KR20120031958A

KR20120031958A - 관통 포트 산소-연료 버너

Info

Publication number: KR20120031958A
Application number: KR1020117031517A
Authority: KR
Inventors: 마크 다니엘 다고스티니; 마이클 에드워드 하벨; 매튜 제임스 와슨
Original assignee: 에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
Priority date: 2009-06-08
Filing date: 2010-06-02
Publication date: 2012-04-04
Also published as: PL2440500T3; ES2624723T3; CA2761169A1; JP5449544B2; KR101325814B1; CN102459102B; EP2440500B1; MX2011012638A; EP2440500A1; RU2493113C2; WO2010144286A1; BRPI1013105A2; CA2761169C; JP2012529624A; RU2011152958A; BRPI1013105B1; CN102459102A

Abstract

공기-연료 연소로부터 산소-연료 연소로 공기-연료 재생기를 변환하기 위한 유체-냉각식 관통 포트 산소-연료 버너 및 관련된 노 및 방법이 개시된다. 산소-연료 버너는 재생기 포트 네크를 통해 설치를 위해 적합하다. 버너는 재생기 포트 네크의 기하학적 형상을 수용하기 위해 엘보우형 굴곡부를 갖는다. 버너는 냉각 유체 재킷, 유체 도관, 제1 산화제 도관 및 선택적으로 산화제 스테이징 도관을 갖는다.

Description

관통 포트 산소-연료 버너{THROUGH-PORT OXY-FUEL BURNER}

본 발명은 예를 들어 글래스로(glass furnace)와 같은 고온로에 사용을 위한 산소-연료(oxy-fuel) 버너에 관한 것이다.

공기-연료 점화식 재생 글래스로가 공지되어 있다. 재생 글래스로는 글래스 용융을 위한 연소 화염을 생성하기 위한 다수의 공기-연료 재생기 포트를 갖는다. 글래스로의 기본적인 디자인 특징은 예를 들어 케이. 엘. 뤼벤스타인(K. L. Loewenstein)에 의해 번역된 볼프강 트라이어(Wolfgang Trier)에 의한 "글래스로, 디자인 구성 및 작동(Glass Furnaces, Design Construction and Operation)", 글래스 기술 협회(Society of Glass Technology), 영국 쉐필드, 2000년과, 페이 툴리(Fay Tooley)(편집자)에 의한 "글래스 제조의 핸드북(The Handbook of Glass Manufacture)" 3판, Vol. 1 및 2, 애쉴리 출판사(Ashlee Publishing Co.)(뉴욕), 1984년과 같은 다양한 참조 문헌에 설명되어 있고, 이들 모두는 본 명세서에 참조로서 포함되어 있다.

산소-연료 점화로의 하나 이상의 재생기 포트의 변환은 본 명세서에 참조로서 포함되어 있는 미국 특허 제6,519,973호에 설명되어 있는 바와 같은 하이브리드로로 노를 개장(retrofit)하도록 요구될 수 있다.

공기-연료 점화를 종료하고 에너지 입력을 산소-연료 점화로 대체하는 것은 그 과제를 갖는다. 노는 초기에 공기-연료로로서 설계되어 있기 때문에, 산소-연료 버너를 배치하기 위해 적합한 위치를 발견하는 것이 어렵다. 산소-연료 버너가 설치되어 있는 일 위치는 재생기 포트의 포트 네크(port neck) 내이다.

포트의 후방부는 재생기로부터 포트 내로 고온 공기의 유동을 제한하거나 방지하도록 폐색되거나 또는 다른 방식으로 차단될 수 있다. 구멍이 산소-연료 버너 설치를 위해 포트 네크의 상부, 저부 또는 측면에 형성될 수 있다. 산소-연료 버너는 이어서 이 구멍을 통해 포트 네크 내에 삽입된다. 산소-연료 버너는 노 연소 공간 내로 연료 및 산소를 배출하도록 설계되어야 한다. 이는 버너가 연료 및 산화제의 유동의 방향을 변경하기 위한 엘보우(elbow) 또는 굴곡부(bend)를 갖는 것을 필요로 한다. 포트 네크를 통해 버너를 설치하는 것의 문제점은 버너를 삽입하기 위한 구멍의 크기가 포트 네크의 구조적 완전성을 유지하기 위해 작다는 것이다.

버너가 재생기 포트 네크의 상부 또는 저부 내의 구멍을 통해 설치될 때, 버너는, 구멍을 통해 연료 및 산소를 이송하기 위한 대체로 수직 섹션과, 글래스로의 연소 공간 내로 연료 및 산소를 배출하기 위한 대체로 수평 섹션을 구비하고, 대체로 수직 섹션과 대체로 수평 섹션 사이에 엘보우 섹션을 가질 수 있다. 버너가 재생기 포트 네크의 측벽을 통해 설치될 때, 버너는 2개의 대체로 수평 섹션을 구비하고, 이들 2개의 대체로 수평 섹션 사이에 엘보우 섹션을 가질 수 있다.

재생기 포트 네크 내에 산소-연료 버너를 설치하는 것의 문제점은 산소-연료 버너가 배출 노즐에 근접한 위치에서 유동 방향의 급격한 또는 현저한 변경을 필요로 하는 엘보우 섹션에 근접하여 배출 노즐을 가질 필요가 있다는 것이다. 포트 내의 배출 노즐 내에서 종료하는 기다란 수평 섹션은 재생기 포트 내의 공간 제한에 기인하여 문제가 있다. 게다가, 배출 노즐 내에서 종료하는 기다란 수평 섹션은 이것이 포트를 둘러싸는 구조강(structural steel)에 악영향을 미칠 수 있는 포트의 벽 내의 큰 구멍 절결부를 필요로 할 수 있기 때문에 문제가 있다. 배출 노즐에 근접한 위치에서 유동 방향의 급격한 또는 현저한 변경은 높은 압력 강하 및 노즐을 떠나는 유동의 난류를 발생시킨다. 난류는 노즐에 근접하여 급속한 혼합 및 따라서 연소를 발생시켜 짧은 화염을 생성한다. 노즐에 근접한 연소는 노즐 과열 및 버너가 관통 포트 버너로서 사용될 때 포트 네크 내의 내화물의 과열에 기인하여 바람직하지 않다.

본 발명은 전술된 문제점을 해결하면서 재생기 포트를 사용하여 공기-연료 점화를 산소-연료 점화로 변환하기 위해 적합한 버너에 관한 것이다. 본 발명은 또한 버너를 갖는 노 및 버너를 사용하여 노를 가열하는 방법에 관한 것이다. 방법은 재생기 수리 중에 노의 수명을 연장하고, 그리고/또는 현존하는 노의 생산율을 증가시키기 위해 사용될 수 있다.

버너는 외부 등가 직경(D)을 갖는 제1 냉각 유체 재킷과, 제1 냉각 유체 재킷에 대해 고정 이격 관계로 그 내에 대체로 동심적으로 배치되는 제1 산화제 도관과, 연료 도관을 포함한다.

제1 산화제 도관은 입구, 제1 산화제 도관의 입구의 하류측의 제1 부분, 제1 산화제 도관의 제1 부분의 하류측의 굴곡부 및 제1 산화제 도관의 굴곡부의 하류측의 제2 부분을 갖는다.

굴곡부는 45° 내지 120°의 굴곡각(α)을 갖는다. 굴곡각(α)은 60° 내지 110°일 수 있다.

제1 산화제 도관의 제2 부분은 출구 단부에서 종료하고 유동축 및 길이(L)를 갖는다. 제2 부분은 원형 단면을 가질 수 있다.

연료 도관은 입구, 입구의 하류측의 제1 부분, 굴곡부 및 제2 부분을 갖는다. 연료 도관의 제1 부분은 제1 산화제 도관의 제1 부분에 대해 고정 이격 관계로 그 내에 대체로 동심적으로 배치된다. 연료 도관의 굴곡부는 산화제 도관의 굴곡부에 대해 고정 이격 관계로 그 내에 대체로 동심적으로 배치된다. 연료 도관의 제2 부분은 출구에서 종료하고 유동축을 갖는다. 연료 도관의 제2 부분은 제1 산화제 도관의 제2 부분에 대해 고정 이격 관계로 그 내에 대체로 동심적으로 배치된다. 연료 도관의 제2 부분은 원형 단면을 가질 수 있다.

제1 산화제 도관의 제2 부분의 유동축은 직선형일 수 있고, 연료 도관의 제2 부분의 유동축과 실질적으로 평행하거나 실질적으로 일치할 수 있다.

산화제 통로가 연료 도관의 제2 부분과 제1 산화제 도관의 제2 부분 사이에 형성되거나 규정된다. 산화제 통로는 입구 섹션, 입구 섹션의 하류측의 전이 섹션 및 전이 섹션의 하류측의 출구 섹션을 갖는다. 입구 섹션은 단면적(A_i)을 갖고, 출구 섹션은 단면적(A_o)을 갖는다.

L/D는 0.8 내지 7의 범위이고, 또는 1.4 내지 7의 범위이고, A_i/A_o는 1.3 내지 5의 범위이다.

제1 산화제 도관의 제2 부분은 산화제 통로의 전이 섹션에 볼록한 내부면을 가질 수 있다.

연료 도관의 제2 부분은 연료 통로를 형성하고, 연료 통로는 입구 섹션, 입구 섹션의 하류측의 전이 섹션 및 전이 섹션의 하류측의 출구 섹션을 갖는다. 연료 도관의 제2 부분의 입구 섹션은 단면적(A_fi)을 갖고, 연료 도관의 제2 부분의 출구 섹션은 단면적(A_fo)을 갖고, A_fi/A_fo는 1.0 내지 5 또는 1.37 내지 5일 수 있다.

연료 도관의 제2 부분은 연료 통로의 전이 섹션에 오목한 외부면을 가질 수 있다.

연료 도관의 제2 부분은 연료 통로의 전이 섹션에 오목한 내부면 및 볼록한 내부면을 가질 수 있고, 연료 도관의 볼록한 내부면은 연료 도관의 오목한 내부면의 하류측에 있다.

제1 산화제 도관의 제2 부분의 출구 단부는 0.2 cm 내지 3 cm만큼 연료 도관의 제2 부분의 출구 단부로부터 돌출될 수 있다.

버너는 제1 산화제 도관의 제2 부분에 대해 고정 이격 관계인 제2 산화제 도관을 더 포함할 수 있다.

제2 산화제 도관은 제1 냉각 유체 재킷에 대해 고정 이격 관계로 그 내에 대체로 동심적으로 배치될 수 있다. 버너는 제2 냉각 유체 재킷을 더 포함할 수 있고, 제2 산화제 도관은 제2 냉각 유체 재킷에 대해 고정 이격 관계로 그 내에 대체로 동심적으로 배치될 수 있다. 제2 산화제 도관은 입구, 제2 산화제 도관의 입구의 하류측의 제1 부분, 제2 산화제 도관의 제1 부분의 하류측의 굴곡부 및 제2 산화제 도관의 굴곡부의 하류측의 제2 부분을 가질 수 있다.

제2 산화제 도관의 굴곡부는, 굴곡각(α)의 15° 이내인 굴곡각(β) 및 제2 산화제 도관의 굴곡부의 하류측의 제2 부분을 갖고, 제2 산화제 도관의 제2 부분은 노즐에서 종료하고 유동축을 갖고, 제2 산화제 도관의 제2 부분은 제1 산화제 도관의 제2 부분에 대해 고정 이격 관계에 있다.

굴곡각(β)은 굴곡각(α)의 2° 이내일 수 있고, 제2 산화제 도관의 제2 부분의 유동축은 제1 산화제 도관의 제2 부분의 유동축에 실질적으로 평행할 수 있다.

제2 산화제 도관의 노즐은 입구 및 출구를 갖는다. 제1 산화제 도관의 제2 부분의 출구 단부는 0.2 cm 내지 3 cm만큼 제2 산화제 도관의 제2 부분의 노즐의 출구로부터 돌출될 수 있다. 입구는 원형 단면 및 단면적(A_ni)을 가질 수 있고, 출구는 비원형 단면 및 단면적(A_no)을 가질 수 있고, 노즐의 출구는 1.5 내지 5의 폭 대 높이비를 갖는다. A_ni/A_no는 1.25 내지 5의 범위일 수 있다.

제2 산화제 도관의 노즐은 수축 높이 및 확산 폭을 가질 수 있다.

제2 산화제 도관의 노즐은 원형 단면과 비원형 단면 사이에서 전이하는 볼록 표면을 가질 수 있다.

노는 재생기, 노 연소 챔버 및 재생기를 노 연소 챔버에 연결하는 재생기 포트 네크를 포함한다. 재생기 포트 네크는 노의 벽 내에 포트 및 포트 개구를 형성한다. 노는 전술된 바와 같은 특징에 따른 버너를 또한 포함한다. 버너는 재생기 포트 네크를 통해 포트 내로 들어오고, 버너는 연료 및 산화제를 포트 개구를 통해 노 내로 안내시키도록 배열된다.

노는 노 연소 챔버 아래에 그에 인접하여 배열되는 용융 탱크조, 글래스 형성 성분을 용융 탱크조 내로 도입하기 위한 충전 단부 및 용융 탱크조로부터 글래스 생성물을 회수하기 위한 배출 단부를 또한 포함한다. 노는 노 연소 챔버로부터 연소 생성물을 회수하기 위한 노의 벽 내의 배기 포트를 또한 포함한다.

실시예에서, 제2 산화제 도관은 포트 개구 아래의 위치에서 노 벽을 관통하고, 노 내에 산화제를 안내시키도록 배열된다.

노를 가열하는 방법은 포트로의 공기의 유동을 차단하는 것과, 포트와 관련된 공기-연료 버너로의 연료의 유동을 종료하는 것과, 전술된 바와 같은 버너를 설치하여 버너가 재생기 포트 네크를 통해 포트 내로 들어오게 하는 것과, 제1 냉각 유체 재킷을 통해, 그리고 존재한다면 제2 냉각 유체 재킷을 통해 냉각제를 통과시키는 것과, 제1 산화제 도관을 통해 노 내에 제1 산화제 가스를 도입하는 것과, 연료 도관을 통해 노 내에 연료 또는 다른 연료를 도입하는 것과, 제1 산화제 가스로 연료 또는 다른 연료를 연소하여 연소 생성물을 형성하는 것과, 노 연소 챔버로부터 배기부를 통해 연소 생성물을 회수하는 것을 포함한다.

방법은 버너를 통해 통과하는 연료의 연소를 위해 요구되는 화학양론 공기의 5% 초과 내지 25% 이하의 양으로 포트를 통해 공기 유동을 계속하는 것을 더 포함할 수 있다.

방법은 제2 산화제 도관을 통해 노 내에 제1 산화제 가스 또는 제2 산화제 가스를 도입하여 연료 또는 다른 연료를 연소하는 것을 더 포함할 수 있다.

도 1은 선택적인 포트내(in-port) 산화제 스테이징 랜스(staging lance)를 갖는 관통 포트 버너를 도시하고 있는 도면.
도 2는 언더포트(underport) 산화제 스테이징 랜스를 갖는 노의 재생기 포트 네크 내에 설치된 관통 포트 버너를 도시하고 있는 도면.
도 3은 제1 산화제 도관 및 연료 도관의 배출 단부의 확대도.
도 4는 언더포트 산화제 스테이징 랜스의 배출 단부의 확대도.
도 5는 시험로 내에서 버너 노즐로부터의 거리의 함수로서 정규화된 열 플럭스의 플롯.
도 6은 무차원 노즐 길이의 함수로서 피크 화염 온도를 나타내고 있는 모델링 결과의 플롯.
도 7은 버너 노즐 출구로부터 거리의 함수로서 화염 온도를 나타내고 있는 모델링 결과의 플롯.
도 8a는 모델링 결과로부터 속도 크기의 윤곽 플롯.
도 8b는 모델링 결과로부터 속도 크기의 윤곽 플롯.
도 9는 무차원 노즐 길이의 함수로서 화염 길이를 나타내고 있는 모델링 결과의 플롯.
도 10은 산소 통과 면적비의 함수로서 온도를 나타내고 있는 모델링 결과의 플롯.
도 11은 산소 통과 면적비의 함수로서 온도를 나타내고 있는 모델링 결과의 플롯.
도 12는 버너 노즐 출구로부터의 거리의 함수로서 화염 온도를 나타내고 있는 모델링 결과의 플롯.
도 13은 제2 산화제 통과 면적비의 함수로서 제2 산화제 속도 편차를 나타내고 있는 모델링 결과의 플롯.

본 명세서에 사용될 때 단수 표현은 상세한 설명 및 청구범위에 설명된 본 발명의 실시예의 임의의 특징에 적용될 때 하나 이상을 의미한다. 단수 표현은 이러한 한정이 구체적으로 언급되지 않으면 단일의 특징으로 의미를 한정하는 것은 아니다. 단수 또는 복수 명사 또는 명사구는 특정의 지정된 특징 또는 특정의 지정된 특징들을 나타내고, 이것이 사용되는 문맥에 의존하여 단수 또는 복수 함축 의미를 가질 수 있다. 용어 "임의의"는 어떠한 양인지에 무관하게 하나, 몇몇 또는 전체를 의미한다.

구문 "적어도 일부"는 "부분 또는 전체"를 의미한다.

간단화 및 명료화를 목적으로, 공지의 장치, 회로 및 방법의 상세한 설명은 불필요한 상세로 본 발명의 설명을 불명료하게 하지 않기 위해 생략된다.

본 발명은 버너에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 공기-연료 재생기 포트를 갖는 글래스로 내의 공기-연료 점화를 산소-연료 점화로 대체하는데 사용되는 산소-연료 버너에 관한 것이다. 버너는 공기-연료 점화로부터 산소-연료 점화로 재생기 포트를 적어도 부분적으로 변환하기 위해 특히 적합하다. 글래스로 재생기 포트의 기하학적 형상에 기인하여, 이러한 변환을 위해 사용되는 버너는 배출 노즐에 근접한 위치에서 유동 방향의 급격한 또는 현저한 변경을 필요로 한다.

재생기 포트는 관련된 재생기가 수리될 필요가 있는 경우에 공기-연료 점화로부터 산소-연료 점화로 일시적으로 변환될 수 있다. 재생기 포트는 산소-연료 이득의 장점을 취하기 위해 더 영구적인 기초로 산소-연료 점화로 변환될 수 있다. 글래스로의 뱃치 단부(batch end)에 가장 근접한 다수의 포트가 산소-연료 화염에 의한 뱃치 용융을 향상시키기 위해 산소-연료 점화로 변환될 수 있다.

이제, 유사한 도면 부호가 다수의 도면 전체에 걸쳐 유사한 요소를 나타내고 있는 도면을 참조하면, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 버너(1)를 도시하고 있고, 도 2는 재생기 포트 네크(105) 및 재생기 포트 내에 설치된 버너(101)를 포함하는 노(100)의 단면도를 도시하고 있다.

버너(1, 101)는 제1 냉각 유체 재킷(jacket)(10), 제1 산화제 도관(20) 및 연료 도관(40)을 포함한다. 제1 냉각 유체 재킷(10)은, 원형 단면의 경우에 외경과 동일하고 비원형 단면의 경우에 외주로 나눈 재킷의 외부 단면적의 4배에 상응하는 외부 등가 직경(equivalent diameter)(D)을 갖는다. 제1 산화제 도관(20)은 제1 냉각 유체 재킷(10)에 대해 고정 이격 관계로 그 내에 대체로 동심적으로 배치되고, 연료 도관(40)은 제1 산화제 도관(20)에 대해 고정 이격 관계로 그 내에 대체로 동심적으로 배치된다. 대체로 동심이라는 것은 하나의 도관의 축이 다른 도관의 축과 공통이거나 또는 최대 2 cm만큼 약간 변위되는 것을 의미한다.

냉각 유체 재킷은 온도 제어 유체가 그를 통해 순환될 수 있는 중간 공간을 에워싸는 덮개로서 외부 덮개 또는 케이싱이다. 냉각 유체는 물일 수 있다. 냉각 유체 재킷, 예를 들어 수냉 재킷은 버너 및 연소의 분야에서 잘 알려져 있다. 냉각 유체 재킷이 디자인의 상세는 본 발명에서 중요하지 않다. 당 기술 분야의 숙련자는 당 기술 분야에 공지되어 있는 것들로부터 적절한 냉각 유체 재킷 디자인을 즉시 선택하고 그리고/또는 수정할 수 있다.

제1 냉각 유체 재킷(10)은 버너가 과열되는 것을 방지하도록 요구된다. 버너가 글래스로 재생기 포트 내에 삽입될 때, 노로부터의 열이 버너의 외부면으로 복사될 수 있다. 버너가 작동될 때, 버너로부터 도래하는 화염은 버너로 재차 복사될 수 있다. 물 도는 다른 냉각 유체가 제1 냉각 유체 재킷(10)의 입구(11) 내에 도입되고 연료 및 산화제 배출 단부 주위의 영역을 포함하여 제1 산화제 도관(20) 주위로 유동한다. 물 또는 냉각 유체는 제1 냉각 유체 재킷(10)의 출구(13)로부터 회수된다.

본 명세서에 사용될 때, 도관은 예를 들어 파이프, 튜브, 도관 등과 같은 유체를 이송하기 위한 임의의 수단이다. 제1 냉각 유체 재킷(10), 제1 산화제 도관(20) 및 연료 도관(40)은 금속, 바람직하게는 스테인레스강으로부터 제조된다. 당 기술 분야의 숙련자는 버너를 위한 적합한 구성 재료를 즉시 선택할 수 있다.

산화제 도관은 산화제 가스를 이송하도록 의도되고 산화제 공급부에 연결된 도관이다. 산화제 가스는 21 체적 % 초과의 산소를 포함하는 임의의 가스이다. 80 체적 % 내지 100 체적 %의 산소 농도를 갖는 산업용 등급 산소는 통상적으로 60 체적 % 내지 80 체적 %의 산소 농도를 갖는 질소 설비로부터의 기체 통기 스트림에서와 같이 산화제 가스이다. 산화제는 또한 22 체적 % 내지 28 체적 % 또는 28 체적 % 내지 60 체적 %의 산소 농도를 갖는 산업용 또는 통기 스트림 산호와 공기의 혼합물일 수 있다. 산화제 도관은 산업용 등급 산소와 적합성이 있는 재료를 사용하여 산업용 등급 산소를 이송하도록 설계될 수 있다.

연료 도관이 연료를 이송하도록 의도된 도관이다. 연료 도관은 연료 공급부에 연결된다. 연료는 예를 들어 천연 가스, 프로판, 다른 기체 탄화수소, 수소, 일산화탄소 또는 이들의 조합과 같은 기체 연료일 수 있다. 또는, 연료는 예를 들어 No.1 증류 오일, No.2 증류 연료 오일, 디젤 연료, 바이오디젤 및 그 부산물(by-product)(글리세롤과 같은), 케로신, No.4 연료 오일, No.5 잔류 오일, No.6 잔류 연료 오일, 벙커-씨(Bunker-C)형 연료 오일 및 당 기술 분야의 숙련자에게 공지되어 있는 다른 것들과 같은 액체일 수 있다. 액체 연료는 당 기술 분야의 숙련자에게 공지되어 있는 다수의 수단 중 임의의 하나에 의해 분무화될 수 있다.

제1 산화제 도관(20)은 산화제 가스를 수용하기 위한 입구(21), 입구(21)의 하류측의 제1 부분(23), 제1 부분(23)의 하류측의 굴곡부(25) 및 굴곡부(25)의 하류측의 제2 부분(27)을 갖는다. 산화제 가스는 산업용 등급 산소일 수 있다.

상류측 및 하류측은 예를 들어 연료 또는 산화제와 같은 유체의 의도한 흐름에 대해 규정된다. 상류측 단부는 유체가 장치 내로 도입되는 입구에 가장 근접한 단부에 대응하고, 하류측 단부는 유체가 장치를 나오는 출구 또는 노즐 단부에 대응한다.

입구(21)는 산화제 가스 공급부를 버너에 배관 연결하기 위한 신속 분리 피팅(fitting) 또는 다른 적합한 피팅을 포함할 수 있다.

제1 부분(23)은 원형 단면을 가질 수 있다. 제1 부분(23)은 제1 산화제 도관의 제1 부분과 연료 도관의 제1 부분 사이의 동심성을 보장하기 위한 스페이서를 또한 가질 수 있다.

굴곡부(25)는 45° 내지 120°의 굴곡각(α)을 갖는다. 굴곡각(α)은 60° 내지 110°일 수 있다. 굴곡각은 끼인각(included angle)의 보각(supplementary angle)으로서 정의된다. 180° 미만인 끼인각은 도관의 제1 부분의 직선형 섹션과 도관의 제2 부분의 직선형 섹션 사이에 규정된 각도이다. 제1 산화제 도관에 대한 끼인각은 제1 산화제 도관의 제1 부분의 직선형 섹션과 제1 산화제 도관의 제2 부분의 직선형 섹션 사이에 규정된다. 굴곡각(α)은 도 1 및 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 제1 산화제 도관에 대한 끼인각에 대한 보각이다. 0°의 굴곡각은 굴곡이 없는, 즉 직선에 대응한다. 180°의 굴곡각은 "U-형" 굴곡부에 대응한다.

굴곡부(25)의 굴곡은 도 2에 도시되어 있는 바와 같은 반경을 갖고 매끈할 수 있고, 또는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 굴곡은 첨예한 각도를 가질 수 있다.

제1 산화제 도관(20)의 제2 부분(27)은 출구 단부(29)에서 종료하고, 유동축(22) 및 길이(L)를 갖는다. 제2 부분(27)은 원형 단면을 가질 수 있다.

유동축은 도관의 단면의 기하학적 중심을 통해 통과하는 유동 방향에서의 라인에 대응하고, 단면은 라인에 수직인 평면에 놓인다. 유동축은 만곡된 라인을 포함할 수 있다. 이 버너에서, 적어도 유동축의 섹션은 직선 라인 섹션이다.

본 명세서에 있어서, 제1 산화제 도관의 제2 부분의 길이(L)는 도 1 및 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 굴곡부와 출구 단부 사이의 유동축의 직선 라인 섹션에 대응한다.

연료 도관(40)은 연료를 수용하기 위한 입구(41), 입구(41)의 하류측의 제1 부분(43), 굴곡부(45) 및 제2 부분(47)을 갖는다.

입구(41)는 연료 공급부를 버너에 배관 연결하기 위한 신속 분리 피팅 또는 다른 적합한 피팅을 포함할 수 있다.

도 1 및 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 연료 도관(40)의 제1 부분(43)은 제1 산화제 도관(20)의 제1 부분(23)에 대해 고정 이격된 관계로 그 내에 대체로 동심적으로 배치된다. 굴곡부(45)는 굴곡부(25)에 대해 고정 이격 관계로 그 내에 대체로 동심적으로 배치된다.

굴곡부(45)의 굴곡은 도 2에 도시되어 있는 바와 같은 반경을 갖고 평활할 수 있고, 또는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 첨예한 각도를 가질 수 있다. 굴곡부(45)는 굴곡부(25)와 적합 가능할 수 있다.

제2 부분(47)은 출구 단부(49)에서 종료하고, 유동축(42)을 갖는다. 제2 부분(47)은 제1 산화제 도관(20)의 제2 부분(27)에 대해 고정 이격 관계로 그 내에 대체로 동심적으로 배치된다.

연료 도관의 제2 부분(47)은 제1 산화제 도관(20)의 제2 부분(27)과 동심일 수 있어 유동축(42) 및 유동축(22)이 모두 직선이 되고 실질적으로 평행하거나 실질적으로 일치하게 된다. 유동축(42) 및 유동축(22)은 도 1에서 일치한다.

용어 "평행"은 동일한 방향으로 연장하고, 어디에서든 등간격이고, 만나지 않는 것을 의미한다. 유동축(22)과 유동축(42)과 관련하여, 실질적으로 평행하다는 것은 2 cm의 최대 이격 거리 편차로 이격되어 있는 것을 의미한다.

용어 "일치"는 동일한 공간 또는 위치를 점유하는 것을 의미한다. 유동축(22)과 유동축(42)과 관련하여, 실질적으로 일치한다는 것은 2 cm 이내에서 일치하는 것을 의미한다.

산화제 통로(50)가 연료 도관(40)의 제2 부분(47)과 제1 산화제 도관(20)의 제2 부분(27) 사이에 형성되거나 규정된다. 산화제 통로(50)는 입구 섹션(51), 입구 섹션(51)의 하류측의 전이 섹션(53) 및 전이 섹션(53)의 하류측의 출구 섹션(55)을 갖는다. 입구 섹션(51)은 단면적(A_i)을 갖는다. 출구 섹션(55)은 단면적(A_o)을 갖는다. 단면적(A_o)은 설계 산화제 가스 유량에서 약 30 m/sec 내지 약 150 m/s의 산화제 가스 속도를 제공하도록 설계된다.

배출 노즐에 근접한 위치에서 제1 산화제 유동 방향의 급격한 또는 현저한 변경은 제1 냉각 유체 재킷의 길이(L)와 외부 등가 직경(D) 사이의 관계에 의해 설명될 수 있다. 속도 불균일성은 배출 노즐 부근의 가속화된 연소의 주 원인이고, 이는 과도하게 높은 화염 온도 및 따라서 버너 손상 또는 고장을 유도할 수 있기 때문에 배출 노즐에서 제1 산화제의 속도 프로파일의 불균일성을 최소화하가 위해 비 L/D를 최대화하는 것이 바람직하다. 그러나, 짧은 길이가 글래스로의 재생기 포트에서 이용 가능한 제한된 공간 내로 버너 조립체를 설치하는 데에 요구된다. 이용 가능한 공간에 기초하는 최대 허용 가능한 L/D는 7.0으로 추정된다.

짧은 L/D를 갖는 허용 가능한 유동 분포를 성취하기 위한 일 해결책은 제1 산화제 통로의 제2 부분 내에 정적 혼합 장치를 배치하는 것이다. 정적 혼합 장치는 대체로 정압(static pressure)의 소산을 통해 난류 혼합 및 확산을 국부적으로 증가시킴으로써, 유동 재분포를 촉진하는 유동장 내에 배치된 고정 장애물이다. 정적 혼합 장치의 공통의 예는 천공된 플레이트, 즉 그를 통해 유동이 통과해야 하고 플레이트를 가로질러 분포되는 복수의 작은 구멍을 포함하는 유동 단면을 횡단하는 플레이트이다.

불행하게도, 정압의 소산 및 난류 혼합/확산의 생성의 모두는 이 경우에 바람직하지 않은 유동 특징이다. 첫째로, 산화제 스트림의 난류를 증가시키는 것은 산화제와 연료 사이에 더 급속한 혼합을 생성하고, 이는 버너 노즐 부근에 과도하게 높은 화염 온도의 문제점의 악화를 유도한다. 둘째로, 정압의 소산은 산화제를 위한 더 높은 공급 압력 요구를 유도한다. 몇몇 경우에, 더 높은 압력 요구는 부합되지 않을 수 있고, 다른 경우에 이는 하나 이상의 가스 압축기를 설치하고 작동시켜야 하는 필요성에 기인하여 설치에 상당한 자본 및 작동 비용을 추가한다. 제1 산화제 도관에 대해 고정 이격 관계로 제2 산화제 도관을 포함하는 이 버너의 실시예에 대해, 0.8≤L/D≤7이다. 제2 산화제 도관이 포함되지 않는 버너의 실시예에 대해, 1.4≤L/D≤7이다.

산화제의 유동을 균일하게 분배하고 직선화하고 정적 혼합 장치의 전술된 바람직하지 않은 특징을 갖지 않는 노 내에서 산화제 및 연료의 조기의 혼합을 방지하는 경향이 있는 본 발명의 버너의 특징은 입구 섹션(51)으로부터 출구 섹션(55)으로의 산화제 통로(50)의 단면적의 감소이다. 이 제1 산화제 통로의 단면적의 감소는 전이 섹션(53)을 통해 성취된다. 이 산화제 유동 분포의 향상을 위해, 입구 대 출구 단면적의 비를 최대화하는 것이 바람직하다. 그러나, 출구에서 주어진 제1 산화제 속도에 대해, 비 A_i/A_o의 증가는 입구 단면적의 크기의 증가를 필요로 한다. 재생기 포트 내의 이용 가능한 공간의 제약에 기인하는 이 비의 상한값의 실용적인 한도는 A_i/A_o = 5이다. 이 버너에 대해, 1.3≤A_i/A_o≤5이다.

도 1, 도 2에 도시되어 있고, 도 3에 확대 도시되어 있는 바와 같이, 산화제 도관(20)의 제2 부분(27)은 산화제 통로(50)의 전이 섹션(53)에 볼록 내부면을 가질 수 있다.

도 1, 도 2에 도시되어 있고, 도 3에 확대 도시되어 있는 바와 같이, 연료 도관(40)의 제2 부분(47)은 산화제 통로(50)의 전이 섹션(53)에 오목 외부면을 가질 수 있다. 이들 볼록 및 오목 곡선부는 산화제의 유동을 직선화하는 것을 보조하여 유동이 출구 단부(29)에 접근함에 따라 제1 산화제 스트림의 축(22)과 정렬하는 동시에 난류 소용돌이의 생성 및 확산을 감소시키게 된다.

연료 도관(40)의 제2 부분(47)은 연료 통로(60)를 형성하거나 규정한다. 연료 통로(60)는 입구 섹션(61), 입구 섹션(61)의 하류측의 전이 섹션(63) 및 전이 섹션(63)의 하류측의 출구 섹션(65)을 갖는다. 연료 도관의 제2 부분의 입구 섹션은 단면적(A_fi)을 갖고, 연료 도관의 제2 부분의 출구 섹션은 단면적(A_fo)을 갖는다.

제1 산화제 도관의 제2 부분과 유사하게, 연료의 유동을 직선화하고 노 내의 산화제와 연료의 가속화된 난류 혼합을 방지하는 경향이 있는 버너의 특징은 입구 섹션(61)으로부터 출구 섹션(65)으로의 연료 통로(60)의 단면적의 감소이다. 연료 유동 분포의 향상을 위해, 입구 대 출구 단면적의 비를 최대화하는 것이 바람직하다. 그러나, 출구에서 주어진 연료 속도에 대해, 비 A_fi/A_fo의 증가는 입구 단면적의 크기의 증가를 필요로 한다. 재생기 포트 내의 이용 가능한 공간의 제약에 기인하여 이 비의 상한값의 실용적인 한도는 A_fi/A_fo = 5이다. 이 버너에 대해, 1.0<A_fi/A_fo≤5 또는 1.37≤A_fi/A_fo≤5이다. 예측된 점화 속도(즉, 연료 유량)에 기초하여, 단면적(A_fo)은 약 25 m/s 내지 약 150 m/s의 연료 속도를 제공하도록 설계된다.

도 1 및 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 연료 도관(40)의 제2 부분(47)은 연료 통로(60)의 전이 섹션에 오목한 내부면 및 볼록한 내부면을 가질 수 있고, 여기서 볼록한 내부면은 연료 도관(60)의 오목한 내부면의 하류측에 있다. 이 기하학적 형상은 연료 스트림 내의 난류 소용돌이의 생성 및 확산을 최소화하면서 연료 통로의 내부면에서의 유동을 유동축(42)과 재정렬하는 것을 돕는다. 이들의 각각의 축을 따라 제1 산화제 및 연료의 유동을 정렬하고 동시에 난류 소용돌이의 생성 및 확산을 최소화함으로써, 이들 특징은 이들이 노 내에 배출됨에 따라 연료 및 산화제의 혼합의 비율을 감소시키도록 작용한다. 전술된 바와 같이, 이는 짧은 산소/연료 화염에 의해 발생되는 고온 손상으로부터 버너의 금속 구성 요소를 보호하는데 중요하다.

도 1 및 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 산화제 도관(20)의 제2 부분(27)의 출구 단부(29)는 연료 도관(40)의 제2 부분(47)의 출구 단부(49)로부터 돌출한다. 출구 단부(29)는 0.2 cm 내지 3 cm만큼 출구 단부(49)로부터 돌출할 수 있다. 돌출이라는 것은 주위 표면 또는 환경으로부터 외향으로 불룩 내밀거나 연장되는 것을 의미한다.

연료 도관(40)의 출구 단부(49)는 산화제 도관(20)의 출구 단부(29)로부터 후방으로 오목하게 되어 버너로부터 도래하는 화염으로부터의 복사선 및 글래스로의 고온 환경으로부터 출구 단부(49)를 보호한다. 산화제 도관의 출구 단부(29)를 포함하여 산화제 도관(20)은 제1 냉각 유체 재킷(10)을 통해 순환하는 냉각 유체에 의해 냉각된다.

연료 도관(40)은 다른 한편으로는 산화제 통로를 통해 통과하는 산화제의 유동에 의해 냉각된다. 출구 단부(49)를 오목하게 함으로써, 출구 단부(49)는 적은 열 복사선에 노출될 수 있고, 과열이 회피될 수 있다. 출구 단부(49)가 너무 많이 오목하게 되는 경우에, 연료 및 산화제가 버너 내에서 반응될 수 있어 산화제 도관의 과열에 기인하여 버너에 손상을 발생시킬 수 있다. 열 복사선으로부터 출구 단부(49)의 차폐와 연료와 산화제의 혼합 사이의 적절한 균형이 0.2 cm 내지 3 cm만큼 출구 단부(49)로부터 돌출하는 출구 단부(29)에 의해 제공된다.

버너는 산화제 스테이징(oxidant staging)을 또한 포함할 수 있다. 본 명세서에 있어서 산화제의 스테이징은 제1 산화제 스트림으로부터 연소 산소의 일부를 억제하여 연료의 연소의 이후의 "스테이지"로 전달될 수 있게 하는 것을 의미한다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 스테이징 랜스는 포트내 랜스라 칭하는 재생기 포트 내에 배치된 버너의 부분일 수 있고, 그리고/또는 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 스테이징 랜스는 언더포트 랜스라 칭하는 재생기 포트 아래에 배치된 개별 부분일 수 있다. 산화제 스테이징은 노 내의 화염을 조정하는 수단을 제공하는 것으로 판명되었다.

스테이징되는 산소는 산소/연료 화염의 피크 온도를 저하시키도록 작용한다. 피크 온도의 저하는 높은 온도에 기인하는 버너에 대한 손상의 위험을 감소시키고, 또한 연료와 산화제 혼합의 비율을 감소시킨다. 연료와 산화제 혼합 비율의 감소는 연소 프로세스를 느리게 하여, 이에 의해 더 긴 화염을 생성하는데, 이는 더 바람직하다. 더욱이, 스테이징은 화염 내에 연료 농후 또는 산소 희박 연소의 영역을 생성한다. 연료 농후 영역은 화염으로부터 글래스 용융물로의 복사 열전달을 향상시키는 탄소 농후 고체 입자(수트)의 형성을 촉진하고, 또한 NOx의 낮은 배출을 유도한다. 그러나, 안전하고 효과적으로 이용될 수 있는 스테이징의 정도에 실용적인 한계가 존재한다. 이 한계는 통상적으로 화염의 운동량에 의해 설정될 수 있고, 이는 스테이징되는 산소의 양이 증가함에 따라 감소한다. 화염 운동량이 너무 낮으면, 화염은 노 내에서 불안정해질 수 있고, 예를 들어 노 정상부(crown)(루프)를 향해 상승할 수 있고 여기서 내화 물질을 손상시킬 수 있다.

스테이징되는 산소의 배치 및 배향은 버너로부터의 화염에 또한 영향을 미친다. 연료 노즐 바로 아래에 도입되는 스테이징되는 산화제는 특정 바람직한 특징을 갖는다. 예를 들어, 이 위치에 도입된 스테이징되는 산화제는 버너 노즐의 바로 하류측에서 연료와 혼합되고, 따라서 노 가스에 의해 실질적으로 희석되지 않는다. 더욱이, 이 위치에서 스테이징은 주 버너 화염의 하부 부분의 연소를 향상시키는데 효율적이다. 이는 화염으로부터의 복사 에너지가 정상부를 향해 상향으로보다는, 글래스 용융물을 향해 하향으로 우선적으로 안내되게 한다. 포트의 과열의 문제점이 존재하면, 포트내 스테이징 노즐은 포트 바닥을 향해 하향으로 안내될 수 있고 여기서 이는 이 표면의 대류 냉각을 제공한다. 대안적으로, 버너 노즐 및 랜스의 모두를 포트 내에 수용하기 위해 이용 가능한 불충분한 공간이 존재하면, 예를 들어 포트의 아래 그러나 글래스 용융물의 표면의 위와 같은 다른 위치에 스테이징 산소 노즐을 위치시키는 것이 허용 가능하다.

재생기 포트 아래에 그리고 재생기 포트 내의 모두에서 산화제 스테이징을 포함하는 것은 글래스 용융물의 가열, NOx와 같은 재생기 포트 내화 및 오염 배기물의 과열에 영향을 미치기 위한 조작자 탄력성을 제공한다. 실험은 단일 포트 시험로 내에서 수행되었다. 실험 결과는 열전달, 포트 온도 및 노 루프 온도에 대한 산화제 스테이징의 양 및 위치의 상당한 영향을 검증하였다. 도 5는 예를 들어 노 바닥으로의 훨씬 더 큰 열 플럭스가 "스테이징 없는 경우" 및 80% 언더포트 스테이징 경우와 비교하여 80% 포트내 산화제 스테이징으로 성취되는 것을 지시하고 있다. 이들 데이터는 대표적인 경향을 제공하지만, 산화제 스테이징의 최적의 양 및 위치는 특정 노 기하학적 형상 및 작동 조건에 기초하여 가장 양호하게 결정된다.

도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 버너는 제1 산화제 도관(20)의 제2 부분(27)에 대해 고정 이격 관계로 배치되는 언더포트 산화제 스테이징 랜스를 포함할 수 있다. 언더포트 산화제 스테이징 랜스는 연료 도관(40) 및 제1 산화제 도관(20) 각각으로부터 연료 및 산화제의 도입에 의해 생성된 화염 아래에 산화제의 스트림을 안내시키는데 사용된다.

언더포트 산화제 스테이징 랜스(90)는 제1 산화제 가스 또는 제2 산화제 가스를 수용하기 위한 입구(91)를 갖는다. 제1 산화제 가스 및 제2 산화제 가스는 동일한 또는 상이한 소스로부터 산업용 등급 산소일 수 있다.

입구(91)는 산화제 가스 공급부를 언더포트 산화제 스테이징 랜스(90)에 배관 연결하기 위한 신속 분리 피팅 또는 다른 적합한 피팅을 포함할 수 있다.

언더포트 산화제 스테이징 랜스(90)는 냉각 유체 재킷이 필요 없을 수 있다. 언더포트 산화제 스테이징 랜스를 통한 산화제 가스의 유동은 언더포트 산화제 스테이징 랜스의 노즐을 차갑게 유지하기에 충분할 수 있다. 언더포트 산화제 스테이징 랜스(90) 내로 도입된 산화제 가스는 일반적으로 예를 들어 산업용 등급 산소와 같은 제1 산화제 도관(20) 내로 도입되는 동일한 산화제 가스일 수 있다. 그러나, 언더포트 산화제 스테이징 랜스 내로 도입된 산화제 가스는 제1 산화제 도관(20) 내로 도입되는 상이한 산화제 가스일 수 있다.

버너는 제1 산화제 도관(20)의 제2 부분(27)에 대해 고정 이격 관계로 배치되는 제2 산화제 도관(80)으로서 도 1에 도시되어 있는 포트내 산화제 스테이징 랜스를 포함할 수 있다. 제2 산화제 도관(80)은 화염 아래로 산화제의 스트림을 안내시키는데 사용된다.

포트내 산화제 스테이징 랜스는 재생기 포트 내에 있기 때문에, 이는 냉각을 필요로 할 것이다. 제2 산화제 도관(80)은 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 제1 냉각 유체 재킷(10) 또는 선택적인 제2 냉각 유체 재킷(70)에 대해 고정 이격 관계로 그 내에 대체로 동심적으로 배치될 수 있다.

버너는 선택적인 제2 냉각 유체 재킷(70)과, 선택적인 제2 냉각 유체 재킷(70)에 대해 고정 이격 관계로 그 내에 대체로 동심적으로 배치되는 제2 산화제 도관(80)을 더 포함할 수 있다. 제2 냉각 유체 재킷(70)은 화염 및 노로부터의 복사 가열에 기인하여 산화제 랜스의 노즐이 과열되는 것을 방지하도록 요구될 수 있다. 물 또는 다른 냉각 유체가 선택적인 제2 냉각 유체 재킷(70)의 입구(71) 내에 도입되고, 산화제 배출 단부 주위의 영역을 포함하여 제2 산화제 도관(80) 주위로 유동한다. 물 또는 다른 냉각 유체가 선택적인 제2 냉각 유체 재킷(70)으로부터 회수된다.

제2 산화제 도관(80)은 산화제 가스 또는 제2 산화제 가스를 수용하기 위한 입구(81), 입구(81)의 하류측의 제1 부분(83), 제1 부분(83)의 하류측의 굴곡부(85) 및 굴곡부(85)의 하류측의 제2 부분(87)을 갖는다. 제1 산화제 가스 및 제2 산화제 가스는 동일한 또는 상이한 소스로부터 산업용 등급 산소일 수 있다.

입구(81)는 산화제 가스 공급부를 버너용 산화제 랜스에 배관 연결하기 위한 신속 분리 피팅 또는 다른 적합한 피팅을 포함할 수 있다.

제1 부분(83)은 원형 단면을 가질 수 있고, 제1 산화제 노즐의 제1 부분의 외부면에 예를 들어 용접에 의해 물리적으로 부착될 수 있다.

굴곡부(85)는 굴곡각(β)을 갖고, 굴곡각(β)은 굴곡각(α)의 15° 이내이다. 굴곡각(β)은 60° 내지 110°일 수 있다. 제2 산화제 도관(80)의 제2 부분(87)은 제1 산화제 도관(20)의 제2 부분(27)에 대해 상향 또는 하향으로 경사질 수 있다. 제2 산화제 도관(80)에 대한 끼인각은 제2 산화제 도관(80)의 제1 부분(81)의 직선형 섹션과 제2 산화제 도관(80)의 제2 부분(85)의 직선형 섹션 사이에 규정된다. 굴곡각(β)은 제2 산화제 도관에 대한 끼인각의 보각이다.

제2 산화제 도관(80)의 제2 부분(87)은 노즐에서 종료되고 유동축(82)을 갖는다. 제2 산화제 도관(80)의 제2 부분(87)은 제1 산화제 도관(20)의 제2 부분(27)에 대해 고정 이격 관계에 있다. 선택적인 제2 냉각 유체 재킷(70) 및 제2 산화제 도관(80)은 버너 조립체의 부분으로서 함께 용접되거나 또는 다른 방식으로 부착될 수 있다.

굴곡각(β)은 굴곡각(α)의 2° 이내일 수 있다. 제2 산화제 도관(80)의 제2 부분(87)의 유동축(82)은 제1 산화제 도관(20)의 제2 부분(27)의 유동축(22)에 실질적으로 평행할 수 있다. 유동축(82) 및 유동축(22)과 관련하여, 실질적으로 평행하다는 것은 최대 간격 거리의 10% 이내로 이격되고 등간격이라는 것을 의미한다.

도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 제1 산화제 도관(20)의 제2 부분(27)의 출구 단부(29)는 노즐의 출구(89)로부터 돌출될 수 있다. 출구 단부(29)는 0.2 cm 내지 3 cm만큼 출구(89)로부터 돌출될 수 있다. 제2 산화제 도관(80)의 노즐은 제1 산화제 도관(20)의 제2 부분(27)의 출구 단부(29)에 대해 오목하게 될 수 있어 제1 산화제 도관(20)의 제1 냉각 재킷 및/또는 제2 부분(27)이 화염 및/또는 노로부터의 복사선으로부터 노즐을 차폐할 수 있게 한다.

도 1 및 도 4에 상세히 도시되어 있는 바와 같이, 제2 산화제 도관(80)의 제2 부분(87)의 노즐은 입구(88), 전이 섹션 및 출구(89)를 갖는다. 입구(88)는 원형 단면 및 단면적(A_ni)을 가질 수 있고, 출구(89)는 비원형 단면 및 단면적(A_no)을 갖는다. 노즐의 출구(89)는 1.5 내지 5의 폭 대 높이("W" 대 "H")비를 가질 수 있다. 본 명세서에 있어서, 출구(89)의 폭 대 높이비는 노즐의 출구면에서 측정된다. 폭은 높이에 비해 큰 치수이다.

이 노즐에 대해, A_ni/A_no는 1.25 내지 5일 수 있다. 언급된 하한보다 큰 면적비는 노즐 출구에서 산화제 유동 불균일성을 최소화하기 위해 필수적인데, 이 유동 불균일성은 분리된 유동 또는 역류를 유도할 수 있어, 노즐 부식, 막힘 및 조기 고장의 위험을 증가시킬 수 있다. 상한보다 낮은 면적비는 과잉적으로 높은 제2 산화제 속도 또는 허용 불가능하게 큰 제2 산화제 도관을 회피하도록 요구된다.

노즐은 수축 높이 및 확산 폭을 가질 수 있다. 수축 높이는 단면적을 감소시키는 것을 돕는데, 이는 유동 분리를 방지하기 위해 필요하다. 확산 폭은 출현하는 2차 스트림의 폭을 증가시켜 제1 산화제 및 연료에 의해 생성된 화염보다 넓게 된다. 이는 스테이징되는 산화제 아래 및 화염의 하부측의 혼합의 균일성을 증가시킨다. 제2 산화제 도관(80)의 제2 부분(87)은 출구(89) 부근에 볼록한 내부면을 가질 수 있다. 볼록한 내부면은 주 유동축(82)과 평행한 배향으로 출구 유동의 급속하고 원활한 전이를 허용한다. 폭 치수의 확산의 절반각은 5° 내지 15°일 수 있다.

노즐은 통상적으로 "수축(convergent)"(유동 방향에서 넓은 치수로부터 더 작은 치수로 좁아짐) 또는 "확산(divergent)"(유동 방향에서 더 작은 치수로부터 더 큰 치수로 확장됨)으로서 설명된다. 드라발(de Laval) 노즐은 확산 섹션으로 이어지는 수축 섹션을 갖고, 종종 수축-확산 노즐이라 칭한다.

수축 노즐은 아음속 유체를 가속화한다. 노즐 압력비가 충분히 높으면, 유동은 가장 좁은 지점(즉, 노즐 스로트)에서 음속에 도달할 것이다. 이 상황에서, 노즐은 "질식(choked)"되었다고 일컬어진다.

본 명세서에 설명된 노즐은 드라발형 노즐과는 상이하다. 드라발형 노즐은 확산 폭 및 수축 높이를 갖는 본 발명의 노즐에 대조적으로 확산 섹션으로 이어지는 수축 섹션을 갖는다.

버너는 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 재생기 포트 내에 삽입되도록 설계된다. 구멍이 재생기 포트 네크 내로 절결되어 버너를 삽입하기 위한 장소를 제공해야 한다. 구멍은 포트 네크의 상부, 저부(토대) 또는 측면 내에 절결될 수 있다. 바람직하게는, 구멍은 포트 네크의 저부 또는 바닥 내로 절결된다.

버너는 바람직하게는 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 실질적으로 수직 배향으로 포트 네크의 저부 내에 절결된 구멍을 통해 포트 내에 삽입될 수 있다. 버너는 버너를 위치 설정하여 포트 네크에 부착하기 위한 장착 플레이트(95)를 포함할 수 있다. 버너는 실질적으로 수평 평면에서 연료 및 산화제 가스를 노 연소 공간 내로 배출한다.

버너는 글래스 탱크 및 재생기 포트의 모두에서 온도 및 열 플럭스 분포를 제어하기 위해 다양한 방식으로 작동될 수 있다. 이는 주로 산소의 분포의 조정을 경유하여 성취되고, 그 전략적인 사용은 화염 길이, 광도(luminosity) 및 안정성의 개조를 제공하고, 또한 포트 표면의 냉각을 지원할 수 있다.

버너는 연료 도관(40)을 통해 기체 연료를 도입하고, 제1 산화제 가스 도관(20), 포트내 산화제 스테이징 랜스[제2 산화제 도관(80)] 및 언더포트 산화제 스테이징 랜스(90) 중 2개 이상을 통해 하나 이상의 산화제 가스 스트림을 도입함으로써 작동될 수 있다.

본 발명은 또한 그 부분이 도 2에 도시되어 있는 노(100)에 관한 것이다. 본 발명에 따른 노는 도 2에 따른 버너를 갖고 도시되어 있지만, 도 1에 따른 버너가 또한 노와 함께 사용될 수 있고, 당 기술 분야의 숙련자는 도 1에 따른 버너에 대한 설명을 명백하게 적응할 수 있다. 노는 재생기(125), 노 연소 챔버(135) 및 재생기(125)를 노 연소 챔버(135)에 연결하는 재생기 포트 네크(105)를 포함한다. 재생기 포트 네크(105)는 노(100)의 벽(120) 내에 포트(110) 및 포트 개구(115)를 형성한다. 노는 전술된 바와 같은 특징에 따른 버너를 또한 포함한다. 버너는 재생기 포트 네크(105)를 통해 포트(110) 내로 들어오고 버너는 연료 및 산화제를 노(100) 내로 안내시키도록 배열된다.

재생기는 통상적으로 내화 벽돌로 구성된 포트 아치(상부), 포트 토대(sill)(저부) 및 측벽을 포함한다. 재생기 포트 네크는 재생기와 노의 포트 개구 또는 포트 마우스 사이에 통로 또는 포트를 형성한다. 본 명세서에 사용될 때, 포트는 통로이고, 포트 개구와는 구별된다.

재생기는 재생 열전달을 이용하는 열 회수 장치이고 당 기술 분야에 잘 알려져 있다. 재생기의 상세는 케이. 엘. 뤼벤스타인에 의해 번역된 볼프강 트라이어에 의한 "글래스로, 디자인 구성 및 작동", 글래스 기술 협회, 영국 쉐필드, 2000년과, 페이 툴리(편집자)에 의한 "글래스 제조의 핸드북" 3판, Vol. 1 및 2, 애쉴리 출판사(뉴욕), 1984년에서 발견될 수 있다.

본 명세서에 사용될 때, 재생기 포트 네크는 재생기로부터 노 내의 연소 공간으로 연소 공기를 전달하는 기능을 하거나 이미 기능을 한 임의의 도관이다.

노는 버너에 대해 전술된 특징 중 임의의 것 또는 전체를 포함하는 버너를 포함할 수 있다.

실시예에서, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 포트내 스테이징 랜스가 노 내에 사용될 수 있다.

실시예에서, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 도관(90)은 포트 개구(115)의 하부의 위치에서 노 벽(120)을 관통하고, 노 내로 산화제를 안내하도록 배열된다. 도관(90)은 언더포트 산화제 스테이징 랜스이다. 도관은 랜스로부터 상향으로 수직으로 그려진 라인이 포트에 교차하면 포트 개구 "아래에" 있다.

노는 포트내 산화제 스테이징 랜스 및 언더포트 산화제 스테이징 랜스의 모두를 포함할 수 있다.

노는 노 연소 챔버에 인접하여 아래에 배열되는 용융 탱크조, 용융 탱크조 내에 글래스 형성 성분을 도입하기 위한 충전 단부 및 용융 탱크조로부터 글래스 생성물을 회수하기 위한 배출 단부를 또한 포함한다. 글래스 형성 성분은 노의 용융 탱크조 내로 충전되고, 노 연소 챔버 내의 연소 화염으로부터의 열에 의해 용융된다. 용융된 글래스는 충전 단부로부터 배출 단부로 유동하고, 노로부터 생성물로서 회수된다. 회수된 용융된 글래스는 시트 글래스, 파이버글래스, 용기 또는 다른 원하는 제품으로 글래스를 생성하기 위해 성형 작업을 경험한다.

노는 노 연소 챔버로부터 연소 생성물을 회수하기 위해 노의 벽 내에 배기 포트를 또한 포함한다. 연료 및 산화제는 재생기 포트 네크 내의 버너를 경유하여 노 연소 챔버 내로 도입되고, 연소되어 화염을 형성하고 글래스 형성 성분 및 용융 글래스에 열을 전달한다. 연료 및 산화제의 반응으로부터의 연소 생성물은 노 연소 챔버로부터 배기 포트를 통해 제거된다.

본 발명은 또한 예를 들어 재생기 수리 중에 노를 가열하는 방법에 관한 것이다. 장시간 기간 동안 노를 작동한 후에, 재생기 내의 열전달 패킹 또는 검사기는 글래스로로부터의 응축된 휘발성 물질로 막히게 될 수 있거나 또는 다른 방식으로 열화될 수 있다. 노는 공기-연료 포트가 재생기를 수리하기 위해 사용 중지되어 취해질 때 여전히 가열될 필요가 있다. 바람직하게는, 충분한 열이 글래스 생산을 유지하기 위해 제공된다.

방법은 또한 열화된 재생기를 수리하지 않고 또는 현존하는 노의 생산율을 증가시키기 위해 노의 수명을 연장하는데 사용될 수 있다.

전술된 버너는 재생기가 수리되는 동안 노를 가열하기 위한 방법에 사용될 수 있어, 재생기를 수리하지 않고 노의 수명을 연장시키고 그리고/또는 현존하는 노의 생산율을 증가시킨다.

노를 가열하는 방법은 포트로의 공기의 유동을 차단하는 것과, 포트와 관련된 공기-연료 버너로의 연료의 유동을 종료하는 것과, 버너가 재생기 포트 네크를 통해 포트 내로 들어오도록 전술된 바와 같이 버너를 설치하는 것과, 제1 냉각 유체 재킷을 통해 냉각제를 통과시키는 것과, 제1 산화제 도관을 통해 노 내에 제1 산화제 가스를 도입하는 것과, 이전의 공기-연료 작동 중에 사용되었던 동일한 연료 또는 상이한 연료를 연료 도관을 통해 노 내에 도입하는 것을 포함한다.

방법은 제1 산화제 가스를 선택된 연료를 연소하여 연소 생성물을 생성하는 것과, 노 연소 챔버로부터 배기부를 통해 연소 생성물을 회수하는 것을 또한 포함한다.

재생기 수리 중에, 재생기 검사기 팩의 부분을 통한 공기의 유동은 열화된 검사기가 제거되어 교체 검사기가 설치될 수 있도록 정지될 필요가 있다. 재생기는 개방 박스 디자인 또는 격실이 있는 디자인일 수 있다. 공기 유동은 재생기의 이 저부에서 차단되거나 또는 다른 방식으로 폐색될 수 있다. 재생기 포트의 상류측 단부에서 공기의 유동을 차단하거나 또는 다른 방식으로 폐색하는 것이 또한 바람직할 수 있다.

재생기 포트 네크는 버너를 설치하기 위한 구멍을 제공하기 위해 절결되거나 또는 다른 방식으로 수정될 수 있다. 재생기 포트 네크 내의 구멍은 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 재생기 포트 네크의 저부 또는 토대 내에 있을 수 있다. 구멍은 또한 재생기 포트 네크의 측면 또는 재생기 포트 네크의 아치 또는 상부 내로 절결될 수 있다.

버너는 버너가 재생기 포트 네크를 통해 포트 내로 들어오도록 설치될 수 있다. 임의의 포트 네크벽으로부터 제1 산화제 도관의 제2 부분의 출구 단부의 거리 및 연료 도관의 제2 부분의 출구 단부의 거리는 장착 플레이트(95)의 위치에 의해 설정될 수 있다.

일반적으로, 냉각제, 바람직하게는 물이 설치되는 동안 버너의 과열을 방지하기 위해 재생기 포트 네트 내로의 버너의 설치 중에 제1 냉각 유체 재킷을 통해 통과될 수 있다.

일단 설치되면, 제1 산화제 가스는 제1 산화제 도관을 통해 노 내로 도입될 수 있고, 연료는 연료 도관을 통해 노 내에 도입될 수 있다. 연료는 이전의 공기-연료 작동을 위해 사용되었던 동일한 연료일 수 있고, 또는 원한다면 상이한 연료가 사용될 수도 있다. 연료는 천연 가스일 수 있다.

방법은 제1 산화제 가스 또는 제2 산화제 가스를 제2 산화제 도관을 통해 노 내로 도입하는 것을 더 포함할 수 있다.

방법은 재생기 포트를 통해 소정량의 공기를 도입하는 것을 더 포함할 수 있다. 공기는 재생기를 통해 또는 다른 소스로부터 도래할 수 있다. 이와 같이 도입된 공기는 적어도 3개의 유리한 효과를 갖는다. 첫째로, 도입된 공기는 재순환된 노 가스 및 미립자의 포트를 정화하고, 따라서 포트 내의 부식 및 미립자 축적을 최소화한다. 둘째로, 도입된 공기는 화염에 운동량을 추가한다. 마지막으로, 도입된 공기는 버너로의 산화제 유동의 감소를 허용하고, 이는 이어서 작동 비용을 저하시키고 버너 노즐 부근의 연소 속도를 느리게 한다. 더 느린 연소 속도는 대체로 화염의 발광 영역을 확장시키고 강화하여, 이에 의해 복사 열전달을 증가시킨다. 버너에 대한 최대 25%의 화학양론 산소 요구량이 포트를 통한 공기 유동에 의해 공급될 수 있다. 포트를 통해 공기에 의해 제공되는 산소 요구량의 일부에 의해, 버너로의 연료의 완전 연소를 위해 요구되는 95% 내지 약 75%의 화학양론적 양은 제1 산화제 가스 및/또는 제2 산화제 가스에 의해 제공될 수 있다.

재생기는 이어서 버너의 작동이 노에 가열을 제공하고 글래스 생성이 계속되는 동안 수리될 수 있다.

그렇지 않다면, 노는 노 캠페인(campaign)의 종료까지 재생기를 수리하지 않고 이 모드에서 작동을 계속할 수 있다.

버너의 파라미터 범위에 대한 몇몇 한도는 재생 글래스로의 포트와 버너의 기하학적(즉, 이용 가능한 공간) 고려 사항에 의해 결정되었다. 이들 범위에 대한 다른 한도를 결정하는 것을 지원하기 위해, 전산 유체 역학(CFD) 모델링이 이하의 예에 설명되어 있는 바와 같이 사용되었다.

예

CFD 모델링은 버너 유체 기계적 및 열적 현상에 대한 설계 및 작동 파라미터의 영향을 격리하고 검사하는데 사용되었다. 버너 및 관련된 제2 산화제는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 기본 모델링 구성으로서 기능한다. 모델링 작업 중에 변경되는 파라미터는 이들의 각각의 범위와 함께 표 1에 제공되어 있다. 스테이징되는 산화제 흐름, 즉 총(제1 더하기 제2) 산화제 유동의 백분율은 버너에 대한 디자인 파라미터는 아니지만, 예 내에서의 그 변동이 다른 파라미터의 영향을 더 강조하는 것을 돕기 때문에 본 명세서에 포함되어 있다는 것을 주목하라. 연료는 100% 메탄으로서 모델링된 천연 가스로 가정되었다.

실용적인 이유로, 단지 가장 두드러진 CFD 결과가 제시된다.

파라미터	최소값	최대값
버너 무차원 길이 L/D	0.8	2.7
제1 산화제 유동 단면적비 A_i/A_o	1.0	1.9
연료 유동 단면적비 A_fi/A_fo	1.0	1.9
제2 산화제 도관 유동 단면적비 A_ni/A_no	1.0	1.55
스테이징되는 산화제 흐름 (총 산화제 유동의 %)	20%	80%

버너 무차원 길이(L/D)의 변경이 이들의 최대값에서 제1 산화제 및 연료 면적 유동 단면적비를 갖고 수행되었다(표 1 참조). 결과는 도 6 내지 도 9에 요약되어 있다.

예를 들어, 피크 화염 온도에 대한 L/D의 영향이 도 6에 도시되어 있다. 20% 스테이징 경우에 대한 경향은 L/D가 감소함에 따라 온도의 점진적인 비교적 작은 증가를 나타내고 있지만, 80% 스테이징 경우에 대한 피크 화염 온도는 L/D가 2.7로부터 1.4로 감소함에 따라 80% 산화제에 대해 거의 100 K만큼 증가하고, 이어서 L/D가 0.8로 더 감소함에 따라 저하한다는 것을 주목하라. 피크 화염 온도 증가는 0.8 내지 2.7의 범위인 L/D에 대해 100 K 미만이고 2.7 초과의 L/D는 더욱 더 낮은 피크 화염 온도를 가질 수 있기 때문에, 0.8 내지 7의 L/D가 적합하다. 버너는 0.8 내지 7의 L/D 범위에 걸쳐 작동 가능하다.

80% 스테이징을 수반하는 경우에 대한 화염 온도의 더 정밀한 검사가 도 7에 제공되어 있고, 이는 0.8, 1.4 및 2.7의 L/D에 대한 화염 온도 분포를 비교한다. 모든 3개의 경우에 대한 피크 온도는 버너 노즐에 비교적 근접하여 발생하고, 따라서 피크값의 편의(excursion)는 잠재적으로 버너 금속을 고온 손상에 노출시킨다는 것이 먼저 주목될 것이다. 또한, 1.4 및 2.7의 L/D에 대해, 화염 온도가 초기에 증가하여, 노즐 출구로부터 대략 0.5의 거리에서 피크값에 도달한다. 그러나, 0.8의 L/D에 대해, 피크 온도가 노즐 출구로부터 0.2 m 미만의 거리에서 발생하고, 따라서 노즐 과열 위험을 더 증가시킨다. 0.8의 L/D 경우에 대해 화염 온도가 피크가 성취된 후에 즉시 저하하여, 다른 2개의 경우에 대해 발생하는 것보다 150 내지 200 K 낮은 국부 최소값에 도달한다는 것이 또한 관심이 있다. 이들 특징은 2.7 및 1.4의 L/D로부터 발생된 것보다 1.4 및 0.8의 L/D 사이에서 발생하는 화염 특성의 더 많은 반경방향 시프트를 제안한다.

화염 특성의 시프트에 대한 설명은 도 8a 및 도 8b 각각에 제공되어 있는 1.4 및 0.8의 L/D 경우의 노즐 출구 속도 프로파일로부터 연역될 수 있다. 특히, 연료/제1 산화제 혼합물의 궤적은 본질적으로 2개의 경우에 대해 변경되지 않고 유지되지만, 제2 산화제의 궤적은 L/D가 변경됨에 따라 상당히 변경된다. 즉, 1.4의 L/D에 대해, 제2 산화제 궤적은 본질적으로 제1 산화제/연료 스트림의 궤적에 평행하다. 그러나, L/D가 0.8로 감소됨에 따라, 제2 산화제 노즐 내에 불충분한 전개 길이를 갖는 스테이징되는 산화제 흐름은 대략 4도만큼 주 화염을 향해 상향으로 경사진다. 이는 화염과 2차 산화제 사이의 급속한 수축을 유도하고, 이는 제2 산화제의 비교적 큰 체적(스테이징되는 산화제로서 총 산화제의 80%)과 조합될 때 버너 팁 부근에 가속화된 혼합을 생성하여, 피크 온도가 노즐에 더 근접하여 위치될 수 있게 하고 후속의 최소 온도가 다른 경우에서보다 낮게 될 수 있게 한다. 이들 발견의 실용적인 효과는 버너가 제2 산화제 도관을 포함할 때, L/D의 최소값이 1.4 이상이어야 한다는 것이다. 그러나, 연료/제1 산화제 스트림의 특징은 1.4 내지 0.8의 L/D로부터의 변화에 의해 크게 영향을 받지 않기 때문에, 버너가 제2 산화제 도관을 포함하지 않을 때, L/D의 최소값은 0.8 이상이어야 한다.

도 9에 도시되어 있는 화염 길이에 대한 L/D의 영향은 도 6 내지 도 8에 도시되어 있는 결론을 보강한다. 이 도면은 가능하게는 가속화된 혼합을 유도하는 스테이징 랜스 노즐 및 버너 내의 반응제 속도 프로파일의 불충분한 전개에 기인하여, L/D의 감소가 어떠한 방식으로 화염의 단축을 유도하는지를 도시하고 있다. 80% 산화제 스테이징 경우에 대해 1.4 내지 0.8의 L/D의 화염 단축 영향은 특히 심하고, 전술된 주 노즐 유동과 2차 노즐 유동 사이의 급속한 수축에 재차 기인할 수 있다.

제1 산화제 면적비의 변동이 0.8 및 1.4의 버너 무차원 길이(L/D)를 갖고 수행되었다. 피크 화염 온도는 제1 산화제 면적비에 민감한 것으로 보여지고 있다. 도 10은 1.4의 L/D에 대해, 그리고 20% 및 80% 산화제 스테이징에 대해 A_i/A_o의 함수로서 피크 온도를 도시하고 있다. 면적비 A_i/A_o가 1.9로부터 1.0으로 감소됨에 따라 190 K의 정도의 피크 온도 증가가 80% 스테이징에 대해 발생하고, 230 K의 피크 온도 증가가 20% 스테이징에서 발생한다. 후자의 경우에, A_i/A_o가 1.3으로부터 1.0으로 저하됨에 따라 피크 온도 증가가 가파르게 상승한다. 유사한 결과가 도 11에 0.8의 L/D의 경우에 대해 제시되어 있다. 도 10에서와 같이, A_i/A_o가 1.3 미만으로 감소됨에 따라 피크 온도가 급격하게 증가한다. 모든 경우에, 최고 피크 화염 온도는 1.0의 A_i/A_o에서 2600 내지 2650 K의 범위의 값에 도달한다.

1.0 및 1.9의 A_i/A_o와 80% 스테이징 경우에 대한 화염 온도 분포를 비교하는 추가의 상세가 도 12에 제시되어 있다. 양 경우에 대한 온도 분포는 재차 버너 출구 부근의 특징 피크값을 나타내고 있다. 그러나, 피크의 위치는 1.9의 A_i/A_o에서의 버너 노즐로부터의 대략 0.4 m의 거리로부터 1.0의 A_i/A_o에 대한 노즐로부터의 대략 0.2 m로 시프트한다는 것을 주목하라. 이것은 노즐 과열의 상대적인 위험을 규정하는 피크 온도와 피크 위치의 조합이기 때문에, 1.3 미만의 A_i/A_o의 값이 회피되어야 한다는 것이 결론지어진다.

산화제 면적비를 변경하는 효과가 화염 특성을 변경하는 메커니즘은 제1 산화제 출구 속도 프로파일을 통한다. 즉, 비 A_i/A_o를 감소시키는 것은 버너 노즐의 출구에서 제1 산화제 유동의 불균형 분포를 증가시키고, 이에 의해 피크 화염 온도를 증가시키고 화염 길이를 단축시키는 과잉의 난류 및 전단력을 생성한다. 속도 불균형 분포를 정량화하기 위한 일 방법은 단면의 평균값으로부터 국부 속도의 표준 편차로서 정의되는 속도 편차를 계산하는 것이다. 이와 같이 정의되어, 더 높은 속도 편차는 본 발명에 있어서 연료와 제1 산화제 사이의 바람직하지 않은 더 높은 혼합 비율을 유도하는 더 높은 정도의 불균일성에 대응한다. 1.0, 1.3 및 1.9의 제1 산화제 면적비 A_i/A_o에 대응하는 속도 편차, 1.4의 L/D 및 20% 스테이징이 표 2에 열거되어 있다. 평균 단면 속도의 백분율로서 정규화되는 편차의 크기는 면적비 A_i/A_o가 1.9로부터 1.0으로 감소됨에 따라 제1 산화제 불균일성이 2배로 됨을 나타낸다. 더욱이, 이는 A_i/A_o가 1.3으로부터 1.0으로 저하됨에 따라 상당히 큰 증가와 비교하여, A_i/A_o가 1.9로부터 1.3으로 감소됨에 따라 속도 편차의 비교적 작은 증가를 나타내어, 또한 제1 산화제 면적비 A_i/A_o를 1.3 이상으로 유지할 필요성을 나타낸다.

제1 산화제 면적비 A_i/A_o	속도 편차 (평균 속도의 %)
1.0	21.5
1.3	13.9
1.9	10.7

연료 면적비 A_fi/A_fo를 고려하면, 1.9 내지 1.0의 범위에 걸쳐 이 파라미터를 감소시키는 것은 제1 산화제 면적비의 변화(동일한 한도에 걸쳐)로서 피크 화염 온도에 대한 정성적으로 유사한 효과를 갖는다. 그러나, 효과의 크기는 더 작다. 예를 들어, 0.8의 L/D에 의해, 1.9로부터 1.0으로의 연료 면적비의 감소는 피크 화염 온도의 70 K 증가를 생성하였고, 반면에 제1 산화제 면적비의 동일한 감소에 의해 생성된 화염 온도 증가는 250 K였다(도 11 참조).

제1 산화제 면적비의 것에 비교할 때 연료 노즐 면적비에 대한 화염 특징의 더 낮은 민감도는, 연료 노즐 출구 속도 프로파일이 제1 산화제 출구 속도 프로파일만큼 면적비 변화에 대해 민감하지 않다는 사실에서 찾을 수 있다. 표 3에 나타낸 바와 같이, 1.0 및 1.9의 연료 면적비 A_fi/A_fo에 대한 노즐 출구에서의 연료 속도 편차는 제1 산화제에 대한 대응하는 값(표 2 참조)의 절반 미만이다. 1.0 미만의 연료 면적비 A_fi/A_fo는 이들이 불안정한 유동 분리 효과의 경향이 있기 때문에 바람직하지 않다. 따라서, CFD 모델링에 기초하여, 1.0 이상의 임의의 연료 노즐 면적비 A_fi/A_fo가 본 발명에서 허용 가능하다. 그러나, 실험실 표본 시험 중에 행해진 화염 특성의 측정 및 관찰은 버너 성능이 1.37 초과의 연료 면적비의 사용을 통해 그리고 또한 도 3에 도시되어 있는 바와 같은 오목 대 볼록 윤곽을 갖고 더 향상된다는 것을 지시한다.

연료 면적비 A_fi/A_fo	속도 편차 (평균 속도의 %)
1.0	9.4
1.9	4.8

제2 산화제 도관의 유동 단면적비 A_ni/A_no는 노즐을 떠나는 제2 산화제 속도 분포에 강력하게 영향을 미치고, 이는 이어서 버너 시스템의 성능 및 내구성의 모두에 영향을 미칠 수 있다. 본 발명에 관심이 있는 조건, 1.0≤A_ni/A_no≤1.55에 있어서, CFD 모델링 결과는 속도 분포에 대한 강력한 영향을 검증한다. 도 13은 면적비 A_ni/A_no가 곡선의 증가하는 기울기에 의해 지시되어 있는 바와 같이, 대략 1.25의 값 미만으로 저하됨에 따라 제2 산화제의 속도 편차가 급격하게 증가하는 것을 도시하고 있다. 결과는 연소 성능에 대한 영향이 이 범위에 걸쳐 비교적 미약한 것을 제시하고 있지만, 이 임계값 미만의 면적비에서 노즐 출구 속도 프로파일의 붕괴는 분리된 유동 또는 역류를 유도할 수 있는 불안정성의 경향이 있는 매우 낮은 출구 속도의 영역을 유도한다. 이는 노즐 부식 및 막힘의 위험을 증가시키고, 더 빈번한 유지 보수의 필요성 및 더 높은 고장율을 유도할 가능성이 있다. 이와 같이, 본 발명의 제2 산화제 노즐에 대한 최소 허용 가능한 면적비 A_ni/A_no는 1.25이다.

1: 버너 10: 제1 냉각 유체 재킷
11: 입구 13: 출구
20: 제1 산화제 도관 21: 입구
22: 유동축 23: 제1 부분
25: 굴곡부 27: 제2 부분
40: 연료 도관 41: 입구
42: 유동축 43: 제1 부분
45: 굴곡부 47: 제2 부분
49: 출구 단부 50: 산화제 통로
51: 입구 섹션 53: 전이 섹션
55: 출구 섹션 60: 연료 통로
61: 입구 섹션 63: 전이 섹션
65: 출구 섹션 70: 제2 냉각 유체 재킷
80: 제2 산화제 도관 81: 입구
82: 유동축 83: 제1 부분
85: 굴곡부 87: 제2 부분
88: 입구 89: 출구
90: 스테이징 랜스 101: 버너
105: 재생기 포트 네크 110: 포트

Claims

외부 등가 직경(D)을 갖는 제1 냉각 유체 재킷과,
상기 제1 냉각 유체 재킷에 대해 고정 이격 관계로 그 내에 대체로 동심적으로 배치되는 제1 산화제 도관으로서, 상기 제1 산화제 도관은
입구,
상기 제1 산화제 도관의 입구의 하류측의 제1 부분,
상기 제1 산화제 도관의 제1 부분의 하류측의 굴곡부로서, 상기 제1 산화제 도관의 굴곡부는 45° 내지 120°의 굴곡각(α)을 갖는 것인 굴곡부, 및
상기 제1 산화제 도관의 굴곡부의 하류측의 제2 부분으로서, 상기 제1 산화제 도관의 제2 부분은 출구 단부에서 종료하고 유동축 및 길이(L)를 갖는 것인 제2 부분을 갖는 것인 제1 산화제 도관과,
연료 도관으로서,
입구,
상기 연료 도관의 입구의 하류측의 제1 부분으로서, 상기 제1 부분은 상기 제1 산화제 도관의 제1 부분에 대해 고정 이격 관계로 그 내에 대체로 동심적으로 배치되는 것인 제1 부분,
상기 제1 산화제 도관의 굴곡부에 대해 고정 이격 관계로 그 내에 대체로 동심적으로 배치되는 굴곡부, 및
출구에서 종료하고 유동축을 갖는 제2 부분으로서, 상기 연료 도관의 제2 부분은 상기 제1 산화제 도관의 제2 부분에 대해 고정 이격 관계로 그 내에 대체로 동심적으로 배치되어, 상기 연료 도관의 제2 부분과 상기 제1 산화제 도관의 제2 부분 사이에 산화제 통로를 형성하는 것인 제2 부분을 포함하는 것인 연료 도관
을 포함하고,
상기 산화제 통로는 입구 섹션, 상기 입구 섹션의 하류측의 전이 섹션 및 상기 전이 섹션의 하류측의 출구 섹션을 갖고, 상기 입구 섹션은 단면적(A_i)을 갖고, 상기 출구 섹션은 단면적(A_o)을 갖고,
0.8≤L/D≤7이고 1.3≤A_i/A_o≤5인 것인 버너.
제1항에 있어서, 상기 연료 도관의 제2 부분은 연료 통로를 형성하고, 상기 연료 통로는 입구 섹션, 상기 입구 섹션의 하류측의 전이 섹션 및 상기 전이 섹션의 하류측의 출구 섹션을 갖고, 상기 연료 도관의 제2 부분의 입구 섹션은 단면적(A_fi)을 갖고, 상기 연료 도관의 제2 부분의 출구 섹션은 단면적(A_fo)을 갖고, 1.0<A_fi/A_fo≤5인 것인 버너.
제1항에 있어서, 상기 연료 도관의 제2 부분은 연료 통로를 형성하고, 상기 연료 통로는 입구 섹션, 상기 입구 섹션의 하류측의 전이 섹션 및 상기 전이 섹션의 하류측의 출구 섹션을 갖고, 상기 연료 도관의 제2 부분의 입구 섹션은 단면적(A_fi)을 갖고, 상기 연료 도관의 제2 부분의 출구 섹션은 단면적(A_fo)을 갖고, 1.37≤A_fi/A_fo≤5인 것인 버너.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 연료 도관의 제2 부분은 상기 연료 통로의 전이 섹션에 오목한 내부면 및 볼록한 내부면을 갖고, 상기 연료 도관의 볼록한 내부면은 상기 연료 도관의 오목한 내부면의 하류측에 있는 것인 버너.
제1항에 있어서, 상기 제1 산화제 도관의 제2 부분의 출구 단부는 0.2 cm 내지 3 cm만큼 상기 연료 도관의 제2 부분의 출구 단부로부터 돌출되는 것인 버너.
제1항에 있어서,
선택적 제2 냉각 유체 재킷과,
상기 제1 냉각 유체 재킷 및 상기 제2 냉각 유체 재킷 중 적어도 하나에 대해 고정 이격 관계로 그 내에 대체로 동심적으로 배치되는 제2 산화제 도관
을 더 포함하고, 상기 제2 산화제 도관은
입구,
상기 제2 산화제 도관의 입구의 하류측의 제1 부분,
상기 제2 산화제 도관의 제1 부분의 하류측의 굴곡부로서, 상기 제2 산화제 도관의 굴곡부는 굴곡각(β)을 갖고, 상기 굴곡각(β)은 굴곡각(α)의 15° 이내인 것인 굴곡부, 및
상기 제2 산화제 도관의 굴곡부의 하류측의 제2 부분으로서, 상기 제2 산화제 도관의 제2 부분은 노즐에서 종료하고 유동축을 갖고, 상기 제2 산화제 도관의 제2 부분은 상기 제1 산화제 도관의 제2 부분에 대해 고정 이격 관계에 있는 것인 제2 부분
을 구비하며, 1.4≤L/D≤7인 것인 버너.
제6항에 있어서, 상기 굴곡각(β)은 상기 굴곡각(α)의 2° 이내이고, 상기 제2 산화제 도관의 제2 부분의 유동축은 상기 제1 산화제 도관의 제2 부분의 유동축에 실질적으로 평행한 것인 버너.
제6항에 있어서, 상기 노즐은 입구 및 출구를 갖고, 상기 제1 산화제 도관의 제2 부분의 출구 단부는 0.2 cm 내지 3 cm만큼 상기 제2 산화제 도관의 제2 부분의 노즐의 출구로부터 돌출되는 것인 버너.
제6항에 있어서, 상기 제2 산화제 도관의 제2 부분의 노즐은 입구 및 출구를 갖고, 상기 입구는 원형 단면 및 단면적(A_ni)을 갖고, 상기 출구는 비원형 단면 및 단면적(A_no)을 갖고, 상기 노즐의 출구는 1.5 내지 5의 폭 대 높이비를 갖는 것인 버너.
제9항에 있어서, 1.25≤A_ni/A_no≤5인 것인 버너.
제9항에 있어서, 상기 노즐은 수축 높이 및 확산 폭을 갖는 것인 버너.
제9항에 있어서, 상기 노즐은 상기 원형 단면과 상기 비원형 단면 사이에서 전이하는 볼록 표면을 갖는 것인 버너.
제1항에 있어서, 상기 제1 산화제 도관의 제2 부분은 상기 산화제 통로의 전이 섹션에 볼록한 내부면을 갖는 것인 버너.
제1항에 있어서, 상기 연료 도관의 제2 부분은 상기 산화제 통로의 전이 섹션에 오목한 외부면을 갖는 것인 버너.
제6항에 있어서, 60°<α<110°이고, 60°<β<110°인 것인 버너.
제1항에 있어서, 상기 제1 산화제 도관의 제2 부분은 원형 단면을 갖는 것인 버너.
제1항에 있어서, 상기 연료 도관의 제2 부분은 원형 단면을 갖는 버너.
제1항에 있어서, 상기 제1 산화제 도관의 제2 부분의 유동축은 직선형이고, 상기 연료 도관의 제2 부분의 유동축에 실질적으로 평행하거나 실질적으로 일치하는 것인 버너.
재생기와,
노 연소 챔버와,
상기 재생기를 상기 노 연소 챔버에 연결하는 재생기 포트 네크(port neck)로서, 상기 재생기 포트 네크는 상기 노의 벽 내에 포트 및 포트 개구를 형성하는 것인 재생기 포트 네크와,
제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 버너로서, 상기 버너는 상기 재생기 포트 네크를 통해 상기 포트 내로 들어오고, 상기 버너는 연료 및 산화제를 상기 노 연소 챔버 내로 안내시키도록 배열되는 것인 버너
를 포함하는 노.
제19항에 있어서,
상기 노 연소 챔버 아래에 배열되는 용융 탱크조로서, 상기 용융 탱크조는 글래스 형성 성분을 상기 용융 탱크조 내로 도입하기 위한 충전 단부 및 상기 용융 탱크조로부터 글래스 생성물을 회수하기 위한 배출 단부를 갖는 것인 용융 탱크조, 및
상기 노 연소 챔버로부터 연소 생성물을 회수하기 위한 상기 노의 벽 또는 다른 벽 내의 배기 포트
를 더 포함하는 노.
재생기와,
노 연소 챔버와,
상기 재생기를 상기 노 연소 챔버에 연결하는 재생기 포트 네크로서, 상기 재생기 포트 네크는 상기 노의 벽 내에 포트 및 포트 개구를 형성하는 것인 재생기 포트 네크와,
제5항에 따른 버너로서, 제1 냉각 재킷, 제1 산화제 도관 및 연료 도관은 상기 재생기 포트 네크를 통해 상기 포트 내로 들어오고, 상기 제1 산화제 도관은 상기 노 내에 산화제를 안내시키도록 배열되고, 상기 연료 도관은 상기 노 내에 연료를 안내시키도록 배열되고, 제2 산화제 도관은 상기 포트 개구 아래의 위치에서 상기 노 벽을 관통하고, 상기 제2 산화제 도관은 상기 노 내에 산화제를 안내시키도록 배열되는 것인 버너
를 포함하는 노.
제21항에 있어서,
상기 노 연소 챔버 아래에 배열되는 용융 탱크조로서, 상기 용융 탱크조는 글래스 형성 성분을 상기 용융 탱크조 내로 도입하기 위한 충전 단부 및 상기 용융 탱크로부터 글래스 생성물을 회수하기 위한 배출 단부를 갖는 것인 용융 탱크조, 및
상기 노 연소 챔버로부터 연소 생성물을 회수하기 위한 상기 노의 벽 또는 다른 벽 내의 배기 포트
를 더 포함하는 노.
노를 가열하는 방법으로서, 상기 노는 재생기를 노 연소 챔버에 연결하는 재생기 포트 네크를 갖고, 상기 재생기 포트 네크는 상기 노의 벽에 포트 또는 포트 개구를 형성하는 것인 노를 가열하는 방법에 있어서,
상기 포트로의 공기의 유동을 차단하는 것과,
상기 포트와 관련된 공기-연료 버너로의 연료의 유동을 종료하는 것과,
제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 버너를 설치하여 상기 버너가 상기 재생기 포트 네크를 통해 상기 포트 내로 들어오게 하는 것과,
제1 냉각 유체 재킷을 통해, 그리고 존재한다면 제2 냉각 유체 재킷을 통해 냉각제를 통과시키는 것과,
제1 산화제 도관을 통해 상기 노 연소 챔버 내에 제1 산화제 가스를 도입하는 것과,
연료 도관을 통해 상기 노 연소 챔버 내에 연료 또는 다른 연료를 도입하는 것과,
상기 제1 산화제 가스로 연료 또는 다른 연료를 연소하여 연소 생성물을 형성하는 것과,
상기 노 연소 챔버로부터 배기부를 통해 연소 생성물을 회수하는 것
을 포함하는 노를 가열하는 방법.
제23항에 있어서, 상기 버너를 통해 통과하는 연료 또는 다른 연료의 연소를 위해 요구되는 화학양론 공기의 5% 초과 내지 25% 이하의 양으로 상기 포트를 통해 공기 유동을 계속하는 것을 더 포함하는 노를 가열하는 방법.
제24항에 있어서, 상기 제1 산화제 가스는 28 체적 % 내지 100 체적 %의 산소를 포함하는 것인 노를 가열하는 방법.
제24항에 있어서, 상기 버너는 제5항 내지 제12항 또는 제18항 중 어느 한 항에 의해 규정되고,
상기 제2 산화제 도관을 통해 상기 노 연소 챔버 내에 제1 산화제 가스 또는 제2 산화제 가스를 도입하는 것을 더 포함하는 노를 가열하는 방법.
제26항에 있어서, 상기 제2 산화제 가스는 28 체적 % 내지 100 체적 %의 산소를 포함하는 것인 노를 가열하는 방법.