KR20100034735A - 로 분위기 제어를 위한 저속 다단 연소 - Google Patents

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Abstract

산소-연료 연소 및 충전물을 함유하는 로에 유용한 개선된 다단 연소 방법으로서, 연료와 1차 및 2차 산화제의 아화학량론적 연소 및 저속 주입은 충전물 표면 근처에 환원성 분위기를 형성하는 방향으로 수행한다.
Figure P1020097027150
충전물, 로, 연소, 연료, 산화제

Description

로 분위기 제어를 위한 저속 다단 연소{LOW VELOCITY STAGED COMBUSTION FOR FURNACE ATMOSPHERE CONTROL}
본 발명은 일반적으로는 연소에 의해 생성된 열로 가열되는 충전물을 함유하는 로(furnace) 내의 다단 연소에 관한 것이다.
연료와 산화제로 발화하는 다수의 공업 가열 공정에서, 연료 연소의 생성물은 로 충전물과 상호작용하거나 반응하고, 흔히 바람직하지 않은 영향을 미친다. 예를 들어, 유리 용융로에서 유리 용융물에 부딪히는 연료 농후 화염은 연료 농후 화염에 노출된 유리 용융물의 산화환원 변화에 기인한 유리 제품의 색 변화를 야기하는 것으로 알려져 있다. 강철 재가열로에서는 금속의 손실 또는 표면 결함을 초래하는 산화물 스케일이 가열 동안 형성된다. 미국특허번호 6,592,649 및 6,602,320에 개시된 공정으로 산화철의 직접 환원 시, 철광석, 석탄 입자 및 플럭스 재료의 혼합물을 볼(ball)로 집괴하고, 회전 노상 환원로(rotary hearth furnace)에 도입하고, 가열 및 환원시켜 철 덩어리를 생성한다. 산화철이 예열되고, 석탄으로부터의 탄소에 의해 환원되고, 용융되어 철 덩어리를 형성한다. 용융 존에서, 환원된 충전 재료는 가스 버너로 1300 내지 1500℃로 가열되어 덩어리를 형성하고, 슬래그로부터 분리된다. 환원 존에서, 철 환원 반응으로부터의 CO 기체 의 고속 방출은 로 분위기의 산화 기체(CO2, H2O 및 O2)가 충전 재료를 산화시키지 못하게 한다. 용융-덩어리 형성 존에서, CO는 충전 재료로부터 거의 방출되지 않아, 환원된 철 덩어리는 로 연소 생성물(CO2, H2O 및 과잉 O2)에 의해 재산화되기 쉽다. 종래기술은 여분의 석탄 입자를 충전 재료의 층에 충전하여 철 덩어리의 재산화를 방지함으로써 재산화 문제를 부분적으로 해결하는 것을 개시한다. 휘발물질 제거 후, 탄화층이 형성된다.
이 접근법에는 단점이 있다. 철 덩어리가 과잉 코크스 입자의 층상에 형성되더라도, 각 덩어리의 상면이 로 분위기에 노출된다. 용융 공정은 통상적으로 천연가스와 공기의 연소로 제공되는 상당량의 열을 필요로 한다. CO2 및 H2O와 탄소의 반응은 흡열성이고, 열을 소모하고, 천연가스의 소모를 증가시킨다. 철 덩어리의 재산화를 방지하는 것이 바람직하다.
질소 산화물(NOx)은 연소 동안 생성된 유의한 오염물이고, 연소 수행 시 질소 산화물의 생성을 감소시키는 것이 바람직하다. 공업용 순수 산소 또는 산소 농후 공기를 산화제로서 사용함으로써 NOx 생성을 줄이면서 연소를 수행할 수도 있다고 알려져 있는데, 이는 등가의 산소를 기준으로 연소 반응에 제공되는 질소량을 줄이기 때문이다. 그러나 공기의 산소 농도보다 높은 산소 농도를 갖는 산화제를 사용하면 연소 반응이 더 높은 온도에서 일어나고, 이러한 더 높은 온도는 속도 면에서 NOx의 형성에 유리하다.
다단 연소는 특히 산화제가 공기의 산소 농도를 초과하는 산소 농도를 갖는 유체인 경우 NOx 생성을 감소시키는 데 이용되어 왔다. 다단 연소에서, 연료와 산화제는 아화학량론비로 연소 존에 도입되어 연소된다. 연소에 사용가능한 연료의 초과량으로 인해, 산화제의 산소 분자 중 극히 일부가 질소와 반응하여 NOx를 형성한다. 연소 존에 추가 산소를 제공하여 제2 하류 단계에서 연소를 완료한다. 제2 산소는 우선 로 기체와 희석된 다음 비연소 연료와 혼합되기 때문에, 제2 단계에서 연소는 매우 높은 온도에서 수행되지 않으므로, 형성되는 NOx의 양을 제한한다.
철저하게 다단 연소 공정을 이용하면, 로 분위기를 수직으로 성층함으로써 노상 영역 근처의 로 분위기는 더욱 환원성이거나(미국특허번호 5,755,818) 더욱 산화성이 될 수 있다(미국특허번호 5,924,858). 철의 직접 환원의 경우, 노상 영역 근처의 환원 분위기가 바람직하다. 이 기술은 노상 영역이 더욱 산소 농후 분위기를 갖도록 제어되는 유리 용융로에서 상업적으로 이용되지만, 분위기 성층화 정도는 이 방법에 필요한 상대적으로 높은 운동량으로 인해 제한되었다. 최근, 직접 연소로의 하부 절반에 불활성 보호 분위기(예컨대, 질소)를 제공함으로써 로 분위기를 충분히 제어하는 기술이 미국특허번호 5,609,481, 5,563,903, 5,961,689 및 6,572,676에 기재되어 있다. 이 공정은 알루미늄 재용융에 적용되어 전체 규모 로(13 ft 폭 × 23 ft 길이 × 8 ft 높이)에서 80%만큼 불순물 형성을 감소시켰다. 이 공정은 직접 환원로에 적용하여 로의 하부 절반에 환원 분위기를 그리고 로의 상부 절반에 산화 분위기를 생성할 수 있지만, 공정에 필요한 수많은 특수 저속 버너는 공정을 더욱 복잡하게 작동하게 만든다. 비용 효과적이면서 더 우수한 성층화 방법이 직접 환원 공정, 유리 용융로 및 연소 분위기가 로 충전물과 상호작용하 는 다른 공업용 로에 필요하다.
공기의 산소 농도보다 높은 산소 농도를 갖는 산화제로 효과적인 연소를 수행하기 위하여, 연료 및/또는 산화제는 필요한 운동량을 얻도록 상대적으로 고속으로 로에 제공되어야 한다. 연소 반응물은 효과적인 연소를 위한 연료와 산화제의 적당한 혼합을 보장하기 위하여 특정 운동량을 가져야 한다. 또한, 높은 운동량은 연소 반응 생성물을 로 전체에 더욱 효과적으로 확산시켜 열을 로 충전물에 전달하게 만든다. 운동량은 질량과 속도의 곱이다. 공기의 산소 농도를 초과하는 산소 농도를 갖는 산화제는 등가의 산소 분자를 기준으로 공기보다 낮은 질량을 갖는다. 예를 들어, 30 몰%의 산소 농도를 갖는 산화제 유체는 산화 등가량의 공기의 약 70% 질량을 갖는다. 따라서, 필요한 운동량을 유지하기 위하여, 연소 반응의 속도, 즉 연소 반응의 연료 및/또는 산화제의 속도는 상응하게 높아져야 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 연료와 산화제가 연소 반응에서 필요한 운동량으로 연소하는 개선된 다단 연소 방법을 제공하는 데 있는데, 연소 반응 생성물과의 해로운 접촉으로부터 충전물을 보호하면서 연소 반응으로부터 충전물로의 우수한 열 전달을 보장한다.
<발명의 개요>
본 발명의 한 양상은 연소를 수행하기 위한 방법으로서,
(A) 충전물을 함유하는 로에, 충전물 위의 지점에서, 화학량론의 70%를 초과하지 않는 아화학량론비로 연료와 1차 산화제를 주입하는 단계로서, 1차 산화제는 적어도 50 몰% 산소를 포함하는 유체이고, 연료와 1차 산화제 둘 다는 100 fps(피 트/초) 이하의 속도로 로에 주입하는, 로에 연료와 1차 산화제를 주입하는 단계;
(B) 로 내의 연료와 1차 산화제를 연소시켜 열 및 비연소 연료를 포함하는 연소 반응 생성물을 생성하는 단계;
(C) 적어도 50 몰% 산소를 포함하는 유체인 2차 산화제를 연료와 1차 산화제의 주입 위치 위에서 100 fps 이하의 속도로 로에 주입하는 단계;
(D) 충전물 근처에 2차 산화제보다 충전물에 더욱 환원성인 연료 농후 기체층을 확립하는 단계; 및
(E) 2차 산화제와 비연소 연료를 연소시켜 추가 열과 연소 반응 생성물을 로 내에 제공하는 단계
를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양상은 연소를 수행하기 위한 방법으로서,
(A) 충전물을 함유하는 로에, 충전물 위의 지점에서, 화학량론의 70%를 초과하지 않는 아화학량론비로 연료와 1차 산화제를 주입하는 단계로서, 1차 산화제는 적어도 50 몰% 산소를 포함하는 유체이고, 연료와 1차 산화제 둘 다는 100 fps 이하의 속도로 로에 주입하는, 로에 연료와 1차 산화제를 주입하는 단계;
(B) 로 내의 연료와 1차 산화제를 연소시켜 열 및 비연소 연료를 포함하는 연소 반응 생성물을 생성하는 단계;
(C) 적어도 50 몰% 산소를 포함하는 유체인 2차 산화제를 연료와 1차 산화제의 주입 위치 아래에서 100 fps 이하의 속도로 로에 주입하는 단계;
(D) 충전물 근처에 로 내의 연소 반응 생성물보다 충전물에 더욱 산화성인 산소 농후 기체층을 확립하는 단계; 및
(E) 2차 산화제와 비연소 연료를 연소시켜 추가 열과 연소 반응 생성물을 로 내에 제공하는 단계
를 포함한다.
본원에서 사용한 "완전 연소의 생성물"이란 용어는 이산화탄소와 수증기 중 하나 이상을 의미한다.
본원에서 사용한 "불완전 연소의 생성물"이란 용어는 일산화탄소, 수소, 탄소 및 부분 연소된 탄화수소 중 하나 이상을 의미한다.
본원에서 사용한 "비연소 연료"란 용어는 연소되지 않은 연료, 연료의 불완전 연소 생성물 및 이들의 혼합물 중 하나 이상을 포함하는 재료를 의미한다.
본원에서 사용한 "화학량론"이란 용어는 산소 대 연소 목적용 연료의 비율을 의미한다. 100% 미만의 화학량론비는 존재하는 연료를 완전 연소시키는 데 필요한 양보다 적은 산소가 존재하는, 즉 연료 농후 상태를 의미한다. 100% 초과의 화학량론비는 연료를 완전 연소시키는 데 필요한 양보다 많은 산소가 존재하는, 즉 초과 산소 상태를 의미한다.
도 1은 충전물 위의 기체층이 환원성인 본 발명의 한 실시양태의 간략한 횡단면도이다.
도 2는 충전물 위의 기체층이 산화성인 본 발명의 한 실시양태의 간략한 횡단면도이다.
본 발명은 충전물(2)을 함유하는 공업용 로(1)를 도시하는 도면을 참조하여 상세하게 기술한다. 하나 이상의 버너로 가열되는 임의의 공업용 로 또는 공업용 로의 하나 이상의 존을 본 발명의 실시에 이용할 수도 있다. 이러한 로의 예로는 충전물이 강철인 강철 재가열로, 충전물이 알루미늄인 알루미늄 용융로, 충전물이 유리 제조 재료를 포함하는 유리 용융로, 및 충전물이 시멘트인 시멘트 소성로가 있다.
로에서 연소가 이루어지고 있는 경우 우세한 조건하에서 산화 또는 환원되기 쉬운 충전물이 바람직한 예이다. 산화되기 쉬운 특히 바람직한 예는 환원된 형태의 철, 또는 코크스 또는 숯과 같은 탄소질 물질과 혼합된 환원된 형태의 철을 포함하는 충전물이다. 환원 또는 산화환원되기 쉬운 특히 바람직한 예는 산화된 용융 유리를 포함하는 충전물이다.
연료(6)와 1차 산화제(7)는 예컨대 버너(4)를 통해 충전물(2) 위의 지점(3)에서 로(1)에 제공된다. 연료와 1차 산화제는 개별적으로 또는 미리 혼합한 상태로 로(1)에 주입할 수도 있다. 연료와 1차 산화제는 복수의 버너를 통해 로(1)에 제공할 수도 있다. 임의의 적당한 산소-연료 버너를 본 발명의 실시에 채용할 수도 있다. 본 발명의 실시용으로 특히 바람직한 산소-연료 버너는 본원에 참조로서 포함된 고바야시(Kobayashi) 등에게 허여된 미국특허번호 5,411,395에 개시된 연료 제트 버너이다.
연료는 로의 연소 존에서 연소할 수 있는 가연물을 함유하는 임의의 기체 또는 다른 유체일 수도 있다. 이러한 연료 중 하나는 천연가스, 코크스 오븐 가스, 프로판, 메탄 및 오일로 명명할 수 있다.
1차 산화제는 적어도 50 부피% 산소, 바람직하게는 적어도 90 부피% 산소의 산소 농도를 갖는 유체이다. 1차 산화제는 99.5% 이상의 산소 농도를 갖는 시판 순수 산소일 수도 있다.
연료와 1차 산화제는, 1차 산소 대 연료의 화학량론비가 70% 미만, 바람직하게는 5 내지 50% 화학량론 범위 내에 있게 하는 유속으로 로(1)에 공급한다.
연료와 1차 산화제 둘 다는 100 fps(피트/초) 이하의 속도로 로(1)에 주입한다. 바람직하게는, 연료는 50 내지 100 fps의 속도로 제공한다. 바람직하게는, 1차 산화제는 2 내지 50 fps의 속도로 제공한다. 종래기술의 실시에 비해 낮은 이러한 속도는 필요한 저 운동량을 연소 반응물에 부여한다. 연료와 1차 산화제가 로(1) 내 연소 반응(5)에서 연소하여 열과 연소 반응 생성물을 생성한다. 연소 반응 생성물은 완전 연소의 생성물을 포함할 수도 있지만, 1차 산소 대 연료의 한정된 아화학량론비 때문에 비연소 연료를 포함한다. 연료와 1차 산화제의 불완전 연소로 연료와 1차 산화제의 연소는 다른 방식의 경우보다 실질적으로 더 낮은 온도에서 진행되어 NOx 형성의 경향을 감소시킬 수 있다. 연소 반응 생성물 내 산소의 농도가 0인 것이 가능하더라도, 연소 반응 생성물은 연소 반응 동안 불완전 혼합과 짧은 체류 시간 때문에 일부 잔류 산소를 또한 포함할 수도 있다.
도 1에 예시한 본 발명의 실시양태에서, 충전물 표면 위에 환원성 기체층을 확립하기 위하여, 2차 산화제(8)를 랜스(10)를 통해 지점(3) 위에서 로(1)에 제공한다. 바람직하게는, 이 실시양태에서 2차 산화제는 지점(3)보다 충전물(2)의 상면으로부터 먼 지점에서 로에 주입한다. 2차 산화제는 연료와 1차 산화제의 수직으로 위 지점으로부터 또는 예컨대 45도 이하의 각도만큼 수직으로부터 오프셋된 지점으로부터 로에 제공할 수도 있다.
도 2에 예시한 본 발명의 실시양태에서, 충전물 표면 위에 산화성 기체층을 확립하기 위하여, 2차 산화제(8)를 랜스(10)를 통해 지점(3) 아래에서 로(1)에 제공한다. 바람직하게는, 이 실시양태에서 2차 산화제는 충전물(2)의 상면과 지점(3) 사이에 있는 지점에서 로에 주입한다. 2차 산화제는 연료와 1차 산화제의 수직으로 아래 지점으로부터 또는 예컨대 45도 이하의 각도만큼 수직으로부터 오프셋된 지점으로부터 로에 제공할 수도 있다.
2차 산화제는 적어도 50 몰%, 바람직하게는 적어도 90 몰%의 산소 농도를 갖는 유체의 형태이다. 2차 산화제는 시판 순수 산소일 수도 있다. 2차 산화제(8)는 100 fps 이하의 속도, 바람직하게는 50 내지 100 fps 범위의 속도 또는 심지어 20 fps 내지 50 fps의 낮은 속도로 로(1)에 제공한다. 산화제가 공기의 산소 농도보다 상당히 큰 산소 농도를 갖는다는 점이 본 발명의 실시에 중요하다. 주어진 양의 연료 소모의 경우, 로를 통해 전달된 기체의 전체 부피는 산화제의 산소 농도가 증가함에 따라 적어진다. 본 발명의 다단 연소 실시에 필요한 속도로 로를 통해 더 낮아진 부피 플럭스는, 로의 나머지에 있는 내용물과는 상이한 조성을 갖는, 충전물에 근접한 기체층의 확립을 가능하게 한다.
2차 산화제 기체층(9)은 연소 반응(5) 내 연소 반응 생성물의 산소 농도를 초과하는 산소 농도를 갖는다. 본 발명의 실시에서 임의의 적당한 산소 랜스를 사용하여 2차 산화제를 로에 주입할 수도 있지만, 본원에 참조로서 포함된 고바야시 등에게 허여된 미국특허번호 5,295,816에 개시된 기체 주입 랜스를 사용하여 2차 산화제를 로에 주입하는 것이 바람직하다.
2차 산화제는, 1차 산화제에 첨가되는 경우 적어도 90%, 바람직하게는 100 내지 110% 범위 내인 연료와의 화학량론비를 확립하는 유속으로 로에 제공한다. 1차 및 2차 산화제 대 연료의 화학량론비가 100% 미만인 경우, 공기를 침투시켜 로 내 연료의 완전 연소를 달성하는 데 필요한 나머지 산소를 제공할 수도 있다. 바람직하게는, 연료와 1차 산화제 스트림 대 2차 산화제 스트림의 운동량 비는 약 1.0이지만, 0.3부터 3.0 이하의 범위 내의 운동량 비와 같이 1로부터 어느 정도의 벗어남도 허용가능하다.
연소 반응(5)에서 생성된 열은 충전물로 방출되어 충전물을 가열한다. 이 열은 주변 로 기체 및 벽과의 복잡한 방사성 상호작용을 통해 연소 반응(5)으로부터 충전물로 직접 또는 간접적으로 방출된다. 고온 로에서의 대류에 의해 매우 적은 열이 연소 반응으로부터 충전물로 전달된다.
도 1에 예시한 본 발명의 실시양태에서, 2차 산화제가 로에 제공되는 위치 때문에, 로 분위기가 균일한 경우에 발생하는 상호작용과는 상이한 방식으로 충전물(2)과 상호작용하는 상대적으로 환원성 기체층이 형성된다. 도 2에 예시한 본 발명의 실시양태에서, 2차 산화제가 로에 제공되는 위치 때문에, 로 분위기가 균일한 경우에 발생하는 상호작용과는 상이한 방식으로 충전물(2)과 상호작용하는 상대적으로 산화성 기체층이 형성된다.
연소 반응(5)의 하류에서, 예컨대 로(1) 내의 영역(11)에서 2차 산화제와 비연소 연료가 혼합되어, 도 1에 예시한 본 발명의 실시양태에서 2차 산화제가 충전물의 산화가능한 성분과 직접적으로 상호작용(반응)하는 것을 방지하는 역할을 하거나, 또는 도 2에 예시한 본 발명의 실시양태에서 불완전 연소의 생성물이 충전물의 환원가능한 성분과 직접적으로 상호작용(반응)하는 것을 방지하는 역할을 하여 연료의 연소를 완료하고, 추가적인 열과 연소 반응 생성물을 로 내에 제공한다.
로(1)에서의 연소 반응 생성물은 일반적으로 로 연료 효율을 최대화하기 위하여 로의 가장 차가운 영역에 위치한 연료 포트를 통해 배출한다. 본 발명을 복수의 존이 있는 로의 한 존에서 이용하는 경우, 연소 반응 생성물은 인접한 존으로 배출될 수도 있다. 연료 포트의 높이는 로 분위기 성층화의 정도에 또한 영향을 미친다. 바람직하게는, 로(1)에서의 연소 반응 생성물은 지점(3) 아래가 아닌 지점으로부터 로에서 배출되는데, 연료와 1차 산화제는 예컨대 연통(12)으로부터 로에 제공된다.

Claims (13)

  1. 연소를 수행하기 위한 방법으로서,
    (A) 충전물을 함유하는 로에, 충전물 위의 지점에서, 화학량론의 70%를 초과하지 않는 아화학량론비로 연료와 1차 산화제를 주입하는 단계로서, 1차 산화제는 적어도 50 몰% 산소를 포함하는 유체이고, 연료와 1차 산화제 둘 다는 100 fps(피트/초) 이하의 속도로 로에 주입하는, 로에 연료와 1차 산화제를 주입하는 단계;
    (B) 로 내의 연료와 1차 산화제를 연소시켜 열 및 비연소 연료를 포함하는 연소 반응 생성물을 생성하는 단계;
    (C) 적어도 50 몰% 산소를 포함하는 유체인 2차 산화제를 연료와 1차 산화제의 주입 위치 위에서 100 fps 이하의 속도로 로에 주입하는 단계;
    (D) 충전물 근처에 2차 산화제보다 충전물에 더욱 환원성인 연료 농후 기체층을 확립하는 단계; 및
    (E) 2차 산화제와 비연소 연료를 연소시켜 추가 열과 연소 반응 생성물을 로 내에 제공하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    연료와 1차 산화제는 화학량론의 5 내지 50% 범위 내 아화학량론비로 로에 주입하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    연소 반응 생성물은 연료와 1차 산화제가 로에 주입되는 지점 아래가 아닌 지점에서 로로부터 배출되는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    충전물은 산화가능한 재료를 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    충전물은 충분히 환원된 상태인 철을 포함하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    충전물은 코크스 또는 숯을 더 포함하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    2차 산화제는 로에 산소를 제공하기 충분한 유속으로 제공하여, 로에 주입된 1차 및 2차 산화제 대 연료의 화학량론비가 적어도 90%가 되게 하는 방법.
  8. 연소를 수행하기 위한 방법으로서,
    (A) 충전물을 함유하는 로에, 충전물 위의 지점에서, 화학량론의 70%를 초과 하지 않는 아화학량론비로 연료와 1차 산화제를 주입하는 단계로서, 1차 산화제는 적어도 50 몰% 산소를 포함하는 유체이고, 연료와 1차 산화제 둘 다는 100 fps 이하의 속도로 로에 주입하는, 로에 연료와 1차 산화제를 주입하는 단계;
    (B) 로 내의 연료와 1차 산화제를 연소시켜 열 및 비연소 연료를 포함하는 연소 반응 생성물을 생성하는 단계;
    (C) 적어도 50 몰% 산소를 포함하는 유체인 2차 산화제를 연료와 1차 산화제의 주입 위치 아래에서 100 fps 이하의 속도로 로에 주입하는 단계;
    (D) 충전물 근처에 로 내의 연소 반응 생성물보다 충전물에 더욱 산화성인 산소 농후 기체층을 확립하는 단계; 및
    (E) 2차 산화제와 비연소 연료를 연소시켜 추가 열과 연소 반응 생성물을 로 내에 제공하는 단계
    를 포함하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    연료와 1차 산화제는 화학량론의 5 내지 50% 범위 내 아화학량론비로 로에 주입하는 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    연소 반응 생성물은 연료와 1차 산화제가 로에 주입되는 지점 아래가 아닌 지점에서 로로부터 배출되는 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    충전물은 산화가능 재료를 포함하는 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    충전물은 용융된 유리를 포함하는 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    2차 산화제는 로에 산소를 제공하기 충분한 유속으로 제공하여, 로에 주입된 1차 및 2차 산화제 대 연료의 화학량론비가 적어도 90%가 되게 하는 방법.
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BRPI1014048A2 (pt) * 2009-06-12 2017-02-07 Air Prod & Chem método para realização de combustão, método para afetar o estado de oxidação das espécies de metal, e forno.
JP5203421B2 (ja) * 2010-06-04 2013-06-05 中外炉工業株式会社 溶解炉
US8915733B2 (en) * 2010-11-11 2014-12-23 Air Products And Chemicals, Inc. Selective adjustment of heat flux for increased uniformity of heating a charge material in a tilt rotary furnace
FR3037059B1 (fr) * 2015-06-02 2017-06-16 Saint-Gobain Emballage Four a injection sonique
CN106277718B (zh) * 2016-08-19 2019-03-15 巨石集团有限公司 一种玻璃纤维池窑用玻璃液通道加热方法
US10859260B2 (en) * 2017-10-13 2020-12-08 Praxair Technology, Inc. Reduced fouling in staged combustion
US11598522B2 (en) * 2019-10-21 2023-03-07 Air Products And Chemicals, Inc. Multi-burner rotary furnace melting system and method

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB930388A (en) * 1960-09-21 1963-07-03 Richard Thomas & Baldwins Ltd Improvements in or relating to the production of steel
US5209656A (en) * 1991-08-29 1993-05-11 Praxair Technology, Inc. Combustion system for high velocity gas injection
US5267850A (en) * 1992-06-04 1993-12-07 Praxair Technology, Inc. Fuel jet burner
US5242296A (en) * 1992-12-08 1993-09-07 Praxair Technology, Inc. Hybrid oxidant combustion method
EP0653590B2 (en) * 1993-11-17 2003-10-29 Praxair Technology, Inc. Method for deeply staged combustion
US5601425A (en) * 1994-06-13 1997-02-11 Praxair Technology, Inc. Staged combustion for reducing nitrogen oxides
US5563903A (en) * 1995-06-13 1996-10-08 Praxair Technology, Inc. Aluminum melting with reduced dross formation
CN1158954A (zh) * 1995-06-13 1997-09-10 普拉塞尔技术有限公司 减少氮氧化物和一氧化碳产生的分级燃烧
US5609481A (en) * 1995-06-13 1997-03-11 Praxair Technology, Inc. Direct-fired stratified atmosphere furnace system
US5755818A (en) * 1995-06-13 1998-05-26 Praxair Technology, Inc. Staged combustion method
FR2743360B1 (fr) * 1996-01-05 1998-02-27 Air Liquide Procede de chauffage de la charge d'un four de verre
JP3395827B2 (ja) * 1997-12-26 2003-04-14 三菱マテリアル株式会社 セメントクリンカーの製造方法
US6126438A (en) * 1999-06-23 2000-10-03 American Air Liquide Preheated fuel and oxidant combustion burner
JP2001221418A (ja) * 2000-02-10 2001-08-17 Kawasaki Steel Corp 廃電池の処理炉

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