KR20110074881A - 다중 열 회수 시스템을 갖는 노 - Google Patents

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KR20110074881A
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프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
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Abstract

유리 용융로와 같은 노에 있어서, 이 노 내에서 연료와 가스상 산화제의 연소에 의해 형성된 연소 생성물의 일부가 복열식 또는 축열식 열 교환기 시스템을 통과하여 유입되는 가스상 산화제의 일부를 가열시키는 반면, 연소 생성물의 일부를 2차 열 교환기 시스템을 통과시키며, 상기 1차 열 교환기 시스템을 통과하는 고온 연소 생성물과 산화제는 산화제에 대한 연소 생성물의 열용량률비가 1.3보다 낮도록 통과한다.

Description

다중 열 회수 시스템을 갖는 노{FURNACE WITH MULTIPLE HEAT RECOVERY SYSTEMS}
본 발명은, 노(furnace)에서 유리를 에너지 효율적으로 제조하는 것에 관한 것으로, 보다 구체적으로 유리 제조용 재료를 용융시키기 위한 열을 생성하도록 수행된 연소에서 형성된 고온 연소 생성물로부터 열을 회수하는 방법에 관한 것이다.
많은 산업 공정에서는 노 내부에서 연료와 산화제를 연소시켜 그 연소열로 노 내의 재료를 가열할 수 있는 노를 이용하고 있다. 그 일례로는 유리 용융로와 같이 고상 재료를 가열하여 용융시키는 노가 있다. 다른 예로는 강 슬래브와 같은 고상 재료 또는 물체를 가열하여 재료 온도(해당 재료를 용융시키기에는 모자라는 온도)를 상승시킴으로써 그 재료 또는 물체의 성형 또는 기타 처리를 용이하게 하는 노가 있다. 그러한 노들이 제시하는 과제를 유리 용융로로 예시하여 본 발명의 상세한 설명의 대부분을 유리 용융로를 참조하여 설명하지만, 본 발명은 수많은 다른 기능에 이용되는 노에도 역시 적용될 수 있다.
종래의 유리 제조 방법은 유리 제조용 재료[이는 포괄적으로 "배치(batch)"로 알려진 모래, 소다회(soda ash), 석회석, 백운석, 장석, 철단(rouge)과 같이, 유리는 아니지만 유리 형성 시의 성분인 1종 이상의 재료나, 및/또는 "컬릿(cullet)"로서 알려진 파쇄, 스크랩, 및 재활용 유리를 의미한다]를 용융시키기에 충분히 높은 유리 용융 온도를 달성할 필요가 있다. 필요한 고온은 일반적으로 천연 가스와 같은 탄화수소 연료를 연소시켜 얻어진다. 그 연소는 배연 가스로도 알려진 가스상 연소 생성물을 생성한다. 연소로부터 용융될 유리 제조용 재료로의 비교적 높은 효율의 열 전달을 달성하는 유리 제조 설비에서도, 용융 용기를 빠져나가는 연소 생성물은 통상 2000℉를 훨씬 초과하는 온도, 통상은 2600 내지 2950℉ 범위의 온도를 가져, 그 연소 생성물로부터 열 에너지를 적어도 부분적으로라도 회수할 수 없다면 유리 제조 공정 중에 생성된 에너지를 상당히 낭비하게 된다.
종래 기술에서는 그러한 문제를 흔히 복열기 또는 축열기로 알려진 형태의 배연 가스와 공기 간의 열 교환기를 이용함으로써 해결하였다. 본 명세서에서 사용하는 바와 같은 "복열기(recuperator)"는 2개의 스트림이 서로 물리적으로 직접 접촉하지 않고 연속적으로 각각 흐를 수 있는 열 교환기로서, 이들 스트림이 복열기에 유입될 때에 상이한 온도를 갖는 경우에 열은 복열기 내에서 고온의 스트림에서 저온의 스트림으로 흐르게 된다. 본 명세서에서 사용하는 바와 같은 "축열기(regenerator)"는 2개 또는 그 이상의 유닛(즉 "베드")으로 이루어진 열 교환기로서, 한번에 하나의 스트림이 각각의 베드를 통과할 수 있고, 각각의 스트림이 통과해 흐를 수 있는 유닛은 하나의 베드에서 다른 하나의 베드로, 이어서 그 반대로(또는 또 다른 하나의 베드로) 주기적으로 변경("반전")될 수 있고, 고온의 스트림은 이 스트림이 통과하는 유닛을 가열하는 한편, 저온의 스트림은 이미 고온의 스트림이 통과하여 가열된 다른 유닛을 통과하며, 그 후에 저온의 스트림은 방금 가열된 유닛을 통과하여 이 유닛에 의해 가열되는 한편, 고온의 스트림은 저온의 스트림으로의 열 교환이 이루어진 다른 유닛을 통과해 흐르게 된다.
산소 공급원으로서 공기에 의해 연료를 연소시키고 그 연소 생성물을 복열식 또는 축열식 열 교환기를 통과시켜 유입되는 연소 공기를 가열하는 종래의 공기 연소형 복열식 또는 축열식 노에서, 배연 가스의 폐열은 그 열 교환기에서 유입되는 연소 공기를 예열함으로써 부분적으로 회수되어, 통상의 축열식 열 교환기를 통과한 후에 배연 가스의 배출 온도가 약 800 내지 1000℉로 감소하거나, 복열식 열 교환기를 통과한 후에 배연 가스의 배출 온도가 약 1000 내지 1600℉로 감소하게 된다. 지난 세기 동안에 폐열을 회수하기 위해 축열기 및 복열기의 구조에서 상당한 개선이 이루어졌지만, 그러한 열 회수 장치에서 회수 가능한 폐열의 최대량에서의 고유의 한계가 존재한다. 배연 가스 스트림의 열용량률(heat capacity rate)은 통상 연소 공기의 열용량률보다 약 35％ 더 크다. 따라서, 공기의 예열 온도를 유입되는 고온 배연 가스의 온도에 근접하게 하는 열역학적으로 이상적인 축열기의 경우에도, 유입되는 배연 가스의 엔탈피 함량의 적어도 26％[(1.35-1.0)/1.35=0.26]가 축열기를 통과한 후에 배연 가스 내에 남게 된다(문헌[A.R. Cooper and Y. Wu: Analysis of Various Modifications on the Thermal Performance of Combustion Heated Continuous Glass Melting Furnaces, Proc. of 16th Intl Congress on Glass, 6, 59-64, Madrid, Spain, Oct 4-9, 1992] 참조). 따라서, 전체적 열회수율에서의 추가적인 개선을 위해서는 축열식 또는 복열식 열 교환기 후의 배연 가스 내에 함유된 현열(sensible heat)을 회수하도록 2차 열 회수 시스템이 필요하다. 종래의 2차 열 회수 방법으로는 폐열 보일러, 배치/컬릿 예열기, 및 천연 가스 예열기가 포함된다. 폐열 보일러는 폐열을 효과적으로 증기로서 회수하여 증기 터빈을 이용해 전력을 생성할 수 있다. 그러나, 증기의 달성 가능한 최대 온도 및 압력은 축열기 또는 복열기 후의 폐 배연 가스 스트림의 비교적 낮은 온도에 의해 제한된다.
유리 제조 분야에서 가스 용융로로부터의 고온 가스상 연소 생성물의 열을 유리 제조 시에 용융될 유입되는 유리 제조용 재료를 예열하는 데에 이용하는 것이 알려져 있지만, 지금까지 알려진 기법에서는 고온 연소 생성물의 온도가 유리 제조용 재료와 열 교환을 시작할 때에 약 1000 내지 1300 ℉를 초과하지 않아야 하는 것으로 여겨왔다. 이러한 최대 온도는 열 교환기를 구성하는 재료가 고온에 견딜 수 있는 능력을 고려함은 물론, 열 교환 단계 중에 너무 고온으로 되는 경우에 유리 제조용 재료가 연화되기 시작하여 점착성(즉, "끈적거림")을 갖게 되어 열 교환기의 처리량을 감소시키고 심지어는 열 교환기의 통로를 막히게 하는 경향을 고려함으로 인한 것이다. 유리 제조용 재료가 점착성, 즉 끈적거리게 되는 온도는 유리 제조용 재료와 접촉하는 재료 및 배치의 조성에 좌우되는 것으로, 병 및 창용의 소다 석회 유리를 제조하기 위한 통상의 배치의 경우에 1000 내지 1300℉ 범위로 여겨진다. 통상의 공기 연소형 축열식 노에서, 축열기를 지난 후의 배연 가스의 배출 온도는 약 800 내지 1000℉로, 배치/컬릿 예열기 전에 배연 가스를 냉각시킬 필요가 없다. 다수의 상업적 용기 유리용 노는 축열기로부터 나오는 큰 부피의 배연 가스 내에 함유된 폐열을 이용하여 유리 제조용 재료를 가열하도록 배치/컬릿 예열기를 채용하였다. 그러나, 배연 가스의 비교적 낮은 온도로 인해, 그 방법에 의해 달성되는 최대 예열 온도는 약 600℉로 제한되었다. 게다가, 구매 가능한 배치/컬릿 예열기의 물리적 크기가 큰 부피의 배연 가스와 열 교환하도록 매우 커서 경제적으로 매력적이지 못하다.
유리 용융로를 빠져나가는 가스상 연소 생성물이 산소-연료 연소에 의해 얻어지는 온도와 같은 높은 온도인 경우에, 유입되는 유리 제조용 재료와의 열 교환을 시작할 수 있기 전에 그 생성물을 1000 내지 1300℉ 범위로 냉각시킬 필요가 있다는 점이 통상적인 생각이었다. 배연 가스가 유입되는 유리 제조용 재료의 가열에 이용되기 전에 배연 가스의 온도를 감소시켜야 한다는 종래 기술의 생각이 드러나는 다수의 예가 존재한다. 그러한 예로는 문헌[C.P. Ross et al., "Glass Melting Technology: A Technical and Economic Assessment", Glass Manufacturing Industry Council, August 2004, pp. 73-80); G. Lubitz et al., "Oxy-fuel Fired Furnace in Combination with Batch and Cullet Preheating", presented at NOVEM Energy Efficiency in Glass Industry Workshop (2000), pp. 69-84]; 미국 특허 제5,412,882호; 미국 특허 제5,526,580호; 및 미국 특허 제5,807,418호가 있다.
그러나, 연소 생성물 스트림에 공기와 같은 가스상 희석제를 첨가함으로써 및/또는 물과 같은 냉각 액체를 그 스트림 내로 분사함으로써 그 스트림의 온도를 감소시키게 되면, 그러한 기법에 의해 가스상 연소 생성물 내에 잔존하는 회수 가능한 열의 양을 감소시키고, 필요한 가스 취급 설비의 크기를 증가시키고, 부가적인 설비 및 처리 비용을 추가시킨다는 단점이 있다.
산소-연료 연소형 유리 용융로로부터의 열 회수 분야에서의 최근의 개선점은 국제 특허 출원 공개 공보 제WO 2007/126685 A1호에 개시된 바와 같이 본 발명자에 의해 제안된 고온 복사 배치/컬릿 예열기이다. 그러한 새로운 배치/컬릿 예열기는 냉각 가스의 주입에 의해 냉각시키지 않고도 산소-연료 연소형 노로부터의 고온의 배연 가스를 이용하여 1200℉ 정도의 높은 온도로 유리 제조용 재료를 가열할 수 있다. 그러나, 복사 배치/컬릿 예열기는 지금까지는 공기 연소형 축열식 또는 복열식 노에는 적용할 수 없는 것으로 여겨져 왔다.
따라서, 폐열을 보다 효율적으로 회수함으로써 유리 용융로 및 기타 노를 비롯한 축열식 및 복열식 노의 연료 효율을 개선시킬 필요가 있다.
본 발명의 하나의 양태는 노를 작동시키는 방법으로서, 이 방법은,
(A) 열을 생성하도록 적어도 20.9 체적％ 산소의 전체 평균 산소 함량을 갖는 가스상 산화제를 사용하여 노 내에서 연료를 연소시켜 고온 연소 생성물을 생성하는 단계와,
(B) 상기 노로부터의 고온 연소 생성물과 단계 (A)에서의 연소 전의 상기 가스상 산화제의 일부 또는 전부를 축열식 또는 복열식 1차 열 교환기 시스템에 통과시켜, 1차 열 교환기 시스템 내에서 상기 1차 열 교환기 시스템을 통과하는 고온 연소 생성물로부터의 열 교환에 의해 상기 1차 열 교환기 시스템을 통과하는 가스상 산화제를 가열하되, 상기 1차 열 교환기 시스템을 통과하는 고온 연소 생성물과 산화제는 산화제에 대한 연소 생성물의 열용량률비가 1.3보다 낮도록 통과시키는 단계와,
(C) 상기 1차 열 교환기 시스템을 통과하지 않은 상기 노로부터의 고온 연소 생성물을 2차 열 교환기 시스템을 통과시켜 2차 열 교환기 시스템에서 고온 연소 생성물로부터 현열을 회수하는 단계를 포함한다.
본 발명의 바람직한 양태는 유리를 용융시키는 방법으로서, 이 방법은,
(A) 유리 제조용 재료를 유리 용융로 내로 보내는 단계와,
(B) 상기 유리 용융로 내에서 유리 제조용 재료를 용융시킬 열을 생성하도록 적어도 20.9 체적％의 전체 평균 산소 함량을 갖는 가스상 산화제를 사용하여 연료를 연소시켜 고온 연소 생성물을 생성하는 단계와,
(C) 상기 유리 용융로로부터의 고온 연소 생성물과 단계 (B)에서의 연소 전의 상기 가스상 산화제의 일부 또는 전부를 축열식 또는 복열식 1차 열 교환기 시스템에 통과시켜, 1차 열 교환기 시스템 내에서 상기 1차 열 교환기 시스템을 통과하는 고온 연소 생성물로부터의 열 교환에 의해 상기 1차 열 교환기 시스템을 통과하는 가스상 산화제를 가열하되, 상기 1차 열 교환기 시스템을 통과하는 고온 연소 생성물과 산화제는 산화제에 대한 연소 생성물의 열용량률비가 1.3보다 낮도록 통과시키는 단계와,
(D) 상기 1차 열 교환기 시스템을 통과하지 않은 상기 유리 용융로로부터의 고온 연소 생성물을 2차 열 교환기 시스템에 통과시켜 2차 열 교환기 시스템에서 고온 연소 생성물로부터 현열을 회수하는 단계를 포함한다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같은 스트림의 "열용량률(heat capacity rate)"은 고온 스트림의 온도와 저온 스트림의 온도 사이에서 산정된 스트림의 평균 비열과 스트림의 질량 유량의 곱으로서 정의되는 것으로, Btu/℉/hr 단위 또는 기타 등가 단위로 나타내고, 2개의 스트림의 "열용량률비(heat capacity rate ratio)"는 두 스트림의 열용량률의 비, 즉 무차원수이다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같은 열 교환기 "시스템"은 하나 또는 그 이상의 열 교환기를 포함하는 장치이다. "1차" 열 교환기 시스템과 "2차" 열 교환기 시스템은 각각 노에는 연결되고 서로 간에는 연결되지 않는데, 다시 말해, 이들 시스템은 직렬로 연결되지 않아 하나의 시스템에서 가열된 가스가 다른 시스템을 통과하지 않고 노 내로 보내진다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같은 "산소-연료 연소(oxy-fuel combustion)"는 공기의 산소 함량보다 높은 산소 함량을 갖는 가스상 산화제에 의한 연료의 연소이며, "산소-연료 버너"는 산소-연료 버너를 구성하는 재료에 의해 산소-연료 연소가 수행될 수 있는 버너이다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같은 "공기-연료 연소(air-fuel combustion)"는 공기에 의한 연료의 연소이며, "공기-연료 버너"는 공기-연료 버너를 구성하는 재료에 의해 공기-연료 연소가 수행될 수 있는 버너이다.
아래에서 설명하는 바와 같이, 연소 생성물의 제1 및 제2 스트림의 상대 체적은 바람직하게는 두 열 교환기 모두에 대해 열 회수 효율이 최적화하도록 조절된다.
본 발명의 다른 양태는 노를 개선(modifying)하는 방법으로서, 이 방법은,
노 및 이 노에 연결된 1차 열 교환기 시스템을 마련하되, 상기 노 내에서는 적어도 20.9 체적％의 산소 함량을 갖는 가스상 산화제와 연료를 연소시켜 노 내의 재료를 가열하거나 용융시킬 열을 생성하고 고온 가스상 연소 생성물을 생성할 수 있으며, 상기 1차 열 교환기 시스템을 통해서는 상기 고온 연소 생성물이 통과할 수 있는 한편, 상기 노에서 연소될 상기 가스상 산화제가 통과하여 상기 고온 연소 생성물로부터 간접 열 교환에 의해 가열될 수 있게 마련하는 단계와,
상기 노에 2차 열 교환기 시스템을 연결하여, 상기 2차 열 교환기 시스템이 상기 노로부터 고온 가스상 연소 생성물을 받아들일 수 있게 하는 단계와,
상기 1차 열 교환기 시스템과 상기 2차 열 교환기 시스템에 공급되는 상기 연소 생성물의 체적을 변경할 수 있는 하나 이상의 제어 가능 댐퍼를 마련하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 발명의 방법에 유용한 복열식 열 교환기를 구비한 유리 제조 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 방법에 유용한 축열식 열 교환기를 구비한 유리 제조 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명을 채용한 유리 제조 장치의 개략도이다.
도 4는 본 발명을 채용한 유리 제조 장치의 개략도이다.
본 발명은 연료와 산화제가 내부에서 연소되는 노에 적용될 수 있다. 바람직한 실시예는 유리 용융로, 슬래브 또는 빌렛 등의 고형 강재 대상물이 가열될 수 있는 강 재가열 노와, 고형 알루미늄(알루미늄 스크랩 등)이 가열 및 용융될 수 있는 알루미늄 용융로를 포함한다. 본 발명은 본 명세서에서 유리 용융로를 주로 참조하여 설명되지만, 이 타입의 노로 한정되는 것은 아니다.
도 1을 참조하면, 연료 스트림(1)과 가스상 산화제(2)는 유리 용융로(3)로 공급되고 그 안에서 연소되어 노(3) 내에 존재하는 유리 제조용 재료를 용융시키는 데에 충분한 열을 발생시킨다. 유리 제조용 재료는 스트림(9)으로서 노(3)로 공급된다. 용융된 유리의 스트림(4)은 유리 제조 노(3)로부터 회수될 수 있다.
적절한 연료로는 연소에 필요한 양의 열을 발생시키도록 산화제(공기, 산소 농후 공기 또는 산소)와 연소될 수 있는 임의의 것을 포함한다. 바람직한 연료는 천연 가스 등의 가스상 탄화수소를 포함한다.
스트림(1)으로서 도시된 연료와 스트림(2)으로서 도시된 산화제는 각각 하나의 스트림으로서 노(3) 내의 유일한 버너로 공급될 수 있지만, 보다 흔하게는 노(3) 내에 여러 버너(51)의 각각에 복수 개의 스트림으로서 공급된다. 그러한 모든 가스상 스트림의 집합을 고려하면, 노(3)로 공급되어 연소되는 모든 산화제 스트림의 전체 평균 산소 함량은 적어도 공기의 산소 함량이고 산소 농후 또는 산소-연료 버너가 사용된다면 20.9％보다 높다. 산소 함량은 적어도 35 체적％의 산소, 보다 바람직하게는 적어도 50 또는 심지어는 적어도 90 체적％의 산소일 수 있다. 즉, 상이한 버너로 공급된 산화제 스트림의 산소 함량은, 예컨대 조작자가 다른 버너들보다 뜨겁게 연소되는(보다 높은 산소 함량이 공급되는) 일부 버너를 갖기를 원한다면 서로 상이할 수 있다. 원하는 산소 함량을 함유하는 가스상 산화제 스트림을 얻는 바람직한 방식은 특정한 버너로부터 상류에서 또는 버너 출구에서 공기의 산소 함량보다 높은 산소 함량을 갖는 가스(90 체적％ 산소의 스트림 등)와 공기를 혼합하는 것이다.
후술되는 2차 열 교환기 시스템의 추가 전후의 노에는 연료를 공기와 연소시키는 버너들로만 전부 설치되거나, 또는 일부는 연료를 공기와 연소시키고 일부는 연료를 공기보다 산소 함량이 높은 산화제와 연소시키는 버너들이 설치될 수 있다. 더욱이, 본 명세서에 설명되는 바와 같이 2차 열 교환기가 노에 추가되는 경우, 선택적으로 연료를 공기와 연소시키거나 연료를 공기보다 산소 함량이 높은 산화제와 연소시키는 하나 이상의 버너가 제거되거나 추가될 수 있다. 연료를 공기보다 산소 함량이 높은 산화제와 연소시키는 버너의 경우, 산화제는 통상적으로 열 교환기에서 예열되지 않는다.
연료와 산화제의 연소는 고온의 가스상 연소 생성물을 생성시킨다. 이들 연소 생성물(50)의 일부는 노(3)에 공급되는 유입 산화제(2)의 일부 또는 전부와의 간접적 열 교환에 의해 가열하도록 1차 열 교환기 시스템(52)을 통과한다. 1차 열 교환기 시스템은 2개 이상의 열 교환기를 채용할 수 있다. 열 교환기 시스템(52)은 축열 또는 복열식 열 교환기 시스템과 같은 이 기능을 수행하는 임의의 타입의 열 교환기를 구비할 수 있다.
도 1은 1차 열 교환기 시스템(52)으로서 단일의 복열식 열 교환기에 의한 실시를 도시하고 있다. 복열식 1차 열 교환기 시스템을 채용하는 유리 용융로에는 1차 열 교환기 시스템으로서 2개의 복열기(recuperator)가 흔히 설치된다.
도 2를 참조하면, 노는 노 본체(12)와, 충전 또는 배치 단부(14)와, 배치 충전 장치(16)와, 방출 또는 용융 유리 단부(18)를 포함한다. 노를 통과하는 재료와 유리의 전체 유동은 화살표(20)로 지시된다. 노는 당업계에 널리 알려진 바와 같이 공기-연료 화염(54, 56, 58, 60, 62)을 생성하도록 공기-연료 버너 또는 공기-연료 연소 장치를 수용하는 포트(30, 32, 34, 36, 38, 44, 46, 48, 50, 52)와 관련된 축열기 베드(26, 28)를 포함하는 제1 열 교환기 시스템을 갖는다. 도 2에 도시된 작동 모드에서, 축열기 베드(26)는 공기(66)를 받아들이고 공기-연료 연소 화염(54, 56, 58, 60, 62) 각각을 위해 공기를 예열한다. 이 때에, 축열기 베드(68)는 노에서 배출되는 배연 가스(68)에 의해 가열된다. 일정한 시간 주기 후에, 축열기의 열 저장 용량에 의해 결정되는 바와 같이, 화염(54, 56, 58, 60, 62)은 소화되고 축열기 베드(28)를 통해 도입된 공기를 이용하여 포트(44, 46, 48, 50, 52) 내에 공기-연료 화염이 생성된다. 당업계에 널리 알려진 바와 같이, 역 유동이 축열기 베드(26, 28)를 번갈아 가열하여 예열된 공기를 제공한다. 종래 기술에서는, 충전 단부 벽과 제1 공기-연료 포트(30, 52) 사이의 공간에 배치된 산소-연료 버너에 의해 생성된 화염(74, 76)을 이용하여 산소-연료 부스팅을 도입하는 것이 알려져 있다.
도면에 도시되지는 않았지만, 노는 열 저장 및 전달 매체로서 회전하는 베드를 이용하는 다른 타입의 축열식 열 교환기를 채용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 2차 열 교환기 시스템은 고온의 배연 가스로부터 열을 회수하고 이 열을 1차 열 교환기 시스템(52)에서 가열되는 산화제(2) 이외의 재료로 전달한다. 2차 열 교환기 시스템은 예컨대 배치 및 컬릿 예열기(batch and cullet preheater), 컬릿 예열기, 열화학적 복열기, 열화학적 축열기, 폐열 보일러, 산소 예열기 또는 천연 가스 예열기, 또는 상이한 타입의 2개 이상의 열 교환기의 조합을 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 열화학적 복열기 또는 열화학적 축열기는 복열기 또는 축열기 베드를 통해 유동하는 고온의 배연 가스로부터의 열이 연료(통상적으로 천연 가스)와 증기의 혼합물로 전달되고, 이에 의해 연료와 증기가 흡열 개질(reforming) 반응에 의해 반응하여, 고온의 배연 가스로부터 전달된 열이 반응물, 즉 연료와 증기의 혼합물의 열 및 화학적 에너지 양자로 전환되는 열 교환기이다. 예컨대, 제2 열 교환기 시스템은 산소 예열기 및 컬릿 예열기의 순차적인 또는 병렬 조합으로 이루어질 수 있거나, 증기를 생성하도록 폐열 보일러만으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 2차 열 교환기 시스템은 복사, 대류 및/또는 전도 열 전달에 의해, 바람직하게는 복사 열 전달과 대류 열 전달의 조합에 의해, 도 1 또는 도 2에 도시된 바와 같은 유리 용융로로의 유리 제조용 재료와 고온의 가스상 연소 생성물 사이에 열을 교환하도록 유리 용융로로 유입하는 배치/컬릿을 가열하는 유닛을 구비한다. 그러한 유닛은 도 3에 유닛(7)으로서 나타나고, 연소 생성물의 스트림(5)은 유닛(7)으로 나아가고 유입하는 유리 제조용 재료(9)를 가열하며, 유리 제조용 재료는 이어서 노(3)에서 용융될 가열된 유리 제조용 재료의 스트림(8)으로서 노(3)로 공급된다. 유닛(7)에서 유리 제조용 재료로 열을 전달한 연소 생성물은 스트림(6)으로서 유닛(7)을 빠져나간다.
선택적으로, 고온 연소 생성물의 작은 부분은, 예컨대 노 압력을 안정적으로 제어하도록 열 회수 없이 별개의 배연 포트(도시 생략)를 통해 노로부터 배출될 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 본 명세서에서 설명되는 제1 및 제2 열 교환기를 구비하는 결과적인 장치이다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 한 가지 중요한 이점은, 예컨대 희석 유체 스트림을 추가하거나 다른 열 교환기를 통과함으로써 [제2 열 교환기 시스템(7) 내로 유입 전에] 스트림의 온도의 임의의 상당한 감소를 필요로 하는 일 없이, 축열기 또는 복열기를 통과하지 않고 노로부터 직접 얻어지는 것만큼 온도가 보다 높더라도 고온의 연소 생성물의 보다 많은 에너지 함량을 유리하게 사용할 수 있다는 것이다.
열 전달 유닛(7) 또는 후속하는 열 교환기로부터 나오는 냉각된 연소 생성물의 스트림(6)은 원한다면 스트림이 분위기로 방출되기 전에 또는 화학적 처리 단계에 대한 공급 스트림으로서 채용되기 전에 바람직하거나 필수적일 수 있는 처리 단계를 거칠 수 있다. 예컨대, 스트림은 미세한 미립자 오염물을 제거하도록 정전 침전기 또는 등가의 장치를 통과할 수 있다. 스트림은, 예컨대 스트림을 Ca(OH)2 또는 탄산나트륨 등의 적절한 흡수제 또는 반응제와 접촉시킴으로써 황 산화물 등의 가스상 분위기 오염 물질을 제거하도록 처리될 수 있다.
축열기 베드(148, 150)에 연결되고 배치/컬릿 열 교환 유닛(7)에 연결되는 유리 용융로를 나타내는 도 4를 참조하면, 이 노의 바람직한 작동은 축열기 베드(148, 150)에서 효율적인 열 전달의 특성 및 전체 열 균형을 고려한다. 이 작동은 많은 유용한 결과를 제공한다.
도 4를 참조하면, 노(170)는 노 본체(142), 충전 또는 배치 단부(144), 배치 충전기(181) 및 방출 또는 용융 유리 단부(146)를 포함한다. 노를 통과하는 재료와 유리의 전체 유동은 화살표(151)로 지시되어 있다. 노는 포트(152, 154, 156 및 158, 160, 162)와 각각 관련되는 축열기 베드(148, 150)로 구성된 1차 열 교환기 시스템을 갖는다. 도 4에 도시된 작동 모드에서, 축열기 베드(148)는 공기(76)를 받아들이고 그 공기를 공기-연료 연소 화염(164, 166, 168)을 위해 각각 예열한다. 이 때에, 축열기(150)는 노에서 배출되는 고온의 연소 생성물 가스(77)의 일부에 의해 가열된다. 2차 열 교환기 시스템은 이 예에서 유입되는 배치/컬릿 유리 제조용 재료(9)가 노를 열 교환기 유닛(190, 191)과 연결하는 배출 가스 포트(184, 186)를 통해 노에서 배출되는 고온 연소 생성물 가스(78)의 나머지 부분에 의해 가열되는 배치/컬릿 예열기인 열 교환기(190, 191)를 포함한다. 이 예에서, 공기-연료 연소에 의해 생성되는 화염(164, 166, 168)은 노의 방출 단부에 가깝게 배치되고, 산소-연료 연소에 의해 생성되는 화염(174, 176, 180, 182)은 노의 충전 단부 근처에 배치된다. 열 교환 유닛(190, 191)의 2차 열 교환기 시스템에서 가열된 배치/컬릿 유리 제조용 재료(10)는 유닛(190, 191)으로부터 용융될 노로 공급된다.
공지된 방식으로, 하나의 축열기 베드를 통해 노 내로 유입되는 공기의 유동과 노 밖으로 다른 축열기 베드를 통과하는 연소 생성물의 유동은 각 유동이 다른 베드를 통과하도록 주기적으로 전환된다. 이들 유동의 전환은, 예컨대 산화제(공기 등) 소스 및 배연 출구 스택에 연결되고, 각 축열기에 연결되는 밸브를 이용하여 공지된 방식으로 달성될 수 있으며, 밸브는 산화제가 하나의 베드로 유동하고 연소 생성물이 다른 베드로부터 나가는 하나의 위치와, 산화제가 상기 다른 베드로 유동하고 연소 생성물이 상기 하나의 베드로부터 들어오는 다른 위치를 번갈아 할 수 있다.
1차 열 교환기 시스템[어느 하나의 축열기 베드(148 또는 150)] 및 2차 열 교환 시스템 유닛(7 또는 190과 191)으로 유입되는 고온의 배연 가스의 유동 분할 비율은 전체 열 회수 효율을 최적화하도록 변경될 수 있다. 전술한 바와 같이, 유리 용융 및 다른 산업적 노에 사용되는 축열기 및 복열기에서 회수 가능한 폐열의 최대량에는 고유의 한계가 존재한다. 배연 가스 스트림의 열용량률은 통상 연소 공기의 열용량률보다 약 35％ 더 크다. 따라서, 공기 예열 온도를 유입되는 고온 배연 가스의 온도에 근접하게 하는 열역학적으로 이상적인 축열기 또는 복열기의 경우에도, 유입되는 배연 가스의 엔탈피 함량의 적어도 26％[1.35-1.0)/1.35=0.26]가 축열기를 통과한 후에 배연 가스 내에 남게 된다. 도 2에 도시된 바와 같은 기존의 축열식 노에 대한 갱신 용례 또는 새로운 노 용례의 경우, 연소 공기에 대한 고온 배연 가스의 열용량률비를 1.3 미만, 바람직하게는 1.2 미만, 보다 바람직하게는 1.1 미만 또는 심지어는 1.0 미만으로 감소시키기 위해, 전체 배연 가스의 약 10 내지 40％, 바람직하게는 약 15 내지 30％는 존재하는 기존의 축열기, 복열기 또는 다른 간접적인 열 교환기를 우회하여 도 3의 유닛(7) 또는 도 4의 유닛(190 및 191)으로 도입한다. 특히 배치 충전기에 가까운 포트 근처에서 축열기의 통로의 폐색은 특히 축열기 베드의 새로운 수명의 시작 후 사용 시간이 지남에 따른 일반적인 문제이다. 흔히, 본 발명을 이용하지 않는 현재의 실시에서, 노 발화 용량은 노 수명의 종료 즈음에는 이들 통로를 통한 감소되는 연소 공기 용량 때문에 감소되어야 한다. 본 발명은 이 문제에 대한 상조적인 해법을 제공하는 동시에, 노 생산성을 향상시키고 연료 소비를 감소시킨다. 이들 통로를 통해 공급되는 고온 연소 생성물의 일부를 추출함으로써, 충전에 가까운 축열기의 섹션이 제거되고/되거나 폐색된 통로를 통한 가스 유동이 감소된다. 또한, 연료 소비가 유리 제조용 재료(배치/컬릿)를 예열함으로써 감소되기 때문에, 나머지 통로를 통한 연소 공기 유량이 비례하여 감소된다.
다른 경우에 설명된 바와 같이, 축열식 열 교환기의 작동은, 고온 연소 생성물의 유동이 연소 생성물이 유동한 베드로부터 유입 산화제가 유동한 다른 베드로 변경되고, 유입 산화제의 유동이 산화제가 유동한 베드로부터 고온 연소 생성물이 유동한 베드로 변경되도록 베드의 역할을 주기적으로 역전시키는 것을 포함한다. 통상적으로 20 내지 30 초가 걸리는 이 역전 중에, 연료는 버너(51)[또는 경우에 따라서 포트(152, 154, 156) 등의 포트]로 공급되지 않고, 유입 산화제의 유동이 축열기를 통해 노로 계속 공급된다. 이 역전 주기 중에, 예열된 공기의 일부("고온 연소 생성물"을 이용할 수 없기 때문에)는 제2 열 교환기 시스템에 연속적으로 도입된다.
본 발명은 노의 충전 단부에 가장 가까운 1쌍 또는 2쌍의 축열기 포트가 폐쇄되고 1쌍 내지 2쌍의 산소-연료 버너로 대체되는 산소-연료 연소로의 노의 부분적인 전환과 조합될 수 있다. 바람직하게는 1개 내지 2개의 복사 열 교환 유닛을 구비하는 도 3의 2차 열 교환기 시스템(7) 또는 도 4의 유닛(190, 191)으로 고온 배연 가스를 추출하기 위하여 1개 내지 2개의 배연 포트가 동일한 영역에 배치된다. 본 발명에서는, 유리 제조용 재료가 노로 공급되기 전에 미리 예열되기 때문에 동일한 유리 제조율을 위해 유리 제조용 재료용 입구 근처에서 보다 적은 노 가열이 요구된다.
도 3의 2차 열 교환기 시스템(7) 또는 도 4의 유닛(190, 191)이 유리 제조 성분을 위한 예열기인 경우에, 노로부터 추출되는 고온 연소 생성물의 바람직한 양은 예열기 유닛에서 유리 제조용 재료의 원하는 최대 예열 온도에 의해 결정된다. 일반적인 소다 석회 유리 노의 경우, 최대 예열 온도는 보다 높은 온도에서 점착성이 되는 그러한 재료의 경향으로 인해 약 1300℉이다. 바람직하게는, 예열 온도는 600 내지 1300℉이다. 보다 바람직하게는, 예열 온도는 700 내지 1100℉이다. 개선된 열 회수 효율의 경우, 도 3의 유닛(7) 또는 도 4의 유닛(190, 191)은 배연 가스를 700℉ 미만, 바람직하게는 550℉ 미만으로 냉각시키도록 구성되어야 한다.
실시예
표 1은 축열식 간접 열 교환기에 대한 5개의 포트를 갖는 450 쇼트 tpd 축열식 용기 유리 용융로(경우 1), 배치/컬릿을 572℉로 예열하도록 종래의 배치 컬릿 예열기를 갖는 동일한 노(경우 2), 배치/컬릿을 932℉로 예열하도록 본 발명을 갖는 연속적인 배연 포트로 전환되는 제1쌍의 포트를 갖는 변경된 450 쇼트 tpd 축열식 용기 유리 용융로(경우 3), 및 배치/컬릿을 932℉로 예열하도록 연속적인 배연 포트로 전환되는 제1쌍의 포트와, 폐쇄되고 본 발명을 갖는 1쌍 내지 2쌍의 산소-연료 버너로 대체된 제2쌍의 포트를 갖는 변경된 450 쇼트 tpd 축열식 용기 유리 용융로(경우 4)의 에너지 균형의 예시적인 비교를 나타낸다. 표 2는 축열기의 실행을 위해 사용되는 대응하는 조건 및 가정을 나타낸다.
모든 경우에 배치와 컬릿의 50-50 혼합물을 가정한다. 경우 1은 비교를 위한 기존의 노의 기준선 조건을 나타낸다. 경우 2에서, 축열기 후의 배연 가스는 배치 및 컬릿의 혼합물을 572℉로 예열하도록 종래의 배치/컬릿 예열기로 도입된다. 경우 3에서, 축열기의 제1 포트(즉, 배치 충전기에 가장 가까운 포트의 쌍)는 사용 중지되고 한 쌍의 배연 포트로 대체된다. 전체 배연 가스의 24.5％는 유리 제조용 재료를 예열하도록 배연 포트를 통해 공기 발화된 가스 용융로로부터 연속적으로 추출되어 복사 배치/컬릿 예열기 유닛(7)으로 직접적으로 도입된다. 나머지 배연 가스, 즉 전체 배연 가스의 75.5％는 공기를 예열하도록 기존의 축열기를 통과한다. 축열기의 열 회수 효율은 연소 공기에 대한 고온 배연 가스의 열용량률비가 감소되어 1.0에 근접하여 개선된다. 그 결과, 축열기에서 배출되는 배연 가스 온도가 감소되어 축열기 후에 배연 가스로의 열 손실이 감소된다. 경우 4에서, 축열기의 제1 및 제2 포트는 폐쇄되어 작동 중지되고 한 쌍의 배연 포트로 대체된다. 1쌍 내지 2쌍의 산소-연료 버너가 이 구역에서 온도를 제어하도록 제1 및 제2 포트 근처에 설치된다. 산소-연료 버너로부터 발생된 배연 가스를 포함하는 전체 배연 가스의 31％는 배연 포트를 통해 연속적으로 추출되고 복사 배치/컬릿 예열기 유닛(7)으로 직접 도입되어 유리 제조용 재료를 예열시킨다. 나머지 배연 가스, 즉 전체 배연 가스의 69％는 공기를 예열하도록 기존의 축열기를 통과한다. 축열기의 열 회수 효율은 연소 공기에 대한 고온 배연 가스의 열용량률비가 감소되어 1.0에 근접하여 향상된다. 그 결과, 축열기에서 배출되는 배연 가스 온도가 감소되어, 축열기 후에 배연 가스로의 열 손실이 감소된다. 산소-연료 버너에 사용되는 산화제는 축열기에서 예열되지 않는다. 특정한 가정 및 계산된 결과가 비교를 위해 아래에 제공된다.
경우 1에서, 배연 가스는 2850℉로 축열기에 진입하고 950℉로 배출된다. 축열기 후에 공기 예열 온도는 2300℉이다. 경우 2에서, 배연 가스는 2850℉로 축열기에 진입하고 배연 가스의 감소된 유량으로부터 열 교환기 효율 이득과 배연 감소로부터 연소 공기로 인해 870℉로 배출되지만, 열용량률비는 경우 1에 매우 가깝다. 축열기 후에 공기 예열 온도는 2300℉로 가정된다. 이어서, 배연 가스는 하류의 종래의 BCP에 약 870℉로 진입하고 배치/컬릿을 77℉로부터 572℉로 예열하고 433℉로 배출된다. 경우 3에서, 배연 가스는 2850℉로 축열기에 진입하고 (1) 1.36로부터 1.01로의 열용량률비의 감소 및 또한 (2) 배연 가스 및 연소 공기의 감소된 유량으로부터 효율 이득으로 인해 448℉로 배출된다. 축열기 후에 공기 예열 온도는 2130℉로 가정된다. 대류식 열 회수 섹션(유닛 7)을 갖는 복사 열 교환기에 진입하는 배연 가스는 배치/컬릿 유리 제조용 재료를 77℉로부터 932℉로 예열하고 360℉로 배출된다. 경우 4에서, 배연 가스는 2850℉로 축열기에 진입하고 (1) 1.36로부터 1.0로의 열용량률비의 감소 및 또한 (2) 배연 가스 및 연소 공기의 감소된 유량으로부터 효율 이득으로 인해 480℉로 배출된다. 축열기 후에 공기 예열 온도는 2200℉로 가정된다. 대류식 열 회수 섹션(유닛 7)을 갖는 복사 열 교환기에 진입하는 배연 가스는 배치/컬릿 유리 제조용 재료를 77℉로부터 932℉로 예열하고 418℉로 배출된다. 산소-연료 버너에 사용된 산화제는 축열기에서 예열되지 않는다.
노 에너지 균형
경우 1
기준선		 경우 2
PH T = 572℉		 경우 3
PH T = 932℉		 경우 4
PH T = 932℉
에너지 입력(MMBTU/TON)
연료 4.05 3.47 3.27 3.09
산화제 예열 1.84 1.57 1.36 0.98
배치/컬릿 예열 0.00 0.29 0.47 0.47
전체 입력 5.88 5.31 5.09 4.54
에너지 출력(MMBTU/TON)
유리에 대한 에너지 1.49 1.49 1.49 1.49
연료 손실(전체) 3.63 3.06 2.87 2.36
벽 열 손실(전체) 0.76 0.76 0.73 0.69
전체 출력 5.88 5.31 5.09 4.54
축열기 에너지 균형 및 열용량률
경우 1
기준선		 경우 2
PH T = 572℉		 경우 3
PH T = 932℉		 경우 4
PH T = 932℉
축열기 배연 가스 유량(SCFH) 933,261 795,619 562,608 406,004
연소 공기 유량(SCFH) 759,158 649,856 613,127 459,784
연소 공기 예열 온도(℉) 2,300 2,300 2,130 2,200
축열기 전 배연 가스 온도(℉) 2,850 2,850 2,850 2,850
축열기 후 배연 가스 온도(℉) 950 870 448 480
축열기로 공기 누출(SCFH) 56,117 56,117 44,894 33,670
입력
배연 가스 현열(MMBTU/HR) 60.0 51.1 36.2 26.7
축열기로 노 복사 4.14 4.14 3.31 2.48
전체 입력(MMBTU/HR) 64.13 55.21 39.49 29.14
출력
공기 예열(MMBTU/HR) 34.42 29.46 25.45 18.38
배연 가스 현열(MMBTU/HR) 16.8 12.9 4.1 3.3
누출된 공기 현열(MMBTU/HR) 0.9 0.8 0.3 0.3
열손실(MMBTU/HR) 12 12 9.6 7.2
전체 출력(MMBTU/HR) 64.13 55.21 39.49 29.14
열용량률의 계산
온도(℉) 2,850 2,850 2,850 2,850
연소 공기의 현열 44.2 37.8 35.7 26.8
열용량률
열용량률-공기(BTU/℉/HR) 15,928 13,634 12,864 9,647
열용량률-배연 가스(BTU/℉/HR) 21,634 18,419 13,048 9,612
열용량률비-연료/공기 1.36 1.35 1.01 1.00
상기 표들에 나타낸 바와 같이, 연료 요구량은 기준선 경우 1의 경우에 4.05 MMBtu/ton으로부터, 종래의 배치/컬릿 예열기를 갖는 경우 2의 경우에 3.47 MMBtu/ton으로, 본 발명을 갖는 경우 3의 경우에 3.27 MMBtu/ton으로, 본 발명을 갖는 보조 산소-연료 버너를 갖는 경우 4의 경우에 3.09 MMBtu/ton으로 감소된다.
본 발명(경우 3 및 4)의 병렬 열 회수 통합 방법은 전체 배연 가스 체적이 먼저 축열기를 통과하고 냉각된 배연 가스에 남아 있는 현열이 하류의 배치-컬릿 예열기에서 회수되는 종래의 순차적인 열 회수 통합 방법(경우 2)에 비해 명백하게 효율적이다. 본 발명은 배치/컬릿에 보다 높은 예열 온도를 가능하게 하는 동시에 또한 축열기의 열 회수 효율을 향상시키고, 이에 따라 공기 발화된 유리 용융로의 전체 에너지 효율을 향상시킨다. 본 발명은 특히 약 2500 내지 2700℉의 고온의 배연 가스를 취하여 희석용 공기 또는 물 없이 직접적으로 고온의 배연 가스를 약 400 내지 500℉로 냉각시킬 수 있는 대류식 열 회수 섹션(유닛 7)을 갖는 복사 열 교환기와 조합 시에 유용하다.
상기 예시적인 예에서 5개의 포트가 있는 축열식 노가 사용되었지만, 본 발명은 또한 단부 포트 축열식 노, 복열식 노 및 많은 다른 공기 발화 노에 적용될 수 있다. 연소 생성물의 제2 스트림을 제2 열 회수 시스템으로 도입하는 배연 포트의 위치는 전방벽, 측벽 또는 후방벽 또는 심지어는 노 지붕에 있을 수 있다. 전술한 바와 같이, 2차 열 교환기 시스템은 1개보다 많은 타입의 열 회수 유닛을 포함할 수 있다. 예컨대, 제2 고온 배연 가스 스트림은 먼저 보조 산소-연료 버너에 사용된 산소를 예열하는 복열기에 도입된 다음 부분적으로 냉각된 배연 가스가 배치 재료를 가열하는 일 없이 컬릿 예열기에 도입될 수 있다. 다른 예는 대류 섹션없이 제2 고온 배연 가스 스트림을 먼저 복사 배치/컬릿 예열기에 도입한 다음 냉각된 배연 가스가 증기를 발생시키도록 폐열 보일러로 도입되는 것이다. 열 교환기들의 많은 다른 조합이 본 발명의 범위 내에 있다. 상기 예의 경우 3 및 경우 4의 열용량률비는 1.0에 가깝게 감소되지만, 최적의 비율은 반드시 1.0이 아니고 제2 열 교환기 시스템이 보다 많은 배연 가스 체적을 취급하고 축열기보다 더 효율적으로 폐열을 회수한다면 1.0보다 상당히 낮을 수 있다. 전체 노 시스템에 대해 가장 에너지 효율적인 조건은 제1 및 제2 열 교환기의 하류의 배연 가스 온도가 모두 600℉ 미만, 보다 바람직하게는 약 300 내지 400℉의 최저 실시값 미만으로 감소될 때에 달성된다.

Claims (18)

  1. (A) 유리 제조용 재료를 유리 용융로 내로 보내는 단계와,
    (B) 상기 유리 용융로 내에서 상기 유리 제조용 재료를 용융시킬 열을 생성하도록 적어도 20.9 체적％ 산소의 전체 평균 산소 함량을 갖는 가스상 산화제를 사용하여 연료를 연소시켜 고온 연소 생성물을 생성하는 단계와,
    (C) 상기 유리 용융로로부터의 고온 연소 생성물과 단계 (B)에서의 연소 전의 상기 가스상 산화제의 일부 또는 전부를 축열식 또는 복열식 1차 열 교환기 시스템에 통과시켜, 상기 1차 열 교환기 시스템 내에서 상기 1차 열 교환기 시스템을 통과하는 고온 연소 생성물로부터의 열 교환에 의해 상기 1차 열 교환기 시스템을 통과하는 가스상 산화제를 가열하되, 상기 1차 열 교환기 시스템을 통과하는 고온 연소 생성물과 산화제는 산화제에 대한 연소 생성물의 열용량률비가 1.3보다 낮도록 통과시키는 단계와,
    (D) 상기 1차 열 교환기 시스템을 통과하지 않은 상기 유리 용융로로부터의 고온 연소 생성물의 적어도 일부를 2차 열 교환기 시스템에 통과시켜 2차 열 교환기 시스템에서 상기 고온 연소 생성물로부터 현열(sensible heat)을 회수하는 단계를 포함하는 유리 용융 방법.
  2. (A) 고상 강재 대상물을 고상 강을 가열하는 노 내로 보내는 단계와,
    (B) 상기 노 내에서 상기 대상물을 가열할 열을 생성하도록 적어도 20.9 체적％ 산소의 전체 평균 산소 함량을 갖는 가스상 산화제를 사용하여 연료를 연소시켜 고온 연소 생성물을 생성하는 단계와,
    (C) 상기 노로부터의 고온 연소 생성물과 단계 (B)에서의 연소 전의 상기 가스상 산화제의 일부 또는 전부를 축열식 또는 복열식 1차 열 교환기 시스템에 통과시켜, 1차 열 교환기 시스템 내에서 상기 1차 열 교환기 시스템을 통과하는 고온 연소 생성물로부터의 열 교환에 의해 상기 1차 열 교환기 시스템을 통과하는 가스상 산화제를 가열하되, 상기 1차 열 교환기 시스템을 통과하는 고온 연소 생성물과 산화제는 산화제에 대한 연소 생성물의 열용량률비가 1.3보다 낮도록 통과시키는 단계와,
    (D) 상기 1차 열 교환기 시스템을 통과하지 않은 상기 노로부터의 고온 연소 생성물의 적어도 일부를 2차 열 교환기 시스템에 통과시켜 2차 열 교환기 시스템에서 상기 고온 연소 생성물로부터 현열을 회수하는 단계를 포함하는 고상 강재 대상물 가열 방법.
  3. (A) 고상 알루미늄을 알루미늄 용융용 노 내로 보내는 단계와,
    (B) 상기 노 내에서 상기 알루미늄을 용융시킬 열을 생성하도록 적어도 20.9 체적％ 산소의 전체 평균 산소 함량을 갖는 가스상 산화제를 사용하여 연료를 연소시켜 고온 연소 생성물을 생성하는 단계와,
    (C) 상기 노로부터의 고온 연소 생성물과 단계 (B)에서의 연소 전의 상기 가스상 산화제의 일부 또는 전부를 축열식 또는 복열식 1차 열 교환기 시스템에 통과시켜, 1차 열 교환기 시스템 내에서 상기 1차 열 교환기 시스템을 통과하는 고온 연소 생성물로부터의 열 교환에 의해 상기 1차 열 교환기 시스템을 통과하는 가스상 산화제를 가열하되, 상기 1차 열 교환기 시스템을 통과하는 고온 연소 생성물과 산화제는 산화제에 대한 연소 생성물의 열용량률비가 1.3보다 낮도록 통과시키는 단계와,
    (D) 상기 1차 열 교환기 시스템을 통과하지 않은 상기 노로부터의 고온 연소 생성물의 적어도 일부를 2차 열 교환기 시스템에 통과시켜 2차 열 교환기 시스템에서 상기 고온 연소 생성물로부터 현열을 회수하는 단계를 포함하는 고상 알루미늄 용융 방법.
  4. (A) 열을 생성하도록 적어도 20.9 체적％ 산소의 전체 평균 산소 함량을 갖는 가스상 산화제를 사용하여 노 내에서 연료를 연소시켜 고온 연소 생성물을 생성하는 단계와,
    (B) 상기 노로부터의 고온 연소 생성물과 단계 (A)에서의 연소 전의 상기 가스상 산화제의 일부 또는 전부를 축열식 또는 복열식 1차 열 교환기 시스템에 통과시켜, 1차 열 교환기 시스템 내에서 상기 1차 열 교환기 시스템을 통과하는 고온 연소 생성물로부터의 열 교환에 의해 상기 1차 열 교환기 시스템을 통과하는 가스상 산화제를 가열하되, 상기 1차 열 교환기 시스템을 통과하는 고온 연소 생성물과 산화제는 산화제에 대한 연소 생성물의 열용량률비가 1.3보다 낮도록 통과시키는 단계와,
    (C) 상기 1차 열 교환기 시스템을 통과하지 않은 상기 노로부터의 고온 연소 생성물을 2차 열 교환기 시스템에 통과시켜 2차 열 교환기 시스템에서 상기 고온 연소 생성물로부터 현열을 회수하는 단계를 포함하는 노 작동 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1차 열 교환기 시스템을 통과하는 고온 연소 생성물과 산화제는 산화제에 대한 연소 생성물의 열용량률비가 1.0보다 낮도록 통과시키는 방법.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (B)에서 형성된 고온 연소 생성물의 10％보다 많은 양을 상기 2차 열 교환기 시스템에 통과시키는 방법.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1차 열 교환기 시스템을 통과하는 고온 연소 생성물의 스트림을 600 ℉보다 낮은 온도로 상기 1차 열 교환기 시스템에서 배출하는 방법.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2차 열 교환기 시스템은, 상기 노 내로 보내질 재료를 위한 예열기, 열화학적 복열기, 열화학적 축열기, 폐열 보일러, 산소 예열기, 또는 천연 가스 예열기 중 하나 이상을 포함하는 방법.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2차 열 교환기 시스템은 증기에 의해 연료를 개질(reform)하기 위한 열화학적 복열기를 포함하는 방법.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 고온 연소 생성물을 1800 ℉보다 높은 온도로 상기 2차 열 교환기 시스템으로 보내는 방법.
  11. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 노는 적어도 하나의 산소-연료 버너에서 연료와 산화제를 연소시키며, 상기 산소-연료 버너에서 연소되는 산화제는 상기 1차 열 교환기 시스템에서 예열되지 않는 방법.
  12. 노 및 이 노에 연결된 1차 열 교환기 시스템을 마련하되, 상기 노 내에서는 적어도 20.9 체적％의 산소 함량을 갖는 가스상 산화제와 연료를 연소시켜 상기 노 내의 재료를 용융시킬 열을 생성하고 고온 가스상 연소 생성물을 생성할 수 있으며, 상기 1차 열 교환기 시스템을 통해서는 상기 고온 연소 생성물이 통과할 수 있는 한편, 노에서 연소될 상기 가스상 산화제의 적어도 일부가 통과하여 상기 고온 연소 생성물로부터 간접 열 교환에 의해 가열될 수 있게 마련하는 단계와,
    상기 노에 2차 열 교환기 시스템을 연결하여, 상기 2차 열 교환기 시스템이 상기 노로부터 고온 가스상 연소 생성물을 받아들일 수 있게 하는 단계와,
    상기 1차 열 교환기 시스템과 상기 2차 열 교환기 시스템에 공급되는 상기 연소 생성물의 체적을 변경할 수 있는 하나 이상의 제어 가능 댐퍼를 마련하는 단계를 포함하는 노의 개선(modifying) 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 노는 유리 용융로이고, 상기 노 내의 재료는 유리 제조용 재료인 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 노는 교차 연소식 노(cross fired furnace)이고, 상기 1차 열 교환기 시스템은 내부로 난 1쌍보다 많은 포트를 갖는 축열기이며, 상기 개선은 상기 포트 중 적어도 한 쌍을 폐쇄하는 것을 포함하는 방법.
  15. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 2차 열 교환기 시스템은 상기 노 내로 보내어질 배치(batch) 또는 컬릿(cullet) 중 하나 또는 둘 모두를 예열하는 예열기를 포함하는 방법.
  16. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 2차 열 교환기 시스템은 증기로 연료를 개질하는 열화학적 복열기를 포함하는 방법.
  17. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 노는 단부 포트 연소형 축열식 노인 방법.
  18. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 노는 적어도 하나의 산소-연료 버너에서 연료와 산화제를 연소시키며, 상기 산소-연료 버너에서 연소되는 산화제는 상기 1차 열 교환기 시스템에서 예열되지 않는 방법.
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