KR20160147751A - 60 내지 85%의 산소를 포함하는 산화제를 이용한 축열 퍼니스의 작동 - Google Patents

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오셈웽기 우이 이요하
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프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
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Abstract

60 부피% 내지 85 부피%의 산소를 포함하는 기체상 산화제(15)가 가열된 축열기를 거쳐 퍼니스 안으로 통과하여, 산화제가 산화제 포트(20)로부터 500℃ 내지 1400℃의 온도에서 빠져나오도록 가열되고, 기체상 연료가 2개 이상의 연료 포트(21, 22)를 통해 상기 퍼니스에 공급되고; 가열된 산화제와 연료가 퍼니스에서 연소되어 충전물을 가열하는 상기 연소의 기체상 고온 생성물을 생성하고; 이어서 축열기를 거쳐 퍼니스 안으로 들어가는 산화제의 유동이 중단되고, 상기 연소 생성물이 상기 산화제 포트로 상기 냉각된 축열기를 거쳐 그 밖으로 통과하여 상기 축열기를 가열하는 것을 포함하고, 여기서 상기 축열기 밖으로 통과하는 연소 생성물의 온도는 적어도 500℃이고; 산화제 포트에 대한 연료 포트의 위치 뿐만 아니라, 산화제 및 연료 속도가 제어되는 것인, 충전물을 가열하는, 충전물을 함유하는 퍼니스(1)의 작동 방법이 기재되어 있다.

Description

60 내지 85%의 산소를 포함하는 산화제를 이용한 축열 퍼니스의 작동 {REGENERATIVE FURNACE OPERATION WITH AN OXIDANT COMPRISING 60 TO 85 PERCENT OF OXYGEN}
본 발명은 연료 및 공기 중의 산소 함량보다 높은 산소 함량을 갖는 산소-함유 스트림의 연소에 의해, 충전물, 예컨대 유리제조 물질에 열이 제공되는 고온 퍼니스(furnace)의 작동에 관한 것이다.
수많은 산업에서의 작업은 퍼니스 또는 등가의 기기에서의 물질의 고온으로의 가열을 필요로 한다. 필요한 고온은 연료를 공기와 함께, 물질을 가열하는 연소열을 제공하는 충분한 속도로 연소시킴으로써 제공될 수 있다. 보다 최근에는, "산소-연료(oxy-fuel)"라 명명되는 작업으로, 산소 공급원으로서의 공기가 90 부피% 초과의 산소를 함유하는 기체상 공급물로 대체되었다. 이러한 고 순도를 갖는 산소와 함께 연소시키는 것은 고온의 달성, 열의 공급물 공기의 비-반응성 성분으로의 우회 감소, 및 산화질소를 형성하는 경향의 감소를 포함하는 다수의 장점을 제공한다.
산소-연료 용융의 단점 중 하나는 상승한 작동 비용이다. 산화제로서 90 부피% 미만의 산소를 갖는 기체상 공급 스트림을 사용하는 것, 예컨대 액체 공급 스트림으로부터의 고 순도 산소를 공기로 희석시키는 것이 함유된 산소의 단위 비용을 절감시킬 수 있다. 그러나, 저 순도 산소의 사용은 산소-연료 시스템의 에너지 효율을 감소시켜, 기본 사례와 비교하여 연료 소비를 증가시키고, 결국에는 산소 소비를 증가시키게 된다. 추가로, 적절하게 관리되지 않는다면, 산화제 중의 그에 따른 보다 높은 질소 함량이 고온 화염과 결부되어 공정으로부터의 NOx 방출에 불리한 영향을 미칠 수 있다.
그러나, 본 발명에서는 열 회수 장치, 예컨대 축열기(regenerator)와 연결되었을 때, 산소 함량이 산소-연료 연소에서 사용되는 것보다 낮은 산화제를 사용하는 작동으로 훨씬 더 많은 장점, 예컨대 개선된 에너지 효율, 감소된 방출, 및 개선된 퍼니스 작동이 실현될 수 있음을 인지하였다.
본 발명의 한 측면은
(A) 60 부피% 내지 85 부피%의 산소를 포함하는 기체상 산화제를 제공하고;
(B) 기체상 산화제를 가열된 축열기를 거쳐, 산화제 포트(port)로부터 퍼니스 안으로 통과시켜, 산화제가 500℃ 내지 1400℃의 온도에서 산화제 포트로부터 빠져나오도록 산화제를 축열기에서 가열하고, 그에 의해 상기 축열기를 냉각시키며; 기체상 연료를 2개 이상의 연료 포트를 통해 상기 퍼니스에 공급하고, 퍼니스에서 연료를 상기 산화제 포트로부터 빠져나오는 가열된 산화제와 함께 연소시켜, 충전물을 가열하는 상기 연소의 기체상 고온 생성물을 생성하고;
(C) 축열기를 거쳐 퍼니스 안으로 들어가는 산화제의 유동을 중단시키고, 상기 연소 생성물을 상기 산화제 포트로 상기 냉각된 축열기를 거쳐 그 밖으로 통과시켜 상기 축열기를 가열하고, 여기서 상기 축열기 밖으로 통과하는 연소 생성물의 온도는 적어도 500℃이고;
(D) 단계 (B) 및 (C)를 교대로 행하는 것
을 포함하고, 여기서 상기 산화제 포트 및 상기 연료 포트는 상기 퍼니스에서 상기 충전물의 상단 표면 위에 위치하고;
상기 산화제 포트의 중앙을 통과하는 수직선의 각 측면에 상기 연료 포트의 적어도 하나가 위치하며, 상기 연료 포트는 상기 산화제 포트로부터 10 내지 60 연료 포트 직경에 위치하고;
주어진 산화제 포트로부터의 산화제와 함께 연소되는 연료는 상기 선의 한쪽에 있는 연료 포트로부터 40 내지 350 m/초의 속도로 퍼니스에 공급되고 또한 연료 포트로부터 공급되고 산화제는 산화제 포트로부터 2 내지 20 m/초의 속도로 퍼니스에 공급되며, 여기서 상기 연료 포트로부터 공급되는 연료는 고온의 산화제 스트림과 함께 연소되기 전에 상기 퍼니스에서 기체상 연소 생성물을 연행(entrain)하는 것인, 충전물을 가열하는, 충전물을 함유하는 퍼니스의 작동 방법이다.
독립적으로 조정가능한 유동 제어기의 사용을 통해 연료 포트의 연료 속도를 제어함으로써, 화염 형상 및 특징이 달라질 수 있고 에너지 방출 프로파일이 퍼니스 내부에서 내화물 측벽에 근접한 곳에서 제어될 수 있다. 이러한 적응성이 퍼니스 내화물 벽 또는 충전물 물질의 고온 화염에 의한 과열을 피하게 한다.
도 1은 본 발명이 실시될 수 있는 퍼니스 및 관련 설비의 실시양태의 개략적인 상면도이다.
도 2는 본 발명이 실시될 수 있는 퍼니스 및 관련 설비의 또 다른 실시양태의 개략적인 상면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 퍼니스의 내벽의 정면도이다.
도 1 및 2를 참조하면, 퍼니스(1)는 충전물이 퍼니스 내부에서의 연소에 의해 제공되는 초고온에 노출되는 유리용융 퍼니스 또는 임의의 다른 퍼니스이다. 본 발명이 실시될 수 있는 다른 퍼니스의 예는 소각로, 비철, 예컨대 구리 또는 알루미늄의 용융 퍼니스, 및 철 및 강철 물체, 예컨대 봉강, 강철 막대, 및 강괴의 가열 또는 재열 퍼니스를 포함한다.
유리용융 퍼니스에서, 유리제조 성분, 예컨대 소다회, 초석, 실리카, 규산나트륨, 및/또는 파쇄 유리 조각 ("컬릿(cullet)")이 퍼니스에 공급되고, 여기서 이들은 함께 용융되어 용융된 유리의 조(bath; 6)를 형성한다. 퍼니스(1)는 측벽(2A 및 2B), 말단벽(3), 및 용융된 유리가 퍼니스(1) 밖으로 유동할 수 있는 개구부(5)를 포함하는 앞벽(4)을 포함한다.
퍼니스(1)는 측벽(2A 및 2B)에 다수의 축열기(11)가 제공될 수 있다. 도 1은 측벽에 두 쌍의 축열기를 갖는, 이러한 배열의 실시양태를 도해한다. 퍼니스(1)는 말단벽(3)에 다수의 축열기가 제공될 수 있다. 도 2는 말단벽(3)에 한 쌍의 축열기(12)를 갖는, 이러한 배열의 실시양태를 도해한다.
기체상 산화제 스트림(15)이 축열기(11 및 12)에 공급된다. 산화제 스트림(15)은 60 부피% 내지 85 부피%, 바람직하게는 65 부피% 내지 80 부피%, 보다 바람직하게는 65 부피% 내지 75 부피%의 산소 함량을 갖는다.
바람직한 산소 함량을 갖는 산화제 스트림(15)은 다수의 방식 중 어느 것으로도 제공될 수 있다. 산화제는 독립된 상업적 공급원으로부터 이미 바람직한 산소 함량으로 수득될 수 있다. 산화제는 공기와, 산소 함량이 스트림(15)으로서 바람직한 최종 산소 함량보다 높은 고-함량 스트림을 배합함으로써 수득될 수 있는데; 이러한 경우에 고-함량 스트림은 독립된 상업적 공급원으로부터 수득될 수 있고, 또는 현장에서 60 부피% 초과, 보다 바람직하게는 85 부피% 초과의 산소 함량을 갖는 생성물 스트림을 생성하는 본원에 기재된 것과 같은 상업적 공기 분리 유닛에 의해 생성될 수 있다.
가장 바람직하게는, 60 부피% 내지 85 부피%의 바람직한 산소 함량을 갖는 산화제 스트림(15)은 현장에서 공기 분리 유닛(13)으로부터 생성된다.
공기 분리 유닛(13)은 공급 스트림(14)을 처리하여 산화제 스트림(15)을 생성하는 기기, 바람직하게는 진공압 순환식 흡착 (VPSA) 또는 압력 순환식 흡착 (PSA) 또는 온도 순환식 흡착 (TSA) 기기이다. 바람직하게는 공기인, 공급 스트림(14)은 60 부피% 미만의 산소 함량을 갖는다. 순환 흡착 공정은 널리 공지되어 있으며, 전형적으로 보다 강력한 흡수성의 성분 기체를 보다 약한 흡수성의 성분 기체로부터 분리하는데 사용된다. 그 예로는 흡수제를 재생시키기 위해 저압 또는 진공 및 퍼지 기체(purge gas)를 사용하는 압력 순환식 흡착 (PSA) 또는 진공압 순환식 흡착 (VPSA) 공정, 및 불순물을 탈착시키기 위해 열적 구동력, 예컨대 가열된 퍼지 기체를 사용하는 온도 순환식 흡착 (TSA) 공정이 있다. 이러한 공정은 일반적으로 공기로부터의 산소 또는 질소의 분리, 공급물 공기 기체로부터의 탄화수소 및/또는 수증기와 같은 다른 불순물의 분리, 일산화탄소로부터의 수소의 분리, 다른 기체 혼합물로부터의 이산화탄소의 분리 등에 사용될 수 있다. 이러한 공정은 또한 극저온 공기 분리 전에 공기로부터 불순물, 예컨대 수증기 및 탄화수소를 제거하는 데에도 사용된다. 기체 성분을 분리 또는 정제하기 위한 임의의 순환 흡착 시스템이 유닛(13)에 사용될 수 있다.
예시의 목적으로, 공기로부터 산소를 분리하기 위한 전형적인 VPSA 공정이 본원에 기재되어 있지만, 본 발명은 원심 압축기를 사용하는 다른 순환 흡착 공정과 함께 이용될 수 있으며 상기 공정으로 제한하려는 것이 아니다. 전형적인 순환 VPSA 공정은 흡착탑이 하기 단계를 진행하는 것이다:
(A) 바람직하게는 제거되어야 할 기체 또는 기체들 (예컨대, 공급물 기체가 공기일 때는 질소)을 흡착시키는 흡착제를 포함하는 흡착탑이 바람직한 압력으로 가압되고, 여기서 공급물 공기가 탑을 횡단할 때 제거되어야 할 기체 또는 기체들이 흡착제에 의해 용이하게 흡착될 것이고;
(B) 공급물 공기 중의 질소가 흡착될수록 산소가 풍부한 생성물 기체가 생성 및 회수되고;
(C) 흡착제를 함유하는 탑이 저압으로 (전형적으로 진공) 배기되고, 여기서 흡착된 질소가 흡착탑의 흡착제로부터 탈착되고; 또한 바람직하게는,
(D) 퍼지 기체가 탑을 통과하여 임의의 잔류하는 질소를 제거한다.
순환 시간은 통상의 기술자에 의해, 1회 순환; 예를 들어 순차적으로 수행한 다음 출발 조건으로 되돌아가는 공정 단계를 완료하기 위해 필요한 시간의 양을 의미하는 것으로 이해된다.
적합한 흡착제는 이 기술분야의 기술자에게 익히 익숙하며, 공개 문헌에서 확인될 수 있다.
일부 흡착 공정은 보다 많은 단계 또는 다수의 탑을 가질 것이며, 가압 및 감압 단계 각각을 위한 하나 이상의 송풍기를 종종 사용한다. VPSA 시설이 2개 이상의 흡착 용기를 함유한다면, 각각의 용기가 상기 단계를 진행하지만; 2개의 용기는 서로 반대로(out of phase) 작동되어 하나의 용기는 생성물을 생성하고 다른 하나는 재생된다. 또한, 2탑 공정에서는 2개의 송풍기가 전형적으로 사용되고, 여기서 하나는 기체를 흡착 용기에 공급하는 전용이고 다른 하나는 흡착 용기를 배기시키는 전용이다.
단일 용기, 2개의 용기, 또는 심지어 그 초과의 용기가 사용되는지에 상관없이, 공정에서의 압력 및 유동은 공정이 흡착에서 탈착으로 순환할 때 급속히 변화한다. 일반적으로, 용기의 압력은 대기압 이하, 바람직하게는 대기압 미만의 저압 조건, 예컨대 약 6 내지 8 psia에서, 대기압 초과의 고압 조건, 예컨대 약 19 내지 24 psia로, 신속한 주기적인 순환 시간으로, 예컨대 1분 이내에 변화할 것이다. 일부 흡착 공정은 유사한 신속한 순환 시간으로 훨씬 더 넓은 범위의 압력 및/또는 진공을 필요로 할 것이다.
미국 특허 4,643,743 및 상기 특허를 인용하거나 상기 특허에 인용된 특허와 같은 특허를 비롯하여, 본원에 기재된 조성의 산화제 스트림을 제조하는 흡착 공정 분야에 충분한 공개 기술 문헌이 존재한다.
유닛(13)에 의해 생성된 산화제 스트림(15)의 바람직한 산소 함량은 증가한 산소 생성물/공급물 공기비 모드로 유닛(13)을 작동시킴으로써 달성된다. 공기 분리 유닛이 90% 이상의 산소 순도를 갖는 산화제 생성물을 생성하도록 설계된 통상의 작동 모드와 비교하여, 이러한 방식의 작동은 공기 분리 유닛에 의해 초래되는 산소 회수 및 산소 함유 양을 증가시키고, 반면에 생성물 산화제 스트림 중의 산소 농도 및 동력 요건이 감소한다.
유닛(13)에 의해 생성된 산화제 스트림(15)은 전형적으로 19.7 내지 64.7 psia의 압력에 있으며, 전형적으로 주위 온도 미만 내지 200℃의 온도에 있다. 산화제 스트림(15)은 적합한 배관에 의해 각각의 축열기에 운반된다.
각각의 축열기는 산화제(15)가 퍼니스(1)의 바깥쪽에서 축열기에 공급될 수 있도록, 또한 산화제가 축열기를 통과하여 산화제 포트(20) (도 3에 도시되어 있음)로부터 퍼니스(1)에 들어가는 가열된 산화제(16)로서 빠져나올 수 있도록 구성된다. 각각의 축열기는 또한 퍼니스(1)에서의 기체상 연소 생성물을 포함하는 연도 기체가 포트(20)로 들어가 축열기를 거쳐 연도 기체 스트림(19)으로서 축열기로부터 빠져나올 수 있도록 구성된다. 각각의 축열기는 세라믹 내화재와 같은 물질로 제조되고, 세라믹 내화재로 제조된 볼(ball) 또는 체커워크(checkerwork)와 같은 물체를 함유할 수 있으며, 여기서 상기 물질은 축열기를 통과하는 고온의 연도 기체에 의해 가열될 수 있고, 또한 축열기 물질의 온도보다 낮은 온도에서 축열기를 통과하는 기체, 예컨대 산화제(15)를 가열할 수 있다.
각각의 축열기는 축열기를 통과하는 기체의 유동이 퍼니스(1)의 바깥쪽에서 퍼니스(1) 안으로 유동하는 산화제(15)이든지, 또는 퍼니스(1)의 내부로부터 축열기를 거쳐 대기중으로, 수집기로, 연도 기체의 열이 회수될 수 있는 또 다른 열 교환기로, 또는 또 다른 산업 공정으로 나가는 연도 기체(19)이든지, 작동자의 제어를 가능하게 하는 적합한 밸브 및 밸브를 위한 제어기를 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 적어도 2개의 스트림(17 및 18)이 축열기로부터 퍼니스(1) 안으로 빠져나오는 가열된 산화제(16)의 각각의 스트림과 관련있다. 스트림(17 및 18)은 퍼니스(1)에서 가열된 산화제(16)와 함께 연소되는 연료를 포함한다.
도 3을 참조하면, 산화제 포트(20)는 가열된 산화제가 축열기로부터 퍼니스(1)의 내부로 빠져나오는 개구부이다. 또한, 언급된 바와 같이, 연도 기체(19)가 산화제 포트(20)를 통해 퍼니스(1)의 내부에서 나와 축열기로 들어간다. 또한 도 3에 도시된 바와 같이, 연료 포트(21 및 22)는 산화제 포트(20)의 중앙을 통과하는 가상의 수직선 L의 대향 측들에 위치한다. 각각의 연료 포트의 관련된 산화제 포트(20)의 중앙으로부터의 거리는 10 내지 60 연료 포트 직경, 바람직하게는 30 내지 50 연료 포트 직경이다. 연료 스트림(17)은 연료 포트(21)를 통해 퍼니스(1)에 공급되고, 연료 스트림(18)은 연료 포트(22)를 통해 퍼니스(1)에 공급된다. 연료 스트림(17 및 18)은 퍼니스(1)의 바깥쪽으로부터 공급되고 축열기를 통과하지 않는다. 적합한 연료는 임의의 기체상 탄화수소, 예컨대 천연 가스, 메탄, 프로판 등을 포함한다.
연료 포트(21 및 22)는 이들의 축이 수평 위치에 있거나 또는 수평선 아래로 최대 10도, 바람직하게는 수평선 아래로 최대 6도의 각도 및 산화제 포트(20)의 중앙을 통과하는 가상의 수직선 L 쪽으로 최대 10도, 바람직하게는 최대 6도의 각도를 이루도록 배향된다. 이러한 특징은 퍼니스의 내화물 측벽 및 천정(crown)을 과잉 열로부터 보호하는데 도움이 된다. 도 2의 말단벽 구성에 있어서, 말단벽에 있는 산화제 포트(20)는 그의 축이 퍼니스의 중앙 쪽으로 최대 10도, 바람직하게는 퍼니스의 중앙 쪽으로 최대 6도의 각도를 이루도록 배향된다. 이러한 특징은 퍼니스의 내화물 측벽을 과잉 열로부터 보호하는데 도움이 된다.
산화제 포트(20)는 용융된 물질의 표면(6)으로부터 상승해 있으므로, 연소 구역 및 화염이 용융된 물질의 표면에 직접적으로 부딪치지 않고, 가열된 산화제가 퍼니스의 천정 (즉, 퍼니스 상단의 내부 표면)에 아주 근접한 곳에서 휘발성 알칼리 화학종이 축적되는 것을 방지하도록 퍼니스 내부를 순환한다. 퍼니스에서의 알칼리 휘발량 및 천정에 근접한 곳에서의 농축을 감소시킴으로써, 이러한 특징은 표준 내화재, 예컨대 공기-연료 퍼니스에 사용되는 것이 퍼니스의 구축 비용을 감소시키면서 본 발명의 모든 퍼니스에 사용되도록 허용한다. 바람직하게는, 산화제 포트(20)는 포트 개구부의 바닥이 0.76 내지 1.52 m (30 내지 60 인치)의 범위만큼 용융된 유리 물질보다 위에 있도록 위치한다. 보다 바람직하게는, 산화제 포트(20)는 포트 개구부의 바닥이 0.89 내지 1.27 m (35 내지 50 인치)의 범위만큼 용융된 유리 물질보다 위에 있도록 위치한다. 이렇게 함으로써 용융된 유리로부터의 알칼리 휘발 속도 및 퍼니스의 천정에 근접한 곳에서의 휘발성 화학종의 농축을 감소시킨다.
연료 포트(21 및 22)는 퍼니스 기체를 연행하고 고온의 산화제-연료 화염의 피크 온도를 감소시키기 위해 용융된 물질의 표면(6)으로부터 상승해 있다. 추가로, 이러한 상승은 연소 구역 및 화염이 용융된 물질의 표면에 직접적으로 부딪치지 않고 유리 물질의 표면에 대한 화염의 속도 크기가 감소하도록 보장한다. 바람직하게는, 연료 포트(21 및 22)는 용융된 유리 물질보다 적어도 0.7 m (27.6 인치) 위에 위치한다. 보다 바람직하게는, 연료 포트(21 및 22)는 용융된 유리 물질보다 적어도 0.9 m (35.5 인치) 위에 위치한다. 이렇게 함으로써 유리 물질의 표면에 대한 화염의 속도 크기를 감소시키고, 용융된 유리의 표면으로부터의 알칼리 휘발 속도, 및 퍼니스의 천정에 근접한 곳에서의 휘발성 화학종의 농축을 감소시킨다.
작동시에, 각각의 축열기는 산화제가 축열기를 통과하여 퍼니스(1)에서 연료와 함께 연소되는 연소 단계와, 고온의 기체상 연소 생성물이 퍼니스(1)에서부터 축열기를 거쳐 스트림(19)으로서 밖으로 나가는 배출 단계를 교대로 행한다.
연소 단계에서, 산화제(15)는 본원에 기재된 바와 같이 이미 가열된 축열기에 공급되어 이를 통과한다. 산화제는 산화제 포트(20)로부터 퍼니스(1) 안으로 가열된 산화제(16)로서 빠져나온다. 가열된 산화제 스트림(16)의 온도는 500℃ 내지 1400℃, 바람직하게는 800℃ 내지 1350℃, 보다 바람직하게는 1100℃ 내지 1350℃이다. 가열된 산화제의 온도는 축열기가 가열되는 온도, 축열기 안으로 들어가 이를 통과하는 산화제(15)의 유량, 및 산화제(15)가 축열기 내에서 열에 노출되는 시간 장경의 적절한 조정에 의해 달성될 수 있다. 산화제 포트(20)로부터 빠져나오는 산화제의 속도는 초 당 2 내지 20 미터 (m/초)이다.
연료는 연료 포트(21 및 22)로부터 퍼니스(1) 안으로 공급되고, 가열된 산화제(16)와 함께 연소된다. 추가의 연료 포트가 본 발명의 퍼니스에 사용되어, 퍼니스 온도 프로파일을 맞춤 조정하기 위한 퍼니스 내의 전략적인 위치로 천연 가스를 주입할 수 있다. 연료 대 산화제의 이론 공연비는 바람직하게는 연료의 완전 연소를 촉진하고, 또한 바람직하게는 연도 기체 중에 1% 내지 2.5%의 과잉 산소를 초래하는 범위에 있다. 연료 포트(21 및 22)로부터의 연료는 40 내지 350 m/초, 바람직하게는 60 내지 250 m/초의 속도로 공급된다. 포트(21 및 22)는 상이한 속도로 작동될 수 있다. 두 연료 포트에서의 상이한 속도는 퍼니스에서 화염의 열 방출 프로파일을 제어한다. 빠른 연료 속도는 퍼니스 측벽으로부터 떨어져 있는 연료 포트를 위해 사용될 수 있고, 예열된 산화제 스트림과 함께 연소되기 전에 퍼니스 대기의 연료로의 연행을 보조하여, 퍼니스에서의 피크 화염 온도, 형성되는 산화질소의 양을 낮추고, 예열된 산화제-연료 혼합물에 의해 형성되는 고온의 화염에 의한 내화물 벽의 과열을 방지한다. 느린 연료 속도는 퍼니스 측벽에 근접해 있는 연료 포트를 위해 사용될 수 있어, 연료와 고온의 산화제 스트림의 혼합 속도를 지연시키고, 열 방출 속도 및 퍼니스 측벽에 근접한 곳에서의 피크 화염 온도를 감소시킨다.
산화제 및 연료는 압력 하에 각각 축열기 포트 및 연료 노즐을 통해 도입되고, 연소 구역을 향해 인도된다. 산화제 속도 및 연료 스트림 속도는 연료 노즐 및 축열기 포트의 치수, 및 산화제 및 연료 스트림의 공급률에 의해 제공되며, 이들은 공정의 유형, 가공되는 물질의 양, 및 사용되는 연료의 유형에 따라 달라질 수 있다. 연료 포트(21 및 22)는 바람직하게는 0.0005 내지 0.0127 m2 (1 내지 5 인치의 내경) 범위의 내부 면적을 가질 것이고, 산화제 포트(20)는 바람직하게는 0.5 내지 4 m2 범위의 내부 면적을 가질 것이다.
산화제로의 열 전달 때문에 축열기를 냉각시키는, 축열기를 통과하는 산화제의 유동은 축열기 벽돌이 충분히 냉각될 때까지 계속되고, 그 후에 퍼니스의 작동이 역전된다. 유동이 역전되는 시점은 이 분야의 기술자에게 익숙한 인자에 기초하여 결정되고; 이러한 인자는 퍼니스 연도 기체로부터의 폐열 회수 및 퍼니스에 들어가는 산화제 스트림의 예열 온도를 최적화하고자 하는 의도를 포함한다.
이어서, 축열기를 통과하는 산화제의 유동이 차단되고, 스트림(19)으로서 퍼니스(1) 내부로부터 산화제 포트(20)로 축열기를 거쳐 축열기 밖으로의 연도 기체의 유동이 시작된다. 연도 기체는 축열기를 가열하여, 종내에는 축열기를 통과하는 산화제의 후속 유동을 가열하는 열을 제공한다. 도 1의 실시양태에서, 산화제 및 연료는 도면의 위쪽에 있는 축열기로부터 퍼니스(1) 안으로 유동하고 있고, 연도 기체가 도면의 아래쪽에 있는 축열기를 통해 배출된다 (또한 가열함).
퍼니스(1)에서 나오는 연도 기체 (즉, 고온의 기체상 연소 생성물)의 온도는 전형적으로 적어도 1400℃이며, 전형적으로 1100℃ 내지 1550℃의 범위에 있다. 바람직하게는, 축열기에서 배출되는 연도 기체의 온도는 적어도 300℃ 감소하여 적어도 500℃이다. 축열기에서 나오는 연도 기체의 고온은 축열기 내부의 표면 상에 침전물이 형성되는 것을 줄이거나 방지하는데 도움이 된다. 이러한 침전물은 퍼니스(1) 내부에서 용융된 충전물로부터 휘발된 성분, 또는 이러한 휘발된 성분과 연료와 산화제의 연소 생성물 사이의 상호작용에 의해 형성된 생성물을 포함할 수 있다. 연도 기체의 고온은 휘발된 부산물이 축열기를 거쳐 밖으로 나오는 동안에 항상 휘발성으로 남아 있도록 보장하는데 도움이 된다. 이러한 특징은 열 회수 장치의 오염 및 폐색 속도를 감소시키고 축열기의 가동 수명 및 퍼니스 작동을 연장시킨다. 바람직하게는 연료와 산화제의 연소에 의해 생성된 모든 기체상 연소 생성물은 축열기 중 하나 이상을 통해 퍼니스(1) 내부로부터 나온다.
본 발명은 다수의 장점을 제공한다.
하나의 장점은 본 발명에서 사용되는 산화제가 산소-연료 연소에 전형적으로 사용되는 고-순도 산소 스트림에 존재하는 것보다 더 많은 질소를 함유함에도 불구하고, 공정을 위해 필요한 연료 및 산화제의 양을 감소시키면서, 충전물의 가열이 개선된 전체 에너지 효율로 달성된다는 것이다.
본 발명은 또한 본 발명에서 사용되는 산화제가 산소-연료 연소에 전형적으로 사용되는 고-순도 산소 스트림에 존재하는 것보다 더 많은 질소를 함유함에도 불구하고, 퍼니스에서의 NOx 형성을 줄인다.
본 발명은 또한 통상의 산소연료 퍼니스 작동과 비교하여, 알칼리 휘발, 및 퍼니스의 천정에 아주 근접한 곳에서의 농축을 줄인다.
본 발명은 또한 열 회수 장치의 오염 및 폐색을 줄여, 축열기의 가동 수명을 연장시킨다.

Claims (11)

  1. (A) 60 부피% 내지 85 부피%의 산소를 포함하는 기체상 산화제를 제공하고;
    (B) 기체상 산화제를 가열된 축열기를 거쳐, 산화제 포트로부터 퍼니스 안으로 통과시켜, 산화제가 500℃ 내지 1400℃의 온도에서 산화제 포트로부터 빠져나오도록 산화제를 축열기에서 가열하고, 그에 의해 상기 축열기를 냉각시키며; 기체상 연료를 2개 이상의 연료 포트를 통해 상기 퍼니스에 공급하고, 퍼니스에서 연료를 상기 산화제 포트로부터 빠져나오는 가열된 산화제와 함께 연소시켜, 충전물을 가열하는 상기 연소의 기체상 고온 생성물을 생성하고;
    (C) 축열기를 거쳐 퍼니스 안으로 들어가는 산화제의 유동을 중단시키고, 상기 연소 생성물을 상기 산화제 포트로 상기 냉각된 축열기를 거쳐 그 밖으로 통과시켜 상기 축열기를 가열하고, 여기서 상기 축열기 밖으로 통과하는 연소 생성물의 온도는 적어도 500℃이고;
    (D) 단계 (B) 및 (C)를 교대로 행하는 것
    을 포함하고, 여기서 상기 산화제 포트 및 상기 연료 포트는 상기 퍼니스에서 상기 충전물의 상단 표면 위에 위치하고;
    상기 산화제 포트의 중앙을 통과하는 수직선의 각 측면에 상기 연료 포트의 적어도 하나가 위치하며, 상기 연료 포트는 상기 산화제 포트로부터 10 내지 60 연료 포트 직경에 위치하고;
    주어진 산화제 포트로부터의 산화제와 함께 연소되는 연료는 2개 이상의 연료 포트로부터 40 내지 350 m/초의 속도로 퍼니스에 공급되고 산화제는 산화제 포트로부터 2 내지 20 m/초의 속도로 퍼니스에 공급되며, 여기서 상기 연료 포트로부터 공급되는 연료는 고온의 산화제 스트림과 함께 연소되기 전에 상기 퍼니스에서 기체상 연소 생성물을 연행하는 것인, 충전물을 가열하는, 충전물을 함유하는 퍼니스의 작동 방법.
  2. 제1항에 있어서, 산화제 포트 개구부의 바닥이 퍼니스에서 충전물보다 0.76 내지 1.52 m (30 내지 60 인치) 위에 있는 것인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 산화제 속도가 2 내지 20 m/초인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 각각의 산화제 포트로부터의 기체상 산화제가 적어도 2개의 연료 포트로부터 공급되는 연료와 함께 연소되는 것인 방법.
  5. 제4항에 있어서, 적어도 2개의 연료 포트로부터 공급되고 산화제 포트로부터의 산화제와 함께 연소되는 연료가 상이한 속도로 공급되는 것인 방법.
  6. 제4항에 있어서, 연료 포트가 화염을 산화제 포트 중앙선의 중앙을 향해 인도하도록 배향된 것인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 연료가 연료 포트로부터 40 내지 350 m/초의 속도로 공급되는 것인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 퍼니스의 내화물 벽에 근접해 있는 연료 포트로부터의 상기 기체상 연료는 퍼니스의 벽에 근접한 곳에서의 에너지 방출을 줄이기 위해 기체상 산화제의 감소된 연행을 달성하는 보다 느린 속도로 공급되고, 반면에 퍼니스의 측벽으로부터 떨어져 있는 연료 포트로부터의 상기 기체상 연료는 산화제 스트림과 함께 연소되기 전에 퍼니스 연도 기체의 연행을 향상시키는 보다 빠른 속도로 공급되는 것인 방법.
  9. 제1항에 있어서, 연료 포트 중 하나 이상이 퍼니스에서 충전물보다 0.7 m 이상 위에 있는 것인 방법.
  10. 제1항에 있어서, 산화제 개구부가 500 이상의 애스펙트비(aspect ratio) A1(산화제)/A2(연료)를 갖는 것인 방법.
  11. 제1항에 있어서, 산화제 포트로부터 공급되는 기체상 산화제가 퍼니스 천정을 스윕핑(sweep)하여, 퍼니스 천정에 근접한 곳에서의 휘발성 알칼리의 축적을 방지하는 것인 방법.
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6385332B2 (ja) * 2015-12-28 2018-09-05 中外炉工業株式会社 蓄熱式燃焼設備
CN106277718B (zh) * 2016-08-19 2019-03-15 巨石集团有限公司 一种玻璃纤维池窑用玻璃液通道加热方法
US10712092B2 (en) * 2017-03-29 2020-07-14 Praxair Technology, Inc. Reduction of regenerator clogging
GB2572623B (en) * 2018-04-05 2020-07-29 Intelligent Power Generation Ltd A multi fuel flame-less combustor
EP3722671B1 (de) * 2019-04-11 2021-10-06 Hertwich Engineering GmbH Verfahren zur kontinuierlichen befeuerung von brennkammern mit wenigstens drei regenerativbrennern
EP3839340A1 (en) * 2019-12-18 2021-06-23 Linde GmbH Method and device for heating a furnace

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3633886A (en) * 1970-04-20 1972-01-11 Owens Corning Fiberglass Corp Heating furnaces
US4643743A (en) 1983-02-10 1987-02-17 Union Carbide Corporation Pressure swing adsorption process for supplying oxygen under variable demand conditions
US4725299A (en) * 1986-09-29 1988-02-16 Gas Research Institute Glass melting furnace and process
US4867766A (en) 1988-09-12 1989-09-19 Union Carbide Corporation Oxygen enriched air system
US5921771A (en) * 1998-01-06 1999-07-13 Praxair Technology, Inc. Regenerative oxygen preheat process for oxy-fuel fired furnaces
FR2777068B1 (fr) 1998-04-02 2000-05-05 Air Liquide Procede de combustion par injections separees du combustible et du comburant
US7168269B2 (en) * 1999-08-16 2007-01-30 The Boc Group, Inc. Gas injection for glass melting furnace to reduce refractory degradation
FR2917155A1 (fr) 2007-06-08 2008-12-12 Saint Gobain Emballage Sa Combustion diluee
US20130276481A1 (en) * 2011-12-21 2013-10-24 Hisashi Kobayashi Controlling glassmelting furnace operation
JP5892809B2 (ja) * 2012-02-20 2016-03-23 大阪瓦斯株式会社 加熱炉用の燃焼装置
US9828275B2 (en) * 2013-06-28 2017-11-28 American Air Liquide, Inc. Method and heat exchange system utilizing variable partial bypass

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