KR20100105880A - 개량된 연소시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산업용 로 버너(16)들을 위한 개량된 연소시스템에 관한 것으로, 특히 화염을 보다 작은 간헐식 화염으로 분할함으로써 방사하는 화염표면을 제공하면서, 화염교대 시스템을 사용하여 바닥타일, 타일, 위생재료, 내화재, 도자기, 단열재, 연마석, 식탁용 식기류 세라믹, 적 세라믹 및 일반적인 세라믹과 같은 굽기 장입물(10)의 공정에서, 이들 로들에 의한 소비를 감소하고 열효율을 향상하기 위하여, 세라믹재료를 굽기위한 터널식 로에 관한 것이다.

Description

개량된 연소시스템 {Improved burning system}

본 발명은 산업용 로 버너들에서 개량된 연소시스템에 관한 것으로, 특히 세라믹 재료를 굽기위한 터널식 로에 관한 것이다.

트롤리 로(trolley furmnace)라고도 알려진 터널식 로(tunnel type furnace)들이, 종래 기술에서 널리 알려져 있고 세라믹 제품, 내화재 등을 굽기위하여 수십년동안 사용되고 있다.

이러한 로들은 기본적으로 다음과 같이 동작한다. 세라믹 제품, 내화재 등(이하 "장입물(load)"이라함)이 "굽지않은(raw)" 형태로 로의 한쪽 선단에 투입되고, 다른 쪽 선단으로 이동하여, "구워져서(fired)"배출된다. 그러나, 구워지는 각 제품에 대하여, 로의 각 섹션에서 구획된 서로 다른 이상적인 내부온도 곡선들이 존재하고, 이에 따라 재료에 원하는 구조적 물성을 부여한다. 예컨대, 샤모트(chamotte:소분(燒粉))에 대하여는 온도가 약 1,000℃가 되어야 하고, 위생 도자기에 대하여는 온도가 약 1,200℃가 되어야 한다. 다른 온도들, 견고한 식탁용 식기류 도자기에 대하여는 1,450℃, 고(high) 알루미나 재료들에 대하여는 1,600℃, 그리고 기본 벽돌(용광로에 사용되는)의 굽기에는 최대 1,850℃의 온도가 또한 될 수 있다.

이러한 터널식 로들은, 간헐식 로(intermittent furnace)들과 비교해볼 때 아주 좋은 열효율을 갖는다. 이는 간헐식 로들에서와는 달리, 터널식 로의 단열들이 가열될 필요가 없다는 사실중에서 많은 인자들에 기인한다.

앞서 언급한 바와같이, 트롤리들 내의 재료 장입물은, 컨베이어 벨트에서와 같이, 진입하여 로의 한쪽 선단으로부터 다른 쪽 선단을 따라 연속적으로 이동하여, 제품이 완전히 구워져서 경화될 때까지 다른 온도들을 갖는 몇몇 영역들을 통과한다. 로의 제1영역에서, 원재료는 예열영역(preheating zone)을 통과하는바, 여기서 로는 일반적으로 장입물의 단지 하부(트롤리들의 상부 단열과 장입물 지지판들의 하부표면 사이)에만 작용하는 버너들을 갖는다.

장입물이 통과하는 제2영역은 메인 굽기영역(firing zone)이고, 이는 일반적으로 장입물의 상부 및 하부에 2 단계의 버너들을 갖는다.

굽기영역을 떠나자마자 장입물은, 천이영역을 통과하여 급냉영역으로 진입한다.

이 냉각영역에서, 이 영역은 버너들을 갖지않으며, 차가운 공기가 로 내부로, 장입물의 하부 및 상부로 직접 주입된다.

장입물이 통과하는 제4영역은, 서냉영역이라고 불리는 천이영역이다. 이는 제5 및 최종영역에 선행하며, 구워진 장입물을 실온으로 냉각하기 위하여 다시 한번 다량의 공기를 주입함으로써 최종냉각이 일어난다.

몇몇 종래기술의 문헌들이 산업용 로와 그들의 각 버너들의 채용을 교시한다. 그러나, 그들의 목적들은 본원 발명의 목적들과 전혀 동일하지않다. 1977년 9월 20일에 출원된 영국특허 제1,559,652호는, 세라믹 재료들을 굽기 위하여 적합한 오븐에 관한 것으로, 이는 명백히 높은 열효율을 목표로 하고 있고, 세라믹 제품들은 오븐을 따라 개별적으로 전진된다. 그럼에도 불구하고, 이들은, 제품(장입물)들을 전진시키기 위하여 회전하는 로울러들을 갖는 오븐들에서 사용된다. 그러나, 이러한 오븐들은 가스 소비량을 낮추지 못하고 또 심지어 버너들의 사용도 언급하지 않고 있다. 이와같은 오븐들이 여전히 사용되지만, 이들은 공통적으로 문제점들을 제기하는바, 이는 왜 이러한 타입의 2중 패스 로울러식 오븐이 더 이상 건설되지 않는가 하는 것이다.

1991년 6월 27일에 출원된 영국특허 제2,245,693호는, 세라믹제품을 굽기위한 로울러 킬른(kiln)을 기재한다. 이는, 킬른의 연도(flue)가 탄화규소 플레이트 요소들로 만들어진 하나 이상의 중간 천정들로 구획되고, 또 버너들은, 직접 적용되는 열을 위하여 중간천정들에 의하여 분리된 공간으로 지향된다. 또한, 이는 가스(이러한 타입의 로에 통상적으로 사용되는 연료)의 소비를 감소시키는 것을 목표로 하지는 않는다.

1989년 10월 11일에 출원된 영국특허 제2,224,105호 역시, 산업용 로에 관한 것이다. 이 로는, 로의 가스성분의 양에 따라 버너 화염의 영역에 제어된 양으로 공급하기 위하여 2차공기가 사용될 수 있는 복수의 버너들을 갖는다. 이 특허는 통상적인 버너들로의 2차공기의 주입에 관한 것이다. 이는 지금도 여전히 널리 사용되지만, 간헐식 로 및 파인(fine)제품들에서만 사용된다. 2차공기는 화염의 온도를 감소시키고, 로 내부의 가스체적을 증가시키며, 또한 이를 균질화시킨다. 본 발명의 목적과는 달리, 가스소비가 상당히 증가한다.

또 다른 기존의 해결방안이 미국특허 제4,884,969호(1985. 11. 16)에서 발견된다. 이 특허는 가열섹션과, 굽기섹션(firing section) 및 냉각섹션을 포함하는 세라믹 제품용 터널 킬른을 기재한다. 이는 가스이송수단에 의하여 냉각섹션의 영역으로부터 가스들이 취해져서 가열섹션으로 이송되고, 굽기섹션과 냉각섹션 사이의 천이영역에는 적어도 하나의 추가 버너가 배열된다. 이 특허는 본 발명과 유사한 개념을 갖는바, 이는 연소 및 유효공기로서 킬른의 바닥으로부터의 깨끗한 공기를 사용한다. 제1의 중요한 차이점은, 이 발명이 단지 2개의 영역들에 몇 개의 버너/인젝터들을 갖는다는 사실이다: 4개의 인젝터들을 갖추면서 급냉영역 뒤에 위치된 첫번째 영역은 온도를 균일화하고 점화하여 킬른을 가열하기에 유용하고, 두번째 영역은 8개의 인젝터들을 갖추면서 굽기영역(firing zone)과 급냉영역 사이의 천이영역에 위치된다. 또한, 본 발명은 굽기영역에 통상적인 버너들을 사용하고, 또 도 8에 도시된 12개의 다른 인젝터들 내에 다른 버너들을 포함한다. 두번 째 중요한 차이점은, 이 종래 기술은 화염 "교대(rotation)"를 기재하지 않는다는 사실이다. 정적인(static) 화염을 사용하면, 국부적인 온도는 매우 높아서, 제품에 표식을 남기고 인젝터 가스출구를 손상시킨다. 반면에 본 발명은, 굽기영역 전체를 따라 인젝터들을 배치하고 화염 교대를 사용하는 것을 제안한다. 이러한 특징은 한 장소에서만 모든 산소를 연소시키지않기 위하여 중요하다.

상기와 같은 문제점들을 해결하기 위한 본 발명은, 산업용 로에서 장입물의 굽기 및 경화공정들에서 연료소비를 약 30%정도 감소시키는 것을 목표로 한 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은, 화염 교대를 사용함으로써 화염이 형성되는 지점에서 국부적인 가열을 회피하고, 결과적으로 최종 제품에 바람직하지 않은 자국 및 인젝터의 손상을 회피하는 것이다.

도 1은 통상적인 산업용 로의 굽기영역의 단면도를 나타낸다.
도 2는 산업용 로의 다른 영역들과 위생재료들의 특정 굽기곡선을 갖는 차트를 나타낸다.
도 3은 로의 예열영역을 나타낸다.
도 4는 로의 굽기영역을 나타낸다.
도 5는 로의 급냉영역과, 서냉영역 및 최종 냉각영역을 나타낸다.
도 6은 개량된 연소시스템을 갖춘 로의 굽기영역의 단면도를 나타낸다.
도 7은 개량된 연소시스템을 갖춘 로의 굽기영역의 외관을 나타낸다.
도 8a 내지 8f는 점진적인 시간 간격들에서 교대로 연소하는 화염을 갖는 터널식 로의 인젝터들의 평면도를 나타낸다.
도 9a와 8b는 각각 물 재킷과 공기 재킷에 의한 버너 인젝터 냉각시스템을 나타낸다.

여기에 제시된 시스템은 이하 도면들의 상세한 설명으로부터 보다 잘 이해될 수 있을 것이다.

도 1은, 통상적인 산업용 로의 굽기영역의 단면도를 나타낸다. 장입물(10), 즉 세라믹 제품, 내화재 등은, "굽지않은" 형태로 로 내에 투입되어, 여러 시간 동안 그 내부를 따라 이동하여, 다른 쪽 선단으로부터 "구워져서" 배출된다. 각 제품에 대하여는, 재료에 원하는 물성을 부여하기 위하여 로의 각 섹션에서 내부 온도곡선들이 존재한다.도 2에 도시된 바와 같이, 장입물은 로 내부를 따라 이동하여,다른 영역들 및 온도들을 통과한다. 도 2에서 아래의 차트는 위생재료들을 위한 전형적인 온도곡선을 나타낸다.

로는 측면들과 천정에 세라믹 단열(15)을 갖는다. 이 단열의 두께는 로의 특성과 그 영역에서의 온도에 의존한다. 도 1을 참조하면, 로의 하부에서, 단열은 강철 프레임과 주철 바퀴들을 갖춘 극한 내성을 갖는 구조인 트롤리(13)에 의하여 제공된다. 이러한 트롤리들은 로의 입구부터 출구까지 하나 바로 다음에 하나씩 위치된다. 전체 트롤리 열이 하나의 위치로 이동하기 위해서는 단지 첫번째 트롤리 만이 유압실린더로 가압되면 된다. 트롤리들을 밀어주는 유압실린더의 전진속도는 구워지는 재료에 달려있다.

장입물 지지판(11)의 단열 및 지지컬럼(12)은 강철 프레임 위에 위치된다. 트롤리들의 측면들을 통하여 가스가 로 내부로 유입되거나 또는 그로 부터 배출되는 것을 방지하기 위하여, 모래로 채워진 슈트(chute)를 따라 미끄럼 이동하는 덮개(skirt: 14)들이 구비된다.

이러한 터널식 로들은 간헐식 로에 비하여 매우 좋은 열효율을 갖는다. 간헐식 로들에서와는 달리, 터널식 로의 단열들은 가열될 필요가 없다는 사실중에서 많은 인자들에 기인한다. 또한, 앞서 언급한 바와같이, 트롤리들 내의 재료 장입물은, 컨베이어벨트에서와 같이, 진입하여 로의 한쪽 선단으로부터 다른 쪽 선단을 따라 연속적으로 이동하여, 제품이 완전히 구워져서 경화될 때까지 다른 온도들을 갖는 몇몇 영역들을 통과한다.

로의 제1영역에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 트롤리 상의 원재료는 예열영역을 통과하고, 여기서 로는 일반적으로 장입물의 단지 하부(트롤리들의 상부 단열과 장입물 지지판들의 하부표면 사이)에만 작용하는 버너들을 갖는다.

제2영역에서, 도 4에 따르면, 장입물은 메인 굽기영역을 통과하고, 이는 일반적으로 장입물의 상부 및 하부에 2 단계로 버너(16)들을 갖는다. 생성된 연소가스들은 반대쪽 방향으로 이동하여, 로 입구에서 로 통풍장치(furnace draft: 20)에 의하여 흡입된다(도 3에 도시됨).

굽기영역을 떠나자마자, 장입물은 하부 영역으로 이동하고, 짧은 천이영역을 통과하며, 그런 다음 제3영역, 급냉영역(23)으로 이동한다. 이러한 냉각영역은 버너들을 갖지않으며, 여기서 차가운 공기가 로 내부로, 장입물의 하부 및 상부로 직접 주입된다.

장입물이 통과하는 제4영역은, 서냉영역이라고 불리는 천이영역이다. 이는 제5 및 최종영역에 선행하며, 여기서 구워진 장입물을 실온으로 냉각하기 위하여 다시 한번 다량의 공기를 주입함으로써 최종냉각이 일어난다. 이러한 3개의 마지막 영역들, 급냉영역과 서냉영역 및 최종 냉각영역이 도 5에 도시된다.

상기 설명으로부터 알 수 있듯이, 공기, 특히 냉각공기와 그 온도는 굽고자하는 재료를 완전히 경화하기 위한 주요 인자들이다. 공기의 일부는 고온공기 흡입시스템(21)에 의하여 로의 출구에서 흡입된다. 그러나, 대량의 공기는 로의 입구에서 로 통풍장치(20)에 의하여 흡입된다. 터널식 로가 간헐식 로를 크게 구별짓게 하는 것은 바로, 정확히 로 통풍장치에 의하여 흡입되는 공기이다.

기본적으로 이 공기는, 그 입구와 대향하는 선단을 통하여 로 내부로 처음 진입할 때는 차갑고, 공기가 장입물의 반대방향으로 따라 이동하면서 열교환에 의하여 재료의 고온을 흡수하고 장입물을 냉각시킨다.모든 이러한 "차갑고(cold)" 순수한 공기(거의 21%의 O₂)는, 제품의 굽기온도보다 약간 낮은 온도(약 30℃의 차이)를 갖는 메인 굽기영역에 도달한다. 이 공기의 약 90%가 장입물의 상부 및 하부를 따라 이동한다. 이러한 열(유량 × 온도 × 비열)의 대부분이 장입물을 가열하는데 사용된다. 이러한 공기는 간헐식 로에서는 발견되지 않는다.

환언하면, 이들 로들은 거대한 열교환기들이고, 거기서 장입물이 로 입구로부터 로 출구로 이동하며, 가스는 로 출구로부터 로 입구로 이동한다.

요즘 사용되는 터널식 로들은, 도 1의 단면도에서 도시된 바와같이 굽기그룹(firing group)으로 분할된 버너들을 갖는다. 터널식 로는 3 내지 11 굽기그룹들을 갖는다. 로의 각 모듈은 약 2 내지 3m의 길이이고, 로의 같은 쪽의 버너들은 0.75 내지 1.5m의 간격으로 분리된다. 그러나, 반대 쪽의 버너들은 정렬되지 않는다.

통상적인 각 버너는, 약 0.8 내지 1.15 (정상 변동)의 범위에서 공기과잉인자(air excess factor)를 갖고서 가스와 공기를 주입한다. 이는, 예컨대, 1m³의 천연가스를 연소하기 위해서는, 화학양론적인 연소(공기과잉인자 = 1)를 얻기 위하여 8.5m³의 최소 공기체적이 요구된다. 따라서, 이는 1m³의 가스에 대하여 통상적인 버너가 0.8 × 8.5 = 6.8 내지 1.15 × 8.5 = 9.77 m³로 변하는 공기 유량을 주입한다는 것을 의미한다.

일반적으로, 버너로 차가운 주변공기가 유입된다. 몇몇 로, 주로 고온인 로들은 연소공기를 400℃까지의 온도로 예열하기위한 재생시스템을 구비한다. 이러한 예열의 주된 목적은 에너지 절약이다. 연소공기의 온도가 높을수록 화염의 온도가 높아지고, 동일한 온도에 도달하기 위하여 필요한 가스 체적을 저하시킨다. 해리(dissociation)되면, 단열 화염온도는, 25℃의 공기로써 1971℃로부터 1100℃의 공기로써 2543℃까지 상승한다.

이상적으로는, 이론적인 관점으로부터, 차가운 연소공기는 통상적인 버너들로 직접 주입되어서는 안되고, 냉각공정으로부터 배출되는 "예열된" 공기가 연소공기로 사용되어야 한다. 기본적인 아이디어는, 통상적인 버너를, 순수한 가스 또는 약 0.1 내지 0.2의 공기과잉인자를 갖는 가스를 주입하는 몇몇 인젝터들로 교체하는 것이다. 그러나, 이는 주로 2가지 인자들, 즉 화염이 형성되는 지점에서의 과열과 가스의 분해에 따른 가스출구의 막힘 때문에 실제로는 결코 달성될 수 없다.

두 번째 문제를 해결하기 위하여, 특별한 가스출구가 설계될 수 있고, 냉각수가 출구 등에까지 모든 경로에 사용될 수 있다. 그러나, 국부적인 화염과열 문제에 대하여, 본 발명은 화염을 하나의 고정된 지점에 집중하는 대신에 몇개의 보다 작은 간헐적인 화염들로 분할함으로써, 방사하는 화염표면으로써 이를 해결하는 것을 제안한다.

굽기영역(800℃이상의 온도)에 통상적인 버너들을 사용하는 대신에, 본 발명은 순수한 가스 또는 매우 소량의 공기(17)를 갖는 가스를 주입하는 몇몇 인젝터들을 채용하기를 시도하고, 그리하여 도 6에 도시된 바와같은 맥동 굽기(pulsating firing)를 제공하고자한다.

제어장치가, 바람직하기에는 솔레노이드 밸브이지만 이에 한정됨이 없이, 각 인젝터에 삽입되어, 전용의(dedicated) 소프트웨어를 갖는 프로그램 가능한 로직제어기(PLC)의 신호에 응답하여 인젝터들이 차례로 작동한다. 이는 국부적인 과열의 발생을 방지한다. 도 7은 복수의 인젝터들과 그 배열을 포함하여 로의 외관을 나타낸다.

도 8a 내지 8f는 차례로 교대로 연소하는 로의 인젝터들을 나타낸다. 도 8a에서, 참조번호 20 내지 39로 매겨진 인젝터들 중에서, 시점 t1에서 작동하는 인젝터 버너들은 번호 20, 25, 30 및 35 들이다. 시점 t2=t1+1에서, 앞서 작동한 인젝터들은 꺼지고 인젝터(22, 27, 32 및 37)들이 작동하기 시작한다 - 도 8b. 시점 t3=t2+1에서, 이전 인젝터들은 꺼지고 다음 인젝터(24, 29, 34 및 39)들이 연소하기 시작하며, 제8f도에 나타낸 바와같이 시점 t6될때 까지 계속되고, 도 제8f는 t1으로 시작하는 사이클의 재시작에 상당한다. 이러한 시간은 PLC에 의하여 제어되고, 간격 t는 요구되는 대로 설정될 수 있다.

또한, 가스의 분해를 방지하기 위하여, 냉각장치(18), 바람직하기에는 물 재킷을 사용하거나, 또는 인젝터를 통하여 소량의 공기를 순환시킴으로써 인젝터의 팁(tip)을 냉각시킬 수 있다. 이러한 냉각 시스템이 도 9a와 9b에 도시된다. 마찬가지로, 열효율을 향상시키기 위하여, 출구에서 공기를 재순환시키고 또 급냉영역 팬(fan)에서 로의 바닥으로부터 회수되는 공기를 사용함으로써 굽기영역으로 진입하는 보다 많은 공기와 그 공기의 더 높은 온도를 얻기 위하여 로들의 냉각영역들을 개선할 수 있다. 이는 로의 출구에서 천정에 재순환기들을 설치함으로써 달성되고, 이에따라 냉각공기의 온도를 상당히 증가시킨다. 이는, 마치 로의 출구 선단이 "늘어난" 것처럼 로의 크기를 증가시키는 것과 유사하다.

고온 공기의 양을 증가시키는 또 다른 가능성은, 급냉영역 팬에서 차가운 공기 대신에 예열된 공기를 사용하는 것이다. 이러한 공기는 로의 출구에서 고온 공기로부터 제거될 수 있음을 주목해야한다.

본 발명은 또한 로울러식 로에도 채용될 수 있음이 지적되어야 한다.

그러므로, 상기에서 설명된 본 발명의 주제와 그 구성부위들은, 발생가능한 상황들의 예와 바람직한 양상들의 일부이고, 하지만 본 발명의 주제의 실제 범위는 특허청구범위에 한정되어있다는 것을 이해하여야 한다.

Claims (9)

1. 다른 온도들을 갖는 서로 다른 영역들로 분할되고서 단열된 벽(15)들을 갖춘 로를 포함하는 개량된 연소 시스템에 있어서,
   각각이 제어장치를 갖는 복수의 인젝터(16)들을 추가로 포함하고, 상기 복수의 인젝터들이 그룹으로 분할되며, 인젝터들의 각각의 그룹은, 프로그램 가능한 로직 제어기(PLC)에 의하여 제어되면서 미리 설정된 시간간격들에서 작동되는 것을 특징으로 하는 개량된 연소 시스템.
2. 제1항에 있어서, 로는 터널식, 로울러식 및 다른 유사한 타입의 산업용 로인 것을 특징으로 하는 개량된 연소 시스템.
3. 제1항에 있어서, 복수의 인젝터들은 로의 굽기영역에 위치되는 것을 특징으로 하는 개량된 연소 시스템.
4. 제3항에 있어서, 인젝터들은 순수한 가스 또는 소량의 공기를 갖는 가스를 주입하는 것을 특징으로 하는 개량된 연소 시스템.
5. 제3항에 있어서, 복수의 인젝터들의 각 인젝터의 팁은 냉각장치(18)에 의하여 냉각되는 것을 특징으로 하는 개량된 연소 시스템.
6. 제5항에 있어서, 냉각장치(18)는 물 재킷 또는 일정량의 공기를 순환시키는 것으로 된 것을 특징으로 하는 개량된 연소 시스템.
7. 제1항에 있어서, 제어장치는 솔레노이드 밸브인 것을 특징으로 하는 개량된 연소 시스템.
8. 제1항에 있어서, 프로그램 가능한 로직 제어기는 전용의 소프트웨어에 의하여 작동되는 것을 특징으로 하는 개량된 연소 시스템.
9. 제1항에 있어서, 로의 출구에 공기 재순환기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 개량된 연소 시스템.
   

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