KR20180045860A

KR20180045860A - 음속 주입 퍼니스

Info

Publication number: KR20180045860A
Application number: KR1020177037371A
Authority: KR
Inventors: 프레데릭 하요; 라우랑 가르니에
Original assignee: 베랄리아 프랑스; 쌩-고벵 글래스 프랑스
Priority date: 2015-06-02
Filing date: 2016-05-30
Publication date: 2018-05-04
Also published as: AR104864A1; WO2016193608A1; PE20180721A1; TR201907474T4; PL3303232T3; AU2016272345B2; UA122497C2; EP3303232B1; US20180170786A1; CN107949545A; EA201792620A1; FR3037059A1; ES2728574T3; BR112017025944B1; CL2017003062A1; AU2016272345A1; JP6741692B2; DK3303232T3; CO2017011934A2; US10683225B2

Abstract

본 발명은 상류 벽 내의, 15% 내지 30%의 산소를 포함하는 산화제를 공급하기 위한 도관, 상류 벽 내의 연소 연기를 수용하기 위한 덕트, 및 상류 벽 내로 개방되거나 또는 연소 연기를 수용하기 위한 도관 내로 개방되는, 음속 주입기로 지칭되는, 소리의 속도의 적어도 80%의 속도로 기체의 제트를 주입하기 위한 적어도 1개의 주입기를 포함하는 음속 주입 시스템을 포함하는 오버헤드 버너가 제공된, 유리를 용융시키기 위한 저-NOx 단부-소성식 퍼니스로서, 상기 음속 주입기는 그의 기체를, 연소 연기를 수용하기 위한 도관 쪽으로 이동하는 연소 연기의 흐름에 대한 향류로 주입하는 것인 퍼니스, 및 상기 퍼니스에서의 유리 용융을 포함하는 용융된 유리 제조 방법에 관한 것이다.

Description

음속 주입 퍼니스

본 발명은 유리를 용융시키기 위한 저-NOx 단부-소성식 퍼니스(end-fired furnace) 분야에 관한 것이다.

관련 분야 기술자는 일반적으로 NOx를 질소의 원하지 않는 산화로부터 유래하는 NO 및/또는 NO₂ 유형 질소 산화물 배출물이라고 나타낸다. 중요한 질소원은 산화제, 예컨대 공기 또는 산소-농축 공기에 함유된 질소이다.

대부분의 연소 공정, 특히 유리 제조 퍼니스에서 이용되는 연소 공정은 연소 연도 기체에서 NOx의 원하지 않는 배출 문제에 직면한다. NOx는 사람 및 환경 둘 모두에 유해한 영향을 미친다. 구체적으로, 한편으로, NO₂는 호흡기 질환을 일으키는 자극성 기체이다. 다른 한편으로, 대기와 접촉할 때, NO₂는 점차 산성 비를 생성할 수 있다. 마지막으로, 휘발성 유기 화합물 및 태양 복사선과 함께, NO₂는 "대류권" 오존의 생성을 지원하기 때문에 광화학적 오염을 초래하고, 낮은 고도에서 대류권 오존 농도의 증가는 특히 혹서기에 사람에게 유해하다. 이 때문에 NOx 배출에 관한 표준이 점점 더 엄격해지고 있다. 이러한 표준의 존재 때문에, 퍼니스 제조사 및 운영사, 예컨대 유리 퍼니스의 제조사 및 운영사는 NOx 배출을 가능한 한 많이, 바람직하게는 건조 연도 기체 중의 8% 산소에서 표준화된 800 mg/Nm³ 미만의 함량으로 제한하는 데 꾸준히 관심이 있다. 본 출원의 맥락 내에서, NOx 함량은 관련 분야 기술자가 통례적으로 사용하는 단위인 건조 연도 기체 중의 8% 산소에서 표준화된 mg/Nm³로 표현된다. 관련 분야 기술자는 일반적으로 700 mg/Nm³ 미만의 NOx 함량이 이미 좋은 함량이고 600 mg/Nm³ 미만의 NOx 함량은 매우 좋다고 여긴다. 훨씬 더 낮은 NOx 함량을 얻는 방법을 아는 것이 유용하다.

유리 용융 퍼니스는 수십 년 동안 가동하도록 설계되고, 유리 용융 퍼니스의 건설은 많은 비용이 든다. 이 때문에 유리 용융 퍼니스의 설계는 더디게 변한다. 사실, 가동 매개변수, 예컨대 장치 치수가 변하면 위험 부담이 매우 높기 때문에, 산업용 퍼니스에서 시험을 수행하는 것은 거의 불가능하다. 특히, 퍼니스의 벽 안으로 개방되는 공기 유입구는 내화성 세라믹으로 제조된 덕트이고, 퍼니스의 상당한 부분을 재건하기 위해서는 퍼니스를 가동정지하지 않으면 덕트의 치수를 쉽게 변경할 수 없다. 이 때문에 공기의 유량을 변화시키지 않으면서 연소 챔버 내의 흐름 및 특히 공기의 임펄스를 변경하기 위해 퍼니스의 설계를 쉽게 변경하는 것이 가능하지 않다.

주입기에 의해 전달되는 기체 제트의 임펄스 I는 하기 식으로 주어진다:

I = Q_m.V + S.△P

여기서,

- Q_m은 기체 제트의 질량 유량을 나타내고,

- V는 주입기의 유출구에서 기체의 속도를 나타내고,

- S는 주입기의 유출구에서 주입기의 단면적을 나타내고,

- △P는 주입기의 유출구와 챔버의 압력 사이의 압력차를 나타낸다.

기체 제트를 묘사하는 "음속"이라는 용어는 상기 제트가 주입되는 기체의 온도(주입기의 유출구에서의 온도)에서 소리의 속도를 갖는다는 것을 의미한다.

EP 2 508 827 A1은 단계식 연소의 원리에 따라서 연료의 연소를 종결하기 위해 단부-소성식 퍼니스의 측벽 안으로의 산화 기체의 주입을 알려준다. 이 주입은 상류 벽 방향 및 대향하는 벽 방향 둘 모두에서 대각선 방향으로 및 따라서, 어느 정도는 연소 연도 기체의 스트림과 동일한 방향으로 수행된다. 이렇게 하여 기체의 재순환이 크게 강화되는데, 이것은 NOx 농도를 감소시킬 것이라고 추정되지만 정확한 범례적 실시양태는 제공되어 있지 않다. 이 문헌은 NOx를 1100 mg/Nm³ 미만으로 감소시키는 것이 어렵다는 것을 알려주고, NOx 함량을 이 값 미만으로 감소시키기 위한 해결책을 제안한다. 본 발명의 발명자들은 퍼니스의 실험에서 수평 재순환이 실제로 증가된다는 것을 결정할 수 있었다. 그러나, 또한, 수직 재순환은 감소된다. 화염이 위에서 볼 때 유리 표면에 평행하게 크게 퍼지지 않는다. 그래서, 화염의 발달이 기체 주입기를 함유하는 측벽에 대향하는 측벽에 가까운 구역에 국한되고 제한된다. 측벽 가까이의 농축된 상태 쪽으로 화염의 이러한 이동은 측벽의 온도 증가를 일으킬 것이고, 이것은 시간이 지남에 따라 그의 성능에 매우 불리하다. 게다가, 화염의 희석은 부분적이고, 사실, 그다지 효과적이지 않다. 사실, 이 강한 재순환은 화염과 거의 상호작용하지 않고, 이것은 NOx 감소 면에서 그다지 효과적이지 않다. 본 발명의 발명자는 이 해결책이 기체의 추가 주입이 없으면 이미 700 mg/Nm³ 미만인 퍼니스의 NOx 함량을 감소시키는 데 그다지 효과적이지 않다는 것을 결정할 수 있었다.

본 발명에 따라서, 이제, 퍼니스의 벽 및 특히 공기 유입구를 형성하는 내화성 물질의 상당한 해체를 하지 않고 연소 챔버 내의 기체 흐름에 작용함으로써 화염 연소에 영향을 주기 위한 간단한 수단을 발견하였다. 구체적으로 말하면, 간단히, 적어도 1개의 압축 기체 주입기를 음속 또는 초음속 또는 준음속(준음속은 소리의 속도의 적어도 80%를 의미함) 체제로, 연도 기체를 수용하기 위한 덕트 부근에 또는 연도 기체를 수용하기 위한 덕트 내에, 및 연도 기체의 스트림에 대해 향류로 놓았고, 이 주입기를 "음속 주입기"라고 부른다. 그래서, NOx 함량을 감소시키기 위한 이 음속 주입기에 의해 제공되는 큰 이점이 실현되었다. 본 출원의 맥락 내에서, 음속 주입기는 그의 기체를 소리의 속도의 적어도 80%, 바람직하게는 적어도 95%의 속도로 전달한다. 일반적으로, 이 속도는 소리의 속도의 300%를 초과하지 않는다. 음속 주입기의 단부의 형상이 소리의 속도를 초과하거나 초과하지 않는 것을 가능하게 한다. 소리의 속도를 초과하기 위해서는, 수렴형 다음에 발산형 형상을 갖는 주입기를 이용하는 것이 권할만하다. 유리 분야에서 통례적으로 이용되는 주입기는 수렴형 단부를 갖는다. 이 구성은 소리의 속도를 달성하는 것을 가능하게 하고 소리의 속도를 초과할 수 없다.

본 발명은 상류 벽 내의, 15% 내지 30%의 산소를 포함하는 산화제를 위한 유입 덕트, 상류 벽 내의 연소 연도 기체를 수용하기 위한 덕트, 및 상류 벽 안으로 개방되거나 또는 연소 연도 기체를 수용하기 위한 덕트 안으로 개방되는, 음속 주입기로 지칭되는, 소리의 속도의 적어도 80%의 속도로 기체의 제트를 주입하기 위한 적어도 1개의 주입기를 포함하는 음속 주입 시스템을 포함하는 오버헤드 버너가 구비된, 유리를 용융시키기 위한 단부-소성식 퍼니스로서, 상기 음속 주입기는 그의 기체를, 연소 연도 기체를 수용하기 위한 덕트 쪽으로 가는 연소 연도 기체의 스트림에 대한 향류로 주입하는 것인 퍼니스에 관한 것이다.

본 발명은 연도 기체 중의 NOx 함량이 600 ㎎/Nm³ 미만, 심지어 570 ㎎/Nm³ 미만, 심지어 500 mg/Nm³ 미만, 또는 심지어 450 ㎎/N㎥ 미만일 수 있기 때문에 연도 기체 중의 우수한 NOx 함량을 얻는 것을 가능하게 한다. 연소 연도 기체에 대한 향류로 음속 기체의 주입은 화염 위로 연소 기체의 수직 재순환에 유리하다. 사실, 실험실 부피의 기체 흐름의 수치적 시뮬레이션은 본 발명에 따른 음속 기체의 주입이 화염 위로의 수직 재순환에 유리하기 위해 수평 재순환을 억제한다는 것을 보여주었다. 이것은 유리 표면 위에서 화염의 퍼짐 및 따라서, 유리에 열 전달 및 또한, 화염과 연소 기체 사이의 교환 영역의 증가에 유리하다. 따라서, 연소 기체에서 화염의 희석이 증가되고 NOx의 농도가 감소된다.

음속 주입 시스템은 오직 1개의 음속 주입기 (소리의 속도의 적어도 80%의 속도로 기체의 제트를 주입하기 위한 주입기) 또는 복수의 음속 주입기, 다시 말해서 2개 또는 3개 또는 4개 또는 5개 또는 6개 또는 심지어 더 많은 음속 주입기를 포함할 수 있다.

산화제는 일반적으로 공기이다. 산화제 유입 덕트가 산화제의 대부분, 다시 말해서, 연소 챔버에 들어가는 총 산화제 유량의 적어도 95%를 공급하고, 나머지는 유도된 공기이다. 이 산화제 유입 덕트는 내화성 물질로 제조된 벽 내의 개구에 의해 형성된다.

음속 주입기에 의해 연소 연도 기체 내로 보내지는 압축 기체의 제트가 퍼니스에서 기체 스트림의 경로 및 재순환을 실질적으로 변경하는 것을 돕는 것으로 생각된다. 이렇게 하여 퍼니스에서 생성된 화염이 더 희석되고, 이렇게 하여 화염이 제공하는 열이 더 큰 길이에 걸쳐서 분포되고, 연소 챔버 내에서 연도 기체의 체류 시간이 대체로 증가된다. 이것은 두가지 점에서 유리하다:

a) 더 낮은 화염 온도 때문에 NOx가 덜 생성되고,

b) 퍼니스의 내화성 물질이 열에 의한 응력을 덜 받고, 따라서, 그의 유효 수명이 증가되는 것을 겪는다.

음속 주입기는 연소 연도 기체를 수용하기 위한 덕트를 포함하는 벽 안으로 개방되거나 또는 연소 연도 기체를 수용하기 위한 덕트 안으로 개방되고, (연소 챔버 내에서) 상류 벽 쪽으로 가고 있는 연소 연도 기체의 스트림에 대한 향류로 음속 기체를 주입한다. "상류" 및 "하류"라는 용어는 상류에서 하류로 흐르는 유리의 흐름 방향을 의미한다. 단부-소성식 퍼니스에서는, 화염이 하류 쪽으로 가기 위해 상류 벽의 한 버너(다시 말해서, 산화제 유입 덕트 및 연료 주입기(들)에 의해 형성되는 어셈블리)에서부터 시작하고, 그 다음에, 또한 산화제 유입 덕트 옆에서 또한 상류 벽 내에 위치하는 연소 연도 기체를 수용하기 위한 덕트 쪽으로 돌아오기 위해 방향을 전환한다. 본 발명에 따르면, 음속 주입기는 그의 기체를 상류로부터 하류 쪽으로 향하는 방향으로, 하지만 연소 연도 기체에 대한 향류로, 다시 말해서, 연도 기체 스트림이 상류 벽 내의 연도 기체를 수용하기 위한 덕트 쪽으로 갈 때 연도 기체 스트림과 마주침으로써, 및 연도 기체 스트림의 방향과 반대 방향으로 주입한다. 이것을 수행하기 위해, 바람직하게는, 음속 주입 시스템의 모든 음속 주입기가 연도 기체를 수용하기 위한 덕트 안으로 개방되거나 또는 산화제 유입 덕트보다 연도 기체를 수용하기 위한 덕트에 더 가까운 지점에서 상류 벽 안으로 개방된다. 바람직하게는, 음속 주입 시스템의 모든 음속 주입기는 연도 기체를 수용하기 위한 덕트의 에지로부터 1 m 미만 또는 심지어 0.5 m 미만에서 개방된다. 이것은 음속 주입기가 연도 기체를 수용하기 위한 덕트 안으로 개방되거나 또는 상류 벽 안으로 개방되는 경우에 타당하다. 연도 기체를 수용하기 위한 덕트의 에지는 연소 챔버의 측면에 있는 상기 덕트를 포함하는 벽, 다시 말해서 상류 벽에서 연도 기체를 수용하기 위한 덕트에 의해 형성되는 윤곽이다. 비록 적당한 경우에 음속 주입기가 연도 기체를 수용하기 위한 덕트 내부에서 개방될지라도, 그것은 여전히 퍼니스 내에 있고 연도 기체를 수용하기 위한 덕트 쪽으로 가는 연도 기체 스트림의 흐름을 교란시키기에 충분하게 강력하다. 이 때문에, 음속 기체가 그의 기체를 상류 벽 쪽으로 가고 있는 연소 연도 기체 스트림에 대한 향류로 주입한다고 말할 때, 연도 기체를 수용하기 위한 덕트에 들어가려고 하는 것은 여전히 퍼니스에 있는 연도 기체의 스트림이다.

음속 주입기의 유출구에서의 기체의 속도를 나타내는 벡터는 연도 기체를 수용하기 위한 덕트에 들어가는 연도 기체 스트림에 평행하고 이 스트림의 방향의 반대 방향인 0이 아닌 성분을 갖는다. 연도 기체를 수용하기 위한 덕트에 들어가는 연도 기체의 스트림이 연도 기체를 수용하기 위한 덕트를 포함하는 퍼니스의 상류 벽에 실질적으로 수직인 방향을 갖는다고 여길 수 있다. 바람직하게는, 연소 연도 기체를 수용하기 위한 덕트를 포함하는 벽에 수직인 음속 주입 시스템의 임펄스 성분이 5 N 초과, 바람직하게는 10 N 초과이다. 후자의 특징에 따르면, 음속 주입 시스템의 모든 음속 주입기가 고려되고, 시스템의 전체 성분이 상류 벽에 수직인 것으로 결정된다. 이 성분은 연소 연도 기체를 수용하기 위한 덕트를 포함하는 벽에 수직인 모든 음속 주입기에 의해 토출되는 모든 임펄스 성분의 결과이다. 이 성분은 5 N 초과, 바람직하게는 10 N 초과이다.

음속 주입기에 의해 주입되는 압축 기체는 임의의 성질을 가질 수 있고, 특히 중성 기체 또는 산소일 수 있지만, 바람직하게는 공기이다.

단부-소성식 퍼니스는 유리 용융 분야 기술자에게 잘 알려져 있다. 단부-소성식 퍼니스의 상류 벽은 산화제 유입 덕트로서 및 연도 기체를 수용하기 위한 덕트로서 번갈아서 가동하는 2개의 개구를 포함한다. 단부-소성식 퍼니스의 가동을 위해, 특히 WO 2008/078049, 특히 그의 도 1 및 2를 참고할 수 있다. 따라서, 본 발명을 가동하기 위해서, 이 2개의 개구 각각에 음속 주입 시스템이 제공되지만, 연도 기체를 수용하기 위한 덕트로서 가동하는 개구와 관련된 음속 주입 시스템만 가동된다. 퍼니스의 가동이 반전될 때, 이 2개의 음속 주입 시스템의 가동도 또한 반전된다. 따라서, 산화제 유입 덕트가 된 개구와 관련된 음속 주입 시스템이 가동정지되고, 연도 기체를 수용하기 위한 덕트가 된 개구와 관련된 음속 주입 시스템이 가동개시된다.

산화제 유입 덕트는 내화성 물질로 제조된 퍼니스의 상류 벽의 개구를 통해 퍼니스의 연소 챔버 안으로 개방된다. 이 덕트의 크라운은 수평면과 14°내지 30°의 각도를 형성하기 위해 산화제의 순환 방향으로 경사진다. 따라서, 연료 스트림이 일반적으로 산화제 유입 덕트 아래에 위치하는 주입기에 의해 주입되기 때문에 산화제가 연료 스트림 쪽으로 안내된다. 이 연료 주입기는 그의 제트가 산화제 스트림 방향으로 약간 위쪽으로 향하도록 배향될 수 있다. 연료 배출 방향은 일반적으로 위쪽으로 0°내지 15°, 특히 3°내지 15°의 수평면과의 각도를 형성할 수 있다. 산화제 유입 덕트 및 그의 연료 주입기(들)가 버너를 구성한다. 일반적으로, 여러 개의 연료 주입기가 이용되고 공기 스트림 아래에 놓인다. 이 연료 주입기들은 위에서 볼 때 유리의 표면에 평행하게 화염을 퍼지게 하도록 공기 스트림 아래에 위에서 볼 때 나란히 옆에 분포된다. 일반적으로 재생기(regenerator)가 퍼니스의 상류 벽의 2개의 개구 각각 뒤에 놓인다. 산화제가 재생기를 통과하고 그것에 의해 재가열된 후에 산화제 유입 덕트에 도달한다. 퍼니스의 "반전"이 수행될 때, 산화제 유입 덕트는 연도 기체를 수용하기 위한 덕트가 되고, 그래서 상기 덕트와 관련된 재생기가 연도 기체에 의해 재가열된다. 재생기는 가동 국면(phase)에 의존해서 연도 기체 또는 산화제가 통과하여 이동하는 망상구조를 형성하는 내화성 요소(벽돌, 크루시폼(cruciform) 등)로 충전된다. 연도 기체가 재생기를 통과할 때, 연도 기체의 열이 재생기의 내화성 요소에 전달된다. 산화제가 재생기를 통과할 때, 재생기의 내화성 요소의 열이 산화제를 가열한다. 산화제 유입 덕트 내의 산화제는 절대 압력으로서 실질적으로 대기압이고, 일반적으로 대기압보다 약간 높은 압력, 즉, 대기압 내지 대기압 + 100 Pa이다.

따라서, 본 발명에 따른 단부-소성식 퍼니스에서는, 상류 벽 내의 산화제 유입 덕트의 단면적이 일반적으로 0.5 m²로부터 3 m²에 이르는 범위 내이다. 연도 기체를 수용하기 위한 덕트는 일반적으로 산화제 유입 덕트와 동일한데, 그 이유는 이 덕트들 각각이 산화제를 제공하는 역할 및 연도 기체를 수용하는 역할을 번갈아서 하기 때문이다. 따라서, 상류 벽 내의 연도 기체를 수용하기 위한 덕트의 단면적은 일반적으로 0.5 m²로부터 3 m²에 이르는 범위 내이다.

본 발명에 따른 음속 주입 시스템을 형성함으로써, 1개 이상의 음속 주입기, 특히 2개 또는 3개 또는 4개 또는 5개 또는 6개 또는 심지어 더 많은 음속 주입기가 연도 기체를 수용하기 위한 덕트를 구비할 수 있다. 음속 주입기는 연도 기체를 수용하기 위한 덕트의 내화성 물질로 제조된 오리피스에 삽입되거나 또는 연도 기체를 수용하기 위한 덕트를 둘러싸는, 내화성 금속으로 제조된, 특히 스테인리스 스틸로 제조된 튜브에 의해 형성될 수 있다.

음속 주입기는 연도 기체를 수용하기 위한 덕트 위에서 또는 아래에서 또는 옆에서 또는 연도 기체를 수용하기 위한 덕트 그 자체 내에서 퍼니스 안으로 개방될 수 있다. 바람직하게는, 음속 주입기의 축은 상류 벽 쪽으로 가는 연도 기체 스트림 쪽으로 및 이 스트림에 대한 향류로 향한다.

음속 주입 시스템의 방출 면적은 바람직하게는 0.2 cm²로부터 4 cm²에 이르는 범위 내의 총 면적을 갖는다. 단일의 음속 주입기가 이용되는 경우, 방출 면적은 음속 주입기의 단부에서의 면적이다. 음속 주입 시스템이 여러 개의 음속 주입기를 포함하는 경우, 방출 면적은 모든 음속 주입기를 통해 기체를 방출하는 면적의 합이다.

음속 시스템은 산화제 유입 덕트에 의해 도입되는 산화제의 정상 부피의 0.2% 내지 5%, 바람직하게는 0.2% 내지 2%의 비율로 기체를 전달한다. 따라서, 여기서는 음속 주입 시스템의 모든 주입기에 의해 전달되는 기체의 부피의 합이 선택된다.

또한, 본 발명은 본 발명에 따른 단부-소성식 퍼니스에서의 유리의 용융을 포함하는 용융된 유리 제조 방법에 관한 것이다. 특히, 퍼니스 안에 도입되는 산화제의 양은 바람직하게는 퍼니스 안에 도입되는 연료의 양에 대해 과량이다. 특히, 바람직하게는, 음속 주입 시스템을 통하는 것을 포함하지 않는 퍼니스 안에 도입되는 산화제의 양은 음속 주입 시스템을 통하는 것을 포함하지 않는 퍼니스 안에 도입되는 연료의 양에 대해 과량이다.

도면은 정확한 척도로 나타낸 것이 아니다.

도 1은 측면에서 본 본 발명에 따른 단부-소성식 퍼니스의 단면도를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 퍼니스에서 연도 기체를 수용하기 위한 덕트와 조합될 수 있는 다양한 음속 주입 시스템을 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 퍼니스의 동일한 상류 벽 안으로 개방되는 음속 주입기가 구비된 연도 기체를 수용하기 위한 덕트의 측면 단면도를 나타낸다.
도 4는 다양한 구성에 따른 단부-소성식 퍼니스에서의 기체 흐름을 나타낸다.

도 1은 측면에서 본 단부-소성식 퍼니스(1)의 단면도를 나타내고, 용융된 유리(2)가 왼쪽에서 오른쪽으로 흐른다. 단면은 연도 기체를 수용하기 위한 덕트(3)를 관통해서 절단된 것이고, 연도 기체는 연도 기체가 재가열할 내화성 요소(5)를 함유하는 재생기(4) 안으로 보내진다. 국면 반전 후에는, 이 개구가 화염을 위한 버너 산화제 유입 덕트로서 이용될 것이고, 그래서 상기 산화제가 내화성 요소(5)에 의해 재가열된다. 나타낸 바와 같이, 덕트가 연도 기체를 수용하는 국면에 있다. 압축 기체 주입기(6)가 상류 벽(7) 안으로 개방되고, 상류 벽(7)은 또한 연도 기체를 수용하기 위한 덕트가 안으로 개방되는 벽이다. 압축 기체의 제트(8)가 연도 기체를 수용하기 위한 덕트 쪽으로 가는 연도 기체 스트림(점선(9)으로 묘사됨) 쪽으로 보내지지만, 연도 기체 스트림에 대한 향류로 흐른다.

도 2는 연도 기체를 수용하기 위한 덕트(20)와 조합될 수 있는 다양한 음속 주입 시스템을 나타낸다. 이 다양한 구성들은 예로서 도시된다. 음속 주입 시스템은 3개의 주입기(21)를 포함할 수 있고, 연도 기체를 수용하기 위한 덕트(20) 바로 위에 위치할 수 있거나(도 2a), 또는 연도 기체 위에 어느 일정 거리에 위치할 수 있다(도 2b). 음속 주입 시스템의 주입기는 연도 기체를 수용하기 위한 덕트 아래에 위치할 수 있다(도 2d). 도 2e에서는, 단일의 주입기(26)가 이용되고, 연도 기체를 수용하기 위한 덕트(20) 아래에 위치한다. 여기서는 주입기가 퍼니스의 종축의 옆으로 약간 왼쪽에 있다. 도 2c에서는, 음속 주입기가 연도 기체를 수용하기 위한 덕트 위 및 아래의 음속 주입 시스템에서 조합되었다. 용어 "d"는 주입기와 덕트의 에지 사이의 거리로 이해되는 것을 나타낸다. 음속 주입기의 작은 직경을 고려할 때, 거리 d는 그의 축에서부터 시작해서 측정된다.

도 3은 퍼니스의 동일한 상류 벽(33) 안으로 개방되는 음속 주입기(31)가 구비된, 측면에서 본 연도 기체를 수용하기 위한 덕트(30)를 나타낸다. 음속 주입기는 덕트의 에지로부터 거리 d에 있다. 음속 주입기는 그의 기체를 벡터(32)로 나타낸 임펄스로 전달하고, 벡터(32)는 상류 벽(33)에 수직인 성분(34) 및 벽에 평행한 또 다른 성분(35)으로 분해될 수 있다.

도 4는 벽을 통한 기체의 추가 주입이 없는 기준 단부-소성식 퍼니스에서의 기체 흐름(구성 a), 본 발명에 따른 음속 주입을 갖는 단부-소성식 퍼니스에서의 기체 흐름(구성 b), 및 측벽에서 음속 주입을 갖는 단부-소성식 퍼니스에서의 기체 흐름(구성 c)을 나타낸다.

실시예 1 내지 10

13.3 메가와트의 출력을 갖는 반전식 가동하는 2개의 버너를 포함하는 단부-소성식 퍼니스로 시험을 수행하였고, 산화제는 공기였다. 각 공기 유입 덕트는 1.55 m² (2200 mm 폭 및 800 mm 높이)의 면적을 가졌다. 퍼니스에 95 중량%의 컬렛(cullet)을 포함하는 소다-석회 유형 배치(batch) 물질을 공급하였다. 퍼니스는 330 톤/일의 생산량으로 가동하였다. 퍼니스는 94 ㎡의 표면적을 가졌다. 퍼니스의 유출구에서 유리의 온도는 대략 1300 ℃였다. 크라운은 대략 1600 ℃의 온도였다.

음속 주입 시스템을 형성하기 위해 1개 이상의 음속 압축 공기 주입기를 연소 연도 기체를 수용하기 위한 덕트 부근에 놓았다. 이 주입기는 수렴형 단부를 가졌다. 주입되는 기체는 25 ℃였다. 표 1은 다양한 가동 조건 및 또한, 연도 기체 중의 NOx 함량 면에서 결과를 제공한다. 4개의 가능한 음속 주입기 위치를 시험하였다:

- 연도 기체 수용기 바로 위에: 주입기가 수평면에 대해 20°의 하향 각도로 연도 기체를 수용하기 위한 덕트의 에지에 정확히 있고;

- 연도 기체를 수용하기 위한 덕트 약간 위에: 주입기가 수평면에 대해 20°의 하향 각도로 연도 기체를 수용하기 위한 덕트의 상부 에지 위로 400 mm 되는 곳에 있고;

- 연도 기체를 수용하기 위한 덕트 아래에: 주입기가 수평면에 대해 5°의 상향 각도로 연도 기체를 수용하기 위한 덕트 아래로 250 mm 되는 곳에 있다.

연도 기체를 수용하기 위한 덕트 위에 있는 모든 음속 압축 공기 주입기는 5 mm의 내경을 가졌다. 연도 기체를 수용하기 위한 덕트 아래에 있는 음속 압축 공기 주입기는 6 mm의 내경을 가졌다.

표 1에 다음을 나타낸다:

- 상대 압력: 이것은 음속 주입기에 공급하는 저장소의 압력이고;

- 유량: 이것은 압축 공기의 총 유량(모든 음속 주입기의 유량의 합)이고;

- 주입 속도: 이것은 음속 압축 공기 주입기의 유출구에서의 공기의 속도이고;

- 음속 임펄스: 이것은 음속 주입기의 임펄스의 합이고 (실시예 2의 경우, 주입이 음속이 아니지만, 그럼에도 불구하고 간단하게 하기 위해 기체의 임펄스를 "음속 임펄스" 란에서 소리의 속도의 50%로 묘사하였음);

- NOx: 이것은 건조 연도 기체 중의 8% 산소에서 표준화된 농도(mg/Nm³)이고;

- 차이: 기준(압축 공기의 음속 주입이 없음)에 대한 NOx의 차이이다

실시예 2 내지 7의 "차이" 결과는 실시예 1에 대해 주어진다. 실시예 9 내지 10의 "차이" 결과는 실시예 8에 대해 주어진다.

실시예 11 및 12

11 메가와트의 출력을 갖는 반전식 가동하는 2개의 버너를 포함하는 단부-소성식 퍼니스로 시험을 수행하였고, 산화제는 공기였다. 각 버너 공기 유입 덕트 (또는 반전 국면에 의존해서, 연도 기체를 수용하기 위한 덕트)는 2 m² (2300 mm 폭 및 960 mm 높이)의 면적을 가졌다. 퍼니스에 60 중량%의 컬렛을 포함하는 소다-석회 유형 배치 물질을 공급하였다. 퍼니스는 250 톤/일의 생산량으로 가동하였다. 퍼니스는 85 m²의 표면적을 가졌다. 퍼니스의 유출구에서 유리의 온도는 대략 1300 ℃였다. 크라운은 대략 1600 ℃의 온도였다. 음속 주입 시스템은 수렴형 단부를 갖는 오직 1개의 음속 압축 공기 주입기를 포함하였다. 음속 주입기를 연도 기체를 수용하기 위한 덕트 아래 300 mm 되는 곳에 및 퍼니스의 종축에 가장 가까운 연도 기체를 수용하기 위한 덕트의 하부 코너로부터 650 mm 되는 곳에 놓았다. 음속 주입기는 그의 기체를 수평면에 대해 5°의 상향 각도로 주입하였고, 직경 8 mm의 내경을 가졌다. 주입되는 기체는 25 ℃였다.

표 1은 다양한 가동 조건 및 또한, 연도 기체 중의 NOx 함량 면에서 결과를 제공한다.

<표 1>

실시예 13 내지 15

가동 중인 단부-소성식 퍼니스에서 연소 연도 기체의 흐름의 수치적 시뮬레이션을 다음 구성으로 수행하였다:

a) 기준: 기체의 추가 주입이 없음(도 4a);

b) 본 발명에 따라 상류 벽에서 181 Nm³/h의 음속 기체의 추가 주입;

c) 측벽에서 150 Nm³/h의 음속 기체의 추가 주입(도 4b 참조, 추가 주입은 굵은 화살표로 기호화됨); 주입기는 상류 벽 측의 측벽과 60°의 각도를 형성하였고, 상류 벽으로부터 측벽의 총 길이의 23%의 거리에 있고; 이 실시예는 비교하기 위해 제공되고, 본 발명에 따르지 않음;

d) 본 발명에 따라 상류 벽에서 150 Nm³/h의 음속 기체의 추가 주입(도 4c 참조, 추가 주입이 굵은 화살표로 기호화됨).

단부-소성식 퍼니스는 11 메가와트의 출력을 갖는 반전식 가동하는 2개의 버너를 포함하고, 그의 산화제는 공기이다. 각 버너 공기 유입 덕트 (또는 반전 국면에 의존해서, 연도 기체를 수용하기 위한 덕트)는 1.55 m²(2200 mm 폭 및 800 mm 높이)의 면적을 갖는다. 퍼니스는 94 ㎡의 표면적을 갖는다. 퍼니스의 유출구에서 유리의 온도는 대략 1300 ℃였다. 주입되는 음속 기체는 25 ℃였다.

도 4는 퍼니스의 실험실 부피에서 기체 흐름에 미치는 이 주입의 효과를 나타낸다. 이 흐름을 가시화하기 위해, 속도 벡터를 공기 유입 덕트의 중간을 통과하는 수직 평면에 나타내었다. 이 표현은 기체의 수직 재순환을 가시화하는 것을 가능하게 한다. 구성에 의존해서 큰 차이점이 관찰된다. 본 발명에 따른 음속 주입이 실험실 부피에서 가장 넓은 재순환을 초래한다는 것을 보여준다. 게다가, 표 2에 나타낸 바와 같이, 음속 주입이 없는 기준에 대해 표현된 NOx의 결과는 본 발명에 따른 주입의 우수성을 증명한다. "차이" 란은 추가의 기체 주입이 없는 기준 구성(도 4a)에 대한 NOx의 농도를 제공한다. 본 발명에 따른 주입은 각각 15% 및 20%의 NOx 감소를 초래한다. 측벽에서 음속 기체의 주입은 NOx의 실질적 감소를 초래하지 않는다.

<표 2>

Claims

상류 벽(33) 내의, 15% 내지 30%의 산소를 포함하는 산화제를 위한 유입 덕트, 상류 벽(33) 내의 연소 연도 기체를 수용하기 위한 덕트(3, 20, 30), 및 상류 벽(33) 안으로 개방되거나 또는 연소 연도 기체를 수용하기 위한 덕트(3, 20, 30) 안으로 개방되는, 음속 주입기로 지칭되는, 소리의 속도의 적어도 80%의 속도로 기체의 제트를 주입하기 위한 적어도 1개의 주입기(6, 31)를 포함하는 음속 주입 시스템을 포함하는 오버헤드 버너가 구비된, 유리를 용융시키기 위한 단부-소성식 퍼니스(end-fired furnace)(1)이며, 상기 음속 주입기는 그의 기체(8)를, 연소 연도 기체를 수용하기 위한 덕트(3, 20, 30) 쪽으로 가는 연소 연도 기체의 스트림(9)에 대한 향류로 주입하는 것인 퍼니스(1).
제1항에 있어서, 음속 주입기(6, 31)가 그의 기체를 소리의 속도의 적어도 95%로 주입하는 것을 특징으로 하는 퍼니스.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상류 벽(33) 내의 산화제 유입 덕트의 단면적이 0.5 m²로부터 3 m²에 이르는 범위 내이고, 상류 벽(33) 내의 연도 기체를 수용하기 위한 덕트(3, 20, 30)의 단면적이 0.5 m²로부터 3 m²에 이르는 범위 내인 것을 특징으로 하는 퍼니스.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 음속 주입 시스템의 방출 면적이 0.2 cm²로부터 4 cm²에 이르는 범위 내인 것을 특징으로 하는 퍼니스.
제4항에 있어서, 연소 연도 기체를 수용하기 위한 덕트(3, 20, 30)를 포함하는 벽(33)에 수직인 음속 주입 시스템의 임펄스 성분(34)이 5 N 초과, 바람직하게는 10 N 초과인 것을 특징으로 하는 퍼니스.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 음속 주입 시스템의 모든 음속 주입기(21, 22, 23, 24, 25, 26)가 연도 기체를 수용하기 위한 덕트(3, 20, 30) 안으로 개방되거나 또는 산화제 유입 덕트보다 연도 기체를 수용하기 위한 덕트(3, 20, 30)에 더 가까운 지점에서 상류 벽 안으로 개방되는 것을 특징으로 하는 퍼니스.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 음속 주입 시스템의 모든 음속 주입기(21, 22, 23, 24, 25, 26)가 연도 기체를 수용하기 위한 덕트(20)의 에지로부터 1 m 미만에서 개방되는 것을 특징으로 하는 퍼니스.
제7항에 있어서, 모든 음속 주입기(21, 22, 23, 24, 25, 26)가 연도 기체를 수용하기 위한 덕트(3, 20, 30)의 에지로부터 0.5 m 미만에서 개방되는 것을 특징으로 하는 퍼니스.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 기체가 공기인 것을 특징으로 하는 퍼니스.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 음속 주입 시스템이 여러 개의 음속 주입기(21, 22, 23, 24, 25)를 포함하는 것을 특징으로 하는 퍼니스.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 퍼니스에서 유리를 용융시키는 것을 포함하는 용융된 유리의 제조 방법.
제11항에 있어서, 음속 시스템이 산화제 유입 덕트에 의해 도입되는 산화제의 정상 부피의 0.2% 내지 5%, 바람직하게는 0.2% 내지 2%의 비율로 기체를 전달하는 것을 특징으로 하는 방법.
제11항 또는 제12항에 있어서, 퍼니스에 도입되는 산화제의 양이 퍼니스에 도입되는 연료의 양에 대해 과량인 것을 특징으로 하는 방법.
제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 음속 주입 시스템을 통하는 것을 포함하지 않는 퍼니스에 도입되는 산화제의 양이, 음속 주입 시스템을 통하는 것을 포함하지 않는 퍼니스에 도입되는 연료의 양에 대해 과량인 것을 특징으로 하는 방법.