KR20150097529A - 가스 터빈 및 열 교환기를 사용한 용융 로로부터의 흄으로부터의 에너지 회수 - Google Patents

가스 터빈 및 열 교환기를 사용한 용융 로로부터의 흄으로부터의 에너지 회수 Download PDF

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베누아 다비디앙
유세프 주마니
디라스 조셀린 르
장-피에르 트라니에
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레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레뜌드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레？드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
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Abstract

본 발명은, 연소에 의해 생성된 흄과의 열 교환에 의해 공기를 가열하는 것인, 연소-가열 용융 챔버를 포함하는 로(10)에서의 용융을 위한 유닛 및 방법에 관한 것이다. 가열된 공기를 가스 터빈(41, 42)에서 사용하여 전기적 및/또는 기계적 에너지 생성한다. 또한, 가스 터빈으로부터의 유출물을 사용하여, 용융 챔버의 상류의 연소 산소 및/또는 기체상 연료를 예열한다.

Description

가스 터빈 및 열 교환기를 사용한 용융 로로부터의 흄으로부터의 에너지 회수 {ENERGY RECOVERY FROM FUMES FROM A MELTING FURNACE USING A GAS TURBINE AND HEAT EXCHANGERS}
용융 로에서는, 일반적으로 적어도 부분적으로 연소에 의해 공급되는 열 에너지의 적용에 의해 원료가 용융 물질로 전환된다.
화염에 의해 생성되는 대부분의 열 에너지는 충전물 (고체 원료 및 용융 물질)로 전달된다. 그러나, 잔류 에너지는 연소 흄(fume)과 함께 용융 로로부터 제거된다.
따라서, 공기연소(aerocombustion), 또는 공기-연료 연소 용융 로의 경우, 제거된 흄 중에 함유된 열 에너지의 일부가 회수되어 연소 공기 예열을 위한 에너지로서 사용되는 한, 용융 로에서의 연소 효율 뿐만 아니라 설비 전체의 효율이 증가되도록 용융 로의 상류의 연소 공기를 예열하기 위한 세라믹으로 구성된 교호 역류 교환기 또는 강철 교환기 (환열기)를 사용하는 것이 공지된 관행이다.
환열기를 갖는 유리 로에서, 연소 공기는 700℃로 예열되지만, 재생기는 설비의 수명 개시시에 1200℃ 또는 심지어 1250℃의 연소 공기 온도가 달성될 수 있게 한다.
용융 로의 작업자, 특히 유리 제조자는, 보다 효과적이고 (질소의 열 밸러스트를 제거하기 때문) 또한 덜 오염적인 (NOx가 형성되는 발생원인 바로 그 질소임에 따라 NOx 및 CO2를 감소시킴) 순산소연소(oxycombustion) 기술을 점점 더 채택하고 있다.
그러나, 공기연소에 대해 발생된 흄으로부터의 에너지를 회수하기 위한 시스템 (재생기 및 환열기)은 일반적으로 순산소연소에 의해 생성된 흄으로부터의 열 에너지의 회수에는 잘 적합화되지 않는다.
EP-A-1338848에는, 유리 로, 특히 순산소연소 유리 로의 흄으로부터의 에너지 회수를 위한 시스템이 기재되어 있다. 상기 시스템은, 용융 로로부터 제거된 흄과의 열 교환에 의해 산소-풍부 기체 및/또는 기체상 연료를 예열하기 위한 하나 이상의 열 교환기, 하나 이상의 열 교환기의 하류에 위치하고 흄과의 열 교환에 의해 과열된 증기를 생성할 수 있는 보일러 및 과열된 증기를 팽창시켜 기계적 에너지를 생성하기 위한 증기 터빈을 포함한다.
EP-A-1338848에 따르면, 터빈에 의해 생성된 기계적 에너지를 사용하여, 유리 로에 대해 연소 산소를 공급하는 공기 중 기체를 분리하기 위한 설비의 에너지 요건의 적어도 일부를 충족시킬 수 있다.
산업적으로 허용가능한 효율로 보일러 내에서의 과열된 증기를 생성하기 위해, 보일러로의 유입구에서의, 또한 그에 따라 열 교환기의 유출구에서의 흄은 1000℃ 이상, 또는 심지어 1200℃ 내지 1500℃의 온도에 있어야 한다.
EP-A-1338848에서 확인된 물질들의 이러한 온도를 견디는 우수한 능력에도 불구하고, 유리 제조자는 내구성이 보다 큰 것으로 여겨지는 보다 저온의 에너지 회수 시스템을 선호한다.
순산소연소 유리 로의 흄으로부터의 에너지 회수에 있어 특히 신뢰성 있는 이러한 대안적 시스템이 EP-A-0872690에 기재되어 있다.
EP-A-0872690에 따르면, 순산소연소 로로부터 유래된 흄이 산소 및/또는 연소 로의 상류의 연료의 간접적 예열에 사용된다. 제1 열 교환기에서는, 연소 로로부터의 흄이, 예를 들어 공기와 같은 중간 유체를, 두 유체 사이의 열 교환에 의해 가열한다. 제2 열 교환기에서는 제1 교환기로부터의 가열된 중간 유체를 사용하여 연소 산소 및/또는 연료를 가열한다.
그러나, EP-A-0872690에 따른 흄으로부터의 에너지 회수를 위한 시스템은, 실제로 제1 열 교환기의 유출구에서의 흄이 1000℃보다 현저히 낮은 온도에 있기 때문에, EP-A-1338848에서의 경우와 같이, 과열된 증기 형태의 흄으로부터의 추가의 에너지 회수를 가능하게 하지 않는다.
본 발명의 목적은, 기체상 연료 및/또는 산화제로서의 산소를 사용하여 용융 로의 흄으로부터 열이 회수되는 효율을 증가시키는 것이며, 여기서는 용융 로로부터 제거된 흄과의 간접적 열 교환에 의해 연소 산소 및/또는 기체상 연료가 예열된다.
본 발명은 보다 특별하게는, 용융 챔버를 포함하는 로에서의 용융 방법에 관한 것이다. 이 방법에 따르면, 연소 산소 및/또는 기체상 연료를, 용융 챔버의 상류의 일차적 교환기로서 언급되는 열 교환기에서 열-전달 기체와의 열 교환에 의해 예열한다.
연소 산소 및/또는 예열된 기체상 연료를 사용하여 연소에 의해 용융 챔버를 가열함으로써, 용융 챔버 내에서 열 에너지 및 흄을 생성한다.
흄을 용융 챔버로부터 제거하고, 이차적 열 교환기로서 언급되는 열 교환기 내로 도입하여, 압축 공기를 용융 챔버로부터 제거된 흄과의 열 교환에 의해 가열한다.
본 발명에 따르면, 이차적 교환기로부터 유래된 가열된 압축 공기가 가스 터빈에서 산화제로서 사용된다. 이에 따라 이 가스 터빈은 기계적 및/또는 전기적 에너지 및 기체상 유출물을 생성한다. 가스 터빈으로부터의 상기 기체상 유출물이 일차적 교환기에서의 연소 산소 및/또는 기체상 연료의 예열을 위한 열-전달 기체로서 사용된다.
적어도 연소 산소, 및 바람직하게는, 또한 기체상 연료는 유리하게는 일차적 교환기에서 예열된다. 구체적으로, 본 발명에 따르면, 연소 시약이 흄과의 간접적 열 교환 (이는 다시 말해서 열-전달 유체를 통한 교환을 의미함)에 의해 가열되기 때문에, 본 발명은 산소 예열을 위해 특히 적합화되고 신뢰성 있는 것이다.
본 발명에 따라, 한편으로는 용융 챔버로부터 유래된 흄으로부터의 열 에너지의 회수를 위한 시스템, 또한 다른 한편으로는 가스 터빈 사이의 현저한 상승효과가 나타난다. 구체적으로, 흄을 사용하여 예열된 연소 산소 및/또는 기체상 연료와 가스 터빈의 단순한 조합으로부터 기대될 수 있는 에너지 효율보다 현저히 더 높은 에너지 효율이 나타난다.
연소가 반드시 용융 챔버의 유일한 가열 수단일 필요는 없고, 이는 전극과 같은 다른 가열 수단을 포함할 수 있음을 인지하여야 한다.
예열된 연소 산소가 용융 챔버 내에서의 연소에 사용되는 유일한 산화제일 수 있거나, 또는 이는 또 다른 산화제, 전형적으로는 공기와 조합하여 사용될 수 있다.
따라서, 용융 로는 순산소연소 로 (여기서는 산소가 유일한 산화제임), 풍부 연소 로 (산화제로서의 산소-풍부 공기 사용) 또는 대안적으로는 하이브리드 산화제 로 (한편으로는 산소를 사용한 연소 및 다른 한편으로는 공기, 가능하게는 산소-풍부 공기를 사용한 연소의 조합을 사용)일 수 있다.
본원에서, 용어 "산소"는 75 vol% 이상, 바람직하게는 80 vol% 내지 100 vol%, 또한 보다 바람직하게는 90 vol% 내지 100 vol%의 O2 함량을 갖는 기체를 지칭한다.
유사하게, 예열된 기체상 연료가 용융 챔버 내에서의 연소에 사용되는 유일한 연료일 수 있거나, 또는 예열된 기체상 연료는 또 다른 연료와 조합되어 사용될 수 있다.
가스 터빈에 의해 생성된 기계적 및/또는 전기적 에너지는 적어도 부분적으로 하나 이상의 공기 압축기에 공급될 수 있다. 공기 압축기(들)은 특히, 이차적 열 교환기에 공급하는 공기 압축기, 공기 중 기체의 분리 유닛에 공급하는 공기 압축기, 및 또 다른 공기 압축기로부터 선택된다. 구체적으로, 이차적 교환기에 압축 공기를 공급하기 위한, 종종 블로어로서 언급되는 공기 압축기가 용융 설비에 장착될 뿐만 아니라, 설비는 추가로 압축 공기를 소비하는 공기 중 기체의 분리 유닛 및/또는 다른 유닛을 포함할 수도 있다. 설비는 특히, 연소 산소를 공급하는, 공기 중의 기체를 분리하는 유닛, 압축 공기 냉각 설비 등을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 하나의 실시양태에 따르면, 가스 터빈은, 이차적 열 교환기에 압축 공기를 공급하는 공기 압축기의 에너지 소비의 75% 내지 100%, 바람직하게는 100%를 공급한다.
바람직하게는, 가스 터빈은, 공기 중 기체의 분리 유닛에 공급하는 공기 압축기의 에너지 소비의 25% 내지 100%, 바람직하게는 50% 내지 100%, 또한 특히 100%를 공급한다. 상기 공기 중 기체의 분리 유닛은 바람직하게는 용융 방법을 위한 연소 산소를 생성한다. 공기 중 기체의 분리 유닛은 특히, 공기 중 기체의 극저온 증류를 위한 증류 컬럼을 포함할 수 있지만, 다른 유형의 공기 중 기체의 분리 유닛 또한 고려가능하다. 공기 중 기체의 분리 유닛은 특히 VSA (진공 스윙 흡수(Vacuum Swing Absorption))로서 언급되는 기술에 기초한 시스템일 수 있다.
또한, 공기 중 기체의 분리 유닛에 의한 연소 산소의 생성이 정지되거나 감소될 때, 연소 산소의 공급원으로서 액체 산소 저장소를 제공하는 것이 유리하다. 분리 유닛은 가스 터빈에 의해 동력공급되고, 상기와 같은 분리 유닛의 정지 또는 생산량 감소는 특히 가스 터빈이 유지 사용 불능이 되는 경우에 일어날 수 있다. 이러한 산소 저장소는, 공기 중 기체의 분리 유닛이 정지될 때 6 내지 8시간 동안 연소 산소가 용융 챔버의 일정 용량까지 공급될 수 있게 하는 저장 부피를 갖는다. 또한, 가스 터빈이 정지될 때 사용가능한 기계적 에너지 및/또는 전기적 에너지의 공급을 위한 전기 생성기 세트와 같은 보조 동력원을 제공하는 것이 유리하다.
본 발명에 따른 방법의 파라미터는, 용융되는 물질, 예컨대 유리, 금속, 에나멜 등에 따라, 용융 챔버의 크기 및 유형에 따라, 용융 물질의 처리량에 따라, 또한 기타 등등에 따라 달라진다.
방법이 유리 용융 방법인 경우, 하기 작동 파라미터가, 단독으로 또는 조합되어, 특히 (전적으로는 아니지만) 유리한 것으로 확인되었다:
Figure pct00001
이차적 교환기의 유입구에서의 흄의 온도가 1000℃ 내지 2000℃임,
Figure pct00002
압축 공기가 이차적 교환기의 유입구에서 10 내지 20 atm의 압력에 있음,
Figure pct00003
이차적 교환기의 유출구에서의 가열된 압축 공기의 온도가 600℃ 내지 800℃임,
Figure pct00004
가스 터빈의 유출구에서의 기체상 유출물의 온도가 600℃ 내지 800℃임.
일차적 교환기로부터 유래된 예열된 기체상 연료의 일부가 가스 터빈에 대한 연료로서 유리하게 사용될 수 있다.
본 발명은 또한, 본 발명에 따른 방법의 실시양태 중 어느 하나를 실행하도록 적합화된 용융 설비에 관한 것이다.
따라서, 본 발명은, 연소에 의해 가열되는 용융 챔버를 한정하는 용융 로를 포함하는 용융 설비에 관한 것이다. 용융 챔버는 또한, 이러한 연소에 의해 생성되는 흄을 배기시키기 위한 흄에 대한 하나 이상의 유출구를 포함한다.
설비는 또한, 용융 챔버의 상류의 연소 산소 및/또는 기체상 연료를 열-전달 유체와의 열 교환에 의해 예열하기 위한 일차적 열 교환기를 포함한다. 상기 일차적 교환기는 (a) (고온의) 열-전달 유체 유입구 및 (온난한) 열-전달 유체 유출구 및 (b) 연소 산소 유입구 (예열되어야 하는 연소 산소에 대한) 및 연소 산소 유출구 (예열된 연소 산소에 대한) 및/또는 기체상 연료 유입구 (예열되어야 하는 기체상 연료에 대한) 및 기체상 연료 유출구 (예열된 기체상 연료)를 나타낸다.
일차적 교환기는 유리하게는 연소 산소에 대한 유입구 및 유출구, 또한 바람직하게는 또한 기체상 연료에 대한 유입구 및 유출구를 나타낸다.
용융 설비는 또한, 용융 챔버로부터 유래된 흄과의 열 교환에 의해 압축 공기를 가열하기 위한 이차적 열 교환기를 포함한다. 상기 이차적 교환기는 (a) 압축 공기 유입구 (가열되어야 하는 압축 공기에 대한) 및 압축 공기 유출구 (가열된 압축 공기에 대한) 및 (b) (고온의) 흄 유입구 및 (온난한) 흄 유출구를 나타낸다.
용융 설비에는 이차적 교환기의 압축 공기 유입구에 연결된 제1 공기 압축기가 장착되어 제1 압축기가 이차적 교환기에 압축 공기를 공급할 수 있다.
일반적으로, 본원에서, 용어 "연결된"은, 예를 들어 파이프를 사용하여, "유체 연결된"의 의미로 사용된다.
일차적 교환기의 흄 유입구는 용융 챔버의 하나 이상의 흄 유출구에 연결된다. 일차적 교환기의 연소 산소 유출구가 용융 챔버의 하나 이상의 산화제 주입기에 연결되고/거나 일차적 교환기의 기체상 연료 유출구가 용융 챔버의 하나 이상의 연료 주입기에 연결된다.
본 발명에 따르면, 설비는 또한 흡기 노즐 및 배기구를 갖는 가스 터빈을 포함한다. 이차적 교환기의 압축 공기 유출구가 가스 터빈의 흡기 노즐에 연결된다. 가스 터빈의 배기구는 일차적 교환기의 열-전달 유체 유입구에 연결되어 가스 터빈으로부터의 배기 가스가 일차적 교환기에 열-전달 유체로서 공급될 수 있게 한다.
설비의 하나의 바람직한 실시양태에 따르면, 가스 터빈은 기계적 및/또는 전기적 에너지를 하나 이상의 공기 압축기에 공급한다. 가스 터빈은 특히 기계적 및/또는 전기적 에너지를, 공기 중 기체의 분리 유닛에 공급하는 공기 압축기인 제1 공기 압축기, 및 압축 공기를 압축 공기 소비 설비의 하나 이상의 다른 유닛에 공급하는 "제2 압축기"로서 언급되는 공기 압축기와 같은 또 다른 공기 압축기로부터 선택된 하나 이상의 공기 압축기에 공급할 수 있다.
가스 터빈이 기계적 에너지를 하나 이상의 공기 압축기에 공급하는 경우, 이는 유리하게는 가스 터빈을 상기 공기 압축기에 연결시키는 전동축에 의해 수행된다.
본 발명에 따른 설비가 공기 중 기체의 분리 유닛을 포함하는 경우, 이는 바람직하게는, 기체 분리 유닛이 연소 산소를 용융 챔버에 공급할 수 있도록 상기 챔버에 연결된 산소 유출구를 포함한다. 이러한 연소 산소의 공급을 위해, 공기 중 기체의 분리 유닛의 산소 유출구는 바람직하게는 일차적 교환기의 연소 산소 유입구에 연결된다. 이어서, 공기 중 기체의 분리 유닛의 산소 유출구는 일차적 교환기를 통해 용융 챔버에 연결되고, 그의 연소 산소 유출구는 상기 용융 챔버에 연결된다.
이러한 방식으로, 분리 유닛의 상기 산소 유출구는, 직접적으로, 또는 바람직하게는 일차적 교환기를 통해 용융 챔버에 장착된 하나 이상의 산화제 주입기에 연결될 수 있다.
상기에 기재된 바와 같이, 공기 중 기체의 분리 유닛은 바람직하게는 공기 중 기체의 극저온 증류를 위한 증류 컬럼을 포함하지만, 이는 VSA 유형의 설비일 수도 있다.
설비는 유리하게는 또한, 공기 중 기체의 분리 유닛이 정지되거나 생성이 감소될 때, 연소 산소의 공급원으로서의 산소 저장소를 포함한다. 설비는 또한 유리하게는, 가스 터빈이 정지될 때 기계적 에너지 및/또는 전기적 에너지의 공급을 위한 기계적 에너지 및/또는 전기적 에너지의 보조 공급원, 예컨대 전기 생성기 세트를 포함할 수 있다.
상기에 기재된 바와 같이, 연소가 용융 챔버의 유일한 가열 수단일 수 있거나, 또는 이것은 전극과 같은 다른 가열 시스템과 조합될 수 있다.
(고온의) 연소 산소가 유일한 산화제일 수 있거나, 또는 이는 다른 산화제, 예컨대 특히 공기와 조합될 수 있다. 기체상 연료가 유일한 연료일 수 있거나, 또는 이는 다른 연료와 조합될 수 있다.
일차적 교환기의 연소 산소 유출구에 연결된 산화제 주입기는 용융 챔버의 버너의 일부를 형성할 수 있다. 이러한 산소 주입기는 또한 용융 챔버의 산화제 랜스(lance), 또한 특히 산소 랜스의 일부를 형성할 수 있다.
유사하게, 일차적 교환기의 기체상 연료 유출구에 연결된 기체상 연료 주입기는 용융 챔버의 버너의 일부를 형성할 수 있거나, 또는 상기 챔버의 연료 랜스 내에 도입될 수 있다.
하나의 바람직한 실시양태에 따르면, 용융 로는 유리 로, 또한 특히 플로트 유리 유형의 유리에 대한 유리 로 (즉, 금속 배쓰로서 언급되기도 하는 플로트 배쓰를 포함함)이지만, 본 발명은 또한, 예를 들어 비-철 금속과 같은 금속의 용융을 위한 용융 로를 포함한 다른 유형의 용융 로에 대해 사용된다.
상기에 기재된 실시양태 중 어느 하나에 따른 용융 설비의, 본 발명에 따른 방법에서의 용도가 또한 포함된다.
본 발명 및 그의 이점을 도 1 및 2를 참조로 하여 하기에서 더욱 상세히 설명한다.
도 1 및 2는 본 발명에 따른 설비 및 방법의 두가지 예에 대한 개략도이다.
용융 로(10)는 다수의 산소버너 (도시되지 않음)에 의해 가열되는 순산소연소 로이다. 상기 버너에는, 예를 들어 천연 가스 등의 연료가 파이프(12)에 의해, 또한 연소 산소가 파이프(11)에 의해 공급된다.
연소 산소는, 압축 공기(51)를 90 vol% 이상의 O2 함량을 갖는 산소 스트림(52) 및 주로 N2로 이루어진 스트림 (도시되지 않음)으로 분리하는 공기 중 기체의 분리 유닛(50)에 의해 생성된다.
용융 로(10)에서 순산소연소에 의해 생성된 흄은 유출구(13)에 의해 용융 챔버로부터 제거되고, 상기 흄은 1000℃ 내지 2000℃, 예를 들어 1250℃ 내지 1750℃의 온도에 있다.
상기 흄은 "이차적 열 교환기"(30)로서 언급되는 열 교환기로 이송된다. 고온 흄은 흄 유입구(31)를 통해 이차적 교환기로 도입되고, 흄 유출구(32)를 통해 배출된다. 이차적 교환기(30) 내에서, 흄은 열 교환에 의해 압축 공기를 가열하고, 여기서 압축 공기는 압축기(34)에서 주변 공기(33)를 10 내지 20 atm의 압력으로, 예를 들어 약 15 atm으로 압축시킴으로써 얻어지는 것이다. 압축기(34)는 또한 압축 공기를 공기 중 기체의 분리 유닛(50)에 공급할 수 있다. 유닛(50)은 또한, 특정적으로 유닛(50)에 공기를 공급하도록 전용화된 공기 압축기 (도시되지 않음)를 가질 수 있다.
압축 공기는 공기 유입구(35)를 통해 이차적 교환기(30) 내로 도입된다. 가열된 공기는 600℃ 내지 800℃의 온도에서 공기 유출구(36)를 통해 이차적 교환기(30)로부터 배출된다.
본 발명에 따르면, 이차적 교환기(30)로부터 유래된 가열된 공기를 사용하여 가스 터빈 작동 원리에 따라 기계적 및/또는 전기적 에너지를 생성한다.
이에 따라, 가열된 공기를 흡기 노즐에 의해 용융 챔버(41) 내로 도입한다. 용융 챔버(41) 내에서, 가열된 공기를 사용하여 연료 흡입구(47)에 의해 도입된 (기체상) 연료를 연소시킨다. 이렇게 얻어진 연소 기체는 1000℃ 내지 1600℃, 예를 들어 1200℃ 내지 1400℃의 온도에 있고, 이는 팽창 터빈(42)의 유입구(43)로 수송된다.
예시된 시나리오에서, 이러한 연소 기체의 팽창에 의해 얻어진 에너지는,
Figure pct00005
한편으로는 전동축(45)에 의해 기계적 에너지 형태로 공기 압축기(34)로, 또한
Figure pct00006
다른 한편으로는 접속부(46)를 통해 전기적 에너지 형태로 분리 유닛(50)으로
전달된다.
팽창 터빈(42)의 유출구 또는 배기구에서, 연소 기체(44)는 550℃ 내지 750℃의 온도에 있다. 이들 연소 기체(44)는, 열-전달 유체 유입구(21)를 통해 "일차적 교환기"(20)로서 언급되는 제2 열 교환기 내로 도입되고, 열-전달 유체 유출구(22)를 통해 일차적 교환기(20)로부터 배출된다.
도에는 단지 하나의 일차적 교환기(20)를 도시하였다. 그러나, 상기 일차적 교환기(20)는 일련의 여러 일차적 서브-교환기로, 즉 일련의 열-전달 유체/연소 산소 교환기 및/또는 열-전달 유체/기체상 연료 교환기로 분해될 수 있다.
분리 유닛(50)으로부터 유래된 산소 스트림(52)은 산소 유입구(23)를 통해 일차적 교환기(20) 내로 도입되고, 이는 산소 유출구(24)를 통해 예열된 산소로서 일차적 교환기로부터 배출된다. 천연 가스 스트림(60)은 연료 유입구(25)를 통해 일차적 교환기(20) 내로 도입되고, 이는 연료 유출구(26)를 통해 예열된 천연 가스로서 일차적 교환기로부터 배출된다. 일차적 교환기(20) 내에서, 산소 스트림(52)은 연소 기체와의 열 교환에 의해 350℃ 내지 650℃의 온도로, 예를 들어 550℃로 예열되고, 천연 가스 스트림(60)도 마찬가지로 연소 기체와의 열 교환에 의해 250℃ 내지 550℃의 온도, 예를 들어 450℃로 예열된다.
이렇게 예열된 산소는 파이프(11)에 의해 용융 로(10)로 연소 산소로서 수송되고, 이렇게 예열된 천연 가스는 파이프(12)에 의해 용융 로(10)로 연료로서 수송된다.
도 2에서는 예열된 천연 가스의 일부가 용융 챔버(41)에서 연료로서 사용된다는 점에서, 도 2에 나타낸 실시양태는 도 1의 것과 상이하다.
실시예
본 발명 및 그의 이점을 하기 비교용 예에서 예시한다.
본 발명에 따른 실시예는 도 1의 다이어그램에 상응한다.
참조예는, 하기에 기재되는 바와 같이 용융 챔버(41)를 갖지 않고, 또한 팽창 터빈(42)을 갖지 않는 것 (이는 다시 말해서 가스 터빈을 갖지 않음을 의미함)을 제외하고는, 동일한 다이어그램에 상응한다.
용융 로는 7000 Nm3/h의 산소 소비 및 대략 620 t/d의 유리 제조로 순산소연소만에 의해 가열되는 유리 용융 로이다.
공기 중 기체의 분리 유닛의 전기 소비는 3 MWe로 추정된다.
일차적 교환기에서, 산소는 550℃로 예열되고, 천연 가스는 450℃로 예열된다.
일차적 교환기에서, 15 atm으로 압축된 공기가 350℃로 가열된다.
본 발명에 따른 실시예에서, 연소 기체는 1300℃의 온도에서 용융 챔버(41)로부터 배출된다.
전기적 밸런스는 두 소비원을 고려하여 정의된다:
Figure pct00007
분리 유닛(50)의 압축단, 및
Figure pct00008
열-전달 공기의 압축단.
하기의 것을 에너지 생성 스테이션으로서 고려한다:
Figure pct00009
팽창 터빈(42) 내의 연소 기체의 팽창.
재료 및 에너지 밸런스 계산치는, 본 발명이, 천연 가스의 소비가 포함되기는 하나, 분리 유닛에 의한 산소 스트림의 생성에 필요한 모든 에너지를 생성할 수 있거나, 또는 심지어 과량의 에너지를 방출할 수 있다는 것을 보여준다.
표는 에너지 소비 결과를 요약한 것이다.
Figure pct00010
고려될 수 있는 두가지 시나리오가 있다:
- 전기 가격이 기체 가격 (?/MWh)과 유사하다는 시나리오,
- 전기 가격이 기체 가격 (?/MWh)의 3배 이상이라는 시나리오.
작업 비용은 전기 및 천연 가스 소비를 포함한다.
장비를 8600시간/년 동안 이용가능하다고 하여 4년에 걸친 분할상환에 기초하여 투자율을 계산한다.
표 2는, 하기 천연 가스 및 전기 가격에 기초한　이들 재료 및 에너지 밸런스로부터의 경제적 데이터를 제공한다: 천연 가스는 40 ?/MWh이고, 전기는 70 ?/MWh임.
Figure pct00011
천연 가스 비용이 40?/MWh이고, 전기 비용이 140?/MWh인 시나리오 2의 경우, 경제적 데이터를 표 3에 기재하였다.
Figure pct00012

Claims (15)

  1. Figure pct00013
    산소(52) 및 기체상 연료로부터 선택된 하나 이상의 연소 시약을, 일차적 열 교환기(20) 내에서 열-전달 기체와의 열 교환에 의해 용융 챔버의 상류에서 예열함으로써, 하나 이상의 예열된 연소 시약 및 온난 공기를 얻고,
    Figure pct00014
    하나 이상의 예열된 연소 시약을 사용한 연소에 의해 용융 챔버를 가열함에 따라, 용융 챔버 내에서 열 에너지 및 흄을 생성하고,
    Figure pct00015
    흄을 용융 챔버로부터 제거하고 이차적 열 교환기(30) 내로 도입하여, 용융 챔버로부터 제거된 흄과의 열 교환에 의해 압축 공기를 가열하며,
    여기서
    Figure pct00016
    이차적 교환기(30)로부터 유래된 가열된 압축 공기를 가스 터빈(41, 42)에 대한 산화제로서 사용하여 가스 터빈(41, 42)에 의해 기계적 및/또는 전기적 에너지 및 기체상 유출물을 생성하고,
    Figure pct00017
    가스 터빈(41, 42)으로부터의 기체상 유출물을 일차적 교환기(20) 내에서 연소 산소(52) 및/또는 기체상 연료의 예열을 위한 열-전달 기체로서 사용하는 것
    을 특징으로 하는,
    용융 챔버를 포함하는 로(10)에서의 용융 방법.
  2. 제1항에 있어서, 가스 터빈(41, 42)에 의해 생성된 기계적 및/또는 전기적 에너지를 적어도 부분적으로 하나 이상의 공기 압축기(34)에 공급하는 것인 방법.
  3. 제2항에 있어서, 가스 터빈(41, 42)에 의해 생성된 기계적 및/또는 전기적 에너지의 적어도 일부를, 이차적 열 교환기(30)에 공급하는 공기 압축기(34), 공기 중 기체의 분리 유닛(50)에 공급하는 공기 압축기 및 또 다른 공기 압축기로부터 선택된 하나 이상의 공기 압축기에 공급하는 것인 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 용융 로(10)가 유리 로, 바람직하게는 플로트 유형의 유리에 대한 유리 로인 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 일차적 교환기(20)로부터 유래된 예열된 기체상 연료의 일부를 가스 터빈(41, 42)에 대한 산화제로서 사용하는 것인 방법.
  6. Figure pct00018
    연소에 의해 가열되는 용융 챔버를 한정하는 로(10)로서, 상기 용융 챔버는 연소에 의해 생성된 흄(13)에 대한 하나 이상의 유출구를 포함하는 것인 로(10),
    Figure pct00019
    열-전달 유체와의 열 교환에 의해, 용융 챔버의 상류의 연소 산소(52) 및/또는 기체상 연료를 예열하기 위한 일차적 열 교환기(20)로서, (a) 열-전달 유체에 대한 유입구(21) 및 유출구(22) 및 (b) 연소 산소(52)에 대한 유입구(23) 및 유출구(24) 및/또는 기체상 연료에 대한 유입구(25) 및 유출구(26)를 나타내는 일차적 열 교환기(20),
    Figure pct00020
    용융 챔버로부터 유래된 흄과의 열 교환에 의해 압축 공기를 가열하기 위한 이차적 열 교환기(30)로서, (a) 압축 공기에 대한 유입구(35) 및 유출구(36) 및 (b) 흄에 대한 유입구(31) 및 유출구(32)를 나타내는 이차적 열 교환기(30),
    Figure pct00021
    이차적 교환기(30)의 압축 공기 유입구에 연결된 제1 공기 압축기(34)
    를 포함하는 용융 설비이며,
    상기 설비에서,
    Figure pct00022
    이차적 교환기(30)의 흄 유입구(31)는 용융 챔버의 흄 유출구(13)에 연결되고,
    Figure pct00023
    일차적 교환기(20)의 연소 산소 유출구(24)가 용융 챔버의 하나 이상의 산화제 주입기에 연결되고/거나 일차적 교환기(20)의 기체상 연료 유출구(26)가 용융 챔버의 하나 이상의 기체상 연료 주입기에 연결되고,
    또한 여기서
    Figure pct00024
    설비가 흡기 노즐 및 배기구를 포함하는 가스 터빈(41, 42)을 또한 포함하고, 이차적 교환기(30)의 압축 공기 유출구(36)가 가스 터빈(41, 42)의 흡기 노즐에 연결되고, 가스 터빈의 배기구가 일차적 교환기(20)의 열-전달 유체 유입구(21)에 연결되어, 가스 터빈(41, 42)으로부터의 배기 가스가 열-전달 유체로서 일차적 교환기(20)에 공급되는 것
    을 특징으로 하는 용융 설비.
  7. 제6항에 있어서, 가스 터빈(41, 42)이 기계적 및/또는 전기적 에너지를 하나 이상의 공기 압축기(34)에 공급하는 것인 설비.
  8. 제7항에 있어서, 가스 터빈(41, 42)이 기계적 에너지를 전동축(45)에 의해 하나 이상의 공기 압축기(34)에 공급하는 것인 설비.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 가스 터빈(41, 42)이 기계적 및/또는 전기적 에너지를, 제1 공기 압축기(34), 공기 중 기체의 분리 유닛(50)에 공급하는 제2 공기 압축기 및 또 다른 공기 압축기로부터 선택된 하나 이상의 공기 압축기에 공급하는 것인 설비.
  10. 제9항에 있어서, 가스 터빈(41, 42)이 기계적 또는 전기적 에너지를, 용융 챔버의 하나 이상의 산화제 주입기에 연결된 산소 유출구(52)를 나타내는 공기 중 기체의 분리 유닛(50)에 공급하는 것인 설비.
  11. 제10항에 있어서, 공기 중 기체의 분리 유닛(50)의 산소 유출구(52)가 일차적 교환기(20)의 연소 산소 유입구(23)에 연결된 것인 설비.
  12. 제6항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 일차적 교환기(20)의 연소 산소 유출구(24)가 용융 챔버의 버너 내로 도입된 하나 이상의 산화제 주입기에 연결되고/거나 일차적 교환기(20)의 기체상 연료 유출구(26)가 용융 챔버의 버너 내로 도입된 하나 이상의 연료 주입기에 연결된 것인 설비.
  13. 제6항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 일차적 교환기(20)의 연소 산소 유출구(24)가 용융 챔버의 산화제 랜스 내로 도입된 하나 이상의 산화제 주입기에 연결되고/거나 일차적 교환기(20)의 기체상 연료 유출구(26)가 용융 챔버의 연료 랜스 내로 도입된 하나 이상의 연료 주입기에 연결된 것인 설비.
  14. 제6항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 용융 로(10)가 유리 로, 바람직하게는 플로트 유형의 유리에 대한 유리 로인 설비.
  15. 제6항 내지 제14항 중 어느 한 항에 청구된 설비의, 제1항에 청구된 방법에서의 용도.
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