 제공하는 데에 있다.
본 발명은, 배치 (batch) 로서 알려진 생 유리형성 물질을 용해시키기 위한 유리 용해로의 덮개부에 적어도 하나의 산소-연료 버너를 가지는 유리 용해로에 관한 것이다. 더 상세하게는, 본 발명은, 용해속도와 유리제품의 질을 개선하기 위하여, 축열기 또는 회수열교환기를 사용하지 않고서, 생 유리형성 물질을 용해시키기 위한 유리 용해로의 덮개부에 적어도 하나의 산소-연료 버너를 가지는 유리 용해로 및 상기 산소-연료 버너를 이용하는 방법에 관한 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 유리 용해로의 종단면도이다.
도 2 는 도 1 의 유리 용해로에 있어서 선 2-2 에서 본 단면도이다.
도 3 은 도 1 의 유리 용해로에 있어서 선 3-3 에서 본 단면도로, 용해로의 상류 단부벽에 인접한 2개의 산소-연료 버너를 설명하기 위한 것이다.
도 4 는 도 1 의 유리 용해로에 있어서 선 3-3 에서 본 또다른 평면 단면도로, 용해로의 상류 단부벽에 인접한 1개의 산소-연료 버너를 설명하기 위한 것이다.
도 5 는 산소-연료 버너와 이 산소-연료 버너로부터의 버너 화염을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 6 은 본 발명에 따른 산소-연료 버너에 대한 상부 작동곡선과 하부 작동곡선을 나타내는 챠트이다.
본 발명에 따르면, 생 유리형성 물질로부터 정제된 유리를 제조하는 내화벽-설치식의 유리 용해로가 제공된다. 이 유리 용해로는, 측벽에 의해 바닥에 연결되어 용해영역 및 하류의 정제영역으로 이루어지는 신장 채널을 형성하는 덮개부와, 상기 유리 용해로의 상기 덮개부내에 위치하는 적어도 하나의 산소-연료 버너를 포함한다. 상기 산소-연료 버너는, 가스연료 공급용의 내부 중앙 원통형 가스연료관과, 이 중앙 가스연료관의 출구와 동심이며 산소 공급용의 외부 원통형 산소관을 갖는다. 상기 산소-연료 버너는 산소-연료 버너로부터 나오는 가스연료와 산소의 속도를 제어하도록 구성되는데, 상기 가스연료와 산소의 속도는, 일반적으로 층류인 가스연료 흐름과 산소 흐름이 생 유리형성 물질의 상부표면 직전에서 연소하여, 주형 모양 (columnar shape) 의 중앙부를 가지면서 상기 생 유리형성 물질의 표면에 충돌하는 화염을 생성하도록 실질적으로 동등하게 제어된다.
또한, 본 발명은, 상기 내화벽-설치식의 유리 용해로 안의 생 유리형성 물질로부터 정제된 유리를 제조하는 방법을 포함한다. 상기 방법은, 상기 유리 용해로의 용해영역에 생 유리형성 물질을 장입하는 단계와, 가스연료 공급용의 내부 중앙 원통형 가스연료관과, 이 중앙 가스연료관의 출구와 동심이며 산소 공급용의 외부 원통형 산소관을 가지는 적어도 하나의 산소-연료 버너를, 상기 유리 용해로의 덮개부에 설치하는 단계를 포함한다. 산소-연료 버너로부터 나오는 가스연료와 산소의 속도는, 일반적으로 층류인 가스연료 흐름과 일반적으로 층류인 산소 흐름이 생 유리형성 물질의 상부표면 직전에서 연소하여, 대략 주형 모양의 중앙부를 가지면서 상기 생 유리형성 물질의 표면에 충돌하는 화염을 생성하도록 실질적으로 동등하게 제어된다. 상기 화염은, 축열기 또는 회수열교환기를 사용하지 않고서, 상기 적어도 하나의 산소-연료 버너로부터의 화염 커버리지에 의해 생 유리형성 물질을 용해영역내에서 용해한다. 이후, 정제된 유리는 정제영역으로부터 내보내진다.
도면에는, 용융 유리를 유리 전로 (12) 에 제공하기 위한 유리 용해로 (10) 가 도시되어 있는데, 상기 유리 전로에서는 용융 유리가 추가로 정제되고, 이어서 콘테이너, 파이버라이저 (도시되지 않음) 등과 같은 하나 또는 그 이상의 유리 형성기에 보내진다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 명료하게 나타내기 위해, 종래의 것에 해당되고 본 발명의 기술분야에서 잘 알려진 것에 대한 상세한 구성은 생략하였다.
일반적으로, 유리 용해로 (10) 는 상류 단부벽 (14), 하류 단부벽 (16), 측벽 (18), 바닥부 (20), 및 덮개부 (22) 를 가지는 연장 채널을 포함하는데, 이들 모두는 알루미나, 실리카, 알루미나-실리카, 지르콘, 지르코니아-알루미나-실리카 등과 같은 내화재로 제조된다. 덮개부 (22) 는 일반적으로 채널의 종축선에 대해 비스듬한 아치 모양을 가지는 것으로 도시되어 있으나, 다른 적절한 구성의 모양을 가질 수도 있다. 유리 용해로 (10) 의 덮개부 (22) 는 생 유리형성 물질의 표면 위에서 약 3 - 10 피트 사이에 위치한다. 기술분야에서 잘 알려진 바와 같이, 상기 유리 용해로 (10) 는 선택적으로 하나 또는 그 이상의 버블러 (bubbler : 24) 및/또는 전기 부스트 전극을 포함할 수도 있다. 이 버블러 및/또는 전기 부스트 전극은 벌크 유리의 온도를 증가시키고 배치 커버 (batch cover) 하의 용융유리의 순환을 증가시킨다.
유리 용해로 (10) 는 2개의 연속적인 영역, 즉 용해영역 (26) 과 하류의 정제영역 (28) 을 포함한다. 이 용해영역 (26) 은 유리 용해로 (10) 의 상류영역으로서, 이 용해영역에서는 기술분야에서 잘 알려진 바와 같은 타입의 장입장치 (32) 를 이용하여 생 유리형성 물질 (30) 이 용해로 안으로 장입된다. 생 유리형성 물질 (30) 은 유리의 제조에서 일반적으로 사용되는 생 원료의 혼합물일 수도 있다. 생 유리형성 물질 (30) 의 구성 (make-up) 은 제조할 유리의 타입에 따라 좌우된다. 통상적으로는, 상기 물질은 보통 컬릿 (cullet) 으로 불리우는 미세하게 연마된 유리 부스러기를 포함하는 실리카 함유물질을 특히 포함한다. 또한, 장석, 석회석, 고회석, 소다회, 칼리, 붕사, 및 알루미나를 포함하는 다른 유리형성 물질이 사용될 수도 있다. 유리의 특성을 바꾸기 위하여, 비소, 안티모니, 황산염, 탄소 및/또는 플루오르화물이 소량 첨가될 수도 있다. 더욱이, 소망하는 색이 얻어지도록 색형성 금속 산화물이 첨가될 수도 있다.
생 유리형성 물질 (30) 은 유리 용해로 (10) 의 용해영역 (26) 에서 용융유리의 표면상에 고체입자의 배치층 (batch layer) 을 형성한다. 생 유리형성 물질 (30) 의 부유 고체 배치 입자는, 유리 용해로 (10) 의 덮개부 (22) 에 장착되고 제어된 모양과 길이의 충돌 화염을 가지는 적어도 하나의 산소-연료 버너 (34) 에 의해 주로 용해된다. 본 발명에 따라 생 유리형성 물질 (30) 위에 있는 상기 유리 용해로 (10) 의 덮개부 (22) 에 적어도 하나의 산소-연료 버너 (34) 를 설치하는 것에 의하면, 고체인 생 유리형성 물질의 용해속도가 증가함과 동시에, 이를 에워싸고 있는 내화재의 작동온도가 허용 작동한계내에서 유지된다.
앞서 기재한 "적어도 하나의 산소-연료 버너" 라 함은, 하나 또는 그 이상의 산소-연료 버너를 말한다. 더욱이, "적어도 하나의 산소-연료 버너에 의해 주로 " 라 함은, 생 유리형성 물질을 용해하는 에너지의 적어도 70% 가 적어도 하나의 산소-연료 버너에서 나오는 것을 말한다.
특히 바람직한 실시형태에서는, 도 1, 2, 및 4 에 도시된 바와 같이, 유리 용해로 (10) 는 3개의 산소-연료 버너 (34) 를 포함한다. 1개의 산소-연료 버너 (34) 는 하류에 인접하여 위치한 2개의 산소-연료 버너의 상류에 위치한다. 그러나, 생 유리형성 물질 (30) 을 용해시키기 위하여 배치위에 있는 용해로 (10) 의 덮개부 (22) 대부분의 임의의 적절한 위치에 임의의 수의 산소-연료 버너 (34) 가 위치할 수도 있다. 예컨대, 2개의 산소-연료 버너 (34) 가 나란히 위치할 수도 있거나 (도 3), 또는 1개의 산소-연료 버너가 사용될 수도 있다 (도 4). 그럼에도 불구하고, 본 발명에 따르면, 유리 용해로의 덮개부 (22) 에 설치되는 각 산소-연료 버너 (34) 의 각도 방향은, 생성된 화염 (36) 이 유리 배치면에 대하여 실질적으로 수직하게 향하여 상기 유리면 상에 충돌하는 화염을 형성하도록 구성되어야 한다. 바람직한 실시형태에 있어서, 산소-연료 버너 (34) 는 생 유리형성 물질 (30) 에 대해서 약 90 +/- 10 도의 각도로 위치한다. 본 발명에 따른 제어된 모양과 길이의 화염을 가지며 하향하여 점화하는 적어도 하나의 산소-연료 버너 (34) 를 이용하여 생 유리형성 물질 (30) 을 용해시킴으로써 유리 생성속도 및 생성되는 유리의 질을 향상시킬 수도 있다.
도 5 에서 보면, 유리 용해로 (10) 의 덮개부 (22) 에 설치되는 적어도 하나의 산소-연료 버너 (34) 는, 가스연료 공급용의 내부 중앙 원통형 가스연료관 (40) 과, 이 중앙 가스연료관의 출구와 동심이며 산소 공급용의 외부 원통형 산소관 (42) 을 갖는다. 상기 산소-연료 버너 (34) 는, 유리 용해로 (10) 의 크기 및 소망하는 풀 레이트 (pull rate) 에 따라 약 1 - 10 MM Btu/hr 범위의 용량을 가질 수도 있다. 상기 산소-연료 버너 (34) 는 공기에 존재하는 것보다 더 많은 퍼센티지의 산소를 사용하도록 구성되므로, 상기 산소-연료 버너 (34) 로부터 나오는 화염 (36) 의 침범부위 위의 온도는, 실질적으로, 공기-연료 버너를 이용하는 종래의 유리 용해로에서의 온도보다 더 높다. 그럼에도 불구하고, 기술분야의 숙련자에게 잘 알려진 바와 같이, 산소-연료 버너 (34) 에 의해 부여되는 화염 (36) 의 온도는 연료의 질과 산소/연료 비율에 따라 좌우된다. 바람직한 실시형태에 있어서, 산소-연료 버너 (34) 의 산소농도는 일반적으로 연료를 연소시키는 데에 필요시되는 화학량론적 산소량의 약 95 - 125 퍼센트의 수준이다. 그러나, 예컨대 레독스 레벨 (redox level), 시드 레벨 (seed level) 및/또는 다른 유리 특성을 포함하여 하나 또는 그 이상의 소망하는 특성을 이루기 위하여, 연료/산소 비율을 바꿈으로써 유리 용해로 (10) 에 있어서 변동가능한 범위의 작동조건을 실시할 수가 있다.
산소-연료 버너 (34) 는 유리 용해로 (10) 의 덮개부 (22) 에 위치한 버너 블록 (38) 으로부터 아래쪽으로 연장한다. 각 버너 블록 (38) 은 내경 (id) 을 가지는 구멍을 포함하는데, 이 구멍의 내경은 적어도 상기 원통형 산소관 (42) 의 외경만큼 크다. 상기 버너 블록 (38) 의 구멍의 내경 (id) 은 약 2 - 8 인치의 범위일 수도 있다. 산소-연료 버너 (34) 의 단부는 버너 블록 (38) 의 단부로부터 약 3 - 18 인치 사이의 거리 (LBb) 를 두고 있다. 상기 산소-연료 버너 (34) 의 단부와 상기 버너 블록의 단부 사이에 존재하는 버너 블록 (38) 구멍은, 버너의 화염을 집중시킴으로써 이 버너의 화염이 바깥으로 퍼지게 되는 것을 방지하는 작용을 한다. 상기 버너 블록 (38) 은, 기술분야에서 잘 알려진 바와 같은 내화재로 제조되고, 직사각형 등과 같이 임의의 적절한 모양을 가질 수도 있다.
버너 블록 (38) 의 저면은, 덮개부 (22) 의 내면과 같은 높이로 위치할 수도 있으며, 또는 덮개부를 보호하고 생 유리형성 물질에 충돌하는 지점에서 제어된 화염속도를 가지는 충돌 화염 패턴의 형성이 증진되도록 상기 덮개부의 내면 아래로 2 - 18 인치 정도 돌출할 수도 있다. 더욱이, 도 5 에 도시된 바와 같이, 상기 산소-연료 버너 (34) 의 연료관 (40) 과 산소관 (42) 은 버너 블록 (38) 내에서 아래쪽으로 연장하여 상기 생 유리형성 물질 (30) 의 표면으로부터 실질적으로 동일한 수직 높이의 지점에서 종결한다.
본 발명에 따르면, 적어도 하나의 산소-연료 버너 (34) 에 의해 생성되는 하향 충돌 화염 (36) 은, 내화재와 거리를 두고서 상기 생 유리형성 물질 (30) 및 용융유리의 표면에 열에너지를 제공하도록 정확히 제어되므로, 유리 용해로 (10) 의 덮개부 (22) 및 측벽 (18) 의 과열위험이 저감한다. 충돌 화염 (36) 은 종래 화학처리에 있어 표준이 되는 제어장치에 의해 제어될 수도 있다. 예컨대, 밸브, 써모커플 (thermocouples), 적절한 서보 회로와 결합된 서미스터, 가열제어장치 등이 유용하며, 종래, 산소-연료 버너 (34) 로부터의 연료 및 산소의 양과 속도를 제어하기 위하여 사용된다. 유리 용해로 (10) 내에서 생성되는 최종적인 온도 형상은, 공기-연료 버너를 이용하는 유리 용해로 또는 측벽에 설치된 산소-연료 버너가 유리의 표면에 평행하게 점화하도록 되어 있는 종래의 산소-연료 노와는 대조적으로, 일반적으로 유리 용해로의 길이에 걸쳐 더 균일하다. 일반적으로, 적어도 하나의 산소-연료 버너 (34) 를 기용하는 유리 용해로 (10) 내에서의 온도는 2300 - 3100 ℉ 사이의 범위에서 변한다. 충돌 화염 (36) 은, 적어도 하나의 산소-연료 버너 (34) 로부터의 연료 및 산소의 상대속도 및 최대, 최소 속도를 제어함으로써 정확히 제어된다.
상대속도, 즉 가스연료와 산소와의 속도는, 생 유리형성 물질 (30) 의 표면에 하향하는 일반적으로 층류인 가스연료 흐름과 일반적으로 층류인 산소 흐름을 제공하도록 실질적으로 동등하여야 한다. 바람직한 실시형태에 있어서, 산소-연료 버너 (34) 로부터의 가스연료와 산소의 상대속도는 20% 이하의 범위에서 서로 변할 수도 있다. 더욱이, 산소-연료 버너 (34) 출구에 있어서의 산소와 연료간의 최대 유속차는 초당 약 50 표준 피트를 초과할 수 없을 수도 있다. 상기 연료 층류 및 산소 층류는, 연료와 산소의 조기 혼합을 방지하여 상기 생 유리형성 물질 (30) 의 상부표면 직전에서 지연 혼합 및 연소가 일어나도록 함으로써, 대략 주형 모양 (columnar shape) 의 중앙부를 가지면서 생 유리형성 물질의 표면에 충돌하는 화염 (36) 을 생성하여, 상기 생 유리형성 물질에 최적의 열전달을 제공한다. "중앙부" 라고 함은 도면에 나타낸 바와 같은 자유 분사영역 (54) 을 말한다.
실질적으로 동등한 산소 및 연료 유동속도를 제공하는 것에 더하여, 상기 생 유리형성 물질의 표면에 대해 최적의 대류 열전달을 유지하는 한편, 유리 배치 물질이 반출되거나 측벽 (18) 과 덮개부 (22) 에 대하여 변위를 일으키지 않도록, 상기 생 유리형성 물질 (30) 의 표면에 충돌하는 연료 및 산소 흐름의 최대, 최소 속도를 제어하여야 한다.
유리 배치 물질이 측벽 (18) 과 덮개부 (22) 에 대해 변위되면, 내화재에 역효과를 불러 일으켜 유리 용해로 (10) 의 작동수명을 단축시키게 된다.
산소-연료 버너 (34) 의 연료 및 산소의 최대, 최소 속도는, 내화재에 대한 손상없이 충돌 화염 (36) 으로부터 최대의 에너지를 얻을 수 있도록 제어된다. 충돌 화염 (36) 으로부터의 최대 에너지는, 유리 용해로 (10) 의 연소공간에 전달되는 열량을 최소화하고 생 유리형성 물질 (30) 에의 열전달을 최대화함으로써 달성된다. 내화재로 이루어지는 노벽과 상부 구조물에 대한 손상없이 생 유리형성 물질 (30) 에 허용가능한 열전달속도를 발생시키기 위한, 산소-연료 버너 (34) 에 있어서의 최대, 최소 작용 속도범위는, 산소-연료 버너의 동심적 튜브-인-튜브 (tube-in-tube) 구성, 버너 블록의 개구형상 및 상기 산소-연료 버너 (34) 로부터의 연료 및 산소의 속도의 함수이다.
도 6 에는, 상부 작동곡선 (44) 과 하부 작동곡선 (46) 을 포함하는 챠트가 도시되어 있다. 이 챠트의 x축은 무차원 파라미터 (H/id) 에 관한 것이며, 챠트의 y축은 버너 블록의 선단에서의 최대 화염속도 (VBb) 에 관한 것이다. 상부 작동곡선 (44) 과 하부 작동곡선 (46) 은 주어진 H/id에 대한 버너 블록 (38) 의 선단에서의 최대, 최소 허용속도 (VBb) 를 나타내며, 3개의 작동영역, 즉 상부 작동영역 (48), 중간 작동영역 (50), 및 하부 작동영역 (52) 을 한정짓는다. 상부 작동영역 (48) 은 과도한 고속도 영역 또는 불안전한 작동영역을 나타내고, 하부 작동영역 (52) 은 열적으로 비효율적인 영역을 나타낸다. 중간 작동영역 (50) 은 본 발명에 따른 산소-연료 버너 (34) 의 허용가능한 작동영역을 정의한다. 도 6 에 도시된 바와 같이, H/id파라미터의 범위는 약 6 - 30 이고, 버너 블록의 선단에서의 최대 허용속도 (VBb) 는 초당 550 피트이다. 상기 중간 작동영역 (50) 은 상기 생 유리형성 물질 (30) 에, 필요한 충돌 화염 (36) 주형모양과 소망의 열전달특성을 제공한다.
산소-연료 버너 (34) 를 위한 상부 작동곡선 (44) 과 하부 작동곡선 (46) 은 다음과 같은 4차 직선 다항식으로 정의된다:
VBb= a + b(H/id) + c(H/id)2+ d(H/id)3+ e(H/id)4Ⅰ
여기서,
VBb= 버너 블록의 단부에서의 최대속도 (피트/초),
H = 버너 블록의 단부로부터 생 유리형성 물질 표면까지의 거리 (피트),
id= 버너 블록 구멍의 내경 (피트).
도 6 에 도시된 바와 같은 상부 작동곡선 (44) 에 대하여, H/id의 비율은 약 6 - 20 이고, VBb의 범위는 초당 약 190 - 550 피트 사이이며, 계수의 값은, a = 571.0801, b = -187.2957, c = 30.1164, d = -1.8198, 및 e = 0.04 이다. 도 6 에 도시된 바와 같은 하부 작동곡선 (46) 에 대하여, H/id의 비율은 약 6 - 30 이고, VBb의 범위는 초당 약 50 - 300 피트 사이이며, 계수의 값은, a = -103.6111, b = 38.9939, c = -2.8772, d = 0.1033, 및 e = -0.00125 이다. 특히 전술한 바와 같은 H 및 id에 대하여는, 생 유리형성 물질 (30) 에 필요한 충돌 화염 (36) 주형모양 및 소망의 열전달특성을 제공하여 상기 생 유리형성 물질을 용해하도록, (H/id) 파라미터를 설정하고 (챠트의 x축), 차례로 상부 작동곡선 (44) 과 하부 작동곡선 (46) 간에 있어야 하는 버너 블록의 선단에서의 산소-연료 버너 (36) 의 최대속도 (VBb) (챠트의 y축) 를 결정한다.
도 5 에는, 도 6 의 중간 작동영역 (50) 내에서 작동할때의, 본 발명에 따른 충돌 화염 (36) 의 주형 모양이 도시되어 있다. 충돌 화염 (36) 은 3개의 별개의 유동영역, 즉 자유 분사영역 (54), 스태그네이션 영역 (56), 및 벽 분사영역 (58) 을 가지는 축대칭 주형 화염이다.
자유 분사영역 (54) 은 방해가 없는 충돌 화염 영역이다. 이 자유 분사영역 (54) 내에서는, 화염 (36) 은 생 유리형성 물질 (30) 의 표면에 충돌하기 전에 주형모양을 나타낸다. 주형의 화염 모양은 산소 및 연료 흐름의 제어 출구속도의 결과로서 형성된 것이다. 더 상세하게는, 자유 분사영역 (54) 내에서는, 산소 및 연료 흐름은 버너 블록 (38) 의 구멍으로부터 흘러나와, 연장된 길이에 대하여 제어된 층류를 형성하는 2개의 흐름 사이에 제어된 전단응력을 형성함으로써, 상기 2개의 흐름의 정확히 제어된 혼합과 부분적으로 제어된 연소를 제공한다. 자유 분사영역 (54) 에서 얻어지는 부분적으로 제어된 연소는 성장하고 있는 충돌 화염 (36) 의 열전달특성에 있어 중요하다. 주형 자유분사 화염모양은 버너 블록 (38) 의 단부와 생 유리형성 물질 (30) 표면 사이의 1/2 지점인 거리 H/2 에서 화염 직경 (D2) 을 가지는데, 이 화염 직경은 다음과 같은 관계식으로 정의된다:
1.5id≤D2 ≤id+ 0.15H Ⅱ
여기서,
id= 버너 블록 구멍의 내경,
H = 버너 블록의 단부로부터 생 유리형성 물질 표면까지의 거리,
D2 = 버너 블록의 단부와 생 유리형성 물질 표면 사이의 1/2 지점의 거리에서의 화염 직경.
제 2 영역, 즉 스태그네이션 영역 (56) 은, 화염 (36) 이 열경계층에 침입하여 생 유리형성 물질 (30) 의 표면에 충돌하는 영역이다. 이 스태그네이션 영역 (56) 내에서, 화염 (36) 은 열경계층에 침입하여 생 유리형성 물질의 표면에 충돌하게 되는데, 표면에서 일어나는 급격한 압력구배에 의해, 편향된 화염의 수평흐름이 가속화되어 충돌 표면을 따라 방사상으로 바깥쪽으로 퍼지게 된다. 스태그네이션 영역 (56) 의 말단은, 생 유리형성 물질의 표면상에 있어서, 충돌 화염 (36) 에 의해 발생된 압력구배가 영 (zero) 으로 강하되는 위치로서 정의된다. 스태그네이션 영역 (56) 내에서는, 화염 (36) 운동량을 세심하게 제어함으로써, 유리 형성물질 (30) 의 표면에 자연적으로 존재하는 열경계층이 침투되어 제거되므로 그의 강한 내열특성이 약화된다. 따라서, 충돌 화염 (36) 에 의해 발생된 열이 부분적으로 용해된 생 유리형성 물질 (30) 에 더 용이하게 침입한다. 더욱이, 상기 스태그네이션 영역 (56) 내에서는, 화염 (36) 발광율이 크게 증가하여, 상대적으로 온도가 낮은 생 유리형성 물질 (30) 에의 복사 열전달이 향상된다.
상기 스태그네이션 영역 (56) 의 방사방향 경계에서는 벽 분사영역 (58) 이 시작된다. 이 영역에서는, 화염 (36) 이 충돌 표면에 대해 실질적으로 나란하게 흐르고, 열경계층은 상기 스태그네이션 영역 (56) 으로부터 바깥쪽으로 충돌 표면을 따라 성장하여, 내열표면을 생 유리형성 물질 표면으로 회복하는 빌드업을 개시한다.
자유 분사영역 (54) 내의 제어된 화염열의 발생은 산소-연료 버너 (34) 의 동심적인 튜브-인-튜브 구성, 버너 블록 (38) 구멍의 내경 (id), 및 산소 및 연료 흐름의 상대속도, 최대속도, 및 최소속도의 결과이다. 산소-연료 버너 (34) 의 구성, 버너 블록 (38) 의 기하학적인 구성, 및 산소 및 연료 흐름의 속도를 선택적으로 제어함으로써, 산소와 연료 흐름간의 전단응력이 저감되어 부분적으로 연소가 제어되고 열복사 방출이 저감된다. 산소-연료 버너 (34) 를 전술한 중간 작동영역 (50) 내에서 작동시킴으로써, 자유 분사영역 (54) 에서 발생한 화염열 및 스태그네이션 영역 (56) 의 생 유리표면에서의 내열성이 최소화되어 상기 스태그네이션 영역에서 발생하는 열이 최대화된다.
자유 분사영역 (54) 에서 발생한 열은 다음과 같은 프로세스의 결과이다. 첫째, 자유 분사영역 (54) 에서의 제어된 부분적인 연소에 따른 생 유리형성 물질 (30) 의 표면에서의 제어된 연소에 의해 생 유리형성 물질 표면의 직전에서 연소 프로세스가 이루어진다. 생 유리형성 물질 (30) 표면의 직전에서 연소 프로세스가 이루어짐으로써, 생 유리형성 물질의 표면에서 고 온도구배가 일어나 대류 열전달이 향상된다. 둘째, 자유 분사영역 (54) 에서의 제어된 부분적인 연소는 연소 가스 및 연소 생성물의 화학적 분열을 위한 허용가능한 온도를 발생한다. 이들 종류는, 일단 생 유리형성 물질 (30) 의 상대적으로 저온인 표면에 충돌하면, 발열적으로 부분 재결합하여 상기 생 유리형성 물질의 표면에서 큰 열을 발생한다. 발열반응으로부터의 열은 추가로 대류 열전달 프로세스를 증대시킨다.
생 유리형성 물질 (30) 표면의 스태그네이션 영역 (56) 에서의 내열성의 최소화는 다음과 같은 요인의 결과이다. 첫째, 열경계층은 생 유리형성 물질 (30) 표면에서 세심하게 제어된 연소특성에 의해 발생된 난류와 제어된 화염 (36) 운동량을 통해 제거된다. 둘째, 국부적인 표면의 열발생은 열전도가 낮은 생 유리형성 물질 (30) 을 열전도가 좋은 용융 유리물질로 변환시킨다. 이러한 변환에 의하면, 표면에서 발생된 열이 생 유리형성 물질 깊이에 더 효율적으로 침입하게 된다. 이러한 향상된 열의 침입에 의해 용융유리의 표면온도가 하강하므로, 화염 (36) 과 용융유리 표면간의 온도구배가 증가하여 대류 열전달 프로세스가 증대된다.
용융유리는 유리 용해로 (10) 의 용해영역 (26) 으로부터 정제영역 (28) 으로 흐른다. 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 정제영역 (28) 은 유리 용해로 (10) 의 덮개부 (22) 에 장착된 적어도 하나의 하류 산소-연료 버너 (34) 를 포함한다. 하류의 산소-연료 버너 (34) 는 전술한 것과 구성이 동일하며, 충돌 화염의 소망의 네트 효과를 달성하도록 제어된 변화에 따라 동일 조건하에 작동한다. 예컨대, 충돌 화염 (36) 은 더 발광하여 용해특성에 영향을 미치도록 조절될 수도 있다. 상기 하류의 산소-연료 버너 (34) 는, 통상의 대류가 일어나는 위치, 즉 유리 용해로 (10) 길이의 2/3 - 3/4 지점에서 아래쪽으로 점화하도록 위치된다.
상기 적어도 하나의 하류 산소-연료 버너 (34) 는, 표면유리의 온도를 증가시키고 용해와 혼합을 증진시켜, 불완전하게 반응한 생 유리형성 물질이나 불충분하게 혼합한 표면물질과 같은 표면결함을 제거함으로써, 형성영역으로 전진이동하는 유리의 질을 개선시키는 것으로 밝혀졌다. 더욱이, 상기 적어도 하나의 하류 산소-연료 버너 (34) 는, 물질의 전진 흐름에 경계를 제공하고 용융유리내에서의 자연적인 대류를 증진시켜 고온의 유리가 생 유리형성 물질하에서 후방으로 흐르도록 함으로써, 용융유리의 전진 서어지를 방지함과 동시에, 용해효과를 증가시켜 정제영역에서의 유리온도를 증가시킨다. 전진이동하는 유리가 고온이므로, 정제가 더 급속히 이루어지고 전진영역에서의 연료소비가 저감된다. 더욱이, 통상적으로 하류 유리표면상에 발포층을 가지는 유리 용해로에 대하여는, 상기 하류 산소-연료 버너 (34) 에 의해 발포가 줄어드는 것으로 밝혀졌다. 발포가 저감함으로써 유리물질로의 열전달이 증가하므로, 유리 용해로 (10) 에 있어서 다르게 필요시되는 열에너지가 저감하고, 유리 용해로의 작동효율이 개선된다.
상기 덮개부-장착식의 적어도 하나의 산소-연료 버너 (34) 는 새로운 유리 용해로 (10) 에 설치될 수도 있으며, 또는 기존의 유리 용해로에 설치되어, 실질적으로 설비공간을 줄이고, 공기-연료 점화식 노 또는 종래의 측면 점화식 산소-연료 노에 대한 유리의 질을 향상시킬 수도 있다. 본 발명에 따르면, 동일의 공기-연료 노 또는 전술한 바와 같은 덮개부-장착식의 적어도 하나의 산소-연료 버너를 설치하지 않은 종래의 산소-연료 버너에 비하여, 실질적인 풀 레이트 (pull rate) 의 증가, 유리 용해로 (10) 의 벽 온도의 저감, 및 유리 질의 개선이 수월하다. 더욱이, 당업자가 용이하게 알 수 있는 바와 같이, 모든 공기-연료 버너 장치와는 대조적으로 적어도 하나의 산소-연료 버너를 사용하는 것에 의하면 NOx의 배출이 상당히 줄어든다.
전술한 특허 및 간행물은 여기에 참고로 병합된다.
이상, 본 발명을 소정의 실시형태를 통해 상세히 설명하였으나, 본 발명은 청구항의 정신 및 범위내에서 다른 실시형태로 실시될 수 있음을 당업자들은 알 수 있을 것이다.

Claims (23)

  1. 내화벽이 설치되어 있고, 측벽에 의해 바닥에 연결되어 용해영역 및 하류의 정제영역으로 이루어지는 신장 채널을 형성하는 덮개부를 가지는 유리 용해로 안의 생 유리형성 물질로부터, 축열기 또는 회수열교환기를 사용하지 않고서, 정제된 유리를 제조하는 방법으로서,
    상기 유리 용해로의 용해영역에 생 유리형성 물질을 장입하는 단계;
    버너 블록 안에 설치되며, 가스연료 공급용의 내부 중앙 원통형 가스연료관과, 이 중앙 가스연료관의 출구와 동심이며 산소 공급용의 외부 원통형 산소관을 가지는 적어도 하나의 산소-연료 버너를, 상기 유리 용해로의 덮개부에 설치하는 단계;
    상기 산소-연료 버너로부터 나오는 가스연료와 산소의 속도를 제어하는 단계로서, 일반적으로 층류인 가스연료 흐름과 일반적으로 층류인 산소 흐름이 생 유리형성 물질의 상부표면 직전에서 연소하여, 대략 주형 모양의 중앙부를 가지면서 상기 생 유리형성 물질의 표면에 충돌하는 화염을 생성하도록, 상기 가스연료와 산소의 속도를 실질적으로 동등하게 하는 단계;
    축열기 또는 회수열교환기를 사용하지 않고서, 상기 적어도 하나의 산소-연료 버너로부터의 화염 커버리지에 의해 생 유리형성 물질을 용해영역내에서 용해하는 단계; 및
    정제된 유리를 정제영역으로부터 빼내는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 산소-연료 버너로부터의 가스연료속도와 산소속도는 약 20% 이하의 범위에서 변하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 산소-연료 버너는 상기 용해영역 위에 위치하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 하류 정제영역 위에 적어도 하나의 산소-연료 버너가 위치하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 하류 정제영역 위의 상기 적어도 하나의 산소-연료 버너는 상기 유리 용해로 길이의 약 2/3 - 3/4 지점에 위치하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 버너 블록은 약 2 - 8 인치 사이의 내경을 가지는 구멍을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 산소-연료 버너는 상기 버너 블록의 구멍 안에 약 3 - 18 인치의 거리를 두고서 설치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 버너 블록의 단부와 상기 생 유리형성 물질 사이의 1/2 거리에서의 화염 직경은 다음의 관계식으로 정의되는 것을 특징으로 하는 방법.
    1.5id≤D2 ≤id+ 0.15H Ⅱ
    여기서,
    id= 버너 블록 구멍의 내경,
    H = 버너 블록의 단부로부터 생 유리형성 물질의 상부표면까지의 거리,
    D2 = 버너 블록의 단부와 생 유리형성 물질 표면 사이의 1/2 거리에서의 화염 직경.
  9. 내화벽이 설치되어 있으며, 생 유리형성 물질로부터 정제된 유리를 제조하기 위한 유리 용해로로서,
    측벽에 의해 바닥에 연결되어, 용해영역 및 하류의 정제영역으로 이루어지는 신장 채널을 형성하는 덮개부;
    버너 블록 안에 설치되어 상기 유리 용해로의 덮개부에 위치되며, 또한 가스연료 공급용의 내부 중앙 원통형 가스연료관과, 이 중앙 가스연료관의 출구와 동심이며 산소 공급용의 외부 원통형 산소관을 가지는 적어도 하나의 산소-연료 버너; 및
    상기 산소-연료 버너로부터 나오는 가스연료와 산소의 속도를 제어하는 수단으로서, 일반적으로 층류인 가스연료 흐름과 일반적으로 층류인 산소 흐름이 생 유리형성 물질의 상부표면 직전에서 연소하여, 대략 주형 모양의 중앙부를 가지면서 상기 생 유리형성 물질의 표면에 충돌하는 화염을 생성하도록, 상기 가스연료와 산소의 속도를 실질적으로 동등하게 하는 수단을 포함하는 유리 용해로.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 산소-연료 버너로부터의 가스연료속도와 산소속도는 약 20% 이하의 범위에서 변하는 것을 특징으로 하는 유리 용해로.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 산소-연료 버너는 상기 용해영역 위에 위치하는 것을 특징으로 하는 유리 용해로.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 하류 정제영역 위에 적어도 하나의 산소-연료 버너가 위치하는 것을 특징으로 하는 유리 용해로.
  13. 제 12 항에 있어서, 하류 정제영역 위의 상기 적어도 하나의 산소-연료 버너는 상기 유리 용해로 길이의 약 2/3 - 3/4 지점에 위치하는 것을 특징으로 하는 유리 용해로.
  14. 제 9 항에 있어서, 상기 버너 블록은 약 2 - 8 인치 사이의 내경을 가지는 구멍을 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 용해로.
  15. 제 9 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 산소-연료 버너는 상기 버너 블록의 구멍 안에 약 3 - 18 인치의 거리를 두고서 설치되는 것을 특징으로 하는 유리 용해로.
  16. 제 9 항에 있어서, 상기 버너 블록의 단부와 상기 생 유리형성 물질 사이의 1/2 거리에서의 화염 직경은 다음의 관계식으로 정의되는 것을 특징으로 하는 유리 용해로.
    1.5id≤D2 ≤id+ 0.15H Ⅱ
    여기서,
    id= 버너 블록 구멍의 내경,
    H = 버너 블록의 단부로부터 생 유리형성 물질의 상부표면까지의 거리,
    D2 = 버너 블록의 단부와 생 유리형성 물질 표면 사이의 1/2 거리에서의 화염 직경.
  17. 내화벽이 설치되어 있고, 측벽에 의해 바닥에 연결되어 용해영역 및 하류의 정제영역으로 이루어지는 신장 채널을 형성하는 덮개부를 가지는 유리 용해로 안의 생 유리형성 물질로부터 정제된 유리를 제조하는 방법으로서,
    상기 유리 용해로의 용해영역에 생 유리형성 물질을 장입하는 단계;
    상기 생 유리형성 물질을 상기 용해영역내에서 용해하는 단계;
    버너 블록 안에 설치되며, 가스연료 공급용의 내부 중앙 원통형 가스연료관과, 이 중앙 가스연료관의 출구와 동심이며 산소 공급용의 외부 원통형 산소관을 가지는 적어도 하나의 산소-연료 버너를, 상기 유리 용해로에 있어 하류 정제영역 위의 덮개부에 설치하는 단계;
    상기 산소-연료 버너로부터 나오는 가스연료와 산소의 속도를 제어하는 단계로서, 일반적으로 층류인 가스연료 흐름과 산소 흐름이 생 유리형성 물질의 상부표면 직전에서 연소하여 대략 주형 모양의 중앙부를 가짐으로써, 용융유리 표면으로부터의 발포층을 실질적으로 저감하여 용융유리의 정제를 촉진하도록, 상기 가스연료와 산소의 속도를 실질적으로 동등하게 하는 단계; 및
    정제된 유리를 정제영역으로부터 빼내는 단계를 포함하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 산소-연료 버너로부터의 가스연료속도와 산소속도는 약 20% 이하의 범위에서 변하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 17 항에 있어서, 하류 정제영역 위의 상기 적어도 하나의 산소-연료 버너는 상기 유리 용해로 길이의 약 2/3 - 3/4 지점에 위치하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 버너 블록은 약 2 - 8 인치 사이의 내경을 가지는 구멍을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 19 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 산소-연료 버너는 상기 버너 블록의 구멍 안에 약 3 - 18 인치의 거리를 두고서 설치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 내화벽이 설치되어 있고, 측벽에 의해 바닥에 연결되어 용해영역 및 하류의 정제영역으로 이루어지는 신장 채널을 형성하는 덮개부를 가지는 유리 용해로 안의 생 유리형성 물질로부터, 축열기 또는 회수열교환기를 사용하지 않고서, 정제된 유리를 제조하는 방법으로서,
    상기 유리 용해로의 용해영역에 생 유리형성 물질을 장입하는 단계;
    버너 블록 안에 설치되며, 가스연료 공급용의 내부 중앙 원통형 가스연료관과, 이 중앙 가스연료관의 출구와 동심이며 산소 공급용의 외부 원통형 산소관을 가지는 적어도 하나의 산소-연료 버너를, 상기 유리 용해로의 덮개부에 설치하는 단계;
    생 유리형성 물질의 상부표면 직전에서 연소하여 대략 주형 모양의 중앙부를 가지는 화염을 생성하도록, 상기 산소-연료 버너로부터 나오는 가스연료와 산소의 버너 블록 출구에서의 최대속도를, 하기의 4차 직선 다항식에 따른 상부 작동곡선과 하기의 4차 직선 다항식에 따른 하부 작동곡선에 의해 정의되는 작동영역내에서 제어하는 단계;
    축열기 또는 회수열교환기를 사용하지 않고서, 상기 적어도 하나의 산소-연료 버너로부터의 화염 커버리지에 의해 생 유리형성 물질을 용해영역내에서 용해하는 단계;
    용해된 생 유리형성 물질을 정제영역에서 정제하는 단계; 및
    정제된 유리를 정제영역으로부터 빼내는 단계를 포함하는 방법.
    상부 작동곡선 (VBb)
    VBb= a + b(H/id) + c(H/id)2+ d(H/id)3+ e(H/id)4Ⅰ
    여기서,
    H/id= 약 6 - 20,
    VBb= 초당 약 190 - 550 피트,
    a = 571.0801,
    b = -187.2957,
    c = 30.1164,
    d = -1.8198,
    e = 0.04.
    하부 작동곡선 (VBb)
    VBb= a + b(H/id) + c(H/id)2+ d(H/id)3+ e(H/id)4Ⅰ
    여기서,
    H/id= 약 6 - 30,
    VBb= 초당 약 50 - 300 피트,
    a = -103.6111,
    b = 38.9939,
    c = -2.8772,
    d = 0.1033,
    e = -0.00125.
  23. 제 22 항에 있어서, 추가로, 버너 블록 안에 설치된 적어도 하나의 산소-연료 버너를, 상기 유리 용해로에 있어 하류 정제영역 위의 덮개부에 설치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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