KR20130129141A - 금속을 가열하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

이 발명은, 가열 챔버, 장입구, 배기 스트림 포트 및 배기 스트림 덕트를 갖는 노(爐) 속의 비철 및/또는 철 금속 함유 원료를 가열하는 가열 방법으로서,
a) 화염이 형성되도록 버너를 통해 노의 가열 챔버 속에 연료 및 산소 함유 가스를 도입하는 단계,
b) 가열 챔버 및/또는 배기 스트림 내에 설치된 적어도 하나의 광 센서의 신호를 감시하는 단계,
c) 시간에 따른 배기 스트림의 온도(T)의 변화(dT/dt)를 감시하는 단계, 및
d) 화염 센서(들)의 신호 및 배기 스트림에서의 dT/dt에 따라, 단계 a)에서의 연료:산소 비를 조절하는 단계를 포함하는 가열 방법과, 이 방법을 구현하도록 설계된 장치에 관한 것이다.

Description

금속을 가열하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR HEATING METALS}

이 발명은 가열 챔버, 장입구, 배기 스트림 포트 및 배기 스트림 덕트를 갖는 노(爐)에서 비철 및/또는 철 금속 함유 원료를 가열하는 방법으로서, 연료 및 산소 함유 가스가 노 속에 도입되어 화염이 형성되는 것인 방법과, 이 방법을 수행하는 장치에 관한 것이다. 가열이라 함은 용융, 가열, 재생, 제련 및 다른 방식으로 열을 가하여 금속을 처리하는 것을 포함하는 것을 의미한다.

노 속에서 비철 및 철 금속 함유 원료, 특히 알루미늄 함유 원료를 가열하는 것은 이 기술 분야에서 공지되어 있다. 이러한 공정들에서 일어나는 문제는 가열을 위해 이용되는 원료의 조성 및 품질이 대개는 다양하다는 것이다. 가열될 재료 속에, 예를 들어 오일(oil), 라커(lacquer), 종이, 플라스틱, 고무, 페인트, 코팅 등과 같은 유기 성분들이 존재할 수 있을 것이다. 이러한 유기물은 휘발 온도에 이르면 열분해 되며, 산소가 부족하면, CO 또는 불연소 탄화수소로서 노의 배기관으로 보내진다. 보통 채택되는 가스 클리닝 시스템(gas cleaning system)은, 이러한 원하지 않은 유해물질을 배기 스트림으로부터 완전히 제거할 수는 없으며, 그러므로 이러한 유해물질은 어떠한 추가의 조치가 취해지지 않으면 환경으로 방출된다.

이 기술 분야에서는, 환경으로의 유해물질의 방출을 줄이도록 노 속의 연소 효율을 개선하려는 몇몇 시도가 있었다. 예를 들어, 미국 특허 제7,462,218호, ㅈ제648,558호 및 제7,655,067호에는, 배기에서의 CO 및/또는 H₂ 농도 및 그 온도의 변화가 측정되고, 그에 따라 노로의 연료 유동이 조절되는 공정들이 개시되어 있다.

유럽 특허 제553 632호는, 노로부터의 배기 가스 흐름의 온도가 지속적으로 측정되고, 온도가 예정치를 초과하면, 노 속의 산소 함량이 증가되는 공정을 개시한다.

유럽 특허 제1 243 663호에는, 노의 배기에서의 O₂ 함량이 측정되고, 그 후에 이 측정치가 제어 유닛에 대한 안내 변수로서 이용되는 공정이 개시되어 있다.

WO 제2004/108975호는, 노의 배기 가스에서의 O₂ 및 CO 함량이 측정되고, 그러한 측정치를 이용하여 산소의 추가의 주입이 제어되는 공정을 개시한다.

마지막으로, 유럽 특허 제756 014호에는, 노로부터의 배기 가스에서의 탄화수소의 농도가 측정되고, 노 속에 도입되는 산소의 체적 및/또는 연료의 체적이 상기 물질들의 측정된 농도에 따라 설정되는 공정이 개시되어 있다.

앞서 확인한 특허 및 특허 출원의 개시 내용은 참고에 의해 본 명세서에 통합된다.

이러한 종래 기술 공정들에도 불구하고, 환경으로의 CO 및 탄화수소와 같은 유해물질들의 방출을 최소화하고 노의 전반적인 효율을 증가시키기 위해서는, 가열 공정, 특히 가열 노 속에서 일어나는 연소의 개선된 제어가 여전히 필요하다.

이에 따라, 이 발명의 목적은 특히 심각하게 유기 오염된 원료(heavy organic contaminated stock)의 가열에 대해 그러한 개선된 공정을 제공하려는 것이다.

이 발명은, 배기물에서의 연소 강도 및 노로부터의 배기 스트림(exhaust stream)에서의 온도 변화(dT/dt)를 동시에 감시하고, 노 속에 도입되는 연료:산소 비(fuel:oxygen ratio)를 연소 강도의 신호 및 배기 스트림의 dT/dt의 신호에 따라 조절함으로써, 가열 공정의 개선된 제어가 성취될 수 있음을 발견한 것에 기초를 두고 있다. 연소 강도라고 함은, 자외선 또는 적외선 센서 또는 화염 감시 장치를 이용하여 전형적으로 측정되는 바와 같은, 연소 공정으로부터 방출되는 방사선의 강도를 의미한다.

이 발명의 한 양태에서는, 광 검출 시스템(optical detection system)을 이용하여 연소 강도가 감시된다. 적절한 광 검출 시스템의 예는 화염 센서(flame sensor)를 포함한다.

그러므로, 이 발명은, 가열 챔버, 장입구, 배기 스트림 포트 및 배기 스트림 덕트를 갖는 노 속의 비철 및/또는 철 금속 함유 원료를 가열하는 방법으로서,

a) 화염이 형성되도록 버너를 통해 노의 가열 챔버 속에 연료 및 산소 함유 가스를 도입하는 단계,

b) 가열 챔버 및/또는 배기 스트림 내에 설치된 적어도 하나의 광 센서의 신호를 감시하는 단계,

c) 시간에 따른 배기 스트림의 온도(T)의 변화(dT/dt)를 감시하는 단계, 및

d) 광 센서(들)의 신호 및 배기 스트림에서의 dT/dt에 따라, 단계 a)에서의 연료:산소 비를 조절하는 단계를 포함하는, 방법을 제공한다.

배기 스트림 포트는 노정 가스(furnace gas)가 노를 빠져나도록 설계된 노로부터의 출구 위치를 의미한다. 배기 스트림 포트는, 폐쇄형 배기 스트림 덕트에 직접 접속되거나, 또는 개방형 배기 스트림 덕트(예를 들어, 개방형 배기 스트림 덕트는 대기의 혼입(entrainment)을 허용함)에 연관된다. 배기 스트림 덕트는, 개방형 또는 폐쇄형 배기 스트림 덕트로부터 배기 스트림을 이송하는 것과 연관된 덕트 부품을 의미한다.

이 발명의 한 양태에서는, 적어도 하나의 광 센서의 신호를 감시하는 단계가, 가열 챔버와 배기 스트림 덕트 중 적어도 하나 내에 설치된 화염 센서를 포함한다.

이 발명에 따른 방법은, 가열 공정, 특히 심각하게 유기 오염된 원료의 가열을 위한 개선된 제어를 허용한다. 특히, 이 방법은 감시되는 파라미터에 응답하여 노 속으로 도입되는 연료:산소 비의 신속 정확한 조절을 허용한다. 여기에서, "연료:산소 비"는 연료와 산소 사이의 몰비로서 정의된다.

이에 따라, 가열 공정은, 노 속에서 이용 가능한 모든 가연성 재료의 연소가 가능한 한 노 내에서 완료되도록 제어될 수 있다. 이는 CO 및 탄화수소와 같은 유해물질의 방출의 저감과, 유기 화합물의 연소의 열을 노 내에 유지함에 의한 노 효율의 증가로 귀결된다. 또한, 덕트에서 현저히 더 낮은 배기 가스 온도가 성취되고, 이는 과열로 인한 배기관의 손상을 방지한다. 또한, 배기 가스 온도를 낮춤으로써, 배기 가스 유동에 의해 필터 시스템 속으로 운반되는 먼지 입자들은 배관 시스템 속으로 소결 - 부가적인 클리닝 및 정비 노력을 요구할 수 있을 것임 - 되지 않는다.

또한, 장입 원료 속에 함유된 가연성 오염물질의 칼로리 열을 이용함으로써 더 높은 노 효율로 인한 더 낮은 연료 소모율이 성취된다. 마지막으로, 시스템은 노 작동이 더 쉽게 이루어지고 작동 오류가 방지되도록, 완전히 자동화될 수 있다.

광 센서 또는 화염 센서(들)는 연소 강도에 따른 신호를, 양호하게는 서서히 전달하거나, 또는 더 양호하게는 연속적으로 변화시키도록 구성되고, 가장 양호하게는 연소 강도에 직접 비례하는 신호를 전달하게 구성된다. 이는, 예를 들어 IR 센서인 단지 하나의 광 센서만을 이용하거나, 또는 예를 들어 UV 센서인 다수의 센서들을 이용함으로써 성취될 수 있을 것이다.

이 발명의 한 양태에서는, 연소 강도를 감시하는 단계가 무화염 연소 또는 가시적인 화염이 없는 연소를 감시하는 것을 포함한다.

양호한 실시예에서, 이 발명에 따른 방법에서의 노는 회전하는 원통형 노, 이른바 회전식 드럼 노(rotary drum furnace)이다.

회전식 드럼 노는 특히 고도로 오염된 원료를 가열함에 있어서 특히 유리하게 이용된다. 노의 회전 운동은 가열을 위해 노 속에 도입되는 원료의 성질 및 조성에 맞춰질 수 있을 것이다.

이 발명의 방법은 알루미늄 함유 원료(aluminum-containing stock)의 가열에 특히 적합하고, 이에 따라 이 방법에서는 비철 및/또는 철 금속이 양호하게는 알루미늄이다.

이 발명의 방법에서의 연료:산소 비는 양호하게는 노 속에 도입되는 산소의 양을 변화시키거나 및/또는 노 속에 도입되는 연료의 양을 변화시킴으로써 조절된다.

특히, (심각하게) 유기 오염된 원료가 가열 노 속에 장입될 때, 노 속에 존재하는 총 가연성 물질의 연소의 정도는 오염물질의 양 및 성질에 따라 변한다. 또한, 특히 회전식 드럼 노에서는, 장입된 재료의 새로운 표면들이 반복적으로 드러나서 가스상으로 해방되는 가연성 오염물질의 양이 시간에 따라 변한다.

이에 따라, 연료:산소 비를 조절하는 단계는 노 속의 모든 가연성 물질이 가능한 한 노 안에서 완전히 연소되도록, 즉 노 속에서 연소가 유지되도록 하는 방식으로 실현될 것이다. 광 센서의 신호값 및 배기 스트림의 온도 변화(dT/dt)에 따라 노 속에 도입되는 산소의 양이 증가 또는 감소되거나, 및/또는 노 속에 도입되는 연료의 양이 증가 또는 감소된다.

예를 들어, 노 속에 해방되는 유기 오염물질의 양이 증가하면, 노 속의 연소가 불완전하기 때문에, 전형적으로 배기 스트림의 온도가 증가한다. 이 경우에는, 예를 들어 추가의 산소가 노 속에 도입되거나 및/또는 버너로의 연료가 감소되어 노 내의 연소를 유지, 즉 노 내의 연소를 완전하게 한다.

천연 가스가 연료로 이용되는 이 발명의 한 실시예에서, 연료:산소 비는 양호하게는 실질적으로 천연 가스의 연소에 대한 사실상 이론공연비(stoichiometric ratio)인 약 1:2 내지 약 1:6, 약 1:16 또는 약 1:20까지의 범위 내로 조절될 수 있을 것이다. 다양한 연료들이 이용되는 실시예들에 대해, 연료:산소 비는 양호하게는 대응하는 범위, 즉 이론공연비로부터 이론공연비보다 3배, 8배 또는 10배까지도 더 작은 비율로 조절될 수 있을 것이다.

양호한 실시예에서, 버너 속의 연료 유동은 압축 공기 작동식 또는 긴급 차단(slam shut valve)에 의해 제어된다. 그러한 밸브는 연료 유동의 매우 신속한 조절이 가능하게 한다.

회전식 드럼 노가 이용되는 이 발명의 한 실시예에서는, 노의 회전 운동도 배기 스트림의 온도 변화(dT/dt) 및 광 센서의 신호에 대한 검출된 값에 따라 조절될 수 있을 것이다.

양호하게는, 이 발명의 방법에서는 적어도 하나의 광 센서가 노의 배기 스트림 덕트 내에 설치된다.

더 양호하게는, 적어도 하나의 광 센서가 노의 배기 스트림 포트의 근처에 배치되어, 특히 노 출구 근처의 연소 강도가 검출된다.

단계 b)에서의 광 센서(들)의 신호를 감시하는 것 및 단계 c)에서의 노의 배기 스트림의 온도 변화(dT/dt)를 감시하는 것은 양호하게는 두개의 별도 위치에서 이루어진다.

양호하게는, 노의 배기 스트림의 온도 변화(dT/dt)는 광 센서(들)의 위치의 하류에서 기록된다.

광 센서로부터의 신호를 감시하는 것 외에, 배기 스트림의 온도 변화(dT/dt)를 감시하는 것은 가열될 원료의 오염의 개선된 표지를 제공하며, 그에 따라 가열 공정 제어의 신뢰성을 향상시킨다. 특히, 염류 및 다른 성분의 휘발로 인한 광 센서 신호에서의 긍정 오류(false positives)가 확인될 수 있을 것이다.

배기 스트림의 온도 변화(dT/dt)는 양호하게는 노의 배기 스트림 덕트 내에서 측정된다.

단계 b)에서의 광 센서(들)는 양호하고 및 유리하게는 IR 화염 스캐너(IR flame scanner)(들)이다.

IR 화염 스캐너들의 특성은 이 발명의 방법에서 그들 중 단지 하나만을 이용하게 한다.

보통, IR 화염 스캐너에서는 화염으로부터의 IR 신호를 뜨거운 벽과 같은 무화염원으로부터의 IR 신호로부터 구별하기 위해 화염의 명멸(flickering)이 이용된다.

따라서, 양호한 IR 화염 스캐너는 IR 방사선의 변화에 따라 신호를 생성한다.

IR 화염 스캐너에서의 방사선 검출기는 보통, 1㎛ 내지 3㎛의 범위의 파장을 갖는 방사선에 민감한, 적외선 감응 포토레지스터(infrared-sensitive photo resistor)이다(예를 들어, IR 화염 스캐너는 방사선에서의 변화를 검출함). 일정하게 변하는 변화 빈도 및 변화율을 갖는 화염 고유 방사선(flame-specific radiation)이 거의 완전하게 활용될 수 있도록, 필터링은 협대역이다. 즉, IR 화염 스캐너는, 결국 연소 강도의 간접 측정인, 화염에 의해 발생되는 방사선을 검출한다.

예를 들어, 0V와 +5V 사이일 수 있는 검출기의 아날로그식 출력 신호가 연소 강도에 대한 측정치이다.

시간에 따른 배기 스트림의 온도 변화(dT/dt)는 양호하게는 하나 이상의 열전대(thermocouple)에 의해 측정된다. 열전대(들)는 배기 스트림의 온도를 판단하고, 그 후 dT/dt가 계산된다.

열전대(들)는 배기 스트림에서 및/또는 덕트에서 다중 위치에 배치될 수 있지만, 양호하게는 광 센서(들) 근처에 배치된다.

양호하게는, 광 센서(들)의 신호 및 배기 스트림에서의 dT/dt에 따라, 단계 d)에서 연료:산소 비를 조절하는 것은 다음의 절차, 즉

i) 정상 연료 유동, 양호하게는 신뢰할 만한 최소 연료 유동으로 감소시키고,

ii) 화염 센서의 신호의 수준에 따라 노에 도입되는 산소의 양을 증가시키며,

iii) 산소의 양을 예정된 시간 동안 예정된 비율로 정상 수준으로 램프 다운(ramp down)시키고,

iv) 단계 iii)이 종료될 때 연료 유동을 정상으로 복귀시키는 것을 포함한다.

절차의 원하지 않은 활성화를 회피하기 위해, 양호하게는 시작 조건이 설정된다. 따라서, 상기 절차 i) 내지 iv)를 개시하기 위해서는, 시작 조건이 광 센서로부터의 신호가 예정된 수준보다 높아야 하고, 이와 동시에 배기 스트림에서의 온도 변화가 예정된 값보다 높아야 하는 것이 바람직하다.

이 발명의 방법의 양호한 실시예에서는, 장입구 및 배기 스트림 포트가 노의 가열 챔버의 양측에 배치된다.

또한, 노 속에 도입되는 연료 및 산소 함유 가스가 통과하는 버너는 배기 스트림 포트가 배치된 쪽과 동일한 쪽에 배치되는 것이 양호하다.

이에 따라, 노의 가열 챔버 속으로 도입되는 연료/산소 함유 가스와 폐가스(waste gas)의 유동의 방향은 반대 방향이다.

양호하게는, 노의 가열 챔버 속에는, 연료 및 산소 함유 가스가 통과하여 노 속에 도입되는 단지 하나의 버너가 있다.

또한, 양호하게는 연료 및 산소 함유 가스가 노 속에 도입되는 위치 및 장입구가 노의 가열 챔버의 양쪽에 배치된다. 원한다면, 이러한 요소들이 같은 쪽에 있을 수 있다.

이 실시예는 장입구의 밀폐식 구성과, 그리고 이에 따라 공기의 누입으로부터의 노의 완전한 밀폐를 가능하게 한다.

장입구 및 배기 스트림 포트가 노의 가열 챔버의 양쪽에 배치되고, 배기 스트림 포트가 배치된 쪽과 같은 쪽으로부터 버너를 통해 연료 및 산소 함유 가스가 노 속에 도입되는 회전식 드럼 가열 노가 유럽 특허 제756 014호에 기술되어 있다. 이 문헌의 개시 내용은 참고에 의해 본 명세서에 통합된다.

특히, 유럽 특허 제756 014호에 기술된 노의 모든 실시예가 이 발명의 방법에서의 노의 양호한 실시예로서 본 명세서에 통합된다.

이 발명의 방법에서는, 또한 추가의 산소 함유 가스(예를 들어, 공기보다 더 높은 농도의 산소를 함유하는 가스)가 랜스(lance)를 통해 노 속에 도입되는 것이 양호하다.

이것은 종종 "준비 단계(staging)"라고 지칭되기도 한다. 준비 단계는 노의 가열 챔버 속으로의 화염의 침투를 향상시키고 그 안에서의 혼합을 유도하는 작용을 한다.

양호하게는 랜스는 가스가 초음속으로 통과되게 초음속으로 작동된다.

양호하게는, 노 속에 도입되는 추가의 산소 함유 가스가 버너 화염을 증가시키도록 랜스가 노 속에 배치되고, 더 양호하게는 버너 화염이 향상되도록(예를 들어, 길쭉해짐) 랜스가 버너 위에 배치되어 추가의 산소 함유 가스를 도입한다. 추가의 산소는 연소율을 증가시킬 수 있고, 결국 연료의 사용을 증가시킬 수 있다.

노 속에 도입되는 산소 총량의 70체적%까지 상기 랜스를 통해 도입되는 것이 양호하다.

이는 화염 길이를 조절하고, 양호하게는 가열 챔버의 상부에 사후 연소 지역(post combustion zone)을 생성하는 것을 가능하게 한다.

버너 및/또는 랜스의 산소 함유 가스는 양호하게는 적어도 80체적%, 더 양호하게는 적어도 95체적%의 산소 함량을 갖는다.

이 발명의 방법에서는, 장입 원료가 장입구를 통해 일괄적으로 또는 연속적으로 노 속으로 도입된다.

이 발명은 또한 상술한 실시예들 중 임의의 실시예에서의 이 발명의 방법을 수행하는 장치에 관한 것이다.

특히, 이 발명은 가열 챔버, 장입구, 배기 스트림 포트 및 배기 스트림 덕트를 갖는 노와,

a) 화염이 형성되도록 연료 및 산소 함유 가스를 가열 챔버 속으로 도입하는 버너,

b) 가열 챔버 및/또는 배기 스트림 덕트(예를 들어, 폐쇄형 또는 개방형 배기 스트림 덕트) 내에 설치된 적어도 하나의 광 센서,

c) 시간에 따른 배기 스트림의 온도(T)의 변화(dT/dt)를 감시하는 감시 수단, 및

d) 광 센서(들)의 신호 및 배기 스트림에서의 dT/dt에 따라, 단계 a)에서의 연료:산소 비를 조절하는 조절 수단을 포함하는 장치에 관한 것이기도 하다.

이 발명의 방법의 상술한 모든 실시예들은 적용 가능한 장치에 관련된다.

본 발명에 따르면, 노에서 원료를 가열할 시에 원료가 유기 오염되는 것을 저감할 수 있는 방법 및 장치가 제공된다.

이제, 첨부 도면을 참고하여 양호한 실시예에 의해 이 발명이 상세하게 기술될 것이다.
도 1은 이 발명에 따른 방법을 수행하도록 설계된 회전식 드럼 노인 이 발명에 따른 장치의 한 실시예의 단면도.
도 2는 이 발명에 따른 산소:연료 비의 조절 없이 알루미늄 조각 가열이 수행되는 가열 노의 배기 스트림의 온도 전개를 보여주는 도면.
도 3은 이 발명에 따른 산소:연료 비의 조절과 함께 알루미늄 조각 가열이 수행되는 가열 노의 배기 스트림의 온도 전개를 보여주는 도면.

도 1에는, 원통 형상을 가진 회전식 드럼 노(1)가 도시되어 있다. 노(1)의 가열 챔버(11) 속에는, 제련될 장입 원료(6)가 퇴적된다. 노(1)의 가열 챔버(11)의 양 단부는 테이퍼진다. 한 단부에는, 노 속에 도입되거나 또는 노의 밖으로 꺼내지는 장입 원료(6)가 통과하는 장입구(2)가 제공된다. 장입 이벤트의 종료시에, 장입구(2)가 가열 챔버(11)에 밀폐식으로 접속될 수 있을 것이다.

장입구(2)의 단부의 반대쪽에 있는 노(1)의 가열 챔버(11)의 단부에는, 가열 버너(3)가 제공된다. 가열 버너(3)는 노의 배기부와 같은 쪽에 배치된다. 어떤 경우에는, 버너(3)는 (예를 들어, 배기 스트림의 출구가 가열되게 하기 위해) 배기관(4)이 접속되는 배기 스트림 포트(7)에 인접하게 또는 배기 스트림 포트에 배치된다. 배기관(4)에는 열전대(5)가 배치되고, 그것에 의해 배기 스트림의 온도가 측정되며, 그 데이터로부터 온도 변화(dT/dt)가 계산된다. 노(1)의 배기관(4)에는 열전대(5)의 근처에서 열전대(5)의 상류에 IR 화염 스캐너(10)가 제공된다.

가열 챔버(11)의 장입구(2)는 그 작동에 있어서 가열 챔버(11)와 동시 회전한다. 그러나, 양 단부에 있는 가열 버너(3) 및 배기관(4)은 회전하지 않게 배치된다.

가열 공정에서는, 노(1)의 가열 챔버(11) 속으로 연장하는 화염(9)이 버너(3)에 의해 발생된다. 전형적으로, 화염은 노의 길이의 적어도 3분의 2만큼 연장한다. 화염(9)에 의해 가해지는 열로 인해, 장입 원료(6)가 가열되고, 전형적으로 노(1)의 가열 챔버(11)의 연속적인 회전과 함께 용융하여 원료(6)의 다소간의 일관된 가열이 성취되게 한다.

선택적으로, 랜스(8)가 버너(3) 위에 마련될 수 있으며, 이 랜스를 통해 추가의 산소/산소 함유 가스가 노(1)의 가열 챔버(11) 속으로 더 도입되어 화염(9)이 증대되게 한다. 랜스(8)는 노의 버너와 동일 또는 상이한 쪽을 포함하여 임의의 적절한 위치에든 배치될 수 있다.

이러한 가열 절차로부터 실현되는 배기 스트림은 배기 스트림 포트(7)를 통해 배기관(4) 속으로 도입되고, 이에 의해 그것은 가열 버너(3)의 화염을 지나 흘러서 예를 들어 탄화수소와 같은 폐가스에 함유된 유해물질이 소각될 수 있게 한다.

버너(3)에 적용되는 연소를 위해 요구되는 연료 및/또는 연소 공기나 산소의 체적은, 그리고 선택적으로는 또한 노(1)의 가열 챔버(11)의 회전은, 배기관(4)에 배치된 열전대(5) 및 화염 스캐너(10)로부터의 신호에 따라 조절된다. 이에 따라, 연료의 연소 및 오염물질의 소각으로부터 발생하여 노(1)의 가열 챔버(11) 속에 제공되는 에너지는 일정하게 유지되어 가열 절차에서 균질한 시퀀스(homogeneous sequence)를 보장하고 가열 공정으로부터 발생하는 폐가스 속의 유해물질을 최소화 한다.

가열 공정의 시작시에, 우선 장입 원료(6) 속에 있는 유기 성분이 열분해되어 가열 챔버(11) 속의 탄화수소의 농도를 높인다. 이것을 보상하기 위해, 배기 스트림의 온도 변화(dT/dt) 및 IR 화염 스캐너로부터의 신호에 기반하여 아래에 기술하는 절차가 개시된다. 추가의 산소 및 감소된 연료량이 가열 챔버(11) 속에 공급되면서, 가열 챔버(11) 속에 존재하는 탄화수소가 소각되어 그 농도가 저감된다.

장입 원료(6)에 있는 유기 성분의 휘발의 완료 - 배기 스트림의 온도 변화(dT/dt)의 감소에 의해 검출 가능함 - 시에, 버너(3)는 증가된 연소율로 화학량론적으로(stoichiometrically) 또는 미약하게는 화학량론 이하로(understoichiometrically) 다시 작동되며, 이에 따라 노(1) 속에서 버너(3)에 의한 연료 이용 가능성이 증가하고 장입 원료(6)의 가열이 신속하게 이루어져, 알루미늄의 손실을 회피하기 위해 노(1) 속의 산소의 농도가 경미해지게 한다.

예를 들어 탄화수소와 같은 가열 중의 열분해로부터 발생하는 유해물질의 체적에 의한 농도는, 특히 노(1)의 가열 챔버(11)의 회전 속도에 좌우되며, 따라서 열전대(5) 및 화염 스캐너(10)의 신호에 의해, 유해물질의 체적이 더 최소화되도록 가열 챔버(11)의 회전 운동이 조절될 수 있을 것이다.

회전식 드럼 노(1)의 이 실시예에서, 가열 챔버(11) 속으로의 산소 및 연료 도입의 조절은 광 센서(IR 화염 스캐너)의 신호 및 배기 스트림의 온도 변화(dT/dt)에 기반하여 다음과 같이 이루어질 수 있다.

배기관 속에 설치된 IR 화염 스캐너(10)는 IR 방사선 및 그에 따른 화염 강도에서의 변화를 0%와 100% 사이에서 변하는 전자적 아날로그식 신호로서 검출한다. 이와 동시에, 덕트 속의 열전대(5)는 배기 스트림의 온도를 측정한다.

두 신호 모두, 측정된 온도의 변화(dT/dt)가 전자적으로 계산되는, 제어 장치에 공급된다. 제어 장치는 두 신호에 기반하여 다음의 절차에 의해 산소 및/또는 연료 조절을 행한다.

i) 실제의 연료 유량 Q_{f , act}을 신뢰성 있는 최소량 Q_{f , set , min}으로 감소시키고,

ii) IR 화염 스캐너의 신호의 수준에 따라 노에 도입되는 산소의 양 Q_{O2 , act}을 증가시키며,

iii) 산소의 양 Q_{O2 , act}을 예정된 시간 동안 예정된 비율로 정상 수준으로 램프 다운시키고,

iv) 종료시에 연료 유량 Q_f,act을 정상 가열 조건 Q_f,set,norm으로 복귀시킨다.

장입된 재료의 설정 및 품질에 따라, 장입이 종료되고 노 구(furnace door)(2)가 폐쇄되고 나서 몇 시간 후에 이러한 절차가 시작될 수 있을 것이다.

절차의 원하지 않은 활성화를 회피하기 위해, 개별적인 노마다 다를 수 있는 시작 조건이 설정된다. 이에 따라, 상기 절차를 개시하기 위해서는, 시작 조건이, IR 화염 스캐너로부터의 신호가 예정된 수준보다 높아야 하고, 이와 동시에 배기 스트림에서의 온도 변화 dT/dt_{set , start}가 예정된 값보다 높아야 하는 것이다.

또한, 조절 절차의 비활성화를 위해 제2 온도 변화점 dT/dt_{set , stop}이 미리 설정되며, 이는 소정 이력 현상(hysteresis)을 시스템에 포함시키도록 하고 오신호(false signal) 검출을 방지하도록 한다.

상이한 온도 수준에서의 상이한 설정을 허용하기 위해, 제2 세트의 파라미터들이 추가될 수 있을 것이다. 이는 더 높거나 낮은 온도 슬롯(temperature slot)에서의 작동시에 시스템을 활성화/비활성화하기 위한 상이한 온도 변화가 적용되어야만 하는 상황을 다루기 위해 필요하다.

추가의 산소의 필요는 IR 스캐너로부터의 신호(IR_act)에 따라 계산된다. IR_act와 산소 유량 Q_O2의 증가 사이의 관계는 미리 설정된다.

그 후, 가열 챔버(11)에 도입될 것이 요구되는 총 산소 유량 Q_O2act이 제어 장치에서 계산된다.

그 후, 시스템은 램프 계산(ramp calculation)에 의해 Q_O2add를 감소시킨다.

IR 화염 스캐너로부터의 다른 신호 피크를 램프 다운하는 동안에 램프의 실제 위치보다 더 높은 대응 산소 수준을 갖는 것이 발생하면, 새로운 산소 유량이 계산되고, 램프는 새로운 값으로 다시 시작한다.

예를 들어 반복적인 램프 재시작로 인해, 장입구(2)를 폐쇄한 후 최대 시간이 도래하면, 시스템은 안전상의 이유로 비활성화되거나 또는 활성화를 방지할 수 있을 것이다. 잘못된 파라미터들이 연속적인 산소 농후 작동을 초래하는 것을 회피하기 위해, 최대 활성화 시간이 설정될 수도 있을 것이다.

조절 절차가 회전식 드럼 노의 예에 대해 기술되었을지라도, 다른 실시예의 가열 노에도 동등하게 잘 적용될 수 있을 것이다.

도 2와 도 3 사이의 비교로부터 알 수 있듯이, 가열 노의 배기 스트림 온도는 더 균일하며, 특히 1150℃를 (훨씬) 초과하는 온도 피크가 회피될 수 있다. 이는 가열 챔버(11) 속의 과잉 가연성 물질에 의해 유발되는 배기관(4)에서의 연소가 가능한 한 회피될 수 있음을 나타낸다.

Claims (16)

1. 가열 챔버, 장입구, 배기 스트림 포트 및 배기 스트림 덕트를 갖는 노(爐)에서 비철 또는 철 금속 함유 원료를 가열하는 가열 방법으로서,
   a) 화염이 형성되도록 버너를 통해 노의 가열 챔버 속에 연료 및 산소 함유 가스를 도입하는 단계,
   b) 가열 챔버 또는 배기 스트림 내에 설치된 적어도 하나의 광 센서의 신호를 감시하는 단계,
   c) 시간에 따른 배기 스트림의 온도(T) 변화(dT/dt)를 감시하는 단계, 및
   d) 광 센서(들)의 신호 및 배기 스트림에서의 dT/dt에 따라, 단계 a)에서의 연료:산소 비를 조절하는 단계
   를 포함하는 가열 방법.
2. 제1항에 있어서, 노는 회전식 드럼 노인 것인 가열 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 비철 또는 철 금속은 알루미늄인 것인 가열 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 노 속에 도입되는 산소의 양을 변화시키는 것에 의해 또는 노 속에 도입되는 연료의 양을 변화시키는 것에 의해 연료:산소 비가 조절되는 것인 가열 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 하나의 광 센서는 노의 배기 스트림 덕트 내에 설치되는 것인 가열 방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 노의 배기 스트림의 dT/dt는 광 센서(들)의 위치의 하류에서 기록되는 것인 가열 방법.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 하나의 광 센서는 IR 센서인 것인 가열 방법.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 배기 스트림의 dT/dt는 열전대에 의해 측정되는 것인 가열 방법.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 장입구 및 배기 스트림 포트는 노의 양쪽에 배치되는 것인 가열 방법.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 연료 및 산소 함유 가스는 배기 스트림 포트가 배치된 쪽과 동일한 쪽으로부터 노 속에 도입되는 것인 가열 방법.
11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 추가의 산소 함유 가스가 랜스(lance)를 통해 노 속에 도입되는 것인 가열 방법.
12. 제11항에 있어서, 랜스는, 노 속에 도입되는 추가의 산소 함유 가스가 버너 화염을 증대시키도록 배치되는 것인 가열 방법.
13. 제12항에 있어서, 랜스는 버너 위에 배치되는 것인 가열 방법.
14. 제1항 또는 제2항에 있어서, 장입 원료가 장입구를 통해 연속적으로 노 속에 도입되는 것인 가열 방법.
15. 제1항 또는 제2항에 있어서, 산소 함유 가스는 적어도 80%의 산소 함량을 갖는 것인 가열 방법.
16. 제1항의 가열 방법을 수행하는 장치로서, 가열 챔버, 장입구, 배기 스트림 포트, 및 배기 스트림 덕트를 갖는 노와,
    a) 화염이 형성되도록 연료 및 산소 함유 가스를 가열 챔버 속에 도입하는 버너,
    b) 가열 챔버 또는 배기 스트림 덕트 내에 설치되는 적어도 하나의 광 센서,
    c) 시간에 따른 배기 스트림의 온도(T) 변화(dT/dt)를 감시하는 감시 수단, 및
    d) 화염 센서의 신호 및 배기 스트림에서의 dT/dt에 따라, 단계 a)에서의 연료:산소 비를 조절하는 조절 수단
    을 포함하는 장치.

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