KR20010060159A - 산소-연료 연소 방식으로 공기-연료 연소 방식을 지원하는방법 및 장치 - Google Patents

산소-연료 연소 방식으로 공기-연료 연소 방식을 지원하는방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산소의 공급이 갑자기 감소되거나 중단되는 경우에 산소-연료 연소 시스템의 연소를 지속시키는 방법과 장치에 관한 것이다. 공기 또는 산소가 농후하게 된 공기와 연료는 가열되는 장치로 도입되어 여기서 산소-연료 혼합물이 연소되고 로의 가열 수준이 유지된다. 공기 또는 산소가 농후하게 된 공기 모드에서 작동하는 경우에 배기 가스의 체적을 감소시키기 위해 로 가스의 수냉이 이루어진다.

Description

산소-연료 연소 방식으로 공기-연료 연소 방식을 지원하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR BACKING-UP OXY-FUEL COMBUSTION WITH AIR-FUEL COMBUSTION}
본 발명은 금속, 유리, 세라믹 소재 등의 다양한 제품의 제조용 용융로에서 온도를 높이는 산소-연료 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 산소-연료 공정에서 산소의 공급이 감소하거나 중단되는 경우에도 연소를 지속시키기 위한 연소 방법 및 장치에 관한 것이다.
유리 용융과 같은 산업 공정에서 산소-연료 버너를 사용함으로써 로의 설계자는 화염 운동량, 유리 용융 범위 및 화염 복사 특성을 변경시킬 수 있게 된다. 그러한 버너와 연소 공정의 예로서 미국 특허 제5,256,058호, 제5,346,340호, 제5,547,368호 및 제5,575,637호를 들 수 있으며, 이들 특허는 참고로서 본 명세서의 내용을 이룬다.
유리 제조에서 산소-연료를 이용하는 매우 효과적인 하나의 방법 및 장치는 다단 연소와 관련되어 있는데, 그 내용은 미국 특허 제5,611,682호에 기재되어 있으며 참고로서 본 명세서의 내용을 이룬다.
1990년대 초에 유리 제조에서 로는 공기-연료 연소에서 산소-연료 연소로 전환되기 시작하였다. 산소 농도가 약 30%에 달하도록 증가되는 경우에 몇 가지 공기-연료 시스템의 산소 농후화가 이루어졌다. NOx 오염 물질을 형성할 가능성이 증가되는 이유로 인하여 40 ~ 80 % 범위의 더 높은 산소 농도는 이용되지 않는다. 농도 90 ~ 100 %로 산소가 존재하는 경우에 산소-연료 연소 방식을 이용하는 것이사용자에게 더욱 유리한 것으로 밝혀졌다.
수많은 대형의 산소-연료 로에는 공지의 극저온 또는 진공 스윙 흡수 기법을 이용하여 현장에서 생성된 산소가 공급된다. 현장에서 생성되는 산소의 공급을 지원하는 유일한 방법으로서 액화 산소를 현장에 두는 것은 통상적이며 현재까지 그러한 방식이 이루어지고 있다. 따라서, 현장의 발생 설비가 처리상의 문제 또는 정규의 유지 보수로 인하여 작동 상태에 있지 않은 경우에, 산소-연료 연소용 산소의 공급에 액체 산소를 이용하게 된다. 현장에서 생성되는 산소를 지원하는 이러한 방법은 액체 형태로 산소를 저장하는 대용량의 절연된 탱크와 액체 산소를 산소-연료 공정에 사용하는 기체 산소로 변환시킬 수 있는 증발기를 요한다. 큰 공기 분리 설비로부터 현장으로 액체 산소를 운반하는 데 트럭을 이용하는 것이 통상적이다. 액체 산소를 이용하여 현장에서 산소를 생성하는 시스템을 지원함으로써 사용자는 중단 없이 산소-연료 공정을 지속시킬 수 있게 된다. 예를 들어, 전술한 특허에 개시된 것들 중의 하나와 같은 어떠한 산소-연료 연소 시스템도 지원 시스템을 갖춘 현장 생성 시스템의 장점을 취하게 된다.
현재까지, 액체 산소를 둠으로써 산소-연료 유리 로를 지원하는 것은 문제가 있는 것으로 생각되지 아니하였다. 그러나, 복수의 로가 있는 현장에서 더 많은 로를 변환하고 더 많은 산소를 사용하는 편평하거나 부양식의 로에서 산소-연료를 사용하는 경우에, 액체 산소의 지원은 그 저장 탱크와 증발기의 설비 비용으로 인하여 사용자에게 큰 문제로 된다. 비용 문제에 더하여, 액체 산소를 현장으로 운반하는 것 및 액체 산소를 생성하는 데 이용되는 가까운 공기 분리 설비로부터 급박한 통지에 의해 충분한 액체 산소를 공급하는 것과 관련된 보급 문제가 대두된다. 원거리에 있는 사용자 측으로의 액체 산소의 운송도 매우 어렵고 곤란한 문제이다.
통상적으로, 유리 로를 공기-연료 방식에서 산소-연료 방식으로 전환하는 경우에, 재열기 및 공기 공급 시스템과 같은 열 회수 장치가 제거된다. 사용자에게 있어서, 산소-연료 방식으로의 전환의 유인 중의 하나는 열 회수 장치를 제거하는 데 따르는 설비 비용의 감소이다. 산소-연료 버너의 구조로 인하여, 현재 사용되는 통상의 연소 시스템에서 단순히 산소를 공기로 대체하는 것만으로는 로가 작동될 수 없다. 산소-연료 버너에서 공기를 이용하여 등가량의 함유 산소를 제공하는 데 따르는 압력 조건은 매우 높고 값비싼 공기 공급 시스템을 필요로 한다. 더욱이, 몇 가지 산소-연료 버너는 등가의 발화 속도로 발화되는 경우에 음속류에 제한이 가해진다.
산소-연료 연소 방식의 이용 시에 산소 공급이 감소되거나 중단되는 경우에, 통상의 기법은 로를 "고온 유지"라 불리는 상태로 유지하는 것이다. 고온 유지는 생산이 중단된 상태에서 유리가 고화되지 않도록 로를 고온으로 유지하는 것이다. 유리가 고화되는 것을 방치하면 로가 심각하게 손상된다. 몇몇 회사는 냉각된 로를 수리한 후에 가열하는 것을 전문으로 하고 있다. 이들은 로의 온도를 최초로 상승시키는 데 특별히 고안된 공기-연료 버너를 이용한다. 산소 공급이 중단되는 경우에, 고온 유지를 위하여 충분히 가열하는 데에 동일한 버너가 이용될 수 있다. 이 과정에서 제조를 위한 어떠한 특별한 온도 프로파일도 시도되지 않았으며, 이들장치에서는 약 2200℉의 최대 온도를 얻을 수 있다. 이 온도는 유리 제조에 충분하지 않고 유리 생산자에 의해 이용되는 최소한의 사양이다. 유리 생산자가 유리를 제조하지 못하는 데 따르는 비용은 유리 제조 라인의 후공정의 중단뿐만 아니라 제품 판매의 손실 측면에서도 크다.
따라서, 산소의 공급이 감소 또는 중단된 경우에도 유리 제조에 이용되는 로에서의 제조를 유지하는 방법 및 장치를 제공하는 것이 확실히 요구된다.
도 1은 종래의 다단 연소 장치의 개략적 사시도이고,
도 2는 도 1의 선 2-2에서 취한 단면도이고,
도 3은 본 발명에 따른 장치의 개략적 사시도이고,
도 4는 도 3의 장치의 버너 블럭 또는 예연소실의 정면도이고,
도 5는 0의 출력으로부터 최고 출력까지의 조건에서의 표준화된 산소 유량에 대한 표준화된 메탄 유량의 선도이고,
도 6은 도 5의 출력에서의 표준화된 산소 유량에 대한 산소 농도의 선도이고,
도 7은 몇 가지 출력비에서 표준화된 산소 유량에 대한 표준화된 배기 유량의 선도이고,
도 8은 0의 출력으로부터 최고 출력까지의 출력비에서 산소 유량에 대한 공기로 희석된 후의 표준화된 배기 유량의 선도이고,
도 9는 0의 출력으로부터 최고 출력까지의 로 출력에서 표준화된 산소 유량에 대한 물로 희석된 후의 표준화된 배기 유량의 선도이다.
본 발명은 유리 용융 로와 같은 산업용 로에서의 제조를 유지하는 데에 산소의 농후화 여부에 관계없이 이용될 수 있는 것으로서, 공기-연료 연소 장치로 산소-연료 연소 장치를 지원하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 장치는 산소-연료, 공기-연료 또는 산소가 농후하게 된 공기-연료 모드에서 작동될 수 있도록 안출되었다. 본 발명에 따른 버너에는, 공기-연료 모드에서 작동하는 경우에 버너 전체를 통하여 용인될 만한 압력 강하가 있는 산소-연료 모드의 매우 낮은 속도로의 동작과 관련된 독특한 특징이 있다.
본 발명에 따르면, 미국 특허 제5,611,682호에 기재된 것과 같은 종래의 버너 블럭은 산소-연료 연소 또는 공기-연료 연소의 양 모드 사이에서 연소 장치가 신속하게 전환되는 산소-연료 또는 공기-연료 연소에 모두 사용될 수 있다. 본 발명에 따르면, 산소 공급 문제가 발생하는 경우에, 산소-연료 버너는 꺼지고 단락되어, 버너 블록에 연결되는 동일한 구성의 공기-연료 지원 버너로 대체된다. 공기-연료 지원 시스템으로 인하여, 사용자는 용융 공정에 사용되는 전술한 공기-연료 시스템으로 공기 공급 시스템을 계속 유지하거나 공기 송풍기가 지원 시스템의 일부로서 제공될 수 있다. 본 발명에 따른 공기 연료 버너는 산소-연료 버너보다 실질적으로 더 높은 유량으로 불을 땔 수 있어야 한다.
따라서, 본 발명은 그 일면으로서 산소-연료 연소를 이용하여 상승된 온도로 로의 가열을 유지하는 방법에 관한 것으로, 여기서 화염은 상기 로에 도입되고 산화제(oxidizer)는 상기 화염 아래로 도입되는데, 이때 본 발명의 방법은, 상기 화염 및 산화제로의 산소 공급이 없어지거나 중단되는 경우에, 산소만이 연소용의 유일한 산화체(oxidant)인 경우의 대략의 버너 발화 속도를 유지하는 속도로 도입되는 공기 또는 산소가 농후하게 된 공기 중의 하나로 화염을 대체하는 단계와, 연소가 이루어지고 상기 로 내의 상기 온도를 유지하게 해주는 연료로 상기 화염의 아래로 도입되는 산화제를 대체하는 단계로 이루어진다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 버너에 장착된 예연소기로 화염을 생성하도록 맞추어진 산소-연료 버너를 구비한 종류의 연소 시스템에 관한 것으로, 여기서 예연소기에는 버너의 화염 단부에 대해 유밀 관계에 있는 제1 단부와 가열을 위한 버너에 의해 생성되는 화염이 제조 설비를 지향하도록 맞추어지는 제2 단부가 마련된 대략 편평한 팬형 구조의 제1 통로와, 제1 통로의 아래에서 이와 동일 공간상에 배치된 예연소기의 구별되는 제2 통로가 구비되고, 상기 제2 통로는 산화제 흐름이 화염의 아래에서 이와 대체로 평행하게 지향되도록 예연소기의 상기 제2 단부의 노즐 단부에서 종단되는데, 이 시스템에는, 공기 또는 산소가 농후하게 된 공기 중의하나를 버너를 통하여 화염이 있는 예연소기로 도입하는 제1 수단과, 연료를 산화제 흐름이 있는 예연소기의 제2 통로로 도입하는 제2 수단을 더 포함하고, 이로써 연소 시스템은 산소 공급이 감소하거나 중단되는 경우에도 제조 설비를 계속 가열할 수 있다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 로에서 배출되는 배기 가스의 수냉을 통하여 본 발명의 방법과 장치에 따라 가열되는 로의 배기 가스 체적을 줄이는 것을 고려한다.
본 발명의 또 다른 측면으로서, 본 발명은 제조 설비에서의 가열을 유지하도록 산소-연료 연소를 공기-연료 연소로 대체하는 것에 관한 것으로, 공기 또는 산소가 농후하게 된 공기는 어떠한 방법에 의해서든지 상기 설비로 도입되는데, 이 공기는 요구되는 수준의 가열이 이루어지기에 충분한 체적이다. 이러한 측면에서 배기 가스의 수냉은 배기 가스 체적을 낮추는 데 유리한 것이 된다.
본 발명은 공기-연료 가열 시스템으로 산소-연료 가열 시스템을 지원하는 방법과 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 공기-연료의 지원 시스템은 공기의 산소 농후화에 관계없이 작동할 수 있다. 본 발명에 따른 버너는, 예를 들어 산소-연료 또는 공기-연료의 적어도 2개의 구별되는 모드가 가능하다. 이 버너의 또 다른 특징은 산소-연료 모드에서 매우 낮은 속도로 작동되어 공기의 산소 농후화와 관계없이 공기-연료 모드에서 작동하는 경우에 버너에서의 압력 강하가 용인할 만한 것이 되게 해주는 것이다. 본 발명의 목적상 산소-연료 연소는 산소 체적이 80 % 내지 100 %로 연소되는 것을 의미한다. 산소의 농후화는 산소 체적 농도가 22 % 내지 80 %의 범위에 드는 것을 의미한다.
본 발명에 따르면, 연소 시스템이 하나의 모드에서 나머지 모드로 신속하게 전환되도록 하면서 동일한 버너 블럭 또는 예연소기가 산소-연료 또는 공기-연료 동작의 양 경우에 이용될 수 있다. 이용자가 산소 공급의 문제를 직면하는 경우에 있어서, 산소-연로 버너는 꺼지고 단락되어, 버너 블럭에 동일하게 연결된 공기-연료 지원 버너로 대체된다. 공기-연료 지원 시스템에서 유리 제조자는 산소-연료 연소로 전환되기 전에 그 공기 공급 시스템이 존재하는 상태로 유지하거나, 송풍기가 지원 시스템의 일부로서 공급될 수 있다. 공기-연료 지원 버너의 발화 속도는 지원받는 산소-연료 버너의 발화 속도보다 실질적으로 더 높을 수 있다.
공기-연료 지원 버너는 질소를 가열하고 배출하는 데 따른 부가의 에너지 손실이 잇기 때문에 그 발화 속도는 더 빠를 것이 요구된다. 더욱이, 지원 시스템에서 연소에 사용되는 공기는 통상 예열되어 있지 않으므로 통상의 공기-연료 로에 비해 로의 효율이 감소된다. 단순화한 열역학 계산에 따르면 예열되지 않은 공기가 연소에 사용되는 경우에 연료 발화 속도를 높일 필요가 있다. 이러한 예에서의 가정은 연료와 산소가 여분의 산소 없이 완전히 반응한다는 것과, 잔류하는 중간 생성물이 없다는 것과, 모든 가스(예를 들어, 메탄, 공기 또는 산소)는 77 ℉로 로에 도입된다는 것 및 모든 가스는 완전 연소 후에 2800 ℉로 로에서 배출된다는 것이다. 이러한 조건하에서, 동일한 유효 가열 상태를 유지하기 위해서는 공기로 발화하는 경우의 발화 속도는 100 % 산소로 발화하는 경우의 발화 속도의 2.65배일 필요가 있다. 유효한 가열은 로에서 가열 손실을 충당하도록 에너지가 전달되는것이다.
따라서, 산화체의 총 체적 유량은 산소 유량이 감소함에 따라 상당히 증가된다. 산화체 류의 체적은 질소가 더해짐으로 인하여 4.76 단위 증가하고 더 높은 발화 속도에 대한 요구로 인하여 2.65배 부가된다. 이는 공기가 산소를 완전히 대체하는 경우에 산화체 류의 유량이 약 12.6배 증가한다는 것을 의미한다.
산소-연료 버너 조립체에서 공기-연료 연소를 이용하는 데 있어서 주된 관심사는 더 높은 가스 체적 요구를 충족하는 데 요구되는 공기 공급 압력이다. 본 발명은 낮은 속도의 산화제 시스템을 이용한다. 따라서, 공기-연료 모드에서 발화하는 경우에도 버너의 발화 속도를 산소-연료 발화에서의 속도와 동일하거나 더 높게 유지하면서 압력 강하는 상대적으로 값싼 공기 송풍기의 이용이 가능할 정도로 충분히 작다. 이로써 유리를 용융하는 자와 같은 사용자가 산소 공급의 위급할 정도의 손실 또는 중단 시에 지원 모드로 작동을 하는 경우 제조가 계속된다.
버너의 모든 지점에서 산화체의 유속이 약 90 ft/sec 보다 빠른 산소-연료 버너는 총 출력에서 산화체로서 공기가 사용되는 경우에 등가의 발화 속도에서 음속 제한 구조로 된다. 음속은 a = √kRT에 의해 정해지는데, 여기서 k는 비열비(공기는 1.4), R은 기체 상수(287 J/㎏K)이고, T는 절대 온도이다. 25 ℃(77 ℉)의 공기에서 음속은 346 m/sec(1135 ft/sec)이다. 산소 유속이 100 ft/sec인 산소-연료 버너에서 공기를 이용하는 경우의 등가의 유속은 12.6배로서 이는 1260 ft/sec로 음속보다 빠른 것이다. 따라서, 음속 제한을 회피하기 위해서는, 버너 조립체의 어떠한 부분의 변경도 없이 산소를 완전히 대체하여 공기가 이용된다면, 산소-연료 버너는 90 ft/sec 보다 작은 산소 속도로 설계되어야 한다. 별법으로서, 이전환 시에 제한은 작동 모드간의 전환 시에 버너 본체가 변화되는 본 발명의 일 측면에 따라 회피할 수 있다. 버너 블럭은 공기-연료 작동에서 외관상의 속도가 음속보다 작게 설계되어야 한다.
특히 산화체의 통로를 통한 12.6배의 체적 유량으로 정격 발화 용량의 2.65배로 작동하는 통상의 산소-연료 버너에서는 화염의 형상도 중요하다. 후술하는 본 발명의 실시예는 산소-연료 및 공기-연료 작동의 양자에 적절한 화염 형상을 제공한다.
따라서, 산화체 공급 압력, 속도 제한, 화염 형상과 관련된 문제가 본 발명에 따라 극복된다. 본 발명의 발명자들은 사용자가 미국 펜실베니아주의 알렌타운에 소재하는 에어프로덕츠 앤드 케미칼스 인코포레이티드가 제공하는 클린화이어 에이치알(Cleanfire HR)이라는 버너를 변경하고 동일한 버너 블럭을 이용하여 산소-연료 발화를 공기-연료 발화로 전환하는 것이 가능하다는 사실을 발견하였다.
도 1을 참조하면, 단계화된 연소 장치(10)에는 산소-연료 버너(12)와 예연소기 또는 버너 블럭(14)이 포함되어 있다. 산소-연료 버너(12)에는 화살표 18로 표시한 천연 가스와 같은 연료를 받아들이는 중앙 도관 (16)이 포함되어 있다. 화살표 20으로 표시한 산소 공급원은 연료 도관(16)과 외측 동심 도관(22) 사이의 통로로 도입된다. 버너는 미국 특허 제5,611,682호에 상세하게 기재되어 있는데, 그 내용은 참고로서 본원 명세서의 내용을 이룬다. 버너(12)는 버너 블럭(14)에 끼워 맞추어지고, 예연소기 또는 버너 블럭(14)의 제1 단부(24)에 유밀 상태로 수용되어있다. 버너 블럭(14)에는 제1 또는 중앙 통로(26)가 포함되는데, 이 통로는 버너 블럭(14)의 제1 단부(24)로부터 방출 단부(28)로 연장되어 있다. 통로(26)는 전술한 '682 특허에서와 같이, 그 폭이 높이보다 크고 도시된 바와 같이 발산하는 형태로 되어 있다. 단계화한 연소를 위하여 화살표 30으로 나타낸 단계화하는 산소가 버너 블럭(14)의 제2 통로(32)로 도입된다. 통로(32)의 형상은, 역시 '682 특허에 상세히 기재되고 도면에 도시된 바와 같이 중앙 통로의 형상에 보완되는 것이고, 높이보다 폭이 크다.
도 2를 참조하면, 예연소기(14)의 제1 단부(24)에서 산소-연료 버너(12)에는 산소 통로(22)로 둘러싸인 중앙 연료 도관(16)과 함께 방출 단부가 마련되어 있다. 단계화하는 산소는, 도 2에 도시된 바와 같이 산소-연료 화염용 통로 아래에 배치된 통로(31)를 빠져나간다.
도 3은 본 발명에 따른 연소 장치를 나타내고 있다. 연소 장치(40)에는 버너 블럭(14)이 포함되어 있는데, 이 버너 블럭은 도 1의 버너 블럭(14)과 동일한 것이다. 본 발명에 따르면, 버너(42)는 도 1의 산소-연료 버너(12)와 유사하고, 장치(44)는 공기 또는 산소가 농후하게 된 공기가 버너(42)의 통로(50)로 도입되게 해주는 것이다. 버너(42)는 공기 또는 산소가 농후하게 된 공기가 버너(42)의 통로(48)로도 도입되도록 맞추어져 있는데, 여기서 통로(44 및 48)로부터의 산화체가 혼합된다. 화살표 46은 공기 또는 산소가 농후하게 된 공기가 장치(44)로 도입되는 것을 나타내는데, 여기서 장치(44)는 공기 또는 산소가 농후하게 된 공기를 통로(50)로 도입한다. 화살표 56은 공기 또는 산소가 농후하게 된 공기가 통로(50)로 도입되는 것을 나타내고 있다. 공기 또는 산소가 농후하게 된 공기는 통로(50)로부터 버너 블럭의 중앙 통로(26)로 이동하여 로를 빠져나간다.
버너가 산소 없는 발화 또는 제한된 산소-연료 발화 상태로 전환되면, 단계화하는 산소의 공급(도 1에서 화살표 30으로 표시)은 화살표 54로 나타낸 연료에 의해 대체되어, 연료 또는 산소가 농후하게 된 연료가 버너 블럭(14)의 통로(32)를 빠져나간다. 버너 블럭(14)의 전단의 통로(26, 32)가 도 4에 도시적으로 도시되어 있는데, 여기서 통로(26)는 공기 또는 산소가 농후하게 된 공기를 로에 도입하는 데 이용되고, 통로(32)는 연료 또는 산소가 농후하게 된 연료를 로에 도입하는 데 이용된다. 버너 블럭 구조는 2개의 개구 사이의 재순환 영역으로 인하여 안정된 공기-연료 화염이 생성되게 하는 것이다.
공기-연료 발화 성능에 더하여, 본 발명의 장치는 다양한 정도의 산소 농후화가 이루어지게 해준다. 산소의 농후화를 이용하는 것은 액체 산소 저장고로부터 공급되는 산소의 이용을 감소시킴으로써 지원 모드에서의 동작 중의 유연성을 증진시킨다. 이로써 공기 흐름에 산소를 부가하여 화염의 길이를 조정할 수 있게 된다.
보충되는 산소는 다양한 방법으로 공급될 수 있다. 예를 들어, 공기는 산소가 농후하게 될 수 있고, 산소류는 예연소기(14)의 주 통로(26) 또는 단계화한 포트(32) 양자 또는 이들 각각을 통하여 공급될 수 있거나, 별개의 산소류가 예연소기(14) 또는 단계화한 포트(32)로부터 이격된 곳에 마련될 수 있다. 천연 가스와 함께 단계화한 포트를 통하여 도입된 산소는 로의 충전물로의 양호한 열전달 복사를 위한 그을음을 생성하는 수단을 제공할 수 있다.
본 발명의 방법과 장치를 이용하면, 유리 제조에 요하는 최대 온도 및 온도 분포를 얻을 수 있게 된다. 산소의 농후화 또는 산소-연료 발화는 로의 고온 지점 부근에서 최고의 발화 속도를 보이도록 버너에 사용되어야 한다. 이로써 이들 버너에 요구되는 공기 유량이 감소되고 압력 강하가 감소된다. 또한, 산소 농후화는 최고 화염 온도를 증가시키고, 이로서 고온 지점에서의 열 전달이 증가된다. 고온 지점은 로를 유리 제조 로에서 만족할 만한 품질로 유리를 제조하는 데 요하는 유리 용융의 적절한 대류 셀로 만드는 데 필요한 것임은 잘 알려진 사실이다.
그 밖의 공기-연료 기법이 고온 유지 조건을 유지하는 데 이용될 수 있다. 본 발명은 사용자가 제조를 계속하도록 의도된 것이다. 공기-연료 지원 시스템에 의해 제공되는 최소의 발화 속도는 적어도 20 %의 설계 출력이 유지될 수 있게 된 것이다. 이러한 제조 속도는 부양식 유리(float glass)의 제조업자가 부양조(float bath)에서 연속적인 유리 리본(glass ribbon)을 유지하기에 충분한 것이다.
고속의 산소-연료 버너는 후술하는 기법을 이용하기 위해 1개 이상의 유입 포트를 부가함으로서 저속 동작에 맞게 수정될 수 있다. 이들 유입구는 평상시에는 닫히고 산소-연료 동작 중에 단계화에 이용될 수 있다. 또한, 1개 이상의 부가의 유입 포트가 버너 포트에 가까운 위치의 내화 벽에 구멍을 드릴링함으로써 공기-연료 지원의 실행에 앞서 플라이에 부가될 수 있다.
고속 버너를 이용하는 또 다른 로의 변형례로서 압력 강하를 줄이기 위하여버너 블럭을 큰 개구가 있는 블럭으로 대체한 것이 있다. 이 방법에 따르면 대체 과정에서 유리의 결함을 유발할 수 있는 외부의 내화 물질이 유리 용융물에 도입될 위험이 있다. 더욱이, 플라이상의 버너 블럭의 교체는 제조의 중단을 피할 수 있을 만큼의 상당히 긴 시간을 요한다.
도 5는, 예를 들어 총 출력 조건하에서 로 벽에서의 열 손실을 충당하는 데 35 %의 열 공급이 요구되는 것을 가정하는 경우, 고온 유지 조건(0의 출력비), 20 %, 50 % 및 총 출력 조건에 요하는 메탄 유량을 나타내고 있다. 고온 유지는 선도에서 나타난 것보다 낮은 발화 속도로 달성되는데, 그 이유는 전체 로 온도가 낮아져서 벽에서의 열 손실이 감소되기 때문이다. 이 선도는 출력비 또는 산소 소모에 관계없이 열 손실이 동일하다는 가정에 기초하고 있다. 메탄 유량은 100 %의 산소-연료 및 총 출력에 대한 메탄 유량에 기초하여 표준화되어 있고, 산소 유량은 100 %의 산소-연료 및 총 출력에 대한 산소 유량에 기초하여 표준화되어 있다. 표준화된 산소 유량은 모든 연소용 산화체가 산소 공급원(공기 없음)에 의해 공급되은 경우에 1.0이고, 모든 연소용 산화체가 공기에 의해 공급되는 경우에 0이다.
도 6은 도 5에 도시된 각각의 출력비에 대한 표준화된 산소 유량의 함수로서의 산소 농도의 상응하는 선도이다.
도 5의 점 A로 나타낸 바와 같이, 연소용 산화체로서 공기만을 이용한 고온 유지(0의 표준화된 산소 유량)에서의 메탄 유량은 총 출력(표준화된 값은 1이다)에서의 100 % 산소-연료에 요하는 것과 대략 동일하다. 고온 유지는 35 %의 총 출력 메탄 유량(점 B) 및 35 %의 총 출력 산소 유량으로 유지될 수 있다. 도 6(점 B)을참조하면, 점 B로 나타낸 작동 조건은 공기 희석이 없는 100 %의 산소-연료에 상응한다.
도 5는 산소 유량과 메탄 유량이 총 출격의 20 %를 생성하기 위해서는 각각 반으로 감소될 수 있다는 것을 나타내고 있다. 이는 만일 출력이 총 출력의 20 %로 제한된다면 저장된 공급 산소는 2배의 시간만큼 지속될 수 있다. 도 6에 따르면, 이는 100 %의 산소-연료 발화에 상응하는 것이다.
50 %의 출력에서, 산소 유량은 총 출력 유량의 반으로 감소될 수 있고, 메탄은 총 출력 유량의 약 95 %이다. 도 6에 따르면, 이 동작 조건에서의 산소 농도는 약 35 %로 된다.
산소-연료 로로부터의 배기 가스 온도는 열 회수 장치 후의 공기-연료 로에 상응하는 것보다 더 높다. 따라서, 유리 제조업자는 가스가 금속으로 제작된 배기 시스템의 영역으로 들어가지 전에 몇 가지 방법에 의해 산소-연료 연소 산출물의 온도를 감소시켜야 한다. 작금의 공기 오염 규제로 인하여, 유리 로의 연료 가스 처리에는 정전식 집진기 또는 백 하우스와 같은 입자 제거 장치가 포함된다. 이들 장치의 최대 작동 온도는 1000 ℉로 산소-연료 로 배기 온도보다 상당히 낮다. 따라서, 배가 가스는 이들 장치에 도입되기 전에 차가운 희석 공기(대기)에 의해 냉각되어야 한다.
만일 산소-연료 연소용으로 설계된 로에서 공기가 연소용 산소를 대체하다면, 배기 체적은 실질적으로 증가된다. 도 7은 몇 가지 출력비에 대해 공기가 산소를 대체함에 따라 배기 유량이 얼마나 증가하는 지를 나타내고 있다. 이들 도면을 작성하는 데에는 전술한 도면에 사용된 유입 및 유출 온도와 열 손실에 대한 동일한 가정이 이용된다. 배기 유량은 100 % 산소-연료에서의 총 출력의 배기 유량에 대해 표준화하였다. 총 출력에 있어서, 배기 유량은 산소가 공기에 의해 완전히 대체되는 경우에 9배 이상 증가된다. 공기가 산소를 완전히 대체하는 경우에 고온 유지 조건에서 3배 이상의 배기 유량을 예상할 수 있다.
증가된 배기 가스 체적을 다루는 데에는, 예를 들어, 출력의 감소, 연소용 산소의 농후화, (예를 들어 물에 의한) 배기 가스의 냉각의 택일적 방법, 부가의 배기 가스 배출 성능의 이용, 배기 가스 처리 영역의 바이패스 또는 전술한 방법의 2가지 이상의 조합과 같은 몇 가지 방법이 있다. 증가된 배기 가스의 체적을 해결하는 본 발명에 따른 양호한 방법은 수냉, 출력의 감소 및 필요한 경우 연소용 산소의 농후화를 조합한 것이다.
도 9는 77 ℉의 액상의 물이 증발식 직접 접촉 냉각을 제공하는 경우의 열역학적 계산의 결과를 나타내고 있다. 물로 희석한 후의 표준화된 배기 유량이 표준화된 산소 유량에 대한 선도로 도시되어 있다. 배기 유량은 총 출력의 100 % 산소-연료의 경우에 대해 표준화되는데, 여기서 2800 ℉의 배기 가스는 1000 ℉의 가스류를 생성하도록 77 ℉의 공기로 희석된다. 이 도면은 배기류에서 냉각 매체로서 물이 공기를 대체하는 경우에 총 출력 산소-연료 작동에 대해 배기 가스 체적이 50 %로 감소될 수 있음을 나타내고 있다. 연소용 산소 대신에 공기가 이용되고 배기 가스 냉각에 물이 이용되는 총 출력의 경우에, 배기 유량은 기본적인 총 출력, 총 산소-연료의 경우의 3.6배이다. 산화체로서 산소 대신 공기를 이용하는 50% 출력에 대하여, 배기류 체적은 기본적인 총 출력, 총 산소-연료 경우의 2.5 배이다.
지원 버너와 방법의 요약
양호한 실시예 변형례
1. 산소-연료 및 공기-연료 모드에 동일한 버너 블럭을 이용 버너 블럭이 교체되고 새로운 구멍이 로 벽에 드릴링되거나 공기-연료 지원을 위한 미리 설계된 버너 블럭을 이용하여 배기 구멍이 개구됨.
2. 산소-연료 및 공기-연료 모드에 동일한 장착 상태의 새로운 하드 웨어가 있음. 버너 블럭이 교체되고 새로운 구멍이 로 벽에 드릴링되거나 공기-연료 지원을 위한 미리 설계된 버너 블럭을 이용하여 배기 구멍이 개구됨.
3. 버너 블럭의 단면은 지원 동작 중에 버너 블럭 또는 버너 본체의 최소 단면에서 산화제의 속도가 250 ft/sec 미만으로 되는 것임 버너 블럭의 단면은 지원 동작 중에 버너 블럭 또는 버너 본체의 최소 단면에서 산화제의 속도가 500 ft/sec 미만으로 되는 것임
4. 지원 동작 중에 산화제로서 공기가 사용됨 지원 동작 중에 산화제 농도는 50 % 미만.
5. 물로 배기 가스를 냉각함. 물과 공기의 조합으로 배기 가스를 냉각함.
6. 산화제 온도가 150 ℉ 미만. 산화제 온도가 1000 ℉ 미만.
7. 공기-연료 지원 동작 중에 어떠한 부가의 버너 블럭도 요하지 않음. 공기-연료 지원 동작 중에 사용되는 버너의수는 산소-연료 동작에 사용되는 것의 2배에 달함.
8. 공기-연료 지원 동작 중에 총 출력 성능의 80 % 초과. 공기-연료 지원 동작 중에 총 출력 성능의 20 % 초과.
9. 총 단면 개구에 기초한 버너 블럭에서의 외관상의 속도는 산소-연료 동작에 대해 90 ft/sec 미만. 총 단면 개구에 기초한 버너 블럭에서의 외관상의 속도는 산소-연료 동작에 대해 400 ft/sec 미만.
제안된 발명에 대한 변형례는 다음과 같다. 즉. 선택 사항 1) 더 많은 산소가 저장된 상태에서 100 % 산소-연료 발화가 계속됨, 선택 사항 2) 공기-연료 가열 버너로 고온 유지, 선택 사항 3) 산소 대신 공기를 이용하여 높은 운동량의 산소-연료 버너로 고온 유지 또는 약간의 출력 있음. 본 발명과 선택 사항 1 사이의 차이는 산소의 사용과 액체 산소의 비용이 절감된다는 것이다. 본 발명과 선택 사항 2 사이의 차이는 제조의 계속과 비용이다. 본 발명과 선택 사항 3 사이의 차이는고압으로 공기를 공급하는 데 따른 기술적 곤란이다.
선택 사항 1과 비교한 본 발명의 장점은 설비 비용이 적다는 것(액화 산소 저장 탱크가 작다는 것)이다. 또한, 현장의 산소 플랜트가 다운되는 시간의 길이에 따라, 액체 산소의 보급 및 공급의 문제가 회피된다. 선택 사항 1에 대한 본 발명의 장점은 산소 공급 라인 또는 흐름 제어 활대에 문제가 있는 경우에 작용할 수 있다는 점이다. 선택 사항 2에 대한 본 발명의 또 다른 장점은 유리 제조에 요하는 유사한 온도 프로파일에서 로의 최대 온도가 더 높다는 점이다. 선택 사항 2에 대한 본 발명의 또 다른 장점은 제조가 계속된다는 점이다. 가장 효과적인 공정은 공기 또는 산소가 농후하게 된 공기를 이용하여 총 출력이 지속되는 경우이다. 유리 리본이 부양조에 유지되는 최소 수준의 제조에서도 매우 유용하다. 유리 리본의 자리를 다시 잡는 것은 시간이 많이 소모되고 며칠간의 제조의 지연이 발생할 수 있다. 예를 들어, 편평한 유리 로에서, 일 일당 600 톤을 제조하고 유리의 가격은 $300/톤이므로, 하루 제조량은 가격이 $180,000이다. 선택 사항 2에 대한 본 발명의 추가의 장점은 지원 시스템이 적소에 있다는 것이다. 선택 사항 2에서는 외부 회사에서 이 설비로 와서 그들의 장비를 설치할 것을 요한다. 본 발명의 또 다른 장점은 로 내화 물질에 구멍을 뚫거나 자르거나 그 밖의 작업을 할 필요가 없다는 것이다.
본 발명은 사용자가 공기-연료 및 산소-연료 동작에서 상이한 버너를 사용할 수 있고, 공기-연료 및 산소-연료 버너를 공동으로 장착하며, 공기-연료 가열 버너에 비하여 최대 로 온도가 높게 해준다. 본 발명의 방법은 유리 제조에 요하는 로에서의 유사한 온도 분포를 생성하고, 우선적으로 산소 농도를 높여 로의 고온 지점에서 발화 속도를 더 높게 되도록 하고, 공기-연료 동작을 위한 공기와 연료의 도입용으로 별개의 가깝게 이격된 포트를 사용하고, 공기-연료와 산소-연료 동작에 대해 예연소기/단계화 포트의 기능을 전환할 수 있다. 산소-연료 동작에 있어서, 산소와 연료 흐름의 예연소기로서 큰 개구가 이용되고, 산소의 단계화에 작은 개구가 이용된다. 공기-연료 동작에 대해서, 큰 개구는 공기 또는 산소가 농후하게 된 공기의 흐름에 이용되고 작은 포트는 우선적으로 연료에 대해 이용된다.
공기 또는 산소가 농후하게 된 공기와 연료를 로에 도입하기 데에 로에 배치되는 별개의 버너 블럭 또는 예연소기를 구비하는 것은 본 발명의 범위에 속하는 것이다. 이 모드에서 산소-연료 버너는 커지고 별개의 버너 블럭이 본 발명의 교시에 따른 연소를 이루는 데 사용된다.
본 발명의 교시에 따라 공기 또는 산소가 농후하게 된 연료가 도입되는 한, 공기와 연료를 산소-연료 버너에 독립적인 별개의 버너 또는 파이프를 통하여 로에 도입하는 것도 본 발명의 범위에 속하는 것이다.

Claims (14)

  1. 산소-연료 연소를 이용하여 상승된 온도로 로의 가열을 유지하는 방법에 있어서, 산소-연료 화염이 상기 로에 도입되고, 산화제가 상기 화염의 아래로 도입되고, 상기 화염과 산화제로의 산소 공급이 제거되거나 중단되는 경우에,
    상기 산소-연료 화염을 공기 또는 산소가 농후하게 된 공기 중의 하나로 대체하고, 상기 공기 또는 산소가 농후하게 된 공기 중의 하나를 상기 로에 도입하고,
    상기 산화제를 상기 연료로 대체하고 상기 연료를 상기 로에 도입하여 연소시켜, 상기 로의 온도를 유지하는 것을 특징으로 하는 로의 가열 유지 방법.
  2. 화염을 생성하도록 맞추어진 산소-연료 버너와 이 버너에 장착된 예연소기를 구비하고, 상기 예연소기에는 상기 화염에 대해 유밀 관계에 있는 제1 단부와 제조 설비에서의 가열을 위하여 상기 버너에 의해 생성되는 화염을 지향시키도록 맞추어지는 제2 단부를 구비한 편평한 팬 형 구조의 제1 통로 및, 상기 제1 통로와 동일 공간에서 그 아래에 배치되는 상기 버너 블럭 내의 별개의 제2 통로가 마련되고, 상기 제2 통로는 산화 유체를 상기 화염의 아래 측에서 대체로 이에 평행하게 지향시키도록 상기 예연소기의 제2 단부의 노즐 단부에서 종단되는 것인 연소 장치로서,
    상기 버너를 통하여 공기 또는 산소가 농후하게 된 공기 중의 하나를 상기화염 대신 상기 예연소기에 도입하는 제1 수단과,
    연료를 상기 산화 유체 대신 상기 예연소기의 상기 별개의 제2 통로에 도입하는 제2 수단을 더 포함하여,
    산소의 공급이 중단되거나 감소되는 경우에 상기 제조 설비의 가열을 지속할 수 있는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 예연소기는 길이가 4 내지 18 인치인 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제1 통로와 제2 통로의 높이에 대한 폭의 비율은 상기 예연소기의 상기 제2 단부에서 5 내지 30인 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 예연소기의 제1 통로와 제2 통로의 폭을 정하는 벽이 상기 예연소기에 걸친 중앙의 수직 평면의 양측 상에서 -15° 내지 +30° 범위의 각도로 배치되는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 각도는 상기 수직 평면의 양측에서 0° 내지 +15°에 드는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  7. 제2항에 있어서, 산소를 상기 예연소기의 상기 연료에 도입하는 수단을 더포함하는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  8. 제2항에 있어서, 상기 버너가 사용되는 경우에 상기 로에서 배출되는 배기 가스를 수냉하는 수단을 가열되는 로에 이용하는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  9. 산소-연료 연소를 이용하여 상승된 온도로 로의 가열을 유지하는 방법에 있어서, 산소-연료 화염이 상기 로에 도입되고, 상기 화염으로의 산소 공급이 제거되거나 중단되는 경우에,
    공기 또는 산소가 농후하게 된 공기 중의 하나의 흐름을 상기 로에 도입하고,
    상기 연료의 별개의 흐름을 상기 로에 도입하여 연소시켜 상기 로에서의 상기 온도를 유지하는 것을 특징으로 하는 로의 가열 유지 방법.
  10. 제1항 또는 제9항에 있어서, 상기 버너에서 상기 로 내의 고온 지점 부근에 산소가 농후하게 된 공기 연소가 사용되는 것을 제외하고는 상기 로는 공기-연료 연소를 이용하여 상기 로에서 온도 분포를 유지하는 유리 용융로인 것을 특징으로 하는 로의 가열 유지 방법.
  11. 제1항 또는 제9항에 있어서, 산소-연료 연소만이 이용되는 경우에 산소-연료 또는 산소 중의 하나의 유량보다 약 12.6배 큰 유량으로 도입되는 공기로 상기 산소-연료 화염을 대체하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로의 가열 유지 방법.
  12. 제1항 또는 제9항에 있어서, 상기 공기 또는 산소가 농후하게 된 공기 중의 하나를 상기 로에 도입하는 데 이용된 버너의 방출 단부에서의 상기 공기 또는 산소가 농후하게 된 공기 중의 하나의 속도는 약 250 ft/sec 미만인 것을 특징으로 하는 로의 가열 유지 방법.
  13. 제1항 또는 제9항에 있어서, 상기 로의 가열되는 충전물로의 복사 열 전달을 증진시키도록 상기 연료와 함께 산소를 도입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로의 가열 유지 방법.
  14. 제1항 또는 제9항에 있어서, 액상의 물로 상기 로를 빠져나가는 배기 가스를 냉각하여 상기 배기 가스를 공기로 냉각하는 경우에 비하여 상기 배기 가스의 체적이 감소되도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로의 가열 유지 방법.
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