KR20090117962A

KR20090117962A - 산소-연료 연소 장치

Info

Publication number: KR20090117962A
Application number: KR1020097021548A
Authority: KR
Inventors: 디트리히 엠 그로스
Original assignee: 주피터 옥시젠 코포레이션
Priority date: 2001-04-27
Filing date: 2002-03-22
Publication date: 2009-11-16
Also published as: MXPA02008493A; AU2002252439B2; CA2461051C; NZ528736A; ME00128B; ECSP034819A; US20020185791A1; JP2006144127A; MEP17908A; DE20221612U1; CN1455854A; KR20080015522A; EA200200830A1; CA2461051A1; EP1746375B1; WO2002088400A1; IL158313A; DK1746375T3; RS50421B; EP1325158A1

Abstract

본 발명에 따른 산소 연료 연소 장치는 하나 이상의 버너를 구비하는 노(14)와, 예정된 순도를 갖는 산소를 공급하는 산소 공급부, 그리고 탄소계 연료를 공급하는 탄소계 연료 공급부를 구비한다. 산소 또는 탄소계 연료의 과잉을 그 화학양론적 비율에 대하여 5% 미만으로 제한하도록, 산소와 탄소계 연료를 서로에 대한 화학양론적 비율로 노(14)에 공급한다. 탄소계 연료를 연소하면 화염 온도가 약 45000 ℉를 초과한다. 노(14)로부터의 배기 가스 흐름에는 연소에 의해 발생된 질소 함유 기체 화합물이 실질적으로 없고, 온실 가스 기체도 줄어든다. 실질적으로, 에너지 출력의 손실 없이 통상의 연소 시스템에 비해 적은 탄소계 연료를 필요로 한다.

Description

산소-연료 연소 장치 {OXY-FUEL COMBUSTION SYSTEM}

본 발명은 산소 연료 연소 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 온실 가스 발생을 감소시키고 화석 연료 소비를 감소시키는 산소 연료 연소 장치에 관한 것이다.

산소 연료 버너 시스템은 공지되어 있지만, 그 사용은 매우 제한되어 있다. 산소 연료 버너 시스템은 일반적으로 매우 높은 화염 온도가 필요한 용례에서만 사용되었다. 예컨대, 이들 시스템은 실리카를 용융 온도까지 용융시키는 데 필요한 온도를 얻기 위하여 유리 제조 산업에서 사용될 수 있다. 그 밖의 경우에, 대개 구조적 및 재료적 한계를 통해 많은 산업 시스템이 처할 수 있는 상한 온도가 정해지는 것으로 받아들여진다. 이 때문에, 제조, 발전 및 그 밖의 처리 용례를 비롯한 거의 대부분의 산업 용례 전반에 걸쳐서, 공기 연료 또는 공기 발화 연소 시스템을 보일러, 노(爐) 등에 사용한다.

특히, 철강 및 알루미늄 제조 산업과 발전 산업, 그리고 탄소계 연료에 의존하는 그 밖의 산업 전반에 걸쳐서, 공기 연료 연소 시스템 또는 전기 가열 시스템을 이용한다. 공기 연료 시스템에서는, 약 79%의 질소와 21%의 산소로 이루어진 공기를 연료와 함께 노에 공급한다. 공기 연료 혼합물을 점화시켜 화염을 연속적으로 발생시킨다. 화염은 열 형태의 에너지를 공기 연료 혼합물로부터 노로 전달한다.

철강 및 알루미늄 산업에서는, 용융 금속을 형성하기 위한 주 열원으로서 공기 연료 노와 전기노를 사용하였다. 공기 연료노의 경우에는, 처리 설비의 온도 한계에 대하여 균형이 맞추어진 에너지 요건이, 전술한 타입의 연료 시스템의 사용을 요구하거나 강하게 지지하는 것으로 대개 받아들여진다. 또한, 알루미늄 산업에 있어서 전기노의 사용에 관해서도, 전술한 타입의 에너지 원에 의해 알루미늄 처리에 필요한 온도가 얻어진다는 것이 통상적인 지식에 의해 뒷받침된다.

공기 연료 연소 시스템 사용의 한 가지 단점은, 이들 시스템이 연소 공정 고유의 결과로서 NO_x와 예컨대 이산화 탄소, 이산화황 등과 같은 그 밖의 온실 가스를 발생시킨다는 것이다. NO_x와 그 밖의 온실 가스는 산성비(이에 한정되는 것은 아님)를 비롯한 환경 오염의 큰 원인 제공원이다. 그러므로, NO_x와 그 밖의 온실 가스의 배출을 줄이는 것이 바람직하며, 규제 규정으로 인해 배출이 크게 제한되고 있다. 이 때문에, 발생되는 NO_x 및 그 밖의 온실 가스의 레벨을 제한 및/또는 감소시키기 위해, 이들 연소 시스템에 다양한 장치가 설치되어야 한다.

공기 연료노에 관한 다른 단점은, 연소 공정에서 방출되는 에너지의 대부분이 노에 공급된 공기 속에 있는 기체 질소를 가열하기 위해 흡수되거나 사용된다는 점이다. 일반적으로, 이렇게 가열된 질소 가스는, 예컨대 노 등과 같은 열원으로 부터 단순히 배기된다는 점에서, 상기 에너지는 실질적으로 허비된다. 이 때문에, 에너지 비용의 대부분은 오프-가스 굴뚝 등을 통해 환경 부문에 배당된다. 당업자라면 공지된 공기 공급 연료 시스템의 그 밖의 단점을 알 것이다.

전기노도 마찬가지로 단점이 있다. 이 시스템에서는, 예컨대 연속성을 기초로 하여, 즉 실질적으로 중단 없이 이용 가능한 전기 공급원을 필요로 하는 것도 고유의 단점이다. 전기노를 작동시키는 데 다량의 전력이 필요하다는 점에서, 상기 전기노는 대개 발전소 및/또는 대규모 송배전 시설 부근에 위치할 필요가 있다. 또한, 전기노가 최적의 효율로 또는 그에 근사하게 작동되고 있다는 것을 보장하기 위해서, 전기노는 상당한 양의 유지보수를 필요로 한다. 또한, 전기노를 사용하는 경우에는 연료를 전력으로 전환하는 것이 본래 비효율적이다 (증기 터빈을 이용하는 대부분의 화석 연료 발전소는 약 40% 미만, 대개 30% 미만의 효율로 작동된다). 또한, 대부분의 화석 연료 발전소는 매우 많은 양의 NO_x 및 그 밖의 온실 가스를 발생시킨다.

예컨대, 알루미늄 처리 산업, 보다 구체적으로 말하면 폐알루미늄 회수 산업에서는, 노의 화염 온도가 약 2500 ℉ 내지 3000 ℉로 유지되어야 한다는 통념이 있다. 상기 온도 범위는 폐알루미늄을 용융하는 충분한 열을 제공하기 위하여 필요한 에너지와, 약 1450 ℉의 용융조에서 충분한 금속 온도를 유지하기 위하여 필요한 에너지 사이의 균형을 맞추는 것으로 고려된다. 공지된 노는 노의 구조적 완전성을 확실히 유지하기 위해 화염 온도가 대개 3000 ℉를 초과하지 않는 설계를 채용한다. 다시 말해서, 상기 온도 한계를 초과하면 노의 지지 구조가 약화되어 심각한 사고가 초래될 수 있다고 고려된다. 또한, 통상의 노에서 굴뚝의 온도는 대개 약 1600 ℉이다. 따라서, 화염과 배기물 사이의 온도차는 단지 약 1400 ℉이다. 이는 연소 공정에 있어서 비효율적인 에너지 사용을 초래한다.

또한, 화염 온도가 약 3000 ℉를 초과하는 노의 열 손실과 그 설비에 대한 손상 가능성은 보다 높은 화염 온도에서 얻어질 수 있는 임의의 작동 효율을 훨씬 능가하는 것으로 고려된다. 따라서, (화염의 화학양론에 의한) 화염 온도의 상한이 약 3000 ℉인 공기 연료노를 사용하면, 노의 완전성이 보장되고 에너지 손실이 저감된다는 것도 전부 통념에 의해 지지된다.

따라서, 효율적으로 에너지를 사용하는 동시에 (NO_x와 그 밖의 온실 가스에 기인하는) 환경 오염을 감소시킨다는 장점을 제공하는 연소 시스템을 필요로 한다. 이러한 연소 시스템은 발전 산업/유틸리티 산업으로부터 화학 처리 산업, 금속 제조 및 처리 등에 이르는 광범위한 산업 용례에 사용될 수 있는 것이 바람직하다. 이러한 연소 시스템은, 예컨대 알루미늄과 같은 금속의 처리 용례에 사용되어, 연소 시스템이 에너지 효율을 증대시키고 오염을 감소시킬 수 있다. 또한, 이러한 효율적인 연소 시스템과 관련된 높은 화염 온도를 견디고 에너지 효율을 증대시키며 오염 발생을 감소시키도록 설계 및 구성되어 있는 처리 설비(구체적으로는 노) 를, 특히 폐알루미늄 처리 산업에서 필요로 하고 있다.

산소 연료 연소 시스템은 제어된 환경을 갖는 노를 포함하고 하나 이상의 버너를 포함한다. 이 연소 시스템은 예정된 순도를 갖는 산소를 공급하는 산소 공급부와, 탄소계 연료를 공급하는 탄소계 연료 공급부를 포함한다. 본 발명의 산소 연료 연소 시스템은 연료 소비 효율을 증대시키고 (즉, 보다 적은 연료를 필요로 하고), (다른 연료계 소스 중에서도) NO_X를 발생시키지 않으며, 그 밖의 온실 가스의 발생도 현저히 감소시킨다.

산소 또는 탄소계 연료의 과잉을 그 화학양론적 비율에 대하여 5% 미만으로 제한하도록, 산소와 탄소계 연료를 서로에 대한 화학양론적 비율로 노에 공급한다. 탄소계 연료를 연소하면 화염 온도가 약 4500 ℉를 초과하며, 노로부터의 배기 가스 흐름은 온도가 약 1100 ℉ 이하이다.

연소 시스템은 탄소계 연료의 공급부를 제어하고 산소의 노에 대한 공급부를 제어하는 제어 시스템을 포함한다. 이 제어 시스템에서는, 상기 연료의 공급부가 상기 산소의 노에 대한 공급부에 뒤이어 마련된다. 산소 및 연료의 공급은 예정된 용융 알루미늄 온도에 의해 제어된다. 이러한 구성에서, 용융 알루미늄의 온도는 센서에 의해 감지된다.

탄소계 연료는 임의의 타입의 연료일 수 있다. 한 가지 실시예에서, 연료는 천연 가스, 메탄 등과 같은 가스이다. 별법으로서, 연료는 석탄 또는 석탄가루 등 과 같은 고체 연료이다. 또한, 별법으로서 연료는 폐유를 비롯한 연료유 등과 같은 액체 연료이다.

한 가지 예시적인 사용에서, 연료 시스템은 폐물로부터 알루미늄을 회수하는 폐알루미늄 회수 시스템에 사용된다. 이러한 시스템은 용융 알루미늄을 예정된 온도로 수용하는 노와, 하나 이상의 버너를 포함한다. 이러한 회수 시스템은 연소 시스템을 통해 노에 산소를 공급하는 산소 공급부를 포함한다. 효율을 최대화하기 위하여, 상기 산소 공급부의 산소 순도는 약 85% 이상이다.

탄소계 연료 공급부는 탄소계 연료를 공급한다. 산소 또는 탄소계 연료의 과잉을 그 화학양론적 비율에 대하여 5% 미만으로 제한하도록, 산소와 탄소계 연료를 서로에 대한 화학양론적 비율로 노에 공급한다. 탄소계 연료를 연소하면 화염 온도가 약 4500 ℉를 초과하며, 노로부터의 배기 가스 흐름은 온도가 약 1100 ℉ 이하이다.

이러한 회수 시스템에서는, 산소와 연료를 연소하여 폐품으로부터 알루미늄을 회수하는 데 사용되는 에너지를 대략 회수 알루미늄 1 파운드 당 1083 BTU로 발생시킨다. 상기 연료는 천연 가스 등과 같은 가스일 수도 있고, 고체 연료나 액체 연료일 수도 있다.

이러한 회수 시스템에서는, 노로부터의 열이 폐열 회수 시스템에서 회수될 수 있다. 회수된 열은 전기 에너지로 전환될 수 있다.

가장 바람직한 시스템에서, 연소 시스템은 산소 제공용 시스템을 포함한다. 한 가지 이러한 시스템은 극저온 분리 시스템과 같이 공기를 산소와 질소로 분리시 킨다. 그 밖의 시스템으로는 멤브레인 분리 등이 있다. 또한, 산소는 물을 산소와 수소로 분리시키는 것에 의해 제공될 수 있다. 이러한 시스템에서, 산소는 필요할 때 사용하도록 저장될 수 있다. 산소 발생/분리를 위한 그 밖의 시스템이 공지되어 있다.

일반적으로, 산소 연료 연소 시스템은 제어된 환경을 갖는 임의의 노와 함께 사용될 수 있다. 즉, 실질적으로 외부 환경으로부터 내부로의 누설이 없는 임의의 노와 함께 사용될 수 있다. 이러한 연료 시스템은 예정된 순도를 갖는 산소를 공급하는 산소 공급부와, 탄소계 연료를 공급하는 탄소계 연료 공급부를 포함한다.

산소 또는 탄소계 연료의 과잉을 그 화학양론적 비율에 대하여 5% 미만으로 제한하도록, 산소 공급부에 있는 산소와 탄소계 연료를 서로에 대한 화학양론적 비율로 노에 공급한다. 이러한 노에서, 노로부터의 배기 가스 흐름에는 연소에 의해 발생되는 질소 함유 기체 화합물이 실질적으로 없다. 다시 말해서, 연료와 함께 공급되는 질소가 없기 때문에, 연료계 질소가 없다면, 배기 가스에는 질소 함유 연소 생성물(예컨대, NO_x)이 실질적으로 함유되어 있지 않고, 그 밖의 온실 가스의 레벨도 현저히 저하된다.

이러한 연소 시스템은 천연 가스 또는 메탄 등과 같은 가스를 포함하는 임의의 탄소계 연료를 사용할 수도 있고, 석탄 또는 석탄가루 등과 같은 임의의 고체 연료 또는 폐유 및 정제유를 비롯한 오일 등과 같은 임의의 액체 연료를 사용할 수도 있다. 이러한 연소 시스템에서, 연소에 의해 발생되는 임의의 질소 함유 기체 화합물은 연료계 질소로부터 형성된다.

폐물로부터 알루미늄을 회수하는 방법은 폐알루미늄을 용해로에 공급하는 단계와, 산소와 탄소계 연료를 노에서 연소시키는 단계를 포함한다. 산소와 연료의 연소 시에, 산소 또는 탄소계 연료의 과잉을 그 화학양론적 비율에 대하여 5% 미만으로 제한하도록, 산소와 연료를 서로에 대한 화학양론적 비율로 노에 공급한다. 연소하면 화염 온도가 약 4500 ℉를 초과하고, 노로부터의 배기 가스 흐름은 온도가 약 1100 ℉ 이하이다.

알루미늄은 노에서 용융되고, 오염물 포함 알루미늄은 노로부터 제거되며, 실질적으로 순수한 용융 알루미늄이 노로부터 배출된다. 이 방법은 오염물 포함 알루미늄, 즉 불순물로부터 알루미늄을 회수하는 단계와, 회수된 알루미늄을 노에 충전하는 단계를 포함할 수 있다.

이 방법은 노로부터 폐열을 회수하는 단계를 포함할 수 있다. 회수된 폐열은 전기로 전환될 수 있다.

폐알루미늄으로부터 알루미늄을 회수하는 노는 용융 알루미늄을 예정된 온도로 수용하는 욕조 영역과 하나 이상의 버너를 포함한다. 산소 공급부는 순도가 약 85% 이상인 산소를 공급하고, 탄소계 연료 공급부는 천연 가스, 석탄, 오일 등과 같은 연료를 공급한다.

산소 또는 연료의 과잉을 그 화학양론적 비율에 대하여 5% 미만으로 제한하도록, 산소 공급부에 있는 산소와 연료를 서로에 대한 화학양론적 비율로 노에 공급한다. 연료를 연소하면 화염 온도가 약 4500 ℉를 초과하고, 노로부터의 배기 가스 흐름은 온도가 약 1100 ℉ 이하이다.

한 가지 예에서, 노는 강철판, 강철빔 및 내화물로 형성된다. 노의 벽은 강철빔 및 플레이트 쉘과, 압착 가능한 절연 물질로 이루어진 하나 이상의 층과, 내화 벽돌로 이루어진 하나 이상의 층, 그리고 캐스터블 내화물(castable refractory material)로 이루어진 하나 이상의 층을 구비하도록 구성된다. 노의 바닥은 강철빔 및 플레이트 쉘과, 내화물로 이루어진 2개 이상의 층을 구비하도록 구성되며, 상기 층 중에서 하나 이상의 층은 캐스터블 내화물로 이루어진다.

또한, 불순물 포함 알루미늄으로부터 알루미늄을 분리하는 무염 방법(salt-less method)은 불순물 포함 알루미늄을 노 안으로 도입하는 단계를 포함하는 것으로 개시되어 있다. 노는 약 5000 ℉의 화염 온도를 발생시키고 과잉 산소가 실질적으로 존재하지 않는 산소 연료 연소 시스템을 구비한다. 상기 불순물 포함 알루미늄은 노 내부에서 용융된다.

불순물이 많이 포함된 생성물을 발생시키기 위해, 용융된 불순물 포함 알루미늄의 상부를 걷어낸다. 불순물이 많이 포함된 생성물을 기계적 프레스에서 압박하여, 상기 불순물이 많이 포함된 생성물로부터 알루미늄을 분리하고, 농축된 불순물 포함 생성물을 발생시킨다. 이 방법은 상기 농축된 불순물 포함 생성물을 노안에 다시 넣는 단계를 포함할 수 있다. 불순물 포함 알루미늄을 화염에 거의 직접 충돌하게 노에 도입하여, 불순물로부터 산화물을 분리시킨다.

본 발명에 의하면, 산소 연료 연소 시스템은 연료원과 함께 실질적으로 순수 한 산소를 사용하여, 화염 생성(즉, 연소)에 의해 효율적이면서 환경에 악영향을 미치지 않는 방식으로 열을 발생시킨다.

본 발명의 전술한 특징 및 장점과 그 밖의 것은 이하의 상세한 설명과 첨부된 청구범위로부터 명백해질 것이다.

당업자는 이하의 상세한 설명과 첨부 도면을 살펴보면 본 발명의 유익 및 장점을 쉽게 알게 될 것이다.

본 발명은 다양한 형태의 실시예로 실시될 수 있지만, 본 명세서는 본 발명을 예시하는 것이고 예시된 특정 실시예에 본 발명을 한정하려는 것이 아니라고 하는 이해하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면에 도시하고 이하에 설명한다. 또한, 본 명세서의 이 섹션의 제목, 즉 "발명의 상세한 설명"은 미국 특허청의 요건과 관련된 것이고, 본원에 기술되는 주제를 한정하려는 것이 아닌 것으로 이해되어야 한다.

산소 연료 연소 시스템은 연료원과 함께 실질적으로 순수한 산소를 사용하여, 화염 생성(즉, 연소)에 의해 효율적이면서 환경에 악영향을 미치지 않는 방식으로 열을 발생시킨다. 산화제에 의해 공급되는 농도가 약 85% 내지 약 99+%인 산소를 사용할 수 있지만, 산소 농도(즉, 산소 공급 순도)는 가능한 높은 것이 바람직하다. 이러한 시스템에서, 고순도 산소는 연료원과 함께 화학양론적 비율로 노의 버너에 공급된다. 산소와 연료를 점화하여 연료에 저장된 에너지를 방출시킨다. 본 발명의 개시를 위해, 노에 대한 언급은 화석(탄소계) 연료를 연소하는 임 의의 산업적 또는 상업적 열 발생기를 포함하는 것으로 넓게 해석되어야 한다. 바람직한 시스템에서는, 가능한 한 산소 농도 또는 순도가 높은 것이 온실 가스 발생을 줄이는 데 실용적이다.

실질적으로 모든 연료원을 사용할 수 있는 것으로 고려된다. 예컨대, 상세히 후술되는 본 발명의 용례에서, 산소는 노에서 연소되는 천연 가스와 함께 공급된다. 고려되는 그 밖의 연료원으로는 정제유 및 폐유와, 나무와, 석탄과, 석탄가루, 그리고 폐기물(쓰레기) 등이 있다. 당업자라면 본 발명의 산소 연료 시스템과 함께 사용될 수 있는 무수한 연료원을 알 것이다.

본 발명의 시스템은 2개의 주요 영역에서 통상의 공정과 다르다. 첫번째로, 통상의 연소 공정은 거의 순수한 산소보다는 공기(산소를 공급하는 산화제로서)를 연소를 위해 사용한다. 공기 중에서 산소 성분(약 21%)이 연소에 사용되지만, 나머지 성분(실질적으로 질소)이 노에서 가열되고 노로부터 배기된다. 두번째로, 본 발명의 공정은 연료에 대하여 산소를 화학양론적 비율로 사용한다. 다시 말해서, 연료의 완전 연소를 보장하기에 충분한 산소만이 연료에 비례하여 공급된다. 따라서, "과잉" 산소가 연소 시스템에 공급되지 않는다.

본 발명의 연소 시스템을 이용하면 많은 장점 및 유익을 얻는다. 상세히 후술하는 바와 같이, 동등한 양의 전력 또는 열을 발생시키기 위한 연료 소비가 감소되며, 일부 실시예에서는 70% 정도 감소된다. 이에 의해, 발생되는 오염물의 양이 현저히 감소될 수 있다는 것이 중요하다. 또한, 일부 용례에서는 NO_x의 배출이 거 의 0까지 감소될 수 있고, 그 밖의 온실 가스의 배출도 종래의 공기 연료 연소 시스템에 비해 약 70% 정도 감소될 수 있다.

폐알루미늄 회수 공정의 예

한 가지 특정 용도에서, 산소 연료 연소 시스템은 폐알루미늄 회수 플랜트(10)에 사용된다. 예시적인 플랜트의 흐름 공정이 도 1 내지 도 2에 예시되어 있다. 폐알루미늄(12)은 용해로(14)에 공급되고 액화된다. 상기 플랜트(10)는 병렬 작동되는 복수 개의 노(14)를 포함할 수 있으며, 이들 노 중에서 하나가 예시되어 있다. 액화된 또는 용융된 알루미늄을 용해로(14)에서 취출하고, 보다 작은 홀딩로 또는 홀더(16)에 공급한다. 또한, 홀딩로(16)도 산소 연료노이다. 필요에 따라 용융 알루미늄은 용해로(14)로부터 취출되고, 홀딩로(16)에서 특정한 예정된 레벨로 유지된다. 이로 인해, 용해로(14)로부터 연속적으로 아래로 취출할 수 있게 되거나, 필요에 따라 "일괄"적으로 아래로 취출할 수 있다.

홀딩로(16)에서, 염소(18)와 질소(20)는 (가스로서) 홀딩로(16)에 공급되어, 용융 알루미늄으로부터 불순물을 뽑아내는 것을 돕는다. 염소와 질소는 알루미늄으로부터 불순물을 뽑아내는 기체 용융제의 역할을 한다. 또한, 이와 같은 처리는 기름이 뭍고 더러운 폐물의 청결도를 증대시키기 위해 용해로(14)에서 수행될 수 있다. 그 밖의 고려되는 용융제로는 기체 아르곤 헥사플루로이드가 있다. 홀더(16)는 능동적으로 가열되고, 약 1300 ℉의 용융 금속 온도에서 작동된다. 홀더(16)에서 공기 온도는 약간 더 높다.

그 후, 용융된 알루미늄을 여과시킨다. 본 발명에서는 가방 타입의 미립자 필터(22)를 사용한다. 그러나, 공지된 그 밖의 타입의 필터를 사용할 수도 있다. 그 후, 여과된 용융 알루미늄을 탈기 장치(24)를 통과하게 공급한다.

탈기 장치(24)에서는, 예컨대 불활성 가스(질소도 사용됨, 도면 부호 26으로 표시) 등과 같은 용융제가 용융 알루미늄에 공급된다. 예컨대, 기계적 교반기(28) 등으로 용융 알루미늄을 교반하고, 용융제(24)가 용융 알루미늄을 통해 솟아올라 알루미늄으로부터 불순물(예컨대, 산화물)을 뽑아낸다.

그 후, 용융 알루미늄을 직렬 캐스터(30)에 공급한다. 캐스터(30)에서, 알루미늄은 연속적인 판으로 주조된다. 주조물의 두께는 어느 경우에서든지 하한이 0.01 인치이고 상한이 0.750 인치 또는 그 이상이다. 그 후, 알루미늄을 사용하기 위해 또는 다음 처리를 위해 도면 부호 36으로 표시된 바와 같이 코일 형태로 감을 수 있다. 본 발명의 방법에서, 알루미늄은 캐스터(30)로부터 한 쌍의 열간기(hot milling machine)(34)를 통해 진행하고, 이 열간기에서 상기 판은 최종 두께 또는 치수[본 발명에서는 약 0.082 인치 (82 mils)]로 밀링 가동된 후, 코일(32)을 형성하도록 감긴다. 당업자라면 금속에 수행될 수 있는 다양한 단부 성형 공정 및 마무리 공정을 이해하고 알 것이다. 이러한 모든 성형 및 마무리 공정은 본 발명의 정신 및 범위 내에 있다.

전술한 용해로(14)를 다시 살펴보면, 이 용해로는 산소-연료노이다. 천연 가스 등과 같은 탄소계 연료가 산소와 함께 화학양론적 비율로 공급된다. 이는 연료 및 공기의 혼합물을 이용하는 공지된 노와 다르다. 연료/공기 혼합물은 질소와 산소를 노에 공급하여 연소 공정을 지원한다. 이로 인해 바람직하지 못한 NO_x 오프가스의 발생이 야기된다. 또한, 질소는 용융 알루미늄으로부터 에너지를 흡수하여, 공정의 전체 효율을 저하시킨다. 다시 말해서, 공기에서 질소의 비율이 크기 때문에, 다량의 에너지가 알루미늄 보다는 질소를 가열하는 데 들어간다.

본 발명의 용해로(14)와 홀딩로(16)에서 산소/천연 가스의 비율은 약 2.36:1이다. 이 비율은 산소 공급부의 순도와 연료의 특성에 따라 변화한다. 예컨대, 산소의 순도가 100%인 완벽한 조건 하에서, 상기 비율은 이론적으로는 2.056:1로 계산된다. 그러나, 산소 공급은 약 15% 이하의 비(非)산소 성분을 가질 수 있고, 천연 가스도 반드시 100% 순수한 것은 아니다. 이를 통해, 당업자라면 상기 비율이 조금 변동될 수 있지만 상기 비율의 계산 기초, 즉 연료와 산소의 화학양론적 비율은 변하지 않고 유지된다는 것을 이해하고 알 것이다.

이러한 연료에 대한 산소의 비율은 많은 장점을 제공한다. 첫번째로, 상기 화학양론은 연료의 완전 연소를 제공하여, 일산화탄소, NO_x 및 그 밖의 유해한 오프 가스(일반적으로는 그 밖의 온실 가스)의 배출이 감소된다. 또한, 산소의 비율이 제어되어 용융 알루미늄에 존재하는 산화물의 양이 감소된다. 나아가, 최종 알루미늄 제품의 품질이 향상되고, 바람직하지 못한 산화물 오염 물질을 제거하기 위한 처리가 줄어든다.

연료에 대한 산소 비율을 정확하게 제어함으로써, 연료의 완전 연소가 보장된다는 것을 아는 것은 중요하다. 이는 예컨대 LOI(점화 손실)의 해결이 중요 과 제로 남아있는 화석 연료 발전소(예컨대, 유틸리티 발전소)와 현격한 대조를 이룬다. 실질적으로, LOI는 연료의 불완전 연소와 동일한 것으로 간주된다. 한편, 본 발명의 방법에서, 연료에 대한 화학양론적 비율이 철저하게 제어되는 실질적으로 순수한 산소는 전술한 손실을 최소화시키고 배제시킨다. 또한, 본 발명의 방법에서, 유일하게 이론상 발생 가능한 NO_x는 연료계 NO_x로부터 얻어지는 것이며, 다른 방법에서는 오히려 공기를 이용한 연소에 기인한 것일 수도 있다. 따라서, NO_x는 완전히 배제되지는 않더라도 통상의 연소 시스템에 비해 상당량 감소된다.

알루미늄 내의 산화물은 2개의 주요 원인에 기인한다. 첫번째 원인은, 연소 공정이고, 두번째 원인은 알루미늄 내에 존재하는 산화물이다. 이는 낮은 등급의 폐물 또는 원료의 경우에 특히 그러하다. 본 발명의 공정은 상기 산화물의 2가지 원인을 모두 고려하여, 산화물이 최종 알루미늄 제품에 미치는 영향을 감소시키거나 배제시킨다. 첫번째로, 본 발명의 공정은 연료의 연소를 위해 공급된 산소로 인하여 형성될 수 있는 산화물을 감소시킨다. 이는 단지 연료의 완전 연소를 위해 화학양론적 비율로 필요한 정도로만 산소를 공급하도록 철저히 제어함으로써 수행된다.

본 발명의 공정은 산화물의 두번째 원인(알루미늄에 존재하는 산화물)을 고려하여, 탈기 및 여과 공정에 의해 이들 산화물을 제거한다. 유익은 2가지로 나뉜다. 첫번째 유익은 불순물(D) 형태의 부산물이 조금 형성된다는 것이고; 두번째 유익은 완성 제품의 품질이 크게 향상된다는 것이다.

또한, 연료/산소 혼합물(다시 말해서, 연료/공기 혼합물 보다는)을 사용하면 용해로의 화염 온도가 높아지는 것으로 확인되었다. 산소-연료를 이용하면, 노에서 약 5000 ℉의 화염 온도가 얻어진다. 이는 그 밖의 공지된 노보다 약 1500 ℉ 내지 2000 ℉ 높은 것이다. 또한, 산소-연료를 이용하면 전술한 바와 같이 화염 온도가 높아지는 것과 더불어 매우 효율적인 공정이 되는 것으로 관찰되었다. 한 가지 효율 측정법에서는, 처리된 알루미늄 1 파운드당 필요한 에너지(BTU)를 측정한다. 공지된 공정에서, 처리된 알루미늄 1 파운드당 필요한 에너지는 약 3620 BTU/lb이다. 본 발명의 공정 및 장치에서, 처리된 금속 1 파운드당 필요한 에너지는 약 1083 BTU/lb로서, 에너지 요구량이 상당히 더 낮다. 또한, 본 발명의 방법과 관련하여 전술한 "연료"는 천연 가스이지만, 오일(폐유 포함), 석탄, 석탄가루 등과 같은 임의의 유기계 연료를 이용할 수 있다는 것을 유의하라.

상기 공정에 대한 열역학의 이해를 위해, 알루미늄 1파운드를 용융시키는 데 필요한 이론적인 에너지는 504 BTUs이다. 그러나, 특정 공정의 비효율성은 고유의 문제이기 때문에, 공기 발화 연소 시스템을 사용한 경우에 실제로 필요한 에너지는 약 3620 BTU/lb인 것으로 확인되었다. 이러한 비효율성으로는, 예컨대 노가 "발화"되는 실제 시간보다 실제 처리 기간이 짧다는 것과, 캐스터 폭의 증대 또는 감소 등과 같이 그 밖의 하류 공정에 변동이 있다는 것 등이 있다. 또한, 굴뚝에 의한 손실(열 손실)과 노 벽을 통한 열 손실 등과 같은 그 밖의 "손실"은 이러한 에너지 차이를 증대시킨다.

또한, 1083 BTU/lb란 값은 전술한 "손실"을 고려하여도 평균 에너지 요구량 이다. 상기 공정이 높은 효율로 운행되는 경우, 다시 말해서 처리는 하지 않고 노가 "발화" 상태로 유지되고 있다기 보다는, 알루미늄이 거의 연속적으로 처리되는 경우, "평균" 에너지 요구량은 약 750 BTU/lb 내지 약 900 BTU/lb로 감소될 수 있다.

용해로

본 발명의 용해로(14)는 주로 강철과 내화물로 구성된다. 도 5 내지 도 9를 참조하면, 노의 쉘(42)의 외측 치수는 폭이 약 20 피트이고, 길이가 약 40 피트이며, 높이가 약 12 피트이다. 강철 쉘 구조(42)는 판과 빔으로 형성된다. 노의 쉘 구조가 도면 부호 42로 표시된 것을 제외하고는, 판과 빔은 각각 도면 부호 44와 도면 부호 46으로 표시된다. 바닥(48)은 1 인치 두께의 판(44)을 함께 용접함으로써 형성된다. 빔(46) 위에 있는 각 용접부는 노의 쉘(42)의 완전성을 보장한다.

노의 바닥(48)을 지지하기 위해 추가의 빔(46)이 마련된다. 대략 18 인치 마다 각 빔(46)의 중심에 8 인치 폭의 플랜지가 마련된다. 모든 빔(46)(완전히 시임 용접된 연결 빔은 제외)은 저부판(50)에 스티치된다. 이로써, 가열 중에 열팽창으로 인해 강철의 "성장"이 가능해진다.

빔(46)은 노의 저부(52)을 지지하여 견고하게 만든다. 빔(46)은 노(14)를 견고하게 유지하여, 내화물의 설치 및 장기간의 사용 중에 구부러지는 것을 감소시킨다. 또한, 빔(46)은 노(14)의 작동 중에 내화물에 걸리는 기계적 부하를 최소화하도록 지지한다. 또한, 빔(46)은 노의 저부(52)를 노(14)가 설치된 바닥으로부터 들어올린다. 이로써, 노(14) 하부에 발생되는 열이 빠져 나갈 수 있게 된다.

이와 유사하게, 노의 측벽(54)은 강철판과 빔 구조로 제조된다. 금속 라인의 위와 금속 라인의 아래에 2개의 벽 영역이 확인된다. 강도와 열의 값을 모두 고려하여, 이와 같이 구분한다.

금속 라인의 아래에 있는 판의 두께는 3/4 인치이다. 금속 라인의 위에 있는 판의 두께는 5/8 인치이다. 본 발명의 노에서, 처음 8 피트는 (설계 목적상) 금속 라인 아래에 있는 것으로 고려되고, 상부 4 피트는 (설계 목적상) 금속 라인 위에 있는 것으로 고려된다.

빔(46)은 노(14)의 측벽(54)을 지지하는 데 사용된다. 빔(46)은 노(14)를 따라 수직방향으로 이어지는 18 인치의 중심선에 설치된다. 수평 빔(46)은 금속 라인의 아래에 있는 18 인치의 중심과 금속 라인의 위에 있는 24 인치의 중심에 배치된다. 노(14)의 금속 라인은 변화하지만, 설계를 고려하여 정상 작업 중에 가장 높은 레벨의 금속이 노(14)에 있게 된다. 예컨대, 노(14)의 최대 충전 라인의 9 인치 위에 금속 라인이 있는 것으로 추정할 수 있다는, 추가적인 인자를 고려할 수도 있다.

노(14)의 루프(56)는 현수식 내화물 설계이다. 빔(46)은 노(14)의 폭을 따라 18 인치 중심에 위치한다. 추가의 빔(46)이 폭을 가로지르게 연장되는 빔에 용접되며, 상기 추가의 빔은 노(14)의 길이 방향으로 배향된다. 빔에는 클립이 장착되고, 이 클립에는 프리캐스트 내화 벽돌이 장착된다.

노(14)는 그 측면(54)에 2개의 메인 도어(58)가 마련된다. 도어(58)는 메인 노의 가열 챔버 또는 욕조 영역(60)을 스키밍(skimming) 또는 세척하는 작업 동안 에 사용되고, 메인 노의 챔버(60)를 충전하는 작업 동안에 사용된다. 불순물(D)(용융 알루미늄의 표면에 형성되는 오염 슬래그)이 노(14)의 내측에 형성되고, 열전달율을 유지하기 위해 적어도 하루에 한번 상기 불순물을 청소해야 한다. 도어(58)를 열고 용융 금속 풀의 표면을 스키밍하여 불순물(D)을 제거한다.

통상적인 작업 중에 금속 또는 폐물은 충전 용기(62)에 넣어진 후 용융되어 노의 가열 챔버(60)로 이송되지만, 주철 또는 주괴 등과 같은 타입의 일부 폐물은 메인 가열 챔버(60)에 직접 넣어지는 것이 더 바람직하다. 도어(58)는 이러한 타입의 장전물을 가열 챔버(60)에 이송하기 위해 개방될 수 있다.

도어(58)는 강철 및 내화물 구조이다. 도어(58)는 기계적인 풀리 시스템(도시 생략)에 현수되고, 풀리 시스템이 고장날 경우에 지면으로 떨어지지 않도록 안전 체인에 의해 보호된다. 도어를 작동시키는 데 동력 윈치를 사용한다. 도어(58)는 노(14)의 측면(54)으로부터 지지되어 있는 공통의 십자형 부재에 현수되어 있다.

메인 충전 용기(62)는 노(14)의 전방(64)에 배치된다. 용기(62)는 노의 가열 챔버(60)로부터 분할되며, 2개의 영역, 즉 충전 영역(66)과 순환 펌프 영역(68)으로 분할된다. 순환 펌프(70)는 메인 챔버(60)에 있는 용융 금속의 고온 풀로부터 폐물 충전 영역(62)으로 금속을 순환시킨다.

챔버(60, 66, 68) 사이에는 3개의 개구(72, 74, 76)가 있다. 제1 개구(72)는 메인 챔버(60)와 펌프 용기(68) 사이의 격벽에 있다. 제2 개구(74)는 펌프 용기(68)와 폐물 충전 영역(66) 사이의 격벽에 있다. 제3 개구(76)는 충전 용기(66) 와 메인 가열 챔버(60) 사이의 격벽에 있다.

모든 개구(72, 74, 76)는 노(14)의 물리적 또는 실질적 금속 라인 아래로 약 1 피트에 위치한다. 메인 챔버(60) 내부의 열을 유지하고, 노(14)의 분할된 영역 사이에서 산화물의 유동을 방지하며, 노를 기밀하게 유지하도록 [즉, 노(14) 내부의 제어된 환경을 유지하도록], 개구(72, 74, 76)는 금속 라인 아래에 위치한다. 펌프(70)에 그리고 펌프 주위에 노의 폐기물, 돌 및 불순물이 과도하게 축적되지 못하도록, 펌프(70)가 높은 영역에 위치한다.

충전 챔버(66)의 위에는 배기 후드(78)가 배치된다. 이 후드(78)는 강철로 제조되고, 측벽(54)이 제조되어 있는 빔과 유사한 빔(46)에 장착된다. 빔(46)은 용기의 측벽을 덮는, 실질적으로는 용기를 완전히 씌우는 판에 배치된다. 후드(78)는 메인 노의 챔버(60)에 굴뚝(80)(도 4 참조)과 통하는 구멍을 제공한다. 굴뚝(80)은 노(14)로부터 가스를 배출하고, 노(14)의 압력을 유지하도록 폐쇄될 수 있다.

배기 가스는 노(14)를 빠져나와 백하우스(baghouse)(82)까지 유동한다(도 4 참조). 백하우스(82)는 주로 폐알루미늄 처리에 있어서 본래 존재하는 페인트, 오일, 용제 등으로부터 미연소 탄소를 수집하는 데 사용된다.

노(14)는 4개의 산소-연료 버너(84)를 포함한다. 버너(84)는 도어(58)의 맞은편에 있는 노(14)의 측벽(54)에 설치된다. 버너(84)의 둘레가 강철로 구성되어, 버너(84)를 장착하고 둘레 벽을 견고히 유지시킬 수 있다.

노(14)에는 내화물이 라이닝되어 있다. 바닥(48)은 2개의 상이한 내화물로 제조된다. 제1 물질(86)은, 예컨대 AP Green KS-4 등과 같은 고강도 캐스터블 내화물로 이루어진 약 6 인치 두께의 부어만든 슬랩이며, 서브 노를 형성한다. 서브 노(86) 위에 바닥 물질(88)을 부어, 두께가 약 13 내지 14 인치인 단일체 형태로 만든다. 바닥 물질(88)은 AP Green 70AR 내화물이다. 이는 알루미나를 70% 함유하는 알루미늄 저항성 캐스터블 내화물이다.

벽(54, 64, 65)은 상기 70 AR 캐스터블 내화물 또는 모놀리식 인산염 결합형 85% 알루미나(MONO 85) 플라스틱 램밍 내화물(92)에 이어지는 2개의 절연층(90)으로 제조된다. 상기 물질의 알루미나 함량은 85%이다. 절연층(90)은 노의 측벽(54)에는 약 2 인치의 두께로 노의 전방벽(64)과 후방벽(65)에는 약 3 인치의 두께로 마련되는 절연 보드이다. 노(14)의 열팽창에 순응하기 위해, 절연층(90)의 두께에 차이를 둔다. 노의 벽(54, 64, 65)은 1 직선 피트당 약 1/8 인치 성장된다. 따라서, 노(14)는 (400 피트의 길이를 따라) 전체적으로 약 5 인치 성장된다. 6 인치의 절연층(90)이 있는 경우 (전방과 후방에 각각 3 인치), 절연층(90)은 짜부러지고 노의 쉘(42)을 손상시키지 않으면서 노의 벽(54, 64, 65)의 성장을 허용한다.

절연 벽돌(94)은 짜부러질 수 있는 절연 보드(90)와 주조 내화물(92) 사이에 배치된다. 루프(56)는 70% 알루미나 캐스터블 내화물로 제조된다. 이 물질을 6개의 루프 섹션에 붓는다. 각 도어(58)의 프레임은 70% 알루미나 AR 내화물로 제조된다.

노(14)는 두 세트의 탭아웃 블록(도시 생략)을 구비한다. 제1 세트는 노의 저부(52)에 배치되어 배수 블록의 역할을 한다. 블록의 제2 세트는 노의 바닥으로부터 16 인치 떨어진 곳에 배치되어 이송 블록 세트의 역할을 한다. 교환의 편이성을 위해, 이송 블록은 노의 외부에 설치된다. 노의 내부를 형성하고, 블록을 외부에 설치하며 플라스틱 램을 이용하여 끼워 넣는다.

노에는 2개의 경사부(도시 생략)가 있고, 각각의 메인 충전 도어(58)에 하나씩 있다. 경사부는 용융 금속으로부터 불순물(D)을 스키밍하거나 슬래그를 제거하는 데 사용되며, 폐알루미늄이 노 안으로 미끄러져 들어갈 수 있게 하는 데 사용된다. 경사부는 2개의 물질로 구성된다. 베이스는 저등급 알루미늄 저항성 벽돌을 적재하여 경사부를 형성한 것이다. 상기 벽돌에는 70 AR 물질 등과 같은 캐스터블 내화물이 (약 18 인치의 두께로) 피복된다. 경사부는 토대의 에지로부터 노까지 연장된다.

메인 노의 챔버(60)와 충전 용기(62)를 분리시키는 벽(96)은 두께가 약 22 인치이고, 70 AR 물질로 형성된다. 이 벽(96)은 하나의 모놀리식 구조로서 주조된다.

노(14)는 비어 있는 상태로부터 용융 알루미늄을 홀딩 및 유지하는 상태에 이르기까지 여러 모드로 작동될 수 있다. 노(14)가 최상의 작동 상태일 때, 노는 약 80% 내지 90% 채워진 상태이다. 용융 금속은 약 1400 ℉이고, 노에 있는 공기의 온도는 약 1800 ℉이다. 굴뚝(배기) 온도는 약 1000 ℉이다. 공기의 온도는 노(14)의 상부 측벽(54)에서 열전쌍(98)에 의해 측정된다. 금속 온도는 순환 펌프(70)의 베이스에서 측정된다.

충전 용기(62)에서 폐물은 약 3,000 파운드 단위로 노에 충전 또는 도입된다. 도입되는 폐물의 크기 또는 중량은 노(14)의 크기 및 용량에 따라 결정되는 것으로 이해된다.

메인 챔버(60)의 용융 금속은 순환 펌프(70)에 의해 차가운 금속 충전부로 펌핑된다. 용융 금속은 차가운 금속 충전부에 전도에 의해 열을 전달한다. 충전 금속은 급속히 가열되고 용융된다.

충전된 알루미늄에 대한 열전달의 주요 방식은 전도이다. 노 전체에 마련되는 대형 히트 싱크는 전술한 효과적인 열전달 방법을 강화시킨다. 노의 용량의 80% 내지 90%가 채워지는 경우, 약 1400 ℉의 용융 알루미늄이 약 220,000 파운드 존재한다. 폐물을 노(14)에 충전하면, 욕조는 히트 싱크의 역할을 하고, 충전된 금속에 열을 전달하는 데 필요한 에너지를 제공한다. 이는 본 발명의 산소-연료 시스템에 맞추어진 노의 치수 및 용량과는 무관하게 그러하다. 순환 펌프(70)는 용융 금속을 메인 노의 챔버(60)로부터 충전 용기(62)에 공급함으로써 폐물의 용융을 돕는다. 또한, 용융 금속을 순환시킴으로써, 노(14)의 전체에 있어서 열의 성층화가 낮게 유지된다.

용융 금속을 펌핑 또는 순환시킴으로써, (높이차가 약 42 인치인) 노(14)의 상단과 저부 사이의 온도차는 단지 수 ℉에 불과하게 되는 것으로 확인되었다. 따라서, 노(14)는 안정적인 히트 싱크의 역할을 하여, 충전 금속에 전도에 의해 열을 전달하는 일정한 열 공급원이 마련된다.

열은 버너(84)에 의해 노(14)에 입력된다. 노(14)에 대한 열전달의 주요 방 식은 약간의 대류성 열전달을 이용하는 복사인 것으로 고려된다. 화염 온도가 높기 때문에, 산소 연료 연소 시스템은 효과적인 복사 열전달을 제공한다. 또한, 노(14)의 기하 구조는 화염으로부터 금속으로의 열전달이 일어나는 금속의 표면적을 최대화함으로써 열전달율을 증대시키도록 설계된다.

또한, 금속 라인 위에 있는 내화 물질은 알루미나 함량이 높은 물질로 제조된다. 이러한 물질은 버너로부터 용융 금속으로 되돌아 오는 열을 반사시킨다. 이러한 설계는 열을 용융 금속 풀로 되돌아가도록 반사시키는 통상의 노 설계와는 다르게 많은 열이 노로부터 빠져나갈 수 있게 한다.

예컨대, 종래의 노는 알루미나 함량이 낮고 절연성이 높은 내화물을 상부 측벽에 사용한다. 한편, 본 발명의 설계는 버너(84)로부터 욕조 영역(60)으로 복사열을 더 반사시키기 위해 알루미나 함량이 높은 내화물을 사용한다. 다시 말해서, 이러한 설계는 통상의 노 설계와 반대이다. 종래의 노에서, (금속 라인의 아래에 있는 것으로 정의된) 하부 측벽은 강도를 위해 알루미나 함량이 높은 내화물을 이용한다. 이와는 달리, 본 발명의 설계는 알루미나 함량이 낮고 더 나아가서는 절연성이 높은 캐스터블 내화물을 이용한다. 어떤 면에서 본 발명의 설계는 종래의 내화물 용례와 완전히 반대이다.

또한, 노(14)에는 (연료계 질소 이외에) 질소가 공급되지 않기 때문에, 노(14)를 통과하는 고온 가스(예컨대, 배기 가스)의 체적이 매우 작다. 이와 같이 노(14)에 가스가 머무르는 시간이 증대되면 용융 금속에 열을 전달하기 위한 추가 기회가 제공된다는 점이 유익하다. 대류성 열전달은 비교적 적지만, 통상의 노에 비해 더 효과적이다. 본 발명의 노(14)에 있는 고온 가스가 5000 ℉에 이르고 비교적 오랜 시간 머무른다면, 열의 대부분이 배기 전에 제거된다.

본 발명의 노(14)는 용융에 필요한 에너지 입력이 1 파운드당 약 1083 BTU인 상태로 작동된다. 노(14)에 대한 최대 열 입력은 시간당 약 4천만 BTU(40 MMBTU)이고, 통상의 열 입력은 시간당 약 10 내지 20 MMBTU이다. 물론, 열 입력은 용융되는 폐물과 제조 요건에 따라 결정된다. 노는 시간당 40,000 파운드까지 용융시킬 수 있다.

연소 시스템

도 3에 도면 부호 100으로 표시된 연소 시스템은 천연 가스, 연료유, 폐유, 석탄(분쇄형, 가루형 및 액화형) 등과 같은 연료와 산소 공급원에 작용하는 이중 연소 트레인이다. 이 시스템은 유지보수를 도울뿐만 아니라 저사용 기간 동안에는 에너지를 보존하는 2개의 완전 연소 시스템으로 설계되어 있다. 하나의 산소 트레인(102)과 하나의 예시적인 천연 가스 연료 트레인(104)이 도 3에 도시되어 있다.

연소 시스템(100)은 (도 11에 도면 부호 120으로 표시된) 제어 시스템에 의해 제어되는데, 이 제어 시스템은 금속 온도, 공기 온도, 연료 및 산소의 흐름으로부터 얻는 모든 데이터 입력을 모니터하는 중앙 연산 장치("CPU")를 포함하고, 작업자 인터페이스를 제공한다. 각 연소 트레인은 작동 조건 및 요건에 기초하여 개별적으로 작동될 수도 있고, 서로 연계되어 작동될 수도 있다.

연소 시스템(100)을 제어하는 데 사용되는 주처리 입력 변수는 열전쌍(108)에 의해 측정된 금속 욕조 온도이다. 다른 처리 입력 변수로는 여러 개의 공기 온 도 센서(98, 110) 중 하나로부터 얻는 신호가 있다. 제어 체계에는 노의 상부벽에 위치한 열전쌍(K 타입)과, 배기 굴뚝, 그리고 노의 루프로부터 얻어지는 (도면 부호 112로 표시된) 입력이 포함된다. 제1 열전쌍(108)은 용융 금속 욕조(60)에 위치한다. 주변 공기로부터 측정 요소를 보호하기 위해, 공기 열전쌍(112)에는 알루미나 또는 유사 물질 등이 피복된다. 욕조의 열전쌍(108)은, 열에 대한 저항성이 있고 용융 금속에서 확인되는 부식 조건에 대해서도 저항성이 있는 세라믹 외장에 의해 용융 금속으로부터 보호된다. 욕조의 열전쌍(108)은 금속의 욕조 온도가 미리 설정한 레벨 아래로 떨어지는 경우에만 버너 시스템을 점화하는 신호를 보내도록 구성된다.

굴뚝 열전쌍 또는 루프 열전쌍(116)은 과열 보호를 위해 설계되어 있다. 이 열전쌍(116)은 과열 한계에 도달한 경우에 연소 트레인(102, 104)을 차단하여 내화물과 노(14) 구조물을 보호하는 과열 회로에 연결되어 있다.

상부벽의 열전쌍(98)은 주로 노(14)의 공기 온도를 모니터하는 데 사용된다. 또한, 용융조의 열전쌍(108) 없이 노(14)를 작동하는 데 사용될 수 있다. 또한, 금속이 처음 노(14)에 충전되는 경우 또는 용융 금속의 레벨이 용융조의 열전쌍(108) 아래로 떨어지는 경우에, 상부벽의 열전쌍(112)은 처리 입력 변수로서 사용된다.

작업자는 개개의 온도 설정점을 완전히 제어한다. 제어 패널(118)은 모든 열전쌍(92, 108, 110, 112, 114, 116)에 대한 온도 표시기를 포함한다. 작업자는 작동 한계가 달성될 때까지 각 열전쌍의 설정점을 조정할 수 있다. 작동 설정점의 한계는 CPU에서 내부적으로 설정될 수 있어, 임의의 바람직한 온도 범위를 수립할 수 있다.

연소 시스템 제어 시스템(120)은 2개의 부품으로 구성된다. 당업자라면 아는 바와 같이, 제1 부품(122)은 예컨대, 계전기, 제한 스위치 등과 같은 고정 배선식 안전 장치를 포함한다. 이들 장치는 모두 가스 압력 스위치와, 차단 및 봉쇄 밸브, 그리고 화염 탐지기를 포함한다. 제어 시스템(120)의 제2 부품(124)은 모니터링을 하며, CPU(106)에 의해 자동 제어 기능이 수행된다.

가스 트레인(104)은 하나의 트레인이 예컨대 유지보수 또는 저부하/사용 기간 때문에 사용되지 않는 동안에 다른 하나의 트레인이 사용될 수 있도록 쌍으로 구성된다. 각 가스 트레인(104)은 산소 흐름 요건과 관련하여 적절한 크기로 형성된다. 각 가스 트레인(104)은 볼 타입 차단 밸브(130)에서 시작된다. 배관(132)은 가스를 여과기(134)를 통과하게 안내하여, 라인에 존재하는 임의의 부스러기를 제거한다. 가스 파이롯트 라인(136)은 배관(132)으로부터 여과기(134)의 하류까지 연장된다.

배압 조절기(138)은 헤더 압력을 저하시키는 데 사용된다. 본 발명에서, 산소 압력은 대략 18 psig로 설정된다. 라인에는 차단 밸브(140)와 안전 밸브(142)가 뒤이어 마련된다. 차압 유량계(144)는 안전 밸브(142)의 하류에 위치한다. 유량계(144)는 가스가 오리피스(146)를 통과할 때 가스의 온도와 차압을 측정한다. 본 발명에서 유량계(144)는 Rosemount model 3095라는 차압 유량계이다.

이와 같은 측정을 통해 유량이 결정되고 신호가 제어 시스템(120)으로 전송 된다. 라인에는 유량계(144)에 뒤이어 제어 밸브(148)가 마련되어 있다. 본 발명의 구성에서는, 제어 시스템(120)의 출력 신호를 수신하는 변조 제어 밸브가 사용된다. 밸브(148)는 밸브의 실제 상태를 나타내는 신호를 제어 시스템(120), 구체적으로는 CPU(106)에 전송한다.

그 후, 가스 트레인(104)은 2개의 별도 라인(104a, 104b)으로 분할되고, 각 라인은 밸브(150a, 150b)를 구비한다. 밸브(150a, 150b)는 가스 흐름이 고르게 분배되도록 각 버너(84)의 균형을 맞추는 데 사용된다.

산소 트레인(102)은 라인의 크기와 구성 요소가 산소의 큰 유량을 수용하도록 크다는 점을 제외하고는 가스 트레인(104)과 유사하다. 예시적인 산소 트레인(102)이 도 3에 예시되어 있으며, 이 도면에서 연료 트레인(104)과 상응하는 구성 요소는 200대 숫자의 도면 부호로 표시된다.

도 10을 참조하면, 버너(84)는 매우 간단명료한 구조이다. 4개의 버너(84)는 각각 노(14)로 연장되는 메인 유입 노즐체(152)를 포함한다. 연류 가스 유입구(154)는 노의 벽(54) 외부에 있는 메인 유입 노즐체(152)까지 연장된다. 산소는 메인 유입 노즐체(152)에 유입되어 연료 가스와 혼합된다. 점화기(도시 생략)는 메인 유입 노즐체(152)에 있는 중앙 개구(156)를 통해 연장된다. 점화기는 연료/산소 혼합물을 점화시키기 위해 스파크를 일으킨다.

연소 시스템(100)은 작동에 의해 시작되는 운동과 CPU(106)에 의해 제어되는 자동 조절의 조합에 의해 용이하게 작동된다. 전력을 시스템 제어부에 공급하여, 제어 시스템(120)의 CPU(106)와 고정 배선식 안전부(122)를 가동시킬 수 있다. CPU(106)는 고정 배선식 안전부(122)의 부품인 계전기, 열전쌍 및 제어 밸브와의 통신을 개시한다. 가스 및 산소 압력 스위치는 이중 하이/로우 스위치 구조로 이루어진다. 저압 스위치는 일반적으로 폐쇄 신호인 반면에, 고압측은 일반적으로 개방 신호이다. CPU(106)는 적절한 신호가 존재하는가의 여부를 결정하고, 프로그램이 계속 수행될 수 있게 한다. 부적절한 신호가 인지된다면, 청각 및 시각 경보가 작동된다. 또한, 제어 체계는 가스 제어 밸브(148)과 산소 제어 밸브(248)가 "로우-파이어(low-fire)" 상태에 있는가를 모니터한다. 이들 제어 밸브(148, 248)가 적절한 위치에 있다면, 제어 시스템(120)이 시동 절차를 계속할 수 있게 하는 신호가 전송된다. 또한, 시스템(120)이 시동 절차를 끝까지 계속할 수 있게 하려면, 과열 신호도 나타나지 않아야 한다.

모든 시동 조건이 충족되면, 질소 퍼지 사이클이 개시된다. 질소는 노(14)에 남아있을 수 있는 임의의 가연성 가스를 노(14)에서 퍼지하는 데 사용된다. 노(14)를 통과하는 질소의 체적이 노(14)의 체적의 약 2.5 배가 되도록, 질소 퍼지 시간이 정해진다.

퍼지가 완료된 후, 연소 트레인 중 하나 또는 모두가 개시된다. 제어 스위치는 한 쌍의 버너 또는 모든 버너(84)를 작동 상태로 둔다. 화염 제어기는 파이롯트 솔레노이드를 개방한다. 파이롯트 솔레노이드는 보통 폐쇄되어 있지만, 일단 작동되기 시작하면 솔레노이드는 개방되고, 가스와 산소는 파이롯트 조립체를 통해 유동한다.

파이롯트 조립체의 끝에서, 가스가 혼합되고 화염 제어기에 의해 제어되는 방출 스파크에 의하여 발화된다. 일단 발화되면, 화염 탐지기(126)는 화염의 존재 여부를 탐지하고, 신호를 제어 시스템(120)에 전송한다. 일단 화염이 탐지되면, 제어 시스템(120)은 가스 및 산소 모두의 메인 차단 밸브를 개방시킨다.

메인 연료 차단 밸브(140)와 메인 산소 차단 밸브(240)는 독립적으로 작동된다. 안전 밸브(142, 242)는 가스 밸브(140)가 개방되지 않으면 안전 밸브(142, 242)도 개방되지 않도록 구성되어 있다. 메인 가스 밸브(140)가 개방되면, 가스 안전 밸브(142)와 산소 안전 밸브(242)가 개방된다. 모든 메인 밸브가 개방되면, 제어 계전기뿐만 아니라 제어 패널(118)에 있는 각 가스 트레인에 대한 표시등에도 전력이 공급된다. 파이롯트 타이머는 미리 설정한 기간, 대략 30초 동안 전력이 공급된 상태로 유지된다. 미리 설정한 기간이 경과하면, 파이롯트 회로에는 전력이 공급되지 않고, 보통 폐쇄되어 있는 솔레노이드 밸브에도 전력이 공급되지 않아서, 파이롯트 조립체와 각 버너 트레인에 대한 파이롯트 표시등을 고립시킨다.

화염 탐지기(126)는 화염을 계속 모니터한다. 화염 표시가 없어지면, CPU(106)에 경보 신호가 전송되고, 제어 회로는 가스 및 산소의 차단 밸브(140, 240)와 가스 및 산소의 안전 밸브(142, 242)를 고립시킨다.

파이롯트에 전력이 공급되지 않으면, 제어 시스템(120)은 노가 자동 작동하는 것으로 추정한다. 시스템(120)은 "로우 파이어"로 설정되고, 산소 제어 밸브(248)는 공정 및 설정값과는 무관하게 폐쇄 상태로 유지된다. 산소의 흐름은 가스의 흐름을 수반하므로, 가스 제어 밸브(148)의 범위는 한정되지 않는다. 제어 시스템(120)은 가스를 미리 설정한 비율로 유지한다.

자동 모드로 작동될 때, 제어 시스템(120)은 공정과 설정값의 편차에 응답한다. 노의 온도를 모니터하고 온도 설정점에 맞춘다. 공정 온도와 설정 온도 사이에 편차가 있으면, 에러 신호가 발생되고, 제어 시스템(120)은 신호를 산소 제어 밸브(248)에 전송한다. 또한, 가스 제어 밸브(148)도 제어 시스템(120)에 의해 제어되어, 설정점 변수는 산소 유량계에 의해 구해지는 (화학양론적으로 상호 관련된) 산소의 유량에 따라 결정된다. 제어 시스템(120)은 제어 밸브(148, 248)를 제한하고, 나아가 버너(84)의 출력을 제한하도록 구성된다.

연소 시스템(100), 구체적으로 말하면 제어 시스템(120)은 탄소계 연료에 의존하는 임의의 산업에 있어서 임의의 바람직한 용례를 충족시키도록 구성될 수 있다. 예컨대, 본 발명의 폐알루미늄 처리 플랜트(10)에서는, 산소 연료 연소 시스템(100)의 3가지 용례 또는 용도가 있다. 첫번째로는 대량 생산 환경[즉, 용해로(14)]에서 알루미늄을 용해하기 위해 사용되는 것이다. 두번째로는 주로 정상 상태의 온도와 용융 알루미늄의 합금 혼합을 위하여, 홀딩로(16)에 시스템(100)이 존재하는 것이다. 끝으로, 열 충격에 의하여 불순물(D)(용융 부산물)로부터 금속 유닛(생산용으로 회수될 수 있는 알루미늄)을 분리하는 데 고온 버너가 사용되는 용례에서, 불순물-용해로(166)에 사용되는 것이다. 각 용도에서, 버너는 에너지 보존과 환경상의 이유 때문에 설치된다.

본 발명의 연소 시스템(100) 용례는 버너(84)의 열출력(시간당 최대 MMBTU로 측정됨), 크기 및 방위와, 노(14, 16, 166)의 작동 설계 온도에 따라 다르다. 당업자라면, 이와 같이 다양한 요구를 수용하려면 기계적 차이점(예컨대, 라인의 크 기 등)이 필요하다는 점과, 제어 시스템(120)과 CPU(106)의 특정 프로그램이 다를 수 있다는 점을 알 것이다.

본 발명의 연소 시스템(100)은 현재 사용되고 있는 공지의 연소 시스템에 비하여 많은 장점을 제공한다. 예컨대, 본 발명의 연소 시스템(100)을 이용하면 상당한 에너지가 절약된다는 것이 작동을 통해 나타났다. 산소-연료 버너(84)는 통상의 노보다 훨씬 더 높은 온도에서 작동된다. 따라서, 용융에 이용할 수 있는 열이 증대된 것으로 (그 밖의 산업 용례에서, 이와 같이 증대된 열은 예컨대 증기 발전, 쓰레기 소각 등에 이용될 수 있음) 관찰된다. 이로써, 노(14, 16, 166)를 작동시키는 데 필요한 연료의 양이 감소된다. 본 발명을 실시한 경우, 용해로(14)에서 알루미늄 1 파운드를 용융시키는 데 필요한 평균 열 입력이 약 3620 BTU/lb(통상의 노)에서 약 1083 BTU/lb로 줄어드는 것으로 관찰된다. 이는 약 70% 감소된 것이다. 또한, 홀딩로(16)에서 온도를 유지하는 데 필요한 연료도 통상의 노에 비해 대략 절반 정도인 것으로 나타났다.

3가지 인자가 연료 절약에 기여한 것으로 고려된다. 첫째로, 연소 시스템(100)의 열이 증대됨으로써, 과잉 산소가 생기는 일 없이 모든 연료의 완전 연소가 가능해진다. 두번째로, 이론에 지지되는 바대로, 연소 시스템(100)은 약간의 전도에 의한 열전달이 있는 복사(또는 방사) 열전달 영역 내에서 작동되는 것으로 고려된다.

시스템(100)은 노(14, 16, 166) 내에서 복사 열전달을 이용하여 열을 금속 욕조에 효과적으로 전달하도록 설계되어 있다. 세번째로, 연소 공정에서 질소가 발생되지 않기 때문에, 노(14, 16, 166)를 통해 유동하는 가스의 양이 적다. 따라서, 고온 가스의 잔류 시간이 증대되어, 노(14, 16, 166)로부터 배기되기 전에 (열 형태의) 에너지의 대부분을 방출할 수 있게 된다.

통상의 배기 가스 체적은 통상적인 노의 체적의 일부분에 불과하다. 산소-연료 노에 약 80% 미만의 가스(실질적으로 공기의 질소 성분)가 존재하는 경우, 연소 효율이 크게 증대된다. 통상의 노에서, 공기의 질소 성분은 에너지(다시 말해서, 열 형태)의 대부분을 용융물로부터 흡수한다. 본 발명의 연소 시스템(100)에서, (공기보다는) 산소와 연료가 노(14, 16, 166)에 공급되고, 화학양론적 비율로 연소된다. 이는 과잉 산소의 발생 없이 수행된다. 따라서, 연소와 관련이 없는 물질, 예컨대 과잉 산소 또는 질소에 의해 에너지가 흡수되지 않는다.

또한, 본 발명의 연소 시스템(100)에 의하면 생산성이 증대된다. 이 연소 시스템이 용해로의 일부분으로서 설치되면, 노의 용융 용량 또는 처리량이 증대된다. 또한, 이는 노(14)에 있어서 빠르고 효과적인 열전달에도 기여한다. 새로운 금속이 노(14)에 도입될 때, 연소 시스템(100)은 공급된 금속을 용융시키기 위한 열을 제공하고, 풀(60)에서 용융 금속의 열(온도)을 설정 온도로 유지하도록, 신속하게 응답한다. 알루미늄이 복사열 공급원으로부터 열을 매우 효과적으로 받아들이는 것으로 확인되었다.

본 발명의 연소 시스템(100)은 현재 사용되고 있는 공지의 연소 시스템에 비하여 환경에 미치는 영향이 적다는 점을 가장 중요한 것으로 볼 수 있다. 본 발명의 시스템(100)은 연소 공정에서 (공기로부터) 질소를 사용하지 않는 것이 유익하 다. 일반적으로, 가열된 공기의 생성 물질이 연소 시스템에 공급될 때, 노에서 NO_x가 발생된다. 그러나, 본 발명의 시스템(100)이 공기 보다는 산소를 사용하는 경우, 본 발명의 연소 시스템에 의한 NO_x의 발생은 단지 연료에 존재하는 질소 원소의 양(즉, 연료계 질소)에만 기인한다. 연료계 질소의 레벨이 (통상의 노에서 공기에 의해 제공되는 것에 비하여) 매우 낮은 경우, 본 발명의 연소 시스템의 NO_x 레벨은 임의의 산업 표준 및 행정 규제보다 훨씬 낮은 수준이다. NO_x 발생을 감소시키는 것 이외에도, 일산화탄소 등과 같은 그 밖의 온실 가스의 발생도 크게 감소된다.

환경에 미치는 영향을 감소시키는 것 이외에도, 본 발명의 산소 연료 연소 시스템은 상당히 적은 연료 입력(석탄, 석탄가루, 천연 가스 및 오일을 비롯한 임의의 탄소계 연료)으로 현저히 더 많은 알루미늄을 처리할 수 있기 때문에, 에너지를 보존한다. 보다 적은 연료를 사용하여 처리한 결과, 연료 공급원이 보존된다. 실질적으로, 전체적으로 보아도 보다 적은 연료가 사용되며, 생산 알루미늄 1 파운드당으로 보아도 보다 적은 연료가 사용된다. 이로써 처리 비용(예컨대, 연료)과 화석 연료 사용에 대한 세금이 감소된다.

산소 공급

당업자라면 아는 바와 같이, 본 발명의 연소 시스템(100)의 산소 요건은 매우 높은 수준일 수 있다. 이 때문에, 산소를 구입할 수 있고, 전송받을 수 있으며, 시스템에 사용하기 위해 저장할 수 있지만, 예컨대 전형적인 폐알루미늄 처리 플랜트 등과 같은 산소 연료 연소 시스템의 부근에 또는 그 일부분으로서 산소 발 생 시설을 구비하는 것이 더 바람직하다.

이제 도 4를 참조하면, 본 발명의 연소 시스템(100)과 함께 사용하기 위한 극저온 플랜트(180)가 도시되어 있다. 예시된 전형적인 극저온 플랜트(180)는 순도가 95% 이상인 산소를 하루에 105톤 생산하며, 0.1 ppm 미만의 산소를 함유한 질소의 유량은 60,000 scfh(시간당 표준 입방 피트)이다. 이 극저온 플랜트(180)는 1850 마력의 3단 압축기(182)를 포함한다. 71 psig로 압축된 공기는 정화기/팽창기(184)에 들어간다. 압력이 6.9 psig이고 온도가 -264 ℉인 공기가 팽창기(184)를 빠져나와, 극저온 증류탑(186)에 들어간다. 증류탑(186)에서 공기는 기체 질소, 액체 질소, 기체 산소 및 액체 산소로 분리(증류)된다. 도면 부호 188로 표시된 기체 산소는 연소 시스템(100)에 직접 공급되고, 도면 부호 190으로 표시된 액체 산소는 이후에 연소 시스템(100)에 사용하기 위해, 예컨대 탱크(191)에 저장된다. 극저온 플랜트(180)에서 나오는 산소의 압력은 연소 시스템(100)에서 필요한 것보다 낮을 수 있다. 이러한 경우, 증류탑(186)의 산소 배출부와 연소 시스템(100)의 공급부 사이에 산소 송풍기(192)가 배치되어, 산소의 압력을 연소 시스템(100)에서 필요한 수준으로 상승시킨다.

도면 부호 194로 표시된 기체 질소는 플랜트(10) 내에 있는 하류측 어닐링/응력 제거 시스템(도시 생략)에 공급된다. 금속에 있는 응력을 제거하고 금속을 어닐링하도록 알루미늄을 처리하는 데 질소를 사용하는 전술한 시스템은, 당업자에게 알려져 있다. 또한, 질소(194)는 탈기 유닛(24)에 사용된다. 또한, 예컨대 유지보수 또는 극저온 플랜트(180)가 플랜트의 요구량을 공급할 수 없는 그 밖의 상 황에, 액체 형태의 산소와 질소를 공급하는 산소 백업 공급부(191)와 질소 백업 공급부(196)가 플랜트(10)에 마련된다. 이러한 백업 시스템(191, 196)은, 예컨대 극저온 플랜트(180)가 오프라인 상태일 때, 필요에 따라 산소 및/또는 질소를 자동적으로 공급하도록 구성되어 있다. 과잉 질소를 저장하고, 병에 담아, 팔 수 있다. 예컨대, 코네티컷주 댄버리에 소재하는 Praxair, Inc 등과 같은 여러 제조회사에서 이러한 시스템을 시판하고 있다.

열 회수

또한, 알루미늄 처리 시스템(10)은 다양한 처리로부터 발생된 폐열을 이용한다. 구체적으로 말하면, 처리 플랜트(10)는 도 4에서 도면 부호 200으로 표시된 폐열 회수 시스템을 포함한다. 용해로(14)와 홀딩로(16)에서 나오는 배기 가스(202)는 폐열 회수 열교환기(204)의 일측면으로 안내된다. 배기 가스(202)의 온도가 약 1000 ℉인 경우, 회수 가능한 에너지의 양은 상당하다. 또한, 메인 노의 욕조 영역(60) 위에 있는 배기 가스로부터 에너지를 회수할 수 있다.

배기 가스(202)는 폐열 회수 열교환기(204)로 안내된다. 펜탄 등과 같은 작동 유체(206)가 가압 조건하에서 열교환기(204)의 타측면을 통해 유동한다. 상기 용례에는 평판 타입 열교환기 또는 평판-튜브 타입 열교환기가 가장 적합한 것으로 고려된다. 당업자라면 본 발명의 폐열 회수 시스템용으로 사용될 수 있는 다양한 타입의 작동 유체와, 이러한 타입의 작동 유체와 함께 사용되는 열교환 시스템을 알 것이다. 이러한 모든 시스템은 본 발명의 범위 및 정신 내에 있다.

그 후, 가열된 유체(206)는 증발기(208)로 안내되고, 이 곳에서 유체(206)는 증기로 팽창될 수 있다. 증기(206)는 터빈-발전기 세트(210)로 안내되어 전기를 발생시킨다. 그 후, 증기는 응축기(212)에서 응축되고, 열교환기(204)로 복귀된다. 약 1.5 내지 2.0 메가와트 정도의 전기 형태의 동력을 발생시키는 데 충분한 에너지가, 전술한 폐물 처리 플랜트(10)로부터 발생되는 배기 가스(202)로부터 회수될 수 있는 것으로 고려된다.

다양한 작용 유체(206)가 이러한 폐열 또는 폐에너지 회수 시스템(200)에 사용되도록 채용될 수 있지만, 본 발명에서 고려하는 시스템에서는 펜탄이 작동 유체(206)로서 사용된다. 이러한 유기계 시스템은, 예컨대 증기계 시스템에 비해 많은 장점을 제공한다. 펜탄계 작동 유체(206)는 표준 랭킨 사이클 구성에서 증기계 시스템에 비해 증기 공급을 보다 용이하게 변화시킬 수 있는 것으로 고려된다. 용해로(14)와 홀딩로(16)에서의 열 출력이 전기의 필요량보다는 금속의 생산에 의존하는 경우, 회수 시스템(200)으로의 에너지 입력은 변화하기 쉽고, 전력 생산을 제어하는 특징이 된다. 이와 마찬가지로, 펜탄 등과 같은 유체(206)는 상기 회수 시스템(200)에 필요한 융통성을 보다 크게 한다.

당업자라면 아는 바와 같이, 발생된 전력은 극저온 플랜트(180)를 포함하는 폐물 처리 플랜트(10)에 필요한 전력의 일부를 제공하는 데 사용될 수 있다. 플랜트(10)를 작동시키기는 전력은 발전소(노 또는 보일러 사용)에 채용된 산소 연료 연소 시스템에 의해 제공되어, 증기 터빈-발전기 세트를 위한 증기를 발생시킨다. 이러한 구성에서, 발생된 전력이 플랜트(10)의 요구량을 초과할 경우, 과잉 전력을 예컨대 지역 전기 회사에 팔 수 있다.

불순물 처리

이제 도 2를 참조하면, 용해로(14)에서 발생된 오염물 또는 불순물(D)은 더 처리되고, 불순물 회수 공정(164)에서는 인라인 알루미늄 회수로부터 분리 및 이격된다. 불순물(D)은 스키밍에 의해 용해로(14)의 용융 알루미늄 풀(60)의 상단으로부터 제거된다. 불순물(D)은 체 모양의 보울(168)에서 기계적 수단에 의해 압박된다. 이와 같은 압박은 보울(168)의 개구(170)를 통해 알루미늄(A)을 불순물(D)로부터 밀어낸다. 불순물(D)로부터 밀어내어진 알루미늄(A)이 회수되고, 용해로(14)에 복귀된다.

산화물이 포함된 불순물은 재가열을 위해 회수로(166)에 공급된다. 회수로(166)는 산소-연료 연소 시스템(100) 설계를 이용한다는 점이 용해로(14)의 설계와 유사하다. 그러나, 작동시 회수로(166)는 약 5000 ℉의 화염에 거의 직접 충돌시킴으로써 불순물 포함 물질에 "충격"을 가하여, 알루미늄 금속을 불순물(D)로부터 분리시킨다. 또한, 회수로(166)에 있는 용융조(172)의 온도도 약 1450 ℉ 내지 1500 ℉로 상당히 높고, 노의 공기 온도는 약 2000 ℉ 내지 2200 ℉이다. 또한, "충격" 공정은 (과잉 산소의 레벨이 약 3 내지 5%인 상태로 작동되는 종래의 노와는 달리) 노(166) 내에 과잉 산소가 실질적으로 존재하지 않는 높은 환원 분위기에서 수행된다.

회수로(166)도 스키밍되며, 그 결과 얻어진 불순물을 가압한다. 회수된 알루미늄(A)은 용해로(14)로 이송된다. 그 후, 잔류 불순물(D2)은 외부 처리를 위하여 알루미늄 추가 회수용 불순물 처리 장치로 이송된다. 불순물 회수 공정을 포함 하는 본 발명의 공정에서는 금속의 회수가 현저히 증대되는 것으로 확인되었다. 마지막에 추가 처리를 위해 이송되는 불순물(D2)은 최초 불순물(D)의 양의 단지 일부분에 불과하여, 처리 비용이 감소되고 알루미늄 회수가 증대된다.

본 발명의 불순물 회수 공정(164)은 염 또는 그 밖의 첨가제를 사용하지 않고 수행된다는 점이 중요하다. 오히려, 산화물로부터 금속을 분리하기 위해, 열 충격을 사용한다. 공지의 회수 공정은 산화물로부터 금속을 분리하기 위해 염을 사용한다. 결국에는 처분되는 산화물에 염이 잔류하는 경우, 염도 처분되도록 이송된다. 이러한 염은 환경에 유해 및/또는 유독할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 불순물 회수 공정(164)은 상기 염에 대한 필요성과 그에 따른 염의 처분에 대한 필요성을 배제시킨다는 점에서 환경적으로 유익하다.

전체적인 공정 구성(164)에 대해 다시 살펴보면, 본 발명의 회수 단계(예컨대, 중간 재가열에 의한 이중 가압)에 의하면 폐물의 등급에 따라 공지의 회수 공정에 비해 알루미늄 회수율이 현저히 개선되는 것으로 확인되었다. 불순물(D)로부터 회수되는 금속의 양이 수십% 증대된다.

연소 시스템의 그 밖의 용례

전술한 바와 같이, 전체적으로 연속적인 공정에서 산소를 사용함으로써 효율이 증대될 수 있다는 것은 명백하다. 예컨대, 발전소는 연소 방식에 (공기 보다는) 산소를 도입함으로써, 보일러의 화염 온도를 증대시킬 수도 있고 보일러의 LOI를 감소시킬 수도 있다. 이로써, 작동 효율이 증대된다. 실질적으로, 임의의 탄소계 연료의 연소는 산소의 도입에 의해 향상될 수 있다. 이러한 유익은 경제적이 며 환경적이다. 지금까지, 유리 제조 이외의 산업에서는 산소 연료 기술을 채택하지 않았다. 유리 제조 산업에서, 산소 연료 기술은 얻어지는 효율을 위해서 사용된 것이 아니라, 유리 생산 공정에 필요한 높은 용융 온도 때문에 사용되고 있다.

그럼에도 불구하고, 모든 산업 및 발전 용례에 산소-연료 연소 시스템을 사용하면, 동일한 수준의 전력을 생산하거나 열을 발생시키면서 연료 소비를 감소시킬 수 있다. 연료를 효율적으로 사용하면서(즉, 효과적인 연소) 연료 소비를 감소시키면, NO_x의 배출이 크게 줄어들고 실질적으로 배제되며, 그 밖의 온실 가스의 배출도 현저히 줄어든다.

사용 가능한 산업 연료가, 예컨대 석탄, 천연 가스, 다양한 오일(난방유 및 폐유), 나무 및 그 밖의 재활용 폐기물 등으로 다양하고, 현재 사용되고 있고 제안되어 있는 산소 발생 방법이 다양하기 때문에, 당업자라면 본 발명에 따른 연소 시스템의 산업적 적용 가능성이 막대하다는 것을 알 것이다. 유용성, 경제적 인자 및 환경적 고려사항에 기초하여 연료를 선택할 수 있다. 따라서, 연료는 어느 하나에 특정되기 보다는 오히려 무수하며, 실제로 모든 탄소계 연료가 본 발명과 함께 이용될 수 있다. 또한, 산소를 고순도로 생산하는 만족스러운 수준의 기술이 많이 있다. 이러한 기술로는 극저온, 멤브레인 시스템, 흡수 유닛, 가수 분해 등이 있다. 전술한 모든 연료의 사용과 산소의 공급은 본 발명의 범위 내에 있다. 당업자라면 수소 및 질소 등과 같은 발생된 그 밖의 가스를 저장하고, 병에 담아, 팔 수 있다는 것을 알 것이다.

상세히 전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연소 시스템의 한 가지 용례는 폐알루미늄 처리 또는 회수이다. 이하에서 설명하는 바와 같이, 그 밖의 예시적인 용례로는 산업용 발전 보일러 및 소각로가 있다. 이러한 예시적인 용례는 본 발명에 따른 기술의 광범위한 산업 용도에 대한 융통성 및 적용성에 초점을 맞추고 있다.

일반적으로, 산소 연료 발화 연소 시스템을 이용하면 현재의 또는 종래의 공기 연료 시스템에 비해 많은 영역에서 상당한 유익이 주어진다. 첫번째로, 연소 공간에서 질소의 방해 없이 정확한 화학양론적 레벨로 움직일 수 있다는 것이다. 이로써, 연소 용례에서 NO_x의 레벨을 크게 줄이는 동시에, 연료의 사용 효율을 증대시킬 수 있다. 동일한 레벨의 에너지를 출력하는 데 필요한 에너지가 현저히 줄어들고, 나아가 전체적인 작동 비용도 줄어든다. 보다 적은 연료를 사용하면서 동일한 전력을 생산하는 경우, 배출이 자연적으로 감소된다. 그러나, 연료 절약과 배출 감소는 본 발명에 의해 제공되는 유익 중 단지 2가지 예에 불과하다.

예컨대, 산업용 발전 보일러에 의해 전기를 생산하는 증기 발전기는 다르지만, 이 발전기도 근본적으로는 터빈-발전기 세트를 회전시키기 위해 증기를 발생시키는 연소 시스템에 의존한다. 사용 연료는 증기 발전기의 설계에 기초하여 바뀐다. 그러나, 모든 보일러는 산화제를 필요로 한다. 본 발명의 산소 연료 연소 시스템을 이용하면, 고순도의 산소가 보일러 전반에 걸쳐서 유일한 산화제로서 사용되거나, 연소를 위한 산소를 제공하는 공기의 보충물로서 사용된다.

그 밖의 산업 용례에서 받을 수 있는 유익이 발전 산업에서도 유효하다. 예컨대, 연소 영역 내에서 산소를 이용하면, 연소에 쉽게 이용할 수 있는 산소를 제공함으로써 LOI(점화 손실)가 효과적으로 줄어드는 동시에, 화염 온도가 강화된다. 화염 온도를 증대시켜, 동일한 연료 연소율에서 더 많은 증기를 발생시킬 수 있다. 역으로 말하면, 보다 낮은 연료 소비율에서 동일한 전력을 발생 또는 생산할 수 있다는 것을 알 수 있다. 화염 온도는 연소를 위해 제공되는 산소의 농도에 따라 결정된다. 이 때문에, 산소의 보충 또는 보강이 없다면 (즉, 순수한 공기를 연소에 사용한다면), 화염 온도는 약 3000 ℉이다. 전술한 내용을 참조하면, 순수한 산소를 산화제로서 이용한 경우, 화염 온도는 약 4500 ℉ 내지 약 5000 ℉이다. 산소의 보충 정도를 변화시키면 예상 화염 온도는 상기 온도 사이에 (선형적으로) 존재할 수 있다.

또한, 산소는 과연소 공기 시스템 또는 저 NO_x 버너와 함께 사용되어, NO_x와 그 밖의 온실 가스를 감소시키는 동시에 화학양론적으로 안정한 화염을 보장할 수 있다. 통상의 저 NO_x 버너에서는 대개 LOI가 증대된다. 이는 작업자로 하여금 보다 많은 연료를 연소시킬 것을 요구한다. 농후한 산소를 연소 공정에 추가하면, 연료를 완전 연소시킬 수 있게 되고, (추가의 공기 입력에 의한) 추가의 질소가 존재하지 않는다면 NO_x도 발생되지 않는다.

본 발명에 따른 시스템의 유익을 완전히 이용하기 위하여, 보일러는 산소 연료 연소 시스템 주위에 있도록 설계되는 것으로 고려된다. 또한, 기존의 설비에 대한 개조 또는 변형을 하면 작업자(예컨대, 업체)와 환경 모두에 전술한 유익의 대부분이 주어지는 것으로 고려된다.

예컨대, 도 12는 석탄 연소 보일러 또는 노(300)를 개략적으로 예시한다. 노(300)의 벽(304)에는 윈드 박스(302)가 형성되어 있다. 이 윈드 박스(302)를 통해 버너(306)가 연장되며, 이 버너를 통해 석탄이 노(300)에 도입된다. 석탄은 석탄 도관(308)에 의해 노(300)에 전달된다. [분쇄기(도시 생략)로부터 나온] 석탄을 도관(308)과 버너(306)를 통해 노(300)에 전달하기 위해, 제1 공기(310)를 공급한다. 석탄이 버너(306)에 확실히 전달되도록, 석탄 도관(308)에 제3 공기(312)를 제공한다.

제2 공기(314)는 노의 벽(304)에 있는 레지스터(316)를 통하여 윈드 박스(302)로부터 노(300) 안으로 직접 제공된다. 제2 공기(314)는 연소 공정에 있어서 주요 공기 공급원이다. 잘 인지되어 있고 공지되어 있는 NO_x를 제어하기 위한 한 가지 시스템에서, 과연소 공기 시스템(318)은 [윈드 박스(302)로부터 나온] 공기를 노(300) 안에 화염(F) 위로 주입한다. 공기를 과연소시키는 근본적인 이유는 2가지로 나뉜다. 첫번째 이유는 연료를 확실하게 완전 연소시키기 위해 충분한 산소를 제공하는 것이다. 두번째 이유는 화염 온도를 낮춰 NO_x의 발생을 감소시키는 것이다.

본 발명의 연소 시스템은 기존의 연소 시스템을 완전히 대신할 수 있거나, 또는 대안으로서 연소에 사용되는 공기에 산소를 보충하는 데 사용될 수 있는 것으 로 고려된다. 구체적으로 말하면, 상기 공지된 연소 시스템에 사용되는 상기 제1 공기(310), 제2 공기(314), 제3 공기(312) 중 어느 하나 또는 모두를 대신하여 고순도 산소를 사용할 수 있는 것으로 고려된다. 당업자라면, 본 발명에 따른 산소 연료 연소 시스템을 발전용 보일러 또는 오일이나 가스 등과 같은 그 밖의 화석 연료를 이용하는 노에 (또는 특정 용례에서 산소 보충 시스템으로) 이용하는 경우에 얻을 수 있는 유익을 알 것이다.

또한, 본 발명에 따른 연소 시스템의 용도로는 산업 폐기물 소각로와 관련한 사용도 고려된다. 일반적인 폐기물 소각로는 공명 시간, 온도 및 과잉 산소에 기초하여 작동된다. 산소-연료 시스템은 작동 효율을 증대시킬 수 있다.

공명 시간은 가열된 챔버 또는 굴뚝의 물리적 크기와, 챔버 또는 굴뚝을 통과하는 가스의 속도 및 체적에 따라 결정된다. 믹스로부터 질소를 빼낸 경우, 연소 공정에 사용된 가스의 체적은 (약 80% 가량) 적기 때문에 공명 시간은 자연적으로 증대된다. 소각로가 특히 산소-연료 연소 시스템을 구비하도록 설계된 경우, 소각로의 필요 크기가 감소되기 때문에 소각로는 현저히 적은 비용을 필요로 한다.

산소-연료 연소 시스템의 화염 온도는 대개 공기 연료 시스템보다 훨씬 높다. 따라서, 이와 같은 연소의 효율성으로 인해 궁극적으로 연료로부터의 열 입력을 보다 적게 필요로 하게 되고, 그 결과 작동 비용이 줄어든다. 산소-연료 연소 시스템의 유익 중 하나는 과잉 산소의 레벨이 제어되는 것이다. 통상의 소각로의 경우, 휘발성 유기 탄소(VOCs)와 미연소 탄소를 연소시키기 위해 과잉 산소가 필요하다. (공기로부터의) 산소가 VOCs 및 미연소 탄소를 완전 연소시키는 데 사용되 는 곳인 챔버 또는 굴뚝에 공기를 주입함으로써, 이러한 과잉 산소가 제공된다. 공기는 필요한 과잉 산소를 제공하지만, 질소도 챔버에 유입될 수 있다. (과잉 산소를 제공하기 위해) 도입된 과잉 질소는 NO_x 발생의 증대를 초래한다. 또한, 전체적으로 보면 과잉 공기는 그 밖의 온실 가스의 발생을 초래하고, 챔버를 냉각시키는 작용도 한다. 따라서, 이러한 바람직하지 못한 냉각으로 인해, 상기 냉각 효과를 극복하고자 연소 시스템으로부터 추가의 열을 필요로 하게 된다.

도 13은 대표적인 산업용 노(400)를 개략적으로 예시한다. 폐기물(402)이 굴뚝(404) 안으로 도입된다. 폐기물(402)를 소각하는 화염(F)을 발생시키기 위해, 버너(406)에는 공기(408)와 연료(410)가 공급된다. 배기 가스에 있어서 CO의 레벨을 결정하기 위해, 화염(F) 위에는 일산화탄소(CO) 모니터(412)가 배치된다. CO의 레벨이 너무 높다면, 추가의 공기를 버너(406)에 공급한다. 선택적으로, 버너(406)로부터 이격된 지점(414)으로부터 굴뚝 안으로 공기를 공급하여, 공기를 추가할 수 있다.

전술한 작동 방법은 많은 단점이 있다. 전술한 바와 같이, 폐기물 소각에 있어서 2가지 제어 인자는 시간과 온도이다. 다시 말해서, 온도가 높고 공명 시간이 크면 폐기물의 소각도 증대된다. 그러나, (CO 레벨을 낮추기 위해) 공기를 추가하면, 굴뚝(404)을 통한 유량이 증대되어, 공명 시간이 감소된다. 또한, 공기 유량이 증대되어 화염 온도가 낮아지더라도 (나아가 NO_x 발생이 줄어들더라도), 높은 레벨의 질소가 도입되어, NO_x 발생도 증대되기 쉽고 냉각 효과(및 NO_x 발생 감소 효과)도 상쇄되기 쉽다. 또한, 공기의 냉각 효과 때문에, 소각 공정의 효율이 낮아진다.

한편, 본 발명의 산소-연료 연소 시스템은 NO_x 및 그 밖의 온실 가스를 발생시키지도 않고 냉각 효과도 없이, 미연소 물질을 연소시킬 수 있는 고순도 산소를 이용한다. 따라서, 본 발명의 산소-연료 시스템은 통상의 또는 종래의 소각로 시스템에 비해 여러 유익을 제공할 수 있다. VOCs 및 그 밖의 오염물이 대기 중에 이르기 전에 이들을 연소시키는 것이 소각로의 주 목적이라는 점에서, 본 발명의 연소 시스템은 사용 연료를 감소시켜, NO_x 및 그 밖의 온실 가스의 발생을 줄이고 연소 가스의 체적도 전체적으로 줄인다.

또한, 산소 연료 연소 시스템을 채용하는 소각로는 설치(예컨대, 자본) 및 작동 비용이 크게 줄어든다. 본 발명의 시스템을 통해 가스의 체적이 많이 줄어드는 것으로 고려되기 때문에, 소각로의 자본 비용이 줄어든다. 전술한 바와 같이, 가스의 발생량이 훨씬 적기 때문에, 소각로의 전체 크기를 통상의 시스템에 비해 상당히 작게 하면서 동일한 공명 시간을 유지할 수 있다. 따라서, 동일한 폐기물 부하를 처리하는 소각로가 물리적으로 소형화될 수 있고, 이와 마찬가지로 필요한 지지 시스템과 보조 설비 및 시스템도 소형화될 수 있다.

또한, 산소-연료 연소 시스템은 일반적으로 통상의 소각로 시스템보다 상당히 효과적이며, 필요한 에너지 입력량도 그 일부분에 불과하다. 또한, 본 발명의 시스템은 연료가 미연소 탄소 또는 VOCs인 소각로 용례에 매우 적합하다. 이와 마 찬가지로, 화염 공간에 질소가 존재하지 않기 때문에, NO_x의 발생이 최소로 유지되고 단지 연료계 질소로부터 형성된 NO_x로 규제된다.

전술한 산업은 본 발명에 따른 산소 연료 연소 시스템을 사용함으로써 유익을 얻을 수 있는 단지 몇 가지 예시적인 산업이다. 당업자라면, 화학 산업 및 석유 화학 산업과, 발전 산업과, 플라스틱 산업과, 수송 산업 등에 본 발명의 시스템을 적용할 수 있다는 것을 알 것이다.

산소 연료 연소 - 유익 및 장점

당업자라면 산소 연료 연소의 유익 및 장점을 알 것이다. 그럼에도 불구하고, 천연 가스용으로 맞추어진 공기 발화 노를 사용하는 예시적인 폐알루미늄 처리 시설에서, 폐알루미늄 1 파운드를 처리 또는 용융시키는 데 3,620 BTUs(3,620 BTUs/lb로 나타냄)의 에너지(사용한 천연 가스의 평방 피트로 결정됨)가 필요한 것으로 확인되었다. 다시 말해서, 알루미늄 1 파운드를 용융시키려면 약 3.45 표준 입방 피트(SCF)의 천연 가스가 필요하였다. 3,620 BTU라는 에너지 요구량은 열함량이 1,050 BTUs인 1 SCF의 천연 가스에 기초한 것이다.

이와는 달리, 본 발명에 따른 산소 연료 연소 시스템을 이용하면, 알루미늄 1 파운드를 용용시키는 데 단지 1.03 SCF의 천연 가스(또는 1083 BTUs)만이 필요한 것으로 확인되었다. 따라서, 본 발명의 산소 연료 연소 시스템은 1083 BTU/3620 BTU 또는 공기 발화 노에 필요한 연료의 29.9%를 사용하였다. 이는 1에서 0.299를 빼낸 정도의 또는 약 70% 정도 연료 소비가 감소된 것이다.

폐유를 연료로서 사용한 산소 연료 연소 시스템의 경우에는, 연료 소비가 비록 꽤 급격히 감소되는 것은 아니지만 유사하게 감소되는 것으로 관찰되었다. 알루미늄 1 파운드를 용융시키는 데 필요한 폐유 연료의 열함량은 1218 BTUs인 것으로 확인되었다. 따라서, 폐유의 경우에 관찰되는 연료 소비 감소는 1218/3620 또는 33.6% 이었고, 그 결과 연료 소비가 약 66% 감소되었다. 이와 같이, 오염물 발생의 감소를 고려하기 전에도, 본 발명의 산소 연료 연소 시스템은 공기 발화, 천연 가스 발화 노에 비하여, 천연 가스를 이용하는 경우에는 약 70%의 연료 소비 감소를 폐유를 이용하는 경우에는 약 66%의 연료 소비 감소를 각각 나타내었다.

이하의 표 1은 공기 발화(가스 연료, "공기-가스"로 나타냄) 연소 시스템과, 산소 연료(가스, "산소-가스"로 나타냄) 연소 시스템 및 산소 연료(폐유, "산소-오일"로 나타냄) 연소 시스템을 사용하여 발생된 오염물을 비교 예시한다. 나타낸 오염물은 일산화탄소(CO), 기체 질소 화합물(NO_x), 크기가 10 미크론 이하인 입자 물질(PM10), 전체 입자 물질(PT), 황 함유 기체 화합물(SO_x) 및 휘발성 유기 탄소 화합물(VOC)이다.

데이터는 2가지 형태, 즉 1년당 발생 톤(TPY)과 백만 BTUs 사용당 생산된 파운드(lbs/MMBTU)이다. 산소-가스 및 산소-오일 데이터에 이어서 삽입된 내용은 공기 연소, 가스 연료 연소 시스템에 대비한 오염물 감소를 나타낸다.

공기-가스, 산소-가스 및 산소-오일 연소 시스템에 대한 연료 가스 분석
	공기-가스		산소-가스		산소-오일
오염물	TPY	lb/MMBTU	TPY	lb/MMBTU	TPY	lb/MMBTU
CO	4.88	2.0E-2	1.51	6.0E-3 (68.9)	1.32	5.0E-3 (73.0)
NO_x	24.38	1.E-1	0	0 (100.0)	10.04	0.041 (58.8)
PM10	0.028	1.0E-4	0.0023	9.4E-6 (92)	0.146	6.0E-4 (-410)
PT	0.028	1.0E-4	0.0023	9.4E-6 (92)	0.169	6.9E-4 (-490)
SO_x	0.146	6.0E-4	4.5E-2	1.9E-4 (69)	1.39	5.7E-3 (-848)
VOC	0.582	2.4E-3	4.0E-1	1.6E-3 (31)	3.33	1.4E-2 (-471)

산소 연료 폐유 연소 시스템에 대한 PM10, PT, SO_X 및 VOC의 값은 증대(음의 감소로서)를 나타낸다. 이는 예시적인 연소 시스템에 "후연소" 처리 공정이 없는 것에 어느 정도 기인한 것이다. 적절한 "후연소" 공정은 (입자 물질을 위한) 백하우스와 (황 함유 가스를 위한) 집진기를 포함하고, 그 결과 배출량이 약 98.99% 이상과 약 95% 이상으로 각각 감소되는 것으로 고려된다. 표 1에 얻어진 값은 관찰된 연료 소비의 감소에 기초한 것이며, USEPA 표 AP42(USEPA의 웹사이트에서 입수 가능함)로부터 결정된 바와 같이 미국 환경 보호국(USEPA)의 허용 기준에 따라 결정된 것이다.

전술한 값은 산소 연료 연소 시스템을 사용하는 노 내부의 환경을 제어한 것에 기초한 것이라는 것을 유의하라. 다시 말해서, 산소-가스 및 산소-오일 연소 시스템에 대한 오염물의 감소를 나타내는 전술한 값은, 연소 시스템이 설치되어 있는 노가 무시할 정도의 공기의 누설(즉, 연소 분위기에 있는 질소)을 제한하도록 되어 있다는 것을 필요로 한다.

따라서, 당업자라면 아는 바와 같이, 고순도 산소(또는 산소가 매우 농후한 공기) 및 임의의 탄소계 연료를 사용하는 것은 많은 기존의 산업 시스템에 잘 적용될 수 있다. 이러한 시스템을 표준 및 통상의 산업 용례에 사용하면, 공지되어 있고 현재 사용되고 있는 공기 발화 및 공기 과연소 시스템에 비해 많은 장점을 제공하는 것을 고려된다. 성능 및 생산성을 강화시키기 위해 본 발명의 산소-연료 연소 시스템을 통합하기 위해서는, 많은 기존의 물리적 플랜트는 재설계 및 변형이 필요하지만, 설계 및 구조를 이와 같이 변경함으로써 얻어지는 유익, 예컨대 연료 비용 감소 등과 같은 운용 비용 감소와, 자본 비용 감소, 그리고 방출량 감소 등은 이와 같이 변경에 드는 비용을 훨씬 능가하는 것으로 고려된다.

전술한 바로부터, 본 발명의 신규한 개념의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양하게 수정 및 변형할 수 있는 것을 알 것이다. 예시된 특정 실시예는 한정하려는 의도가 없는 것으로 이해 또는 추정된다. 본 명세서는 상기 모든 수정예가 첨부된 청구범위에 의해 청구범위의 범위 내에 있는 것으로 보호되도록 의도되어 있다.

도 1은 온실 가스 발생이 줄어들고 연료 소비가 감소되며 본 발명의 원리를 따라 실시된 산소 연료 연소 장치를 구비하는 용해로가 포함된 예시적인 폐알루미늄 회수 공정의 개략적인 전체 흐름도.

도 2는 도 1로부터 이어지며, 본 발명의 원리에 따라 실시된 산소 연료 공급 시스템을 구비하는 회수로가 포함된 불순물 처리 작업의 개략적인 전체 흐름도.

도 3은 상기 산소 연료 연소 장치와 함께 사용하는 예시적인 천연 가스 공급 트레인과 산소 공급 트레인을 보여주는 도면.

도 4는 극저온 플랜트로부터의 산소 공급과, 노까지의 흐름을 보여주고, 또한 예시적인 폐열 회수 플랜트를 예시하는 전체 플랜트의 개략도.

도 5는 본 발명의 원리에 따른 산소 연료 연소 장치와 함께 사용하는 알루미늄 용해로를 예시하는 개략도.

도 6은 도 5에 도시된 노의 측면도.

도 7은 도 6에 도시된 용례로의 정면도.

도 8 및 도 9는 노의 측벽과 바닥을 각각 예시하는 부분 단면도.

도 10은 산소 연료 연소 장치와 함께 사용하는 버너 조립체를 예시하는 도면.

도 11은 본 발명의 산소 연료 연소 장치와 함께 사용하는 예시적인 제어 시스템을 예시하는 개략도.

도 12는 예시적인 동력용 보일러 또는 노의 정면벽을 보여주는 개략도로서, 버너 및 공기 공급 구조를 예시하고, 본 발명의 원리에 따라 실시된 산소 연료 연소 장치가 결합되어 있는 것을 보여주는 도면.

도 13은 폐기물 소각로를 예시하는 개략도로서, 본 발명의 원리에 따라 실시된 산소 연료 연소 시스템이 결합되어 있는 것을 보여주는 도면.

Claims

하나 이상의 버너를 구비하고 공기의 도입이 방지되도록 구성되어 있는 노와;

순도가 85% 이상인 산소를 공급하는 산소 공급부와;

탄소계 연료를 공급하는 탄소계 연료 공급부와;

상기 산소와 상기 탄소계 연료를 서로에 대한 화학양론적 비율로 상기 하나 이상의 버너에 공급되도록 제어하고, 상기 산소 또는 상기 탄소계 연료의 과잉을 그 화학양론적 비율에 대하여 5% 미만으로 제한하는 제어수단

을 포함하는 것으로서,

상기 제어수단은 4500 ℉를 초과하는 화염이 발생되게 하고, 1100 ℉ 이하인 노로부터의 배기 가스 흐름이 발생되도록 연소 처리를 제어하기 위하여 상기 노 내의 여러 온도를 측정하는 센서들을 포함하며,

상기 제어수단은 상기 하나 이상의 버너에 공급되는 산소 및 탄소계 연료의 유량을, 상기 노 안에서 선택된 하나의 공정 온도에 대하여 선택된 하나의 온도 설정점의 함수로서 제어하도록 구성되고,

상기 제어수단은 상기 노의 루프 온도가 소정 값을 초과한 때, 하기 연소 장치를 독립적으로 차단하기 위한 과열 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소 연료 연소 장치.
제1항에 있어서, 상기 탄소계 연료는 가스인 것을 특징으로 하는 산소 연료 연소 장치.
제2항에 있어서, 상기 가스는 천연 가스인 것을 특징으로 하는 산소 연료 연소 장치.
제1항에 있어서, 상기 산소를 발생시키기 위한 극저온 플랜트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산소 연료 연소 장치.
제1항에 있어서, 상기 탄소계 연료는 고체 연료인 것을 특징으로 하는 산소 연료 연소 장치.
제1항에 있어서, 상기 탄소계 연료는 액체 연료인 것을 특징으로 하는 산소 연료 연소 장치.
제어된 환경을 갖고, 외부 환경으로부터 내부로의 누설이 없으며, 하나 이상의 버너를 구비하고 공기의 도입이 방지되도록 구성되어 있는 노와;

소정의 순도를 갖는 산소를 공급하는 산화제 공급부와;

탄소계 연료를 공급하는 탄소계 연료 공급부와;

상기 산소와 상기 탄소계 연료를 서로에 대한 화학양론적 비율로 상기 하나 이상의 버너에 공급되도록 제어하고, 상기 산소 또는 상기 탄소계 연료의 과잉을 그 화학양론적 비율에 대하여 5% 미만으로 제한하는 제어수단

을 포함하는 것으로서,

상기 제어수단은 4500 ℉를 초과하는 화염이 발생되게 하고 상기 산화제의 연소로부터 발생되는 질소 함유 기체 화합물이 존재하지 않는 노로부터의 배기 가스 흐름이 발생되도록 연소 처리를 제어하고, 상기 하나 이상의 버너에 공급되는 산소와 탄소계 연료의 양을 제어하기 위하여 상기 노 내의 여러 온도를 측정하는 센서들을 포함하며,

상기 제어수단은 상기 하나 이상의 버너에 공급되는 산소 및 탄소계 연료의 유량을, 상기 노 안에서 선택된 하나의 공정 온도에 대하여 선택된 하나의 온도 설정점의 함수로서 제어하도록 구성되고,

상기 제어수단은 상기 노의 루프 온도가 소정 값을 초과한 때, 하기 연소 장치를 독립적으로 차단하기 위한 과열 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소 연료 연소 장치.
제7항에 있어서, 상기 탄소계 연료는 가스인 것을 특징으로 하는 산소 연료 연소 장치.
제8항에 있어서, 상기 가스는 천연 가스인 것을 특징으로 하는 산소 연료 연소 장치.
제7항에 있어서, 산소 생산 플랜트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산소 연료 연소 장치.
제7항에 있어서, 상기 탄소계 연료는 고체 연료이고, 연소에 의해 발생되는 질소 함유 기체 화합물은 상기 고체 연료로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 산소 연료 연소 장치.
제7항에 있어서, 상기 탄소계 연료는 액체 연료이고, 연소에 의해 발생되는 질소 함유 기체 화합물은 상기 액체 연료로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 산소 연료 연소 장치.
제7항에 있어서, 상기 제어된 환경은 질소가 없는 것을 특징으로 하는 산소 연료 연소 장치.
연소 영역과;

버너와;

상기 연소 영역 안으로 탄소계 연료를 상기 버너를 통해 공급하는 탄소계 연료 공급부와;

상기 탄소계 연료와 함께 연소되도록 소정의 순도를 갖는 산소를 하기 노 안 으로 공급하는 산화제 공급부와;

3000 ℉ 이상의 화염이 발생되게 하고 1100 ℉ 이하인 노로부터의 배기 가스 흐름이 발생되도록, 상기 적어도 하나의 버너에 공급된 상기 산소와 상기 탄소계 연료의 연소를 제어하는 제어수단

을 포함하는 것으로서,

상기 제어수단은 상기 적어도 하나의 버너에 공급된 산소 및 탄소계 연료의 양을 제어하기 위하여 상기 노 내의 여러 온도를 측정하는 센서들을 포함하며,

상기 제어수단은 상기 적어도 하나의 버너에 공급되는 산소 및 탄소계 연료의 유량을, 노 안에서 선택된 하나의 공정 온도에 대하여 선택된 하나의 온도 설정점의 함수로서 제어하도록 구성되고,

상기 제어수단은 상기 노의 루프 온도가 소정 값을 초과한 때, 연소 장치를 독립적으로 차단하기 위한 과열 회로를 포함하며,

공기의 도입이 방지되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 노.
제14항에 있어서, 상기 탄소계 연료가 소정의 순도를 갖는 상기 산소와 연소되도록 상기 연소 영역에 산소 함유 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 노.
제14항에 있어서, 상기 탄소계 연료를 상기 버너에 공급하는 연료 도관을 포함하고, 상기 소정 순도의 산소가 상기 연료 도관을 통해 공급되는 것을 특징으로 하는 노.
제14항에 있어서, 상기 소정 순도의 산소가 탄소계 연료와는 별개로 분리되어져서 노에 공급되는 것을 특징으로 하는 노.
제14항에 있어서, 상기 산소 순도는 85% 이상인 것을 특징으로하는 노.
하나 이상의 버너를 구비하고 공기의 도입이 방지되도록 구성되는 노와;

21% 이상의 소정 순도로 산소를 공급하는 산소 공급부와;

탄소계 연료를 공급하는 탄소계 연료 공급부와;

상기 산소와 상기 탄소계 연료를 서로에 대해 제어된 비율로 상기 노에 공급하고, 3000 ℉를 초과하는 화염이 발생되도록 상기 탄소계 연료의 연소를 제어하는 제어수단

을 포함하는 것으로서,

상기 제어수단은 상기 하나 이상의 버너에 공급된 산소 및 탄소계 연료의 양을 제어하기 위하여 상기 노 내의 여러 온도를 측정하는 센서들을 포함하며,

상기 제어수단은 상기 적어도 하나의 버너에 공급되는 산소 및 탄소계 연료의 유량을, 노 안에서 선택된 하나의 공정 온도에 대하여 선택된 하나의 온도 설정점의 함수로서 제어하도록 구성되고,

상기 제어수단은 상기 노의 루프 온도가 소정 값을 초과한 때, 연소 장치를 독립적으로 차단하기 위한 과열 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소 연료 연소 장치.
제19항에 있어서, 4500 ℉를 초과하는 화염을 발생시키는 화염 발생 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 산소 연료 연소 장치.
제19항에 있어서, 상기 제어 수단은 온도가 1100 ℉ 이하인 노로부터의 배기 가스 흐름을 발생시키는 것을 특징으로 하는 산소 연료 연소 장치.
제19항에 있어서, 상기 노로부터의 배기 가스는, 산화제로서 공기를 사용하는 연소 처리에 비하여, 발생되는 질소 함유 연소 생성물을 적어도 20% 적게 함유하는 것을 특징으로 하는 산소 연료 연소 장치.