KR20130132511A - 역류 축열식 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

예시적 실시예는 축열식 버너 장치를 제공한다. 상기 장치는, 버너 하우징을 통해 연장되는 가스 유로를 구비하는 버너 하우징, 상면과 하면을 갖는 유체-다공질 축열식 매체 베드를 둘러싸는 하우징이 채용된 단일-스테이지 축열기를 포함한다. 상기 하우징은 장치의 외부와 연통되는 개구부를 구비한다. 상기 하우징 내의 제1 가스 통로는 상기 버너 하우징의 가스 유로와 상기 축열식 매체 베드의 하면을 직접적으로 상호접속시킨다. 상기 하우징 내의 제2 가스 통로는 상기 외부와 연통되는 상기 하우징 내의 개구부와 상기 축열식 매체 베드의 상면을 상호접속시킨다. 상기 제1 및 제2 가스 통로들은 상기 축열식 매체 베드를 통해서만 실질적으로 서로 연통된다. 이 배치는 고온의 폐연소 가스들이 매체 베드를 통해 상방으로 통과되도록 하며, 이에 따라 가스 중의 임의의 응축성 오염물질이 매체 베드 내에서 액체로 응축되며, 고체로 되기 전에 중력하에서 베드 밖으로 유동된다. 그 후, 액체 오염물질은 매체 베드 아래의 위치로부터 축열기에서 제거될 수 있다.

Description

역류 축열식 장치 및 방법{REVERSE FLOW REGENERATIVE APPARATUS AND METHOD}

본 발명은 열 손실을 최소화하면서 노 등을 가열하는데 사용되는 역류 축열 식 버너 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 이러한 장치들에 사용된 열교환 매체의 오염의 문제에 대처하는 방법들과 장치들에 관한 것이다.

가연성 연료 버너들은 스크랩 알루미늄과 같은 금속들, 유리 및 다른 재료들을 용융시키기 위한 노를 가열시키기 위해 종종 채용된다. 이 버너들은 연소 공기의 공급을 필요로 하고 노 내로 도입되는 고온의 연소 가스의 실질적인 체적을 생성한다. 축열식 버너(regenerative burner)들은 노를 빠져나가 폐기 처리되는 열을 재순환시키는 것에 의해 연비를 향상시키도록 설계된다. 통상적으로, 두 개의 연료 버너가 직렬로 사용되며, 열흡수 재료의 두 개의 유체-다공질체, 통상적으로 내화성 재료의 입자들로 구성된 매체 베드(media bed)들과 조합된다. 이 매체 베드들은, 접촉시의 가스와 베드들의 상대 온도에 따라 베드들을 통과하는 가스로부터 열을 흡수하거나 또는 가스로 열을 전달한다. 두 개의 버너들 중 제1 버너가 작동될 때, 궁극적으로 노로부터 배출되는 폐연소 가스가 생성되고, 매체를 가열하도록 매체 베드들 중 하나를 통과한다. 제1 버너에 대한 연소 가스, 통상적으로 공기는 이전 버너 사이클로부터 이미 가열된 매체에 의해 가열되는 제1 매체 베드를 통해 동시에 인출된다. 효율성을 최대화하기 위한 기간(종종 30초 내지 3분) 후에, 제1 버너는 꺼지고 제2 버너가 점화된다. 그 후, 제2 버너에 대한 연소 가스는 (제1 버너로부터의 폐가스에 의해 사전에 가열된) 제2 매체 베드를 통해 인출되며, 제2 버너로부터의 폐연소 가스는 노로부터 인출되어 제1 매체 베드를 통과하며, 이에 따라 폐연소 가스는 다시 가열된다. 이러한 방식으로 버너들을 순환시키는 것에 의해, 폐열은 큰 폭으로 포획되어 노 내로 다시 도입되며, 이에 따라 노는 개선된 효율로 작동된다. 명백하게, 하나의 노에 대해 두 개 이상의 버너들을 제공하는 것이 가능하며, 하나의 버너 그룹으로부터의 폐가스들은 조합된 축열식 매체 베드들에 의해 다른 그룹으로부터의 연소 가스를 예열하는데 사용되거나, 또는 버너들은 둘씩 짝을 지어 작동될 수 있으며, 이들은 서로 다른 가열 사이클들을 가질 수 있다.

이러한 방식에서 사용된 축열식 버너들의 결점은, 그들의 조합된 매체 베드들이 노로부터 취하고 베드들을 통과한 폐가스들 내의 오염물질들에 의해 종종 오염되기 시작한다는 것이다. 오염물질의 성질은 노에서 가열되는 재료에 의존한다. 예를 들면, 노가 스크랩 알루미늄을 재용융시키는데 사용될 때, 금속의 용융을 용이하게 하고 금속 산화를 회피하기 위해 종종 염 플럭스(salt flux)들이 첨가된다. 염 플럭스들은 노 작동 온도에서 부분적으로 기화되고, 이어서 매체 베드들 내에서 응축되며, 이에 의해 베드들을 통한 가스 유동을 제한시키고 궁극적으로 베드들을 막게 된다. 휘발된 염 플럭스들은, 초기에는 액체로 응축되지만, 베드들을 통해 저온 영역으로 진행될 때 결국에는 고체로 된다. 이 문제는 종래 기술에서 잘 인식되어 있으며, 퇴적된 오염물질을 어떻게든 제거하는 것에 의해 이 문제를 해결하고자 하는 많은 시도들이 있어 왔다.

미국 공개 특허 공보 제2002-0072020호(크레인 등에게 2002년 6월 13일에 공개됨)는 금속 용융로에서 사용된 형태의 전형적인 버너/매체 베드 조합을 개시한다. 이 공보는, 매체 베드가 용납되지 않을 정도로 오염되기 시작될 때 전체 매체 베드를 교환하기 위한 편리한 방법을 개시한다. 따라서, 제거된 매체 베드는 새로운, 개조된 또는 다른 방식으로 오염이 제거된 매체를 포함하는 예비 매체 베드에 의해 최소의 지연으로 교환된다.

미국 특허 제4,944,670호(왓슨에게, 1990년 7월 31일에 발행됨)는 알루미늄 용융 설비에서 사용될 수 있는 축열식 베드들을 구비한 두 개의 버너 노를 개시한다. 이 특허는, 베드들이 염 등으로 오염되기 시작하는 것을 지적하고, 그리고 수집하여 폐기시킬 수 있는 흡수된 염을 용융시키도록, 정기적으로 베드들을 고온으로 가열시키는 제어 시스템을 개시한다.

미국 특허 제4,807,695호(워드에게, 1989년 2월 28일에 발행됨)는 유리 또는 비철 금속들을 용융시키기 위한 축열식 버너 시스템에서 사용하기 위한 축열기의 설계를 개시한다. 이 발명은, 베드의 일단부에서 깨끗한 내화성 볼(clean refractory ball)(베드의 매체 입자)들을 첨가하기 위한 입구 및 베드의 타단부에서 오염된 볼들을 제거하기 위한 수단을 제공한다. 이러한 방식으로, 오염물질들이 제거되고 베드는 재생된다.

미국 특허 제4,923,391호(기트만에게, 1990년 5월 8일에 발행됨)는 오염물질들이 특히 높을 때 가열 사이클의 특정 단계들에서 축열식 베드를 우회시키기 위한, 알루미늄 용융을 위한 축열식 버너 제어 시스템을 개시한다. 따라서, 베드의 오염이 감소될 수 있다.

영국 특허 출원 제2 209 386호(윌스 등에게, 1989년 5월 10일에 공개됨)는 쉽게 세척할 수 있는 덕트부에서 오염물질들이 응축되도록 중간 냉각 단계(두 개의 축열식 베드들 사이)를 사용하는, 유리 용융을 위한 축열식 버너 시스템을 개시한다.

영국 특허 출원 제2 192 264호(굿펠로우에게, 1988년 1월 6일에 공개됨)는 가스가 제1 부분을 통해 하방으로 통과되고, 그 후 제2 부분을 통해 상방으로 통과되는 방식의 두 개의 부분들로 배치된 축열식 베드를 구비하는 축열식 버너 시스템을 개시한다. 온도 프로파일은, 오염 구역이 베드의 제1 부분의 최하부층에 근접하여 위치되도록 배치되며, 그 결과 온도 프로파일의 비교적 작은 변경은 베드의 제1 부분으로부터 용융 상태의 차단 재료의 이동을 얻는다. 이 오염물질들은 수집되어 폐기된다.

2006년 5월 4일에 공개된 미국 공개 특허 공보 제2006/0093978호는, 고체 오염물질들을 제거하기 위해 입자들이 서로에 대해 이동을 일으키도록 아래로부터 매체 베드를 통해 오염제거 가스의 급속 유동을 도입하는 것에 의해 매체 베드를 세정하는 방법과 장치를 개시한다.

문제를 해결하기 위한 이들 해결책들은 일부 방식에서는 효과적일 수 있지만, 이들은 장치 또는 매체의 빈번한 교환의 고비용의 수정을 필요로 하는, 결점을 갖는다.

따라서, 축열식 베드들을 통한 가스 유동, 특히, 연소 가스들이 응축성 오염물질들을 함유할 때의 가스 유동을 감소시키는, 매체의 오염을 처리하는 다른 방식들이 필요하다.

본 발명의 일 실시예는 축열식 버너 장치를 제공한다. 상기 장치는, 내부를 관통하여 연장되는 가스 유로를 구비하며 가연성 연료 버너를 수용하는 버너 하우징 및 상면과 하면을 갖는 유체-다공질 축열식 매체 베드를 둘러싸는 하우징이 채용된 단일-스테이지 축열기를 포함한다. 상기 하우징은, 통상적으로 (필수적인 것은 아니지만) 추가의 튜브, 파이프 또는 통기구를 통해, 상기 장치의 외부와 연통되는 개구부를 구비한다. 상기 하우징 내의 제1 가스 통로는 상기 버너 하우징의 가스 유로와 상기 축열식 매체 베드의 하면을 직접적으로 상호접속시킨다. 상기 하우징 내의 제2 가스 통로는 상기 외부와 연통되는 상기 하우징 내의 상기 개구부와 상기 축열식 매체 베드의 상기 상면을 상호접속시킨다. 상기 제1 및 제2 가스 통로들은 상기 축열식 매체 베드를 통해서만 실질적으로 서로 연통되며, 이에 따라 하나의 가스 통로로부터 다른 가스 통로로 통과되는 가스가 매체 베드를 통해 유동된다. 물론, 실제에서는, 장치 전체의 효율이 중요하지 않은 경우에는, 일부 가스가 매체 베드 둘레로 누설될 수 있다.

본 명세서에서 사용된 용어 "단일-스테이지"는, 열이 단일의 연속적이고 중단 없는 열 전달 구역에서만 내화성 매체와 교환되는, 매체 베드 또는 축열기를 설명하는 것임을 주의하여야 한다. 이것은, 예를 들어, 영국 특허 출원 제2 192 264호(전술함)에 나타낸, 한쪽 매체 베드로부터 다른쪽 매체 베드로 이어지는 유로가 제공된 두 개의 매체 베드와 종류의, 이중 또는 다중-스테이지 매체 베드 또는 축열기와 대조된다.

이 배치는, 고온의 폐연소 가스들이 매체 베드를 통해 상방으로 통과되도록 하고, 이에 따라 가스들 내의 어떤 응축성 오염물질은 매체 베드 내에서 액체로 응축되어 고체로 되기 전에 중력 하에서 베드 밖으로 유동되도록 한다. 그 후, 액체 오염물질은 매체 베드 아래의 위치로부터 축열기로부터 제거될 수 있다. 따라서, 고온의 연소 가스들이 노 등으로부터 제1 개구부를 통해 그리고 매체 베드를 통해 배기될 때, 응축된 오염물질들은 저온의 상면 대신에 고온의 매체 베드의 면(고온의 연소 가스들에 의해 가열되는 당시의 하면)을 향하여 중력하에서 유동되며, 이에 따라, 응축된 오염물질들이 매체 베드를 빠져나가기 전에 응결되어 고화되는 가능성을 감소시킨다.

전술한 바와 같이, 제1 유로는 제1 개구부를 유체-다공질체의 하면에 직접적으로 연결시킨다. 용어 "직접적으로"는, 유로를 통과하는 가스들이, 유로의 측면들로부터 자연적으로 빠져나가는 열을 제외하고, 가스들과 상당한 양의 열을 교환하는 임의의 물체 또는 장치를 직면하지 않는다는 것을 의미한다. 따라서, 고온의 폐연소 가스들이 제1 유로를 통과할 때, 휘발된 오염물질들로 완전히 채워진 연소 가스들은, 가스들이 유체-다공질체의 하면을 통해 유체-다공질체로 진입하기 전에, 휘발된 오염물질들의 현저한 응축을 일으킬 수 있는 열의 양을 손실시키지 않고, 유체-다공질체의 하면에 직접적으로 인도된다.

바람직하게는, 하우징은 축열식 매체 베드의 하면 바로 아래에 있는 액체 수집 챔버를 포함하며, 챔버의 저부 벽 내에, 선택적으로 천공 커버 플레이트로 덮여지거나 또는 덮여있지 않은 상태인 배수조(sump)를 포함할 수 있다. 챔버 또는 배수조에는 액체-제거 배출구가 제공되어 있으며, 이 배출구에는 제거 가능한 폐쇄 요소가 선택적으로 제공되며, 이에 따라 액체 오염물질들은 정기적으로 제거될 수 있다. 대안적으로, 배출구는 오염물질들의 연속적인 제거를 위해 개방 배출관(open drain tube)에 선택적으로 연결될 수 있다.

매체 베드는 내화성 재료의 개별(discrete) 입자들, 예를 들어 구(sphere) 또는 다른 규칙적인 또는 불규칙적인 형상의 입자들의 충전층의 형태일 수 있다. 대안적으로, 매체 베드는 유로 또는 상호접속된 구멍들이 제공된 유체-투과성 고체일 수 있다.

바람직하게는, 축열기의 하우징은 축열식 매체 베드를 유지하는 하부와 상기 하부로부터 착탈 가능한 상부를 포함하는 두 개의 부분으로 구성된다. 이 두 개의 부분들은, 바람직하게는 하우징의 일측에 설치된 하나 이상의 힌지로 함께 결합되며, 매체 베드로의 접근이 필요할 때까지 이들 부분들을 함께 유지하도록 해제 가능한 패스너, 예를 들어 연결 볼트들이 반대측에 제공될 수 있다.

바람직하게는, 축열기의 하우징은 제1 통로를 적어도 라이닝하는 내화성 재료의 단열층을 구비한다.

다른 예시적 실시예에 따르면, 축열식 버너 장치용 단일 스테이지 축열기가 제공되며, 상기 축열기는, 상면과 하면을 갖는 유체-다공질 축열식 매체 베드를 둘러싸며, 상기 장치의 외부와 (직접 또는 간접으로) 연통되는 개구부 및 버너 하우징과의 연결을 위한 포트를 구비하는 하우징; 상기 포트와 상기 축열식 매체 베드의 상기 하면을 직접적으로 상호접속시키는, 상기 하우징 내의 제1 가스 통로; 및 상기 외부와 연통되는 상기 하우징 내의 상기 개구부와 상기 축열식 매체 베드의 상기 상면을 상호접속시키는, 상기 하우징 내의 제2 가스 통로를 포함하며, 상기 제1 및 제2 가스 통로들은 상기 축열식 매체 베드를 통해서만 서로 연통된다.

또 다른 예시적 실시예에 따르면, 가열되는 충전물과 휘발성 오염물질을 함유하는 노를 가열하기 위한 방법이 제공되며, 상기 방법은, 가열된 연소 가스의 노 내로의 도입과 상기 노로부터 배출된 폐연소 가스로부터의 열의 회수를 교대로 실행하기 위해, 두 개 이상의 축열식 버너 장치가 사용되며, 상기 두 개 이상의 축열식 버너 장치들은 각각, 상면과 하면을 갖는 단일 스테이지 축열식 버너 베드를 채용하며, 상기 방법은, 고온의 연소 가스를 상기 노로부터 통과시키고 그 후 외부 연소 공기를 상기 축열식 매체 베드들을 통과시키는 단계를 교대로 실행하는 단계를 포함하며, 상기 노로부터의 상기 고온의 연소 가스들은, 상기 베드의 상기 하면으로부터 상기 상면으로 상기 베드들 중의 하나 이상을 통해 상방으로 통과되며, 상기 외부 연소 공기는, 상기 베드의 상기 상면으로부터 상기 하면으로 상기 축열식 베드들 중의 하나 이상을 통해 하방으로 통과되며; 그리고 액체 형태의 상기 오염물질은, 상기 축열식 매체 베드들 아래에 있는 상기 장치들 중 하나 이상으로부터 제거된다.

본 발명의 모든 실시예들에 있어서, 매체 베드를 통한 가스 유동이 가능한 한 고체 오염물질들의 퇴적을 회피하도록 최적화되는 것을 보장하는 것이 바람직하다. 매체 베드를 지지하는 격자의 기공률이 낮으면, 응축된 액체 염이 완전하게 배출되지 않으며, 이에 따라 고화된 오염물질들이 결국에는 베드를 막을 수 있다는 것이 관찰되었다. 실제로는, 문제는, 사이클의 배기부 사이에 매우 강한 가스 유동과 조합된 매우 작은 격자 기공률에 의해 발생된다는 것이 이론화되어 있다. 버너가 작동하지 않고 노로부터의 배기 가스가 매체 베드를 통해 유동될 때, 이 배기 가스에 혼입된 가스상 염은 매체 베드와 접촉하면서 액체로 변화된다. 그러나 염의 대부분은, 격자의 고체 부분의 면적에 대한 격자의 매우 작은 개구부의 면적에 의해 배출되지 않는다. 이 문제는, 베드로 다시 염을 밀어붙이는 경향이 있는, 사이클의 이 부분에서의 배기 가스 유동의 상당한 강도에 의해 악화될 수 있다. 시간이 흐르면서 이들 두 개의 요인들의 조합은, (저부로부터) 염을 응결시키고 고체의 딱딱한 층을 형성시키기에 충분하게 냉각된 위치로, 베드 두께의 1/3까지 침투될 수 있는 지점에 염이 구축될 가능성이 있다.

만약 문제가, 예를 들어 축열기와 격자의 특정 설계에서 명확하게 되는 경우에, 이 문제는 필요한 격자의 기공률을 증가시키는 것에 의해 해소될 수 있다. 격자에 의해 덮여진 전체 면적(평면으로 보았을 때, 격자의 상면)의 백분율로서 격자의 개구 면적은 바람직하게는 30 내지 90%, 더 바람직하게는 40 내지 70%의 범위이다.

이 문제에 관한 다른 요인은, 매체 베드를 구성하는 입자들의 크기에 영향을 받는 매체 베드 자체의 기공률, 및 격자의 기공률과 매체 베드의 기공률 사이의 상호 작용이다. 결국, 격자의 개구부들은 원형 보다는 연신되는 것이 바람직하며, 이에 따라 매체 베드의 구 형상 입자에 의해 완전하게 폐쇄될 수 없다. 개구부들의 폭에 대한 실제 길이의 비율은 선택적이지만, 일반적으로 개구부들은 폭에 대한 길이가 통상 2배 이상이며, 더 바람직하게는 5배 이상이다. 물론, 개구부들의 전부가 동일한 크기와 형상일 필요는 없으며, 지지 지주 및 다른 설계상의 이유들에 대한 위치를 수용하도록 다른 크기와 형상의 개구부들을 채용하는 것이 이로울 수 있다.

다른 고려사항은, 개구부들의 폭이 증가될 때, 매체 베드의 입자들은 위로부터 개구부들 내로 더 낮게 놓여질 수 있으며, 이에 따라 개구부의 상단부에서 고체 물질의 보다 큰 단면을 제시하고, 이에 따라 가스 유동에 대해 보다 큰 저항을 갖는 것이다. 이에 대한 보상은 입자들의 크기를 증가시키는 것에 의해 구성될 수 있지만, 이는 매체 베드의 전체 기공률에 영향을 끼칠 수 있다. 예를 들면, 매체 베드가 예를 들어 1 인치(25 mm)의 직경을 갖는 알루미나 또는 다른 세라믹과 같은 구로 구성되고, 개구부들이 0.75 인치(19 mm)의 폭 대신에 0.88 인치(22 mm)의 폭을 가질 때, 구는 더 넓은 개구부들 내에 낮게 놓여져 매체가 개구부 존재할 때 "유효" 개구 면적을 줄어들게 한다. 보상을 위해, 1 인치 이상 내지 1.5 인치(25 내지 38 mm) 직경의 보다 큰 구가 사용될 수 있다. 이러한 큰 구는 약 40%까지 유효 기공률을 증가시키는 것으로 추정된다.

전술한 바와 같이, 사이클의 배기 행정 중의 가스 유동의 강도는 또한 베드에 고체 구축의 문제에 영향을 끼친다. 전형적으로, 배기 가스는 매체 베드/격자 계면에서 약 1,890 ft/min(576 m/min)의 가스 속도를 가지며, 이는 베드로부터의 염 유동을 지연시키도록 충분히 강할 수 있다. 이 위치에서의 가스 유동은 격자의 기공률, 예를 들어 격자의 보다 높은 기공률, 보다 낮은 가스 속도에 의해 직접적으로 영향을 받는다. 격자의 기공률이 증가될 때, 가스의 동일한 체적 유량이 보다 큰 단면적을 갖는 개구부와 동등한 양으로 저속으로 이동된다. 이론적으로는, 기본적인 실시예에서는, 매체 베드/격자 계면에서의 가스 유동은 약 100 ft/min 내지 2,000 ft/min(30 내지 610 m/min)로 변하며, 매체 베드는 유효하게 기능할 것이다. 100 ft/min(30 m/min)에서는 양호한 염의 배출이 최적의 기공률의 넓은 범위에 걸쳐 기대될 수 있지만, 2,000 ft/min(610 m/min)에서는 베드로부터의 염 배출량이 급격하게 제한된다. 개방 격자 설계와 조합하여, 바람직한 가스 속도는 800 내지 1,300 ft/min(244 내지 396 m/min)이며, 이 범위가 최적 노/매체 베드 성능에 대한 균형을 이루는 양호한 배출 범위이다.

격자의 설계가 매우 적은 기공률을 제공하는 것으로 발견되는 경우에, 보다 다공질의 격자로 치환될 수 있으며, 고체의 퇴적은 이하의 절차에 의해 최소한으로 될 수 있다. 이는, 배기 가스의 속도를 감소시키도록 버너 점화비율을 정기적으로 감소시키는 단계를 수반한다. 버너는 둘씩 짝을 지어 작동되며, 전형적으로 매분 마다 또는 수분 마다 순회된다. 절차는, 모든 작동 시간에 대해 짧은 기간(예를 들어, 2 내지 8분, 더 바람직하게는 약 5분) 동안 30%까지 한 쌍의 버너를 통해 연소 가스 유동을 감소시키는 단계를 수반한다. 이는, 매체 베드들로부터 배출시키기 위해 각 시간에 대해 축적되는 염에 대한 여분의 시간을 제공한다. 다수의 쌍의 버너들을 갖는 대형 노들에 있어서, 감소된 버너 출력의 기간은 두 개의 기간이 중첩되지 않도록 전개될 수 있다. 이 절차는 전술한 문제에 대한 영구적인 해결책으로 고려될 수 있거나 또는 다공질 격자가 설치될 때까지의 일시적인 수단으로 고려될 수 있다.

도 1은 노내에 고온의 연소 가스를 도입하기 위한 가연성 연료 버너를 포함하는 종래의 축열식 버너 장치 및 비교 목적을 위해 제공된 관련 노의 일부를 도시하는 개략 수직 단면도이다.
도 2는 예를 들어 도 1에 도시된 종류와 같은, 가연성 연료 버너와의 사용에 적합한 축열식 버너 장치의 일 실시예를 도시하는 수직 단면도이다.
도 3은 명확하게 하기 위해, 버너 하우징이 제거된 다른 예시적 실시예에 따른 축열기를 도시하는 사시도이다.
도 4는 도 3의 선 IV-IV를 따라 취한 축열기의 수직 단면도이다.
도 5는 지지 격자의 설계를 나타내는 제거된 매체 베드를 갖는 축열기의 대안적인 실시예의 저부를 도시하는 평면도이다.
도 6은 도 5의 실시예의 사시도이다.
도 7은 도 5와 도 6에 도시된 격자를 구성하는 어레이를 형성하기 위해 사용된 격자 타일을 도시하는 사시도이다.
도 8은 도 5의 상당도로서, 다른 격자 설계를 갖는 다른 대안적인 실시예를 도시하는 평면도이다.
도 9는 도 8에 도시된 격자 어레이를 구성하는 동일한 타일에서 사용된 격자 타일을 도시하는 평면도이다.
도 10은 도 9의 격자 타일의 일측을 도시하는 측면도이다.
도 11은 도 9의 격자 타일의 타측을 도시하는 측면도이다.
도 12는 격자 타일의 또 다른 실시예를 도시한 사시도이다.
도 13은 도 12의 격자 타일의 평면도이다.

본 발명의 예시적 실시예들은 첨부하는 도면들을 참조하여 이하에서 상세하게 기술된다.

이하의 설명에 있어서, 다수의 도면을 통하여 유사하거나 또는 동등한 요소들은 동일한 참조부호로 식별된다. 그러나 다른 관점의 요소들을 식별하기 위한 단일 참조부호의 사용이, 요소들이 필연적으로 동일하여야 한다는 것을 시사하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 임의의 차이점은 그 자체의 설명과 도면들로부터 명백해질 것이다.

도 1은 크레인 등의 미국 특허 공개 공보 제2002-0072020호(이 공보의 내용은 본 명세서에 참조로 편입됨)에 개시된 종류의 종래의 축열식 연료 버너 장치를 도시한다. 전술한 바와 같이, 도 1에 도시된 버너 장치는 제2의 동일한 또는 유사한 장치와 결합되어 작동된다. 버너 장치는 참조부호 "10"으로 나타낸다. 장치는 연료 버너(13)를 둘러싸는 버너 하우징(11) 및 관형 요소(14)에 의해 버너 하우징(11)에 상호접속된 축열기(12)를 포함한다. 버너 하우징(11)은, 버너 유닛(13)이 점화되어 작동될 때, 고온의 연소 가스를 버너(13)로부터 노 내부로 도입하기 위해 노(15)(일부만 도시됨) 내로 돌출된다. 노(15)는, 예를 들어 금속들, 특히 알루미늄 및 알루미늄계 합금들을 용융시키거나 합금화하는 데 사용될 수 있으며 휘발성 염 플럭스를 포함한다. 가열 운전 중에, 장치의 외부로부터의 연소 공기는 연소 공기 개구부(16)를 통해 축열기(12) 내로 흡입되고, 버너(13)에 대한 산소를 제공하도록 관형 요소(14)를 통해 버너 하우징(12)으로 유동된다. 이 경로에 이어서, 연소 공기는 개별 내화성 입자(18)들, 바람직하게는 구형상의 입자들의 수집으로 구성된 축열식 매체 베드(17)를 통해 유동된다. 입자들이 이전 사이클로부터 뜨거워진 경우, 연소 공기는 구형상 입자들로부터 열을 획득하고 노 내로 열을 이송할 것이다. 버너(13)가 작동되지 않을 때, 버너 하우징(11)은 노(15)로부터의 고온의 폐연소 가스들, 즉 연소 사이클을 작동시키고 있는 동반하는 축열식 버너 장치(도시되지 않음)에 의해 노 내로 도입된 고온의 폐연소 가스들에 대한 배출구로서 작용된다. 고온의 폐연소 가스들은 버너 하우징(12)으로부터 개구부(16)로 유동되고, 이에 따라, 매체 베드(17)를 통과시키고, 그리고 연소 공기 입력의 다음 사이클을 위해 입자들의 온도를 상승시키도록 입자(18)들에 열을 전달한다. 이후에, 연소 공기와 폐연소 가스들은 쌍촉 화살표(19)로 나타낸 바와 같이 관형 요소(14)를 통해 교대로 유동된다. 버너(13)가 작동하지 않는 시간 동안, 고온의 폐연소 가스들은 매체 베드(17)를 통해 하방으로 통과되고 냉각된다. 버너(13)가 작동될 때, 냉각된 연소 공기는 매체 베드를 통해 상방으로 통과되고 가열된다.

이러한 설계와 관련된 문제점은, 노로부터의 고온의 폐연소 가스 중의 오염물질들이 매체 베드(17) 내에 퇴적되어, 베드를 통과하는 가스의 유동을 제한하여, 결국에는 베드를 완전하게 막게 된다는 것이다. 폐연소 가스가 휘발성 염 플럭스와 같은 응축성 오염물질들을 함유할 때 특정의 문제점이 존재한다. 폐연소 가스가 베드를 통해 하방으로 통과될 때, 염 플럭스는 액체로 응축되고, 그리고 이 액체는 중력과 가스 압력의 작용 하에서, 온도가 액체를 응고시키고 고체 침전물을 형성시킬 수 있도록 충분히 냉각되는 매체 베드의 하부로 유동된다. 고체 침전물은 그들의 입자들이 함께 결합될 수 있기 때문에 입자들 사이의 갭들을 막게 되고, 결국에는 가스 유동을 완전히 중지시키게 된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예를 도시한다. 도 2는 축열식 버너 장치(10)의 수직 단면도이다. 장치는 버너 하우징(11) 및 관형 요소(14)에 의해 상호접속된 축열기(12)를 구비한다. 장치는 간략화를 위해 버너 없이 도시되어 있지만 작동 시에 버너 하우징(11) 내에 도 1에 도시된 버너(13)와 같은 버너가 설치될 수 있다. 내화 라이닝(26)이 설치된 외측 금속 쉘(25)을 구비하는 버너 하우징(11)은 관형 요소(14)의 내부와 연통되는 가스 유로(20)를 형성한다. 축열기(12)는 금속으로 제조된 축열기 하우징(21)을 구비하며, 다른 방식으로 고온 가스들과 접촉하는 적어도 그들의 내측 표면 상에 내화 라이닝(22)을 구비한다. 내화 라이닝(22)은 하우징으로부터의 열 손실을 최소화하고 하우징 내부를 부식으로부터 보호하기 위한 단열성을 제공한다. 또한, 물리적으로 그리고 열적으로 내화성 제료로 제조된 분할 벽(23)은 장치의 작동 중에 고온 가스를 저온 가스로부터 분리시킨다. 분할 벽(23)의 하부는 하우징(21)의 하면(24) 가까이에 개구부(49)를 구비한다. 하우징(21)은 기체 및 액체가 통과되도록 하는 유체-다공질체를 형성하는, 개개의 내화성 입자(18)들, 바람직하게는 구 형상의 입자 층들로 제조된 유체-다공질 단일-스테이지 축열식 매체 베드(17)를 둘러싼다. 개별 내구성 입자들의 베드가 이 예시적 실시예에서는 바람직하지만, 다른 유체-다공질체, 예를 들어 기체 및 액체들이 통과되는 다수의 좁은 유로들을 갖거나 또는 다공질체 전체에 걸쳐 분산된 상호접속된 중공 셀들을 포함하는 내화성 재료의 단일체가 사용될 수 있다는 것에 유의하여야 한다. 상면(27)과 하면(28)을 구비하는 매체 베드(17)는, 상호간에 간격을 갖고 거의 직립인 일련의 내화성 지지 지주(30)들에 의해 축열기 하우징의 저면(24) 위에 유지된 내화성 격자(29)에 의해 형성된 천공 지지체 상에 지지되어 있다. 지주(30)들에 의해 점유되고 매체 베드(17) 아래에서 하부 (고온 가스) 챔버(31)를 형성하는 공간은, 사용시에, 고온 가스들, 즉 버너의 작동 상태에 따라 노로부터의 폐연소 가스 또는 매체 베드로부터의 고온 연소 공기 중 하나로 충전된다. 이 고온 가스 챔버는, 분할 벽(23)의 개구부(49)를 통해 버너 하우징 포트(33)를 매체 베드의 하면(28)과 직접적으로 상호접속시키는 축열기(12) 내의 제1 (고온 가스) 통로(32)의 일부를 형성한다. 다음에, 포트(33)는 관형 요소(14)의 내부, 버너 하우징(11)의 가스 유로(20) 및 최종적으로는 노(도시되지 않음)의 내부와 연통된다. 따라서, 이러한 방식에 따른 온도 강하를 최소화하도록 (연속 내화 라이닝의 장점에 의해) 구성된 제1 가스 통로(32)를 통해, 고온 가스들은 노와 매체 베드(17)의 하면(18) 사이에 직접적으로 공급된다. 제1 가스 통로(32)는 방해를 받지 않으며, 그리고 장치가 단일-스테이지 매체 베드(17)를 채용하기 때문에, 통로를 통과하는 가스들의 온도의 현저한 변화를 일으킬 수 있는 추가 베드 또는 이러한 베드의 일부 또는 다른 장치를 포함하지 않는다.

축열기 하우징(21)은, 버너 유닛의 작동 상태에 따라, 하우징 내로 연소 공기를 도입하거나 또는 하우징으로부터의 저온 연소 가스의 제거를 위해 장치의 외부와 연통되는 매체 베드(17) 상의 개구부(34)를 포함한다. 개구부(34)는 적당한 장소, 예를 들어 노 건물의 외벽에 높게 위치된 통기구에 이르는 배관(도시되지 않음)에 접속될 수 있다. 더욱이, 배관을 통과하는 고온의 폐연소 가스 중의 유해 성분들을 제거하기 위해 환경보호장치가 배관에 선택적으로 연결될 수 있다. 매체 베드(17) 위의 축열기 하우징(21)의 내부는, 사용시에, 저온 가스, 즉 외부로부터의 연소 공기 또는 매체 베드(17)를 통과하는 것에 의해 냉각된 폐연소 가스 중의 하나로 충전되는 상부 (저온 가스) 챔버(35)를 형성한다. 상부 챔버(35)는 매체 베드의 상면(27) 및 외부와 연통되는 개구부(34)를 직접적으로 상호접속시키는 축열기 하우징(21) 내의 제2 가스 통로(36)로서 작용한다.

예시적 실시예에 있어서, 저온 가스 챔버(35)는 매체 베드(17) 바로 위에 위치되어 있고, 고온 가스 챔버(31)는 매체 베드 바로 아래에 위치되어 있으며, 그리고 제1 가스 통로(32)(챔버(31)를 포함)와 제2 가스 통로(36)(챔버(35)를 포함)는 다공질 축열식 매체 베드(17)를 통해서만 서로 연통된다.

도 2에 화살표(A)로 도시된 바와 같이, 축열기(20)에 부착된 버너 유닛이 작동되지 않는 시간 동안, 노로부터의 고온의 폐연소 가스들은, 버너 하우징(11) 내의 가스 유로(20)로 진입하여 관형 요소(14)를 통과하고, 포트(33)를 통해 축열기 하우징(21)으로 진입하여 제1 가스 통로(32)를 통과하고, 개구부(49)를 통해 하부 챔버(31) 내의 지주(30)들 사이의 하부 챔버(31) 내로, 매체 베드의 하면(28)을 통해 매체 베드(17) 내로, 매체 베드의 상면(27)을 통해 매체 베드 밖으로, 제2 가스 통로(36)를 형성하는 상부 챔버(35) 내로, 그 후 개구부(34)를 통해 외부로 유동된다. 버너 유닛이 작동될 때에는, 반대 방향의 가스 유동은, 외부로부터 매체 베드(17)를 통해 유동되고, 개구부(34)로부터 포트(33)로, 그리고 포트로부터 버너 하우징(11)으로 통과된다.

고온의 연소 가스가 축열기(12)를 통해 유동될 때, 가스는 매체 베드(17)를 통해 상방으로 통과된다. 따라서, 하면(28)은 베드의 고온 표면이 되고, 상면은 가스가 내화성 입자(18)들과 접촉하는 것에 의해 냉각되는 것과 같이 저온 표면이 된다. 따라서, 매체 베드의 온도는 상방향으로 감소된다. 폐연소 가스가 염 플럭스와 같은 휘발된 오염물질을 함유할 때, 이 오염물질은 온도가 오염물질의 응축 온도 아래로 떨어지는 매체 베드 내의 높이에서 액체로서 응축된다. 응축성 모든 오염물질이 베드 내의 이 높이에서 액체로 변화되면, 베드 내에서 더 높게 이동하는 폐가스는 추가의 응축성 오염물질을 함유하지 않으며, 이에 따라, 베드의 온도가 오염물질의 응고온도 아래로 떨어져도 베드에 고체 오염물질이 형성되지 않게 된다. 그럼에도 불구하고, 폐가스 내에 소량의 응축성 오염물질이 잔류하는 경우에는, 폐가스가 액체로의 응축이 일어나는 그 높이를 초과하여 상승되고, 온도가 오염물질의 응고온도 아래로 떨어지는 구역으로 진입할 때, 오염물질의 대부분이 액체로의 응축을 일으키는 구역 내에 잔류하게 되는 것과 같이 소량의 고체만이 형성될 것이다. 게다가, 액체로 응축된 오염물질이 중력의 영향하에서 유동하게 되면, 매체 베드를 통해 매체 베드의 표면보다 더 고온인 하면(28)을 향하여 하방으로 유동되고, 결국에는 매체 베드로부터 누출되거나 흘러나오게 될 것이다. 매체 베드 아래의 챔버(31)는 항상 고온을 유지하기 때문에, 오염물질은 어떠한 고화 없이 액체로서 유지될 것이다. 액체 오염물질은 결국에는 하우징의 하면(24)으로 배출되어 풀(pool)로서 챔버(31) 내에 수집될 것이다. 하우징의 측벽에는, 액체 형태로 수집된 오염물질이 하우징으로부터 정기적으로 배출되도록 하면(24)에 가까이에, 또는 대안적으로 하면 내에, 배출 구멍(42)이 설치되어 있다. 이 배출 구멍(42)은 제거 가능한 세라믹 플러그(43)에 의해 일시적으로 폐쇄되어 있다. 대안적으로, 배출 구멍(42)은 액체 오염물질의 연속적인 배출을 위해 제공된 배출관(도시되지 않음)에 접속될 수 있다. 액체 오염물질이 주로 노로부터의 응축 플러스 염일 때, 액체 오염물질은 간단한 응고 및 과립 공정을 거친 후에 노로 재순환될 수 있다. 통상, 추가의 개량이 필요하지 않다.

오염물질이 매체 베드(17) 내에서 고화되는 것을 어렵게 하기 위해, 베드는, 상면(27)과 하면(28)들 사이의 깊이가 고온의 연소 가스들이 베드를 통과하는 모든 시간 동안 상면(27)의 온도가 오염물질의 응고 온도 이상으로 유지되도록 제조될 수 있다. 어떠한 오염물질이 폐가스 내에 잔류하는 경우, 이 폐가스가 매체 베드를 통과할 때, 이 폐가스는 베드 내에 고체로서 퇴적될 기회를 갖지 않는다. 물론, 오염물질은 이후에 매체 베드의 하류의 장치의 부품들에 고체로서 퇴적될 수 있지만, 이러한 퇴적물들은 매체 베드 자체를 막는 작용을 하지 않을 것이다. 그러나 이러한 배치는, 폐연소 가스가 다른 방식으로 의도된 것보다 더 높은 온도로 베드를 빠져나갈 수 있기 때문에, 폐연소 가스로부터 매체 베드로 많은 열을 전달하는 의도에 반하므로, 바람직하지 않다. 그러나 이러한 배치는, 고체 퇴적물이 베드를 빠르게 막거나 또는 빈번하게 세척할 필요성을 유발하는 상황에서는 바람직할 수 있다.

고온의 연소 가스가 매체 베드를 통해 유동하기 시작할 때, 이 베드는 (버너가 작동되는 시간 동안 외부로부터의 연소 공기와 접촉하는 것에 의해 냉각될 수 있기 때문에) 전체적으로 매우 저온으로 될 수 있다는 것을 염두해 두어야 한다. 따라서, 오염물질이 액체로 응축될 수 있으며, 그 후 매체 베드가 가스로부터 많은 열을 흡수할 때까지 고온의 연소 가스의 유동의 초기 단계 동안 고체를 형성한다. 이는, 매체 베드가 뜨거워질 때 초기에 퇴적된 임의의 고체 오염물질이 재용융되고 중력 하에서 베드 밖으로 유동되기 때문에 유해하지 않다. 더욱이, 매체 베드에서의 온도 프로파일은 (베드를 통한 고온의 연소 가스의 일정한 유동 중에도) 수시로 변화되어 어느 정도의 응결과 재용융을 일으킬 것으로 예상된다. 그러나 종합적으로는, 고체의 임의의 퇴적이 일어나게 되면, 온도 프로파일이 다시 변화될 때 정상적으로 재용융될 것이다.

고온의 폐연소 가스들은 베드를 통하여 상방으로 유동되고, 베드 내의 더 높은 응축 액체 오염물질을, 온도가 오염물질의 응고온도 아래일 수 있는 구역을 향하여 구동시키는 경향이 있지만, 이 가스는 액체를 이동시키는 중력에 대해 덜 효과적이라는 것을 또한 유의하여야 한다. 더욱이, 버너가 점화된 시점에서, 연소 공기는 상부로부터 하부로 매체 베드를 통해 유동을 개시하고, 그리고 연소 공기가 베드를 충분히 냉각시키는 시간을 갖기 전에, 액체를 베드의 하면 밖으로 내려보내도록 중력 효과와 조합하여 액체 오염물질에 작용된다.

이러한 이로운 효과에도 불구하고, 정기적인 세정 또는 교환이 가능하도록 매체 베드로의 접근을 제공하는 것이 바람직하다. 이 때문에, 축열기 하우징(21)은 두 개의 부분으로 형성되며, 이 두 개의 부분은 수평 기밀 분리선(horizontal gas-tight line of separation)(37)이 제공된 상부(21A)와 하부(21B)로 구성되어 있다. 짧게 외측으로 펼쳐진 금속 스커트(38)는 상부가 하부에 정확하게 위치되도록 하기 위해 상부(21A)의 하부 가장자리 둘레에 제공되어 있다. 통상은, 두 개의 부분은, 예를 들어 조임볼트 등과 같은 커넥터(도시되지 않음)에 의해 함께 견고하게 유지된다. 축열식 버너 장치(10)는 노 내의 상부 위치에서 가열을 제공하도록 종종 지면으로부터 들어올려져 있다. 바람직하게는, 하우징의 상부(21A)는 상부를 버너 하우징(11)과 다른 구성 부품들에 연결시키는 것에 의해 지지되며, 매체 베드의 변경 중에 노의 소정 위치에서 유지된다. 그러나 커넥터들이 제거될 때, 하부(21B)는 기계 장치, 예를 들어 호이스트, 크레인 또는 지게차에 의해 분리되어 이동된다. 매체 베드(17)가 하우징의 하부(21B) 내에 위치되어 있기 때문에, 하부(21B)가 상부로부터 제거되면 매체 베드로의 완전한 접근이 가능하다. 하부(21B)는 간단하게 전도될 수 있으며 매체 베드는 내려지거나 또는 매체 베드는 와이어 바스켓 또는 천공 박스(도시되지 않음) 내에 수용될 수 있으며, 이에 따라 매체 베드는 하우징의 하부(21B)로부터 부상되며 세척을 위해 교환되거나 또는 게거될 수 있다.

일반적으로, 매체 베드의 크기는, 베드를 통과하는 가스의 질량유량, 열흡수 재료의 축열 파라미터 및 (하면과 상면 사이를 가로지르는 압력 강하를 결정하는) 베드의 기공률 등에 따라 선택된다. 매체 베드가 개개의 입자들로 구성될 때, 기공률은 입자들의 형상과 크기에 의해 결정된다. 전술한 바와 같이, 입자들은 바람직하게는 구 형상이며, 바람직하게는, 크기는 0.5 내지 1.75 인치(13 내지 44 mm) 사이에서 변화하며, 가장 바람직하게는 약 0.75 인치(약 19 mm)이며, 바람직하게는 알루미나로 제조된다. 베드의 하면(28)은 최대 약 1,100℃의 온도에 도달할 수 있으며, 버너가 작동하지 않을 때 그리고 고온 폐가스들이 제1 가스 통로(32)를 통해 유동될 때, 하면은, 통상적으로 하우징의 벽들을 통한 불가피한 (그러나 적은) 열손실에 의해 노 자체의 온도의 약 50℃ 미만의 온도일 것이다. 대조적으로, 베드의 상면(27)은, 바람직하게는 약 15 내지 20 인치(38 내지 51 cm), 가장 바람직하게는 약 16 인치(약 41 cm)의 베드 두께에 따라, 약 250℃의 온도에만 도달할 것이다. 베드의 두께를 가로지르는 온도 강하는 통상적으로 대략 선형이며, 바람직한 예로서는 약 53℃/인치(약 21℃/cm)이다. 이와 같은 경우에는, 온도는 베드의 하면 위에서, 통상적으로 하면으로부터 다공질체 내로 염 플럭스의 침투의 최대 깊이인, 약 6인치(약 15 cm)의 깊이에서 약 780℃일 것이다. 통상적으로, 염 플럭스(예를 들어, 염화나트륨과 염화칼륨의 혼합물)는 금속 용해로에서 사용되며, 약 1,000℃의 온도에서 액체로 응축되고 약 645℃의 공정 응고점에서 고체로 응고되기 시작하며, 이 공정 응고점은 최대 침투 깊이에서 기대되는 780℃의 최소 온도 미만이고, 따라서 염 플럭스는 다공질체 내에 액체로 잔류한다. 따라서, 염 플럭스는 하면으로부터 다공질체 내로 약 6 인치(약 15 cm)의 최대 깊이로만 침투될 것으로 믿어진다.

도 3과 도 4는, 하우징(21)의 상부(21A)가 매체 베드 위의 상부 챔버의 크기를 증가시키도록 도 2의 상부(21A)보다 약간 더 높은, 도 2의 축열기와는 다른 축열기(12)의 대안적인 예시적 실시예를 도시한다. 또한, 포트(33)와 이 포트 아래의 유로(32)는 높이가 감소되어 있다. 더욱이, 외부로의 개구부(34)는 이용성을 높이기 위해 하우징(21)의 상면(39)에 위치되어 있다. 확대된 힌지(40)는 축열기의 일측의 하우징의 상부(21A)와 하부(21B)를 연결하며, 제거 가능한 연결 볼트(41)(도 3에는 하나만 도시되어 있음)들은 하우징의 반대측의 상부와 하부를 연결한다. 볼트들은 장치의 작동 동안 하우징 부품들을 함께 유지하지만, 매체 베드로의 접근이 필요할 때 하부(21B)가 힌지(40)에서 하방으로 요동되도록 볼트들은 빠르게 제거될 수 있다.

도 4는 간략화를 위해 매체 베드를 도시하지 않은 단면도(약간의 사시도)이지만, 매체 베드를 지지하는 천공 내화성 격자(29) 및 하부 챔버(31) 내에 위치된 격자에 대한 내화성 지지 지주(30)를 도시한다. 도 3과 도 4로부터, 내화성 격자(29), 이에 따른 매체 베드는 통로(32)와 가스 포트(33)들이 정확히 하우징의 한쪽 모서리부에 국한되어 있기 때문에, 하우징의 많은 공간을 점유하는 것이 가능하다는 것은 명백할 것이다. 이 방식으로, 매체 베드에 열 전달을 최대로 할 수 있는 표면 영역이 제공된다.

도 4를 참조하면, 고온 가스들은 통로(32)와 포트(33)(도 3 참조)로 이어지는 격자(29) 아래의 개부부(49)를 통해 챔버(31)로 진입하고 챔버를 떠난다. 이 실시예에서는, 작은 직사각 형상의 배수조(44)가 하우징의 후방 벽(즉, 포트(33)에 대향하는 벽)에 인접한 저부 벽(47)에 제공되어 있으며, 이 배수조는 천공 커버 플레이트(45)로 덮여있으며 중앙 배출구(42)가 제공되어 있다. 이 실시예에서는, 커버 플레이트(45)는, 격자(29)를 지지하는 지주(30)들에 대한 고정 베이스로서 작용할 수 있도록 제공되어 있으며, 액체 오염물질이 배수조(44)를 통해 유동될 수 있도록 천공되어 있다. 일부 경우에서는, 천공된 커버 플레이트(45)의 구멍들은, 액체 오염물질 중의 고형물에 의해, 또는 구멍들 내의 또는 구멍들 둘레의 오염물질들 자체의 응고에 의해 막히게 되는 경향이 있다. 이와 같은 경우에는, 지주들은 그들이 챔버 둘레의 하부 벽(47)을 접촉하지만 하부 벽을 넘지않도록 설계될 수 있으며, 배수조(44)와 커버 플레이트(45)는 상부에 배수조 개구부를 완전히 남기면서 생략될 수 있다. 대안적으로, 축열기의 설계는, 정상적으로 후방 벽에 인접하여 위치된 지주(30)의 후열(back row)을 클리어하도록 충분한 거리로, 배수조의 위치가 챔버의 후방 벽으로부터 (챔버의 전방 벽 쪽으로) 약간 떨어져 이동되도록 변경될 수 있다. 다시, 커버 플레이트(45)는 생략될 수 있다. 배수조(44)는 중앙에서 후방 벽을 따르는 부분 방식으로만 연장되고, 그리고 축열기의 전방 벽을 향하여 짧은 방식으로만 연장된다. 버너 유닛이 작동되지 않을 때 축열기의 전방의 개구부(49)를 통해 유동되는 폐연소 가스들의 체적은, 버너 유닛이 작동될 때 개구부(49)를 통해 반대 방향으로 유동하는 연소 공기의 체적보다 더 많다. 이는 매체 베드로부터의 액체 오염물질들을 축열기의 후방 벽을 향하여 미는 경향이 있으며, 배수조는 액체 오염물질들을 수용하도록 이 위치에 위치되어 있다. 배수조에 수집된 액체 오염물질들은 배출 구멍(42)을 통하여 간헐적으로 또는 연속적으로 배수조로부터 제거될 수 있다. 배출 구멍(42)은 축적된 액체 오염물질들을 제거하도록 정기적으로 제거되는 플러그(plug)로 틀어막을 수 있다. 통상 작동에서는, 1주일에 약 2회만 배수조(44)를 배출시킬 필요가 있으며, 이는 배출 구멍(42) 아래에 용기를 위치시키는 것에 의해 실행될 수 있다. 물론, 배수조의 배출 빈도는 노의 크기와 노에 첨가된 염 플럭스(또는 다른 오염물질)의 양에 따른다. 대안적으로, 배출 구멍(42)은 재순환을 위해, 액체 오염물질을 연속적으로 배출시키고 이 오염물질을 재처리하는 자동화 시스템에 연결될 수 있다.

바람직하게는, 배수조(44)에는 하우징으로부터의 제거 전에 액체를 잔류시키기에 충분한 고온으로 오염물질을 유지하도록 내화 단열층(46)이 제공되어 있다. 이 방식의 배수조의 제공은 더 많은 액체 오염물질의 수집을 허용하며, 그리고 격지(29), 이에 따른 매체 베드는 고온 가스들이 접촉하는 하우징의 측벽들의 표면 영역을 감소시키도록 하우징(21) 내에서 낮게 유지되며, 이에 의해 열 손실을 더욱 최소화한다.

도 5 내지 도 13의 대안적인 실시예들에 있어서, 격자(29)는 배치와 제거를 용이하게 하기 위해, "타일"로 언급되는 더 작은 유닛들의 어레이로 구성되며, 이에 따라 격자 내의 개구부들의 영역은, 원하는 바에 따라 다른 설계의 타일들로 교환하는 것에 의해 쉽게 변경될 수 있다. 이 타일들은 바람직하게는 내화성 재료, 예를 들어 금속 또는 세라믹으로 제조된다.

이러한 종류의 제1 실시예는 도 5, 도 6 및 도 7에 도시되어 있다. 도 5는 아래에 있는 격자(29)의 상면을 드러내도록 매체 베드가 제거된 축열기의 하부(21b)의 평면도이다. 도 6은 하부(21b)의 사시도이며, 도 7은 나란하게 배치된 동일한 타일의 어레이가 사용될 때의 격자(29)를 구성하기 위해 사용된 종류의 정사각형 격자 타일(29a)의 사시도이다. 이 격자 타일(29a)은 평탄한 천공 플레이트(29b)와 4개의 일체형 지지 지주(30)들을 구비한다. 도 5와 도 6에 도시된 바와 같이, 타일(29b)들은 격자(29)를 형성하도록 서로 정렬되어 있으며, 이에 따라 연신된 개구부(50a, 50b)들은 모두 동일한 방향으로 정렬되어 있다. 중앙 개구부(50a)들은 격자들의 주변부들 둘레를 폐쇄시키며, 단부 개구부(50b)들은 타일의 인접한 측면들에 개방된다. 플레이트(29b)의 고체 부분들은 개구부들을 분리시키며, 개구부들과 교차 크로스-바(52)들 사이에 연신된 바(51)들을 효과적으로 형성한다. 어레이로 사용되는 경우, 조합된 개구부(50c)들을 형성하도록 조합된 인접한 타일의 단부 개구부(50b)들은, 도시된 바와 같이, 중앙 개구부(50b)보다 어느 정도 더 짧다. 이와 같은 타일로 구성된 격자는 격자의 상면(즉, 격자/매체 베드 계면)에서 약 46%의 기공률(격자의 전체 표면 영역에서의 개구부들의 영역 비율)을 갖는다.

도 8 내지 도 11의 실시예는, 격자 타일 내의 개구부들의 설계가 격자(29)를 통한 공기 유동을 증가시키도록 변경된 것을 제외하고는 전술한 실시예와 유사하다. 도 9에 가장 잘 도시된 바와 같이, 중앙 개구부(50a)들과 단부 개구부(50b)들은 약간 연신되어 있으며, 바(51)들과 크로스-바(52)들은 두께가 감소되어 있다. 사실, 크로스-바(52)들은 필요한 지지와 강도를 제공하기 위해, 영역(52a) 내의 지주(30)들 바로 위에서 확장되어 있지만, 이 영역에서 개구부(50a, 50b)들을 연신시키고 그리고 가스 유동을 증가시키도록 더 큰 자유 영역이 존재하도록 중앙부(52b)에서 좁혀져 있다. 또한, 도 7의 타일의 경우에서와 같이, 연신된 개구부(50a, 50b)들에 평행한 플레이트(29b)의 측면들은, 동일한 타일들로 나란하게 배치될 때, 대략 동일한 크기와 형상의 개구부(50a, 50b)들의 개구부들을 형성하도록 조합되는 오목부(50d, 50e)들을 형성하도록 조각되어 있다. 도 8은 축열기의 저부(21b) 내에 격자(29)를 형성하도록 배치된 이들 타일들을 도시한다. 이 설계의 기공률은 대략 57%이다. 이 설계(또는 다른 유사한 기공률)와 매체 베드를 구성하는 대략 1.5 인치(38 mm) 직경의 구 형상 입자들에 의해, 배기 가스의 계면 속도는 약 1000 ft/min(304.8 m/min)으로 저하될 수 있으며, 이에 의해 액체 오염물질의 양호한 배출이 허용된다.

도 12와 도 13 각각은 다른 설계의 격자 타일(29a)의 사시도 및 평면도이다. 이 설계에서는, 플레이트(29b)는 바(55)들을 함께 유지하지만 인접한 바들 사이에 간격(57)이 존재하는 한 쌍의 크로스-로드(56)에 의해 함께 결합된 평행 바(55)들로 구성된다. 지주(30)들은 지지 강도를 최대화하고 공기 유동에 대한 저항을 최소화하도록 크로스-로드(56) 아래에 위치되어 있다. 이 설계는 격자의 강도와 내구성을 희생시키지 않으면서 격자(29)를 통한 공기 유동을 최대화시키기 위한 것이다. 이 설계의 기공률은 바(55)와 공간(57)들의 상대 면적에 따라, 최대 70%일 수 있다.

본 발명의 다른 예시적 실시예들은 첨부하는 청구항들의 범위 내에서 가능하다는 것을 이해할 것이다.

Claims (29)

1. 축열식 버너 장치에 있어서,
   내부를 관통하여 연장되는 가스 유로를 구비하는 버너 하우징;
   상면과 하면을 갖는 유체-다공질 축열식 매체 베드를 둘러싸고 상기 장치의 외부와 연통되는 개구부를 갖는 하우징이 구비된 단일-스테이지 축열기;
   상기 버너 하우징의 상기 가스 유로와 상기 축열식 매체 베드의 상기 하면을 직접적으로 상호접속시키는, 상기 하우징 내의 제1 가스 통로; 및
   상기 외부와 연통되는 상기 하우징 내의 상기 개구부와 상기 축열식 매체 베드의 상기 상면을 상호접속시키는, 상기 하우징 내의 제2 가스 통로를 포함하며,
   상기 제1 및 제2 가스 통로들은 상기 축열식 매체 베드를 통해서만 실질적으로 서로 연통되는, 축열식 버너 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 하우징은 상기 축열식 매체 베드의 상기 하면 바로 아래에 있는 액체 수집 챔버를 포함하는, 축열식 버너 장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 액체 수집 챔버는 그의 저부 벽 내에 배수조를 포함하는, 축열식 버너 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 배수조는 상기 배수조를 덮는 천공 커버 플레이트를 구비하는, 축열식 버너 장치.
5. 제 2 항에 있어서,
   상기 액체 수집 챔버는 내부에 제공된 액체-제거 배출구를 구비하는, 축열식 버너 장치.
6. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
   상기 배수조는 내부에 제공된 액체-제거 배출구를 구비하는, 축열식 버너 장치.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
   상기 액체 제거 배출구는 내부에 제거 가능하게 위치된 폐쇄 요소를 포함하는, 축열식 버너 장치.
8. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
   상기 액체 제거 배출구는 개방 액체 배출관에 연결되는, 축열식 버너 장치.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 축열식 매체 베드는 내화성 재료의 개별 입자들의 충전 베드를 포함하는, 축열식 버너 장치.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 축열식 매체 베드는 상기 축열기 하우징 내의 다공질 지지체 상에 지지되는, 축열식 버너 장치.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 다공질 지지체는 서로 이격된 거의 직립의 지주들에 의해 상기 하우징의 저면 위에서 유지되는, 축열식 버너 장치.
12. 제 10 항에 있어서,
    상기 다공질 지지체는 고체 부분들에 의해 분리된 개구부들을 포함하는, 상기 매체 베드를 지지하는 상면을 구비하는 격자인, 축열식 버너 장치.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 격자의 상기 개구부들은 상기 상면에서 상기 격자의 전체 영역의 30 내지 90%의 범위의 조합 영역을 구비하는, 축열식 버너 장치.
14. 제 12 항에 있어서,
    상기 격자의 상기 개구부들은 상기 상면에서 상기 격자의 전체 영역의 40 내지 70%의 범위의 조합 영역을 구비하는, 축열식 버너 장치.
15. 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개구부들은 연신되어 있으며, 폭과 길이를 가지며, 상기 폭이 상기 길이보다 작은, 축열식 버너 장치.
16. 제 15 항에 있어서,
    상기 개구부의 상기 폭은 19 내지 22 mm의 범위인, 축열식 버너 장치.
17. 제 12 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 격자는 상기 격자보다 더 작은 상면 영역의 격자 타일들의 어레이를 포함하는, 축열식 버너 장치.
18. 제 9 항에 있어서,
    상기 개별 입자들은 구인, 축열식 버너 장치.
19. 제 18 항에 있어서,
    상기 구는 25 내지 38 mm 범위의 직경을 갖는, 축열식 버너 장치.
20. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 축열식 매체 베드를 유지하는 하부와 상기 하부로부터 착탈 가능한 상부를 포함하는 두 개의 부분인, 축열식 버너 장치.
21. 제 20 항에 있어서,
    상기 상부와 상기 하부는 상기 하우징의 일측에서 하나 이상의 힌지에 의해 결합되는, 축열식 버너 장치.
22. 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 제1 통로를 라이닝하는 내화성 재료의 단열층을 구비하는, 축열식 버너 장치.
23. 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 버너 하우징에 내장된 가연성-연료 버너를 포함하는, 축열식 버너 장치.
24. 축열식 버너 장치용 단일 스테이지 축열기에 있어서,
    상면과 하면을 갖는 유체-다공질 축열식 매체 베드를 둘러싸며, 상기 장치의 외부와 연통되는 개구부 및 버너 하우징과의 연결을 위한 포트를 구비하는 하우징;
    상기 포트와 상기 축열식 매체 베드의 상기 하면을 직접적으로 상호접속시키는, 상기 하우징 내의 제1 가스 통로; 및
    상기 외부와 연통되는 상기 하우징 내의 상기 개구부와 상기 축열식 매체 베드의 상기 상면을 상호접속시키는, 상기 하우징 내의 제2 가스 통로를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 가스 통로들은 상기 축열식 매체 베드를 통해서만 실질적으로 서로 연통되는, 단일 스테이지 축열기.
25. 가열되는 충전물과 휘발성 오염물질을 함유하는 노를 가열하기 위한 방법에 있어서,
    가열된 연소 가스의 노 내로의 도입과 상기 노로부터 배출된 폐연소 가스로부터의 열의 회수를 교대로 실행하기 위해, 두 개 이상의 축열식 버너 장치가 사용되며,
    상기 두 개 이상의 축열식 버너 장치들은 각각, 상면과 하면을 갖는 단일 스테이지 축열식 버너 베드를 채용하며,
    상기 방법은, 고온의 연소 가스를 상기 노로부터 통과시키고 그 후 외부 연소 공기를 상기 축열식 매체 베드들을 통과시키는 단계를 교대로 실행하는 단계를 포함하며,
    상기 노로부터의 상기 고온의 연소 가스들은, 상기 베드의 상기 하면으로부터 상기 상면으로 상기 베드들 중의 하나 이상을 통해 상방으로 통과되며,
    상기 외부 연소 공기는, 상기 베드의 상기 상면으로부터 상기 하면으로 상기 축열식 베드들 중의 하나 이상을 통해 하방으로 통과되며; 그리고
    액체 형태의 상기 오염물질은, 상기 축열식 매체 베드들 아래에 있는 상기 장치들 중 하나 이상으로부터 제거되는, 노 가열 방법.
26. 제 25 항에 있어서,
    상기 고온의 연소 가스들은, 30 내지 610 m/min의 범위의 유량(rate of flow)으로 상기 축열식 매체 베드들을 통해 상방으로 통과되는, 노 가열 방법.
27. 제 25 항에 있어서,
    상기 고온의 연소 가스들은, 244 내지 396 m/min의 범위의 유량으로 상기 축열식 매체 베드들을 통해 상방으로 통과되는, 노 가열 방법.
28. 제 25 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베드로부터 배출되는 액체 형태의 상기 오염물질의 배출을 용이하게 하도록 상기 유량을 감소시키는 기간을 제외하고는, 상기 고온의 연소 가스들은 일정한 유량으로 상기 축열식 매체 베드들을 통해 상방으로 통과되는, 노 가열 방법.
29. 제 28 항에 있어서,
    상기 기간은 각각의 축열식 버너 장치의 1 시간의 작동 시간당 2 내지 8분의 범위인, 노 가열 방법.

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