KR20200036813A - 플루 가스로부터 열을 사용하는 예열 연소 반응물을 위한 통합 복사형 열교환기를 활용한 통합된 열 회수를 갖춘 퍼니스 - Google Patents

플루 가스로부터 열을 사용하는 예열 연소 반응물을 위한 통합 복사형 열교환기를 활용한 통합된 열 회수를 갖춘 퍼니스 Download PDF

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레미 트시아바
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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

복사형 복열기는 노의 하나 이상의 버너에서 연소용 산화제 및/또는 연료를 예열한다. 복열기는 버너에 의해 생성되는 고온 연도 가스를 수용하는 덕트를 포함하며, 덕트의 적어도 일부분은 1 W/(m·K) 초과, 바람직하게는 3 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료를 포함한다. 덕트는 덕트 및 절연 벽 사이에 배치되는 하나 이상의 금속 파이프를 통하여 유동하는 산화제 또는 연료로 (예열을 위해) 복사적으로 열을 전달한다.

Description

연도 가스로부터의 열을 사용하여 연소 반응물을 예열하는 복사형 복열기를 활용하는 통합 열 회수를 구비하는 노
본 발명은 노에서 생성된 연도 가스로부터의 폐열을 사용하여 노의 하나 이상의 버너에서 하나 또는 두 가지 유형의 연소용 연소 반응물(즉, 산화제 및/또는 연료)을 예열하는 것에 관한 것이다.
연도 가스로부터의 열 에너지를 회수하여 고온의 노에서 연소용 공기를 예열하는 것은 글라스 노에서의 연료 절약을 달성했다. 예를 들면, 도 1에 도시된 바와 같이, 연료(F) 및 예열된 공기(HA)의 유동이 노(F)의 버너(B)에 의해 연소되어, 연도 가스(FG)의 유동을 생성한다. 금속 복열기(R)의 도관(C)에 의해 연도 가스(FG)의 유동이 이송되며, 금속 복열기(R)는 연도 가스(FG)로부터 공기(A)의 유동으로 열을 전달하는 역할을 하여 공기(A)가 예열된 공기(HA)의 유동이 된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 예열된 공기 점화식 노용 하나의 유형의 복열기는 이중관 구성을 가지며, 이중관 구성에서는 연도 가스(FG)의 유동이 금속 내부 파이프(IP) 내에 수용되며 내부 파이프(IP) 및 외부 파이프(OP) 사이의 환형 공간 내에 수용된 공기(A)의 유동과 내부 파이프(IP)를 횡단하여 열을 교환한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 예열된 공기 점화식 노용 다른 유형의 복열기는 공기(A)의 유동을 수용하는 복수의 내부 파이프(IP)를 포함하고, 복수의 내부 파이프(IP)는 연도 가스(FG)의 유동을 수용하는 절연 내화재(IR)에 둘러싸인 원통형 공간의 주변 둘레에 배치된다. 우리의 지식상으로는, 이러한 후자의 두 가지 기법(즉, 연도 가스와 산소 또는 천연 가스 사이의 단일 금속 계면을 포함하는 것)은 안전상의 이유로 인해 산소 및 천연 가스의 예열에 상업적으로 적용되지 않았다. 이는 파이프(P)의 금속 상에서의 연도 가스(FG)의 고온 부식성 공격으로 인해, 소정 시기에 단일 금속 내부 파이프 또는 금속 내부 파이프의 링이 파손될 것으로 예상되기 때문이다. 연도 가스의 유동 내로의 산소 또는 천연 가스의 누설은 심각한 안전 사고를 초래할 수 있다.
산소 점화식 글라스 노(즉, 공기가 아니지만 그 대신 공업용 순수 산소와 같이 산소가 풍부한 가스의 일부 형태인 산화제를 연소하는 버너에 의해 가열된 글라스 노)에 연소 공기를 예열하는 기법이 약간 성공적으로 적용되었다. 그러나, 특히 고온에서 산소의 높은 반응성은 열 회수 시스템의 설계 및 구성에 극도의 제약을 가하기 때문에, 산소 흐름을 가열하는 것이 극히 어렵다. 예를 들면, 공기를 예열하기 위해 연도 가스 및 공기가 교호 사이클로 유동하는 재생기를 사용하는 것이 통상적이긴 하지만, 연도 가스에 불가피하게 존재하며 재생기 내에 침착된 오염물과 산소가 반응할 수 있다는 우려로 인해, 산소에 대해 이러한 기법을 사용하는 것은 불가능하다고 여겨지는 것이 일반적이다.
글라스 노와 마찬가지로, 연료 및/또는 산화제의 예열은 금속 용해로에 대해서도 제안되었다.
상술한 문제를 방지하기 위해, US 6,250,916은 고온의 연소 가스가 사용되는 공기를 예열하는 데에, 즉, 산소를 예열하는 데에 사용되는 하나의 해결 수단을 개시한다. 또한, Goruney 등은 Air Liquide에 의해 제공되는 HeatOx 시스템의 하나의 실시예를 개시하며, 여기에서, 공기가 먼저 고온 연도 가스와의 열교환을 통해 복열기에서 가열되고, 후속하여, 산소 또는 천연 가스가 별도의 쉘 및 튜브 열교환기에서 고온 공기로 예열된다(Goruney, et al., "Oxy-Fuel Tableware Furnace with Novel Oxygen- and Natural Gas Preheating System", 77th Conference on Glass Problems). 이러한 접근법은 매우 만족스러웠지만, 때로는 두 가지 관점에서 다소 제한될 수 있다. 첫째, 개별 열 교환기(공기 예열용 및 산소 또는 천연 가스 예열용)를 구비할 필요가 있기 때문에, 투자에 대한 회수에 필요한 시간이 증가함에 따라, 특정 상황에서 연관된 자본비가 프로젝트와 같은 투자를 억제할 수 있다. 둘째, 산소 또는 천연 가스가 예열될 수 있는 온도는 예열된 공기의 온도에 의해 제한된다. 따라서, 종래의 기술은 고온 연도 가스로부터 회수되어 산소 또는 천연 가스로 전달될 수 있는 열 에너지의 양에 있어 제한된다. 통상적으로, 예열된 공기 온도는 650℃ 이하이다.
따라서, 심각한 안전 고장의 위험을 감소시키는 연도 가스로부터의 열의 회수를 통하여, 노에서의 연소 반응물을 예열할 필요가 있다. 또한, 경제적으로 개선된 연도 가스로부터의 열의 회수를 통하여, 노에서의 연소 반응물을 예열할 필요가 있다.
연도 가스로부터의 폐열 에너지로 연소 반응물을 예열하는 복열식 열 교환을 활용하는 노에 있어서, 노 벽에 의해 둘러싸인 연소 공간을 포함하고, 연료 및 산화제가 연소되어 고체 및/또는 용융 글라스 또는 글라스 제조 재료 또는 고체 및/또는 용융 금속을 가열하여 연도 가스를 생성하는 연소실; 노 벽에 장착되고 예열된 연료 및/또는 예열된 산화제를 연소실 내부에서의 연소를 위해 그 내부로 주입하도록 만들어지고 구성되는 하나 이상의 버너; 축을 따라 연장되고 연소실에서 생성된 연도 가스의 적어도 일부분을 수용하는 제1 단과, 수용된 연도 가스를 배출하는 제2 대향단을 갖는 덕트; 덕트 축에 평행하고 덕트의 외면에 인접하게 연장되는 하나 이상의 절연 벽으로서, 절연 벽은 절연 재료로 구성되고, 비반응성 가스 공간이 덕트의 외면 및 절연 벽의 내면 사이에 형성되는, 절연 벽; 및 비반응성 가스 공간을 통하여 연장되는 하나 이상의 금속 파이프로서, 연소 산화제 또는 연소 연료를 수용하고 예열된 후에는 연소 산화제 또는 연소 연료를 배출하는 금속 파이프를 포함하고, 덕트의 하나 이상의 부분은 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료로 구성되는, 노가 개시된다.
연도 가스로부터의 폐열 에너지로 연소 반응물을 예열하는 복열식 열 교환을 활용하는 다른 노에 있어서, 노 벽에 의해 둘러싸인 연소 공간을 포함하고, 연료 및 산화제가 연소되어 고체 및/또는 용융 글라스 또는 글라스 제조 재료 또는 고체 및/또는 용융 금속을 가열하여 연도 가스를 생성하는 연소실; 노 벽에 장착되고 예열된 연료 및/또는 예열된 산화제를 연소실 내부에서의 연소를 위해 그 내부로 주입하도록 만들어지고 구성되는 하나 이상의 버너; 및 복열기를 포함하고, 복열기는, 덕트의 4개의 코너에 배치되는 한 세트의 4개의 구조적 필라와, 한 쌍의 필라 사이에서 각각 연장되며 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료로 형성되는 4개의 덕트부를 포함하는 덕트; 각 하나의 덕트부에 각각 인접하고 평행하게 연장되는 한 세트의 4개의 절연 벽으로서, 비반응성 가스 공간이 한 쌍의 인접하고 평행하게 연장되는 덕트부 및 절연 벽 사이에 배치되는 한 세트의 4개의 절연 벽; 및 하나 이상의 세트의 복수의 금속 파이프로서, 각 하나의 비반응성 가스 공간을 통하여 각각의 세트가 연장되며, 금속 파이프는 각각 연소 반응물의 유동을 수용하고 그곳에서 예열된 이후에 연소 반응물을 배출하도록 조절되고 구성되는, 하나 이상의 세트의 복수의 금속 파이프를 포함하고, 버너는 그로부터 예열된 연소 반응물을 수용하는 금속 파이프와 유체 연통되는, 노가 개시된다.
또한, 노에 의해 생성된 연도 가스로부터의 폐열 에너지로 연소 반응물을 예열하는 복열식 열 교환의 방법이 개시된다. 이 방법은 후술하는 단계를 포함한다. 연료 및 산화제가 노의 노 벽에 장착된 하나 이상의 버너로부터 노의 노 벽에 의해 둘러싸인 연소실 내의 연소 공간으로 주입되고, 연소 공간에서 주입된 연료 및 산화제가 연소되어, 고체 및/또는 용융 글라스 또는 고체 및/또는 용융 금속을 가열하여, 연도 가스를 생성하며, 연료 및 산화제 중 적어도 하나는 예열된다. 축을 따라 연장되는 덕트의 제1 단에서 연도 가스가 수용되며, 덕트의 적어도 부분은 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료로 구성된다. 수용된 연도 가스가 덕트의 제2 단으로부터 배출된다. 복사형 및 대류형 열 교환에 의해 연도 가스 및 덕트 사이에서 열이 교환된다. 비반응성 가스로 충전된 비반응성 가스 공간을 횡단하여 복사형 열 교환으로 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료로 구성되는 덕트의 하나 이상의 부분과 이 부분에 대향하는 하나 이상의 및 하나 이상의 금속 파이프 사이에서 열이 교환되며, 하나 이상의 금속 파이프는 비반응성 가스 공간을 통하여 연장되고, 비반응성 가스 공간은 덕트의 외면 및 덕트 축에 평행하며 덕트의 외면에 인접하게 연장되는 절연 벽의 내면 사이에 형성되고, 절연 벽의 외면은 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료로 구성되는 일부분에 대향한다. 예열된 연료 또는 예열된 산화제를 각각 제공하도록 대류형 열 교환에 의해 파이프를 통하여 유동하는 연료 또는 산화제 및 하나 이상의 금속 파이프 사이에서 열이 교환된다. 예열된 연료 또는 예열된 산화제가 하나 이상의 버너로 공급된다.
노 또는 방법 중 임의의 하나 이상은 하기 양태들 중 하나 이상을 포함할 수 있다:
- 덕트는 세라믹 덕트이다.
- 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료로 구성되는 덕트의 부분은 하나 이상의 금속 파이프에 대향하게 배치된다.
- 비반응성 가스는 공기이고, 비반응성 가스 공간은, 선택적으로 자연 대류에 의해, 주변 공기와 자유롭게 연통되며, 비반응성 가스 공간을 통과하는 공기의 유동을 생성하는 데에 기계적 장치가 사용되지 않는다.
- 가스 연료원이 하나 이상의 파이프와 유동 연통된다.
- 산화제원이 하나 이상의 파이프와 유동 연통된다.
- 산화제는 산소가 풍부한 공기, 공업용 순수 산소, 공업용 순수 산소 및 재순환 연도 가스의 혼합물, 또는 공업용 순수 산소 및 이산화탄소의 혼합물이다.
- 산화제원은 극저온 공기 분리 유닛, 증기 스윙 흡착 유닛, 또는 액체 산소 탱크로부터 액체 산소를 공급받는 기화기이다.
- 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료는 세라믹 재료 또는 금속 합금이다.
- 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료는 바람직하게는 30% 이상 또는 70% 이상의 SiC 함량을 갖는 캐스터블 내화성 재료이다.
- 덕트 전체는 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료로 구성된다.
- 덕트 전체는 3 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료로 구성된다.
- 덕트의 일부 부분은 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료로 구성되고, 덕트의 나머지 부분은 1 W/(m·K) 이하의 열 전도성을 갖는 재료로 구성된다.
- 덕트의 벽 두께는 1 내지 10 cm이다.
- 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료는 금속 합금이고, 덕트의 벽 두께는 10 cm 이하이다.
- 덕트는 제1, 제2, 제3, 및 제4 변을 갖는 직사각형 단면 구성을 갖고, 하나 이상의 절연 벽은 상응하는 제1, 제2, 제3, 및 제4 절연 벽을 포함하고; 제1 절연 벽은 상기 변 중 제1 변에 인접하고 이격되게 배치되고 금속 파이프 중 하나 이상은 제1 절연 벽 및 제1 변 사이에서 제1 비반응성 가스 공간을 통하여 연장되고; 제2 절연 벽은 상기 변 중 제2 변에 인접하고 이격되게 배치되고 금속 파이프 중 하나 이상은 제2 절연 벽 및 제2 변 사이에서 제2 비반응성 가스 공간을 통하여 연장되고; 제3 절연 벽은 상기 변 중 제3 변에 인접하고 이격되게 배치되고 금속 파이프 중 하나 이상은 제3 절연 벽 및 제3 변 사이에서 제3 비반응성 가스 공간을 통하여 연장되고; 제4 절연 벽은 상기 변 중 제4 변에 인접하고 이격되게 배치되고 금속 파이프 중 하나 이상은 제4 절연 벽 및 제4 변 사이에서 제4 비반응성 가스 공간을 통하여 연장된다.
- 절연 벽은 각각 덕트에 가역적으로 장착되고, 절연 벽에 대향하는 덕트 변은 각각 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료로 구성되는 부분을 포함하고; 또한, 덕트 변은 각각 1 W/(m·K) 이하의 열 전도성을 갖는 세라믹 재료로 구성되는 나머지 부분을 포함하고; 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료로 구성되는 부분은 나머지 부분에 형성된 개구에 가역적으로 장착되어, 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료로 구성되는 부분 중 임의의 단일 부분이 노의 중지를 필요로 하지 않고 교체되도록 한다.
- 덕트는 덕트의 각각의 4개의 코너에 배치되는 4개의 필라와, 각각의 한 쌍의 필라 사이에서 각각 연장되는 4개의 덕트부로 구성되어, 4개의 덕트부 중 제1 덕트부는 4개의 덕트부 중 제3 덕트부에 평행하고, 4개의 덕트부 중 제2 덕트부는 4개의 덕트부 중 제1 덕트부에 수직하며 4개의 덕트부 중 제4 덕트부에 평행하고; 하나 이상의 절연 벽은 제1, 제2, 제3, 및 제4 비반응성 가스 공간을 각각 형성하도록 제1, 제2, 제3, 및 제4 덕트부에 평행하게 연장되는 상응하는 제1, 제2, 제3, 및 제4 절연 벽을 포함하고; 하나 이상의 금속 파이프의 제1 세트는 제1 비반응성 가스 공간을 통하여 연장되고; 하나 이상의 금속 파이프의 제2 세트는 제2 비반응성 가스 공간을 통하여 연장되고; 하나 이상의 금속 파이프의 제3 세트는 제3 비반응성 가스 공간을 통하여 연장되고; 하나 이상의 금속 파이프의 제3 세트는 제3 비반응성 가스 공간을 통하여 연장되고; 4개의 덕트부는 각각 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료로 구성된다.
- 하나 이상의 절연 벽은 원형 단면 구성을 갖는 덕트를 동심으로 둘러싸는 원형 단면 구성을 갖는 하나의 절연 벽을 포함한다.
- 비반응성 가스는 공기이고, 비반응성 가스 공간은 주변 공기와 자유롭게 연통되며, 비반응성 가스 공간을 통과하는 공기의 유동을 생성하는 데에 기계적 장치가 사용되지 않는다.
- 연료는 하나 이상의 파이프를 통하여 유동하고, 예열된 연료는 하나 이상의 버너로 공급된다.
- 산화제는 하나 이상의 파이프를 통하여 유동하고, 예열된 산화제는 하나 이상의 버너로 공급된다.
- 산화제는 산소가 풍부한 공기, 공업용 순수 산소, 공업용 순수 산소 및 재순환 연도 가스의 혼합물, 또는 공업용 순수 산소 및 이산화탄소의 혼합물이다.
- 산화제는 극저온 공기 분리 유닛, 증기 스윙 흡착 유닛, 또는 액체 산소 탱크로부터 액체 산소를 공급받는 기화기로부터 생성된 공업용 순수 산소이다.
- 하나 이상의 버너로 공급된 산화제의 전체는 적어도 24 체적%의 산소 함량을 갖는다.
- 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료는 바람직하게는 SiC, 더 바람직하게는 적어도 70%의 SiC 함량을 갖는 캐스터블 내화성 재료이다.
- 덕트 전체는 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 세라믹 재료로 구성된다.
- 덕트의 일부 부분은 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료로 구성되고, 덕트의 나머지 부분은 1 W/(m·K) 이하의 열 전도성을 갖는 재료로 구성된다.
- 연료는 파이프를 통하여 유동하고, 예열된 연료는 하나 이상의 버너로 공급된다.
- 연료는 파이프 중 일부 파이프를 통하여 유동하고, 산화제는 파이프 중 다른 파이프를 통하여 유동하고, 예열된 연료 및 예열된 산화제는 하나 이상의 버너로 공급된다.
- 연도 가스의 온도는 1,100 내지 1,550℃이다.
- 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료는 3 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는다.
- 노는 글라스 노이고, 연료 및 상기 산화제는 연소되어 고체 및/또는 용융 글라스 또는 글라스 제조 재료를 가열한다.
- 노는 금속 용해로이고, 연료 및 산화제는 연소되어 고체 및/또는 용융 금속을 가열한다.
본 발명의 특성 및 목적을 더욱 잘 이해하기 위하여, 첨부된 도면과 관련하여 기술된 하기 상세한 설명이 참조되어야 하며, 이러한 도면에서, 유사한 구성요소에는 동일하거나 유사한 참조 번호가 제공된다.
도 1은 종래의 예열된 공기 점화식 노의 개략적인 평면도이다.
도 2는 종래의 예열된 공기 점화식 노에서 활용되는 일 유형의 복열기의 개략적인 평단면도이다.
도 3은 종래의 예열된 공기 점화식 노에서 활용되는 일 유형의 복열기의 개략적인 평단면도이다.
도 4는 예열된 산소 또는 예열된 연료를 활용하는 신규한 노의 실시예의 개략적인 평면도이다.
도 5는 신규한 노의 복열기의 일 실시예의 개략적인 평단면도이다.
도 6은 신규한 노의 복열기의 다른 실시예의 개략적인 평단면도이다.
도 7은 신규한 노의 복열기의 다른 실시예의 개략적인 측단면도이다.
도 8은 신규한 노의 복열기의 또 다른 실시예의 개략적인 평단면도이다.
도 9a는 신규한 노의 복열기의 또 다른 실시예의 일부분의 개략적인 측단면도이다.
도 9b는 신규한 노의 복열기의 다른 실시예의 일부분의 개략적인 측단면도이다.
도 9c는 신규한 노의 복열기의 다른 실시예의 일부분의 개략적인 측단면도이다.
도 9d는 신규한 노의 복열기의 다른 실시예의 일부분의 개략적인 측단면도이다.
도 10은 도 8의 복열기의 개략적인 사시도이다.
도 11은 일부분이 제거된 도 8의 복열기의 개략적인 사시도이다.
도 12는 일부분이 제거된 도 8의 복열기의 개략적인 사시도이다.
도 13a는 신규한 노의 복열기의 다른 실시예의 개략적인 평단면도이다.
도 13b는 신규한 노의 복열기의 또 다른 실시예의 개략적인 평단면도이다.
도 13c는 신규한 노의 복열기의 또 다른 실시예의 개략적인 평단면도이다.
도 14a는 도 13a 내지 도 13c의 실시예의 일부분의 개략적인 분해 평단면도이다.
도 14b는 덕트부를 고정하는 선택적 심(shim)을 포함하는 도 13a 내지 도 13c의 실시예의 일부분의 개략적인 평단면도이다.
도 14c는 덕트부가 서로 상측에 적층되고 일부분이 제거된 도 13a 내지 도 13c의 실시예의 개략적인 정면도이다.
도 14d는 도 14c의 실시예의 덕트부 중 2개의 개략적인 분해 측면도이다.
도 15a는 종래의 열 전달 방법에서의 열 유동의 개략도이다.
도 15b는 본 발명의 예시적인 예에서의 열 유동의 개략도이다.
예열된 연소 반응물 및 연도 가스와의 직접적인 접촉으로 인한 심각한 안전 고장의 위험이 감소된 상태로, 복사형 복열기를 활용하여 연소 반응물에 의해 생성된 연도 가스로부터의 열을 회수하여 하나 또는 두 가지의 연소 반응물(즉, 산화제 및 연료)이 예열된다.
보다 구체적으로, 예열된 산화제 및/또는 예열된 연료를 포함하는 산화제 및 연료가 노 내에 장착된 하나 이상의 버너에 의해 연소되어, 고온 연도 가스의 유동을 생성한다. 고온 연도 가스의 유동은 노로부터 고온 연도 가스를 배출하는 덕트에 의해 둘러싸인다.
덕트의 하나 이상의 측면 또는 둘레는 내화성 절연으로 이루어진 절연 벽이다. 덕트 둘레의 절연 벽의 경우, 비반응성 가스 공간(선택적으로 주변 공기와 유체 연통됨)은 덕트의 외면과 절연 벽의 내면 사이에 배치된다. 덕트의 하나 이상의 측면의 절연 벽의 경우, 하나 이상의 상응하는 비반응성 가스 공간(선택적으로 주변 공기와 유체 연통됨)이 덕트의 외면과 상응하는 절연 벽의 내면 사이에 배치된다. 공기, 이산화탄소, 수증기 및/또는 질소가 비반응성 가스의 비한정적인 유형으로 열거된다.
어느 경우에나, 복수의 금속 파이프가 비반응성 가스 공간을 통하여 연장되며 예열될 가스 연료 또는 산소가 풍부한 산화제의 유동을 수용한다. 고온 연도 가스로부터의 열은 복사적으로 (그리고, 보다 적은 정도로 대류형으로) 덕트로 전달된다. 일차 복사 매체로서, 덕트로부터의 열이 비반응성 가스 공간을 횡단하여 금속 파이프로 복사적으로 전달된다. 또한, 열은 비반응성 가스 공간을 횡단하여 절연 벽으로 복사적으로 전달되며, 절연 벽은 금속 파이프로 열을 다시 방사하는 이차 복사 매체로서 작용한다. 열 전달을 향상시키기 위해, 금속 파이프 및 절연 벽에 대향하는, 즉, 비반응성 가스 공간과 경계를 이루는 덕트의 하나 이상의 부분은 1 W/(m·K) 초과, 바람직하게는 3 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 나타내는 재료로 구성된다. 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 나타내는 재료, 바람직하게는 3 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 나타내는 재료는 세라믹 또는 금속 재료일 수 있다. 당업자는 연도 가스 덕트를 구성하고 둘러싸며 연도 가스 덕트의 주위 환경을 과열시키는 것을 방지하는 데에 사용되는 종래의 내화성 절연 재료에 비하여 열 전도성이 상당히 높다는 것을 인식할 것이다. 비반응성 가스 공간을 횡단하여 덕트 및 절연 벽으로부터 금속 파이프로 방사된 열은 결국 파이프 내에 수용된 가스 연료 또는 산소가 풍부한 산화제의 유동으로 대류형으로 전달된다. 하나 이상의 부분이 의미하는 것은, 덕트 전체가 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료로 구성될 수 있거나 덕트 전체 미만이 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료로 구성될 수 있다는 것이다. 이러한 재료로 구성되는 것이 (전체가 아니라) 하나 이상의 부분만인 덕트의 장점을 아래에서 설명한다.
(금속 복열기에서 예열을 위해 중간 열 교환 유체로서 사용되는 저온 공기의 유동을 생성하기 위해 팬을 활용하는) US 6,250,916의 연소 반응물 예열 기법에 대조적으로, 가열된 공기와 금속 파이프 사이의 대류형 열 전달을 최적화하기 위해 비반응성 가스 공간 내에서 금속 파이프를 횡단하여 공기의 유동을 강제하기 위한 목적으로, 공기를 이동시키기 위한 블로어, 팬, 부스터, 압축기 또는 유사한 장비가 없다. 오히려, 본 발명의 열 전달 기법에서 공기는 보통 정적이며 덕트 및 내화성 절연에 의해 수용되는 공간의 내외측으로 선택적으로 유동된다. 실제로, 주변 공기가 비교적 낮은 높이로부터 비반응성 가스 공간으로 유입되고 가열된 공기가 비교적 높은 높이로부터 비반응성 가스 공간으로부터 배출되면, 비반응성 가스 공간 내에서 가열된 이후의 공기의 부력의 상승에 의해 자연 통풍이 생성될 수 있다. 그러므로, 당업자는 본 발명의 열 전달 기법의 공기는 보통 대류형 열 전달용 열 교환 매체로서 사용되지 않는다는 것을 인식할 것이다. 그럼에도 불구하고, 연소 산화제 또는 연소 연료의 비반응성 가스 공간 내로의 누출이 검출되거나 존재한다고 여겨지는 경우, 비반응성 가스 공간을 비울 목적으로 비반응성 가스 공간 내외측으로 공기의 유동을 강제하기 위해 블로어 또는 팬이 선택적으로 사용될 수 있다. 마찬가지로, 공정 온도 전복(process temperature upset) 시 금속 파이프가 냉각될 필요가 있는 경우, 비반응성 가스 공간 내외측으로 공기의 유동을 강제하기 위해 블로어 또는 팬이 선택적으로 사용될 수 있다. 이러한 두 가지의 경우 중 어느 경우에도, 이러한 블로어 또는 팬의 정해진 사용은 비반응성 가스 공간에서 공기를 열 교환 매체로서 사용하는 것에 의해 덕트 및 금속 파이프 사이의 대류형 열 전달에 영향을 미치기 위한 목적이 아님을 당업자가 인식할 것이다. 또한
하나 이상의 버너가 장착되는 노 벽에 의해 둘러싸인 연소 공간을 포함하는 노에서 연도 가스가 생성된다. 버너는 연도 가스를 생성하기 위해 예열된 연료 및/또는 예열된 산화제가 연소되는 연소 공간 내로 예열된 연료 및/또는 예열된 산화제를 주입한다. 산화제 및/또는 연료가 예열되기 때문에, 노 내에서 균등한 양의 열을 생성하기 위해 적은 연료가 연소될 필요가 있다. 버너는 비예열된 연료 및 예열된 산화제, 예열된 연료 및 비예열된 산화제, 또는 예열된 연료 및 예열된 산화제 모두를 주입할 수 있다. 용해로의 경우, 1 내지 18개의 버너가 통상적으로 구비된다. 보다 상세하게는, 18개만큼 많은 버너는 통상적으로 비교적 보다 큰 글라스 용해로에 구비되며, 2개의 버너는 통상적으로 엔드 포트 유형 글라스 노에 구비된다.
예열된 연료(본 발명의 복열기의 금속 파이프 내에서 예열됨)는 천연 가스, 바이오 가스, 석탄 가스, 합성 가스, 또는 저발열(low calorific) 가스와 같은 가스이다. 본 발명의 복열기의 금속 파이프 내에서 예열되지 않은 연료의 경우, 이러한 연료는 주위 온도일 수 있거나, 상이한 기법으로 예열되고 고체 연료(석탄, 페트코크(petcoke), 바이오매스, 또는 폐기물 등), 액체 연료(연료 오일 등), 및 가스 연료(천연 가스, 바이오 가스, 석탄 가스, 합성 가스, 또는 저발열 가스)를 포함할 수 있다.
본 발명의 복열기의 금속 파이프에서 예열된 산화제의 경우, 산소가 풍부한 공기, 공업용 순수 산소, 공업용 순수 산소 및 재순환 연도 가스의 혼합물, 또는 공업용 순수 산소 및 이산화탄소의 혼합물과 같은 공기보다 높은 산소 함량을 갖는다. 산소가 풍부한 공기는 통상적으로 공기를 공업용 순수 산소와 혼합하거나 공업용 순수 산소를 공업용 순수 질소와 혼합하는 것에 의해 생성된다. 공업용 순수 산소는 극저온 공기 분리 유닛, 증기 스윙(swing) 흡착(VSA) 유닛, 또는 액체 산소 탱크로부터 액체 산소를 공급받는 기화기로부터 얻는 산소이다. 구체적인 유형의 산소원은 목전의 노에 대해 버너에 의해 요구되는 유량에 따라 선택될 것이다. 통상적으로, 노의 버너에 의해 주입된 모든 산화제 전체의 전체 산소 함량은 적어도 24%, 보다 상세하게는, 적어도 29%이다. 본 발명의 복열기의 금속 파이프에서 예열되지 않는 산화제(버너에 의해 연소되거나 노의 버너 중 하나 이상에 의해 연소됨)의 경우, 이러한 산화제는, 상술한 바와 같이, 주위 온도일 수 있거나, 상이한 기법으로 예열되고 공기, 산소가 풍부한 공기, 공업용 순수 산소, 공업용 순수 산소 및 재순환 연도 가스의 혼합물, 또는 공업용 순수 산소 및 이산화탄소의 혼합물을 포함할 수 있다.
연도 가스는 연소 공간으로부터 세라믹 또는 합금 덕트로 배출되며, 상술한 바와 같이, 세라믹 또는 합금 덕트에서 그 열 에너지가 연료 또는 산화제를 예열하는 데에 사용된다. 연도 가스는 연소 공간으로부터 덕트 내로 직접적으로 수용될 수 있거나, 연도 가스는 연소 공간과 덕트의 내부 사이에서 유체 연통하는 중간 도관을 횡단할 수 있다. 연도 가스의 온도는 통상적으로 600℃ 내지 1,550℃이다. 연도 가스는 주로 CO2, 습기, 및 N2로 구성되는 한편, 글라스 노에서 생성되는 알칼리 증기와 같은 부식성 재료 또는 금속 용해로에서 생성되는 부식성 물질을 포함할 수 있고, 이러한 증기가 노 표면에 응축하면 노가 부식될 수 있다. 당업자는 이러한 알칼리 증기가 통상적으로 NaOH 및 KOH를 포함한다는 것을 이해할 것이다. Kobayashi에 의해 정리된 바와 같이, 노 크라운 내에서의 실리카 브릭(brick)(특히, 규회석(wollastonite) 바인더)과의 알칼리 증기의 반응 Kobayashi, 등 "TCF Technology for Oxy-Fuel Glassmelting" (Part One), American Ceramic Society Bulletin, Vol. 84, No. 2 (February, 2005). 연도 가스는 또한 비연소 연료의 양을 함유할 수 있다.
연소 공간에서 생성된 연도 가스는 덕트의 일단에 수용되고 덕트의 대향단에서 배출된다. 덕트의 단면은 원형, 타원형, 직사각형, 및 정사각형을 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 규칙적인 기하학적 형상으로서 구성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 금속 파이프 및 절연 벽에 대향하는 덕트의 하나 이상의 부분은 1 W/(m·K) 초과, 바람직하게는 3 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료로 구성된다. 적합한 재료는 세라믹 및 금속 합금을 포함한다. 본 문맥에서, "세라믹"이라는 용어는 넓은 의미로 사용되며 고체 상태로 유지되며 노 내에서 발생하는 온도로 가열될 때 연화되거나 용융되지 않는 비금속 무기 고체를 지칭한다. 따라서, 본원에 사용된 "세라믹 재료"라는 용어는 또한 좁은 의미의 세라믹, 즉, 제조 중 고온(예를 들면, 1100℃ 초과)을 받으며(소성(firing)이라고도 함), 일단 제조되면, 고체 상태로 유지되고 노 내에서 발생하는 온도에서 가열될 때 연화되거나 용융되지 않는 비금속 무기 고체를 포함한다. 내화재가 일차적으로 알루미나, 규산염, 탄화 규소, 지르코니아, 등과 같은 세라믹으로 형성된다고 하면, 이러한 재료는 내화재를 포함한다는 것을 당업자가 인식할 것이다. 특히 적합한 세라믹은 비교적 높은 SiC 함량(적어도 30% 또는 적어도 70% 등)을 갖는 캐스터블 내화재 및 용융 주조 내화재 또는 질화물 결합 SiC와 같은 소결 세라믹을 포함한다. 다른 적합한 세라믹 재료는 용융 주조 알루미나, 용융 주조 알루미나-지르코니아-규산염을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 적합한 금속 합금은 Kanthal 및 310ss 등의 높은 Ni-Cr 함량, Incoloy 800/825 및 Inconel 600/625을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
비교적 높은 열 전도성은 열이, 복사형 열 전달을 통해, 상술한 부분 및 금속 파이프 사이와, 상술한 부분 및 절연 벽 사이에서 만족스럽게 전달되도록 하고, 금속 파이프를 통하여 유동하는 연소 반응물 및 금속 파이프 사이에서 대류형 열 전달에 의해 만족스럽게 전달되도록 한다. 상술한 바와 같이, 덕트의 전체가 특정된 최소 열 전도성을 갖는 세라믹 또는 금속 재료로 형성될 필요가 없다. 오히려, 덕트의 일부 부분이 덕트의 부분을 유지하면서 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료로 구성될 수 있고, 특히, 금속 파이프에 대면하지 않거나 금속 파이프에 인접하지 않는 것은 1 W/(m·K) 이하의 열 전도성을 갖는 재료로 형성될 수 있다. 1 W/(m·K) 이하의 열 전도성을 갖는 재료로 구성되는 덕트의 부분은 또한 덕트의 매우 고온(즉, 1,250℃ 이상) 영역에 배치될 수 있는데, 이는 이러한 고온에서의 증가된 열 복사는 비교적 낮은 전도성을 상쇄하는 것을 도울 수 있기 때문이다. 이는 1 W/(m·K) 이하의 열 전도성을 갖는 재료로 구성되는 덕트의 나머지 부분이 보다 높은 열 전도성 재료(즉, 1 W/(m·K) 초과)에 비하여 덜 고가이거나 보다 높은 열 전도성 재료와 비교하여 약간 다른 장점을 갖는 경우 유리할 수 있다. 일 구체예에서, 금속 파이프의 비교적 짧은 길이만이 산화제 또는 연료를 충분히 예열하기 위해 덕트와의 복사형 열 전달 관계에 있을 필요가 있는 경우, 비교적 짧은 길이에 대면하는 덕트의 이러한 부분만이 요구되는 열 전도성을 갖는 재료로 형성될 필요가 있다. 이와 같이, 금속 파이프와 복사형 열 전달 관계에 있지 않은 덕트의 나머지 부분은 요구되는 열 전도성을 갖는 재료로 형성될 필요가 없다. 추가적으로, 금속 파이프에 대향하지 않는 덕트의 부분이 1 W/(m·K) 미만의 열 전도성을 갖는 재료로 형성되는 경우, 이러한 재료는 덕트 둘레의 과열을 방지하는 것을 도울 것이다. 그러므로, 이러한 구성은 비교적 더 안전할 것이다.
요구되는 열 전도성을 갖는 덕트의 부분의 재료는 세라믹에 한정되지 않지만, 금속 합금과 비교하여, 세라믹은 후술하는 장점을 갖는다. 세라믹 재료에 의해 나타나는 부식에 대한 저항성이 매우 다양한 금속에 비하여 상당히 우수할 수 있다는 점을 복열식 열 교환의 당업자가 인식할 것이다. 이는 중요한데, 이는 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 덕트의 부분이 그 대신에 금속 재료로 구성된다면, 일반적으로, 훨씬 더 높은 속도(rate)로 다공성을 제공할 가능성이 있기 때문이다. 이는 불가피하게 공극 내부로의 연도 가스의 유동의 시기 상조한 전개를 야기하고 연소 반응물을 이송하는 금속 파이프에 부식성 충격을 야기할 것이다. 파이프가 부식성 고온 연도 가스와의 접촉에 의해 마찬가지로 비기밀성을 제공하는 지점까지 부식되는 경우, 심각한 안전 고장의 위험이 증가한다. 덕트 및 금속 파이프 사이에서 또는 연도 가스 내에 임의의 잔류 산소가 존재하는 덕트 내에서 고온(예열에 의함) 연료가 제어되지 않은 방식으로 연소될 때 심각한 안전 고장이 발생할 수 있다. 또한, 덕트 및 금속 파이프 사이에서 또는 연도 가스에 임의의 비연소 또는 불완전 연소 연료가 존재하는 덕트 내에서 고온(예열에 의함) 산화제가 제어되지 않은 방식으로 연소될 때, 심각한 안전 고장이 발생할 수 있다. 다시, 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 부분이 세라믹 재료 대신에 금속 재료로 구성된다면, 상술한 안전 고장을 방지하기 위해 이러한 금속 부분이 빈번하게 교체될 수 있지만, 이는 공정을 붕괴시키고 비교적 고가이다. 또한, 일부 금속은 부식에 대하여 약간의 정도의 저항성을 나타내지만, Hastelloy와 같은 금속은 일반적으로 복열식 열 교환기에 보통 사용되는 다른 금속에 비하여 상당히 더 고가이다. 금속 재료로 형성되는 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 부분에 대조적으로, 다수의 세라믹 재료에 의해 나타나는 비교적 큰 부식 저항성은 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 부분의 교체 이전에 비교적 긴 시간 동안 덕트가 사용되도록 한다. 실제로, 대부분의 금속 재료에 대조적으로 대부분의 세라믹 재료에 의해 나타나는 부식성 환경, 고온에 대해 적절하게 설정된 저항성을 기초로, 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 세라믹 부분의 유용한 수명은 금속 재료로 가설적으로 형성된 것의 유용한 수명의 배수일 것으로 여겨진다.
다른 한편으로는, 금속 합금은 보통 세라믹에 의해 나타나지 않는 일부 장점을 나타낸다. 금속 합금은 다수의 세라믹 재료보다 덜 고가이다. 금속 합금은 용이하게 형상화되거나 구부러지므로 제조하기 보다 용이하다. 금속 합금으로 형성된 덕트는 또한 금속인 다른 부품과 보다 용이하게 감합된다. 세라믹과 비교하여, 금속 합금은 취급 중 낮은 파손 위험을 나타내며, 이에 따라, 덕트의 구성 중 취급을 보다 용이하게 한다.
1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 부분의 외경(OD), 내경(ID), 및 벽 두께는 연도 가스의 유량 및 온도, 연소 반응물의 유량, 및 연소 반응물이 예열될 것으로 요구되는 온도에 따라 결정될 것이다. 덕트의 만족스러운 기계적 일체성을 유지하기 위해, 벽 두께는 통상적으로 약 1 내지 10 cm이다.
복수의 금속 파이프는 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 부분과 파이프 사이의 간극, 파이프 각각의 사이의 간극, 및 파이프와 상응하는 절연 벽 사이의 간극으로 덕트 주위에 배치된다. 금속 파이프는 연도 가스와의 열 전달에 의해 연소 반응물이 예열되는 시스템의 복열식 열 교환 부분을 통하여 연소 반응물을 이송한다. 파이프는 비한정적 예로서 304 스테인리스 스틸, 310 스테인리스 스틸, 니켈 합금, 및 인코넬 시리즈(600 또는 625 등) 중 임의의 것을 포함하는 금속 재료로 형성된다. 파이프는 기밀성이다. 이에 따라, 파이프는 파이프 외측으로부터 비반응성 가스가 파이프의 내부로 누설되어 연소 반응물과 혼합되는 것을 허용하지 않거나, 연소 반응물이 파이프의 외측으로 누설되어 파이프 외측의 비반응성 가스와 혼합되도록 하는 것으로 여겨진다. 모든 파이프로부터의 예열된 산화제(또는 연료)의 유동은 결합되어 산화제(또는 연료)의 단일의 예열된 유동을 제공할 수 있다. 대안적으로, 예열된 산화제(또는 연료)의 개별 유동은 개별적으로 유지되고 결합되지 않을 수 있다. 또 다른 대안으로서, 파이프 중 둘 이상(그러나, 전체 파이프보다 적음)으로부터의 예열된 산화제(또는 연료)의 유동은 결합될 수 있다. 파이프의 OD, 내경(ID), 및 벽 두께는 연도 가스의 주어진 유량 및 온도에 대해 활용되는 파이프의 개수, 연소 반응물이 예열될 것으로 요구되는 온도, 및 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 부분의 OD, ID, 및 벽 두께에 따라 결정될 것이다.
상술한 바와 같이, 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 금속 파이프 및 세라믹 또는 금속 부분이 이차 복사 매체로서의 역할을 하는 절연 벽에 의해 둘러싸일 수 있다. 이 경우, 절연 벽의 단면은 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 부분과 통상적으로 동일한 규칙적인 기하학적 형상이지만, 그럴 필요는 없다. 동일하게, 통상적으로, 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 부분과 절연 벽 모두의 단면은 정사각형, 직사각형 또는 원형으로서 구성된다.
또한, 상술한 바와 같이, 둘 이상의 절연 벽이 있을 수 있으며, 1 W/(m·K) 초과의 열전도성을 갖는 일부분을 포함하는 주어진 한 쌍의 절연 벽 및 각각의 덕트 측면 사이에 배치되는 연관된 비반응성 가스 공간(복수의 파이프 중 하나 이상이 연장됨)을 갖는 덕트의 각각의 측면에 둘 이상의 절연 벽 각각이 배치된다. 이러한 실시예는 금속 파이프 전부보다 적은 경우 또는 단지 하나의 금속 파이프가 교체되거나 수리될 필요가 있는 경우 보다 용이한 유지보수 및 연속적인 노 작동을 제공하는 장점을 갖는다. 노의 작동을 정지하고 금속 파이프 전부를 둘러싸는 절연 벽을 제거하여 파이프 전부 중 하나 또는 적은 개수를 제거하거나 교체하여야 하는 것 대신에, 수리 또는 교체를 필요로 하는 특정 금속 파이프에 인접한 절연 벽만이 제거될 필요가 있다. 이러한 방식에서, 다른 절연 벽은 제 자리에 유지될 수 있고 노 작동이 정지될 필요가 없다. 상술한 실시예의 다수의 변경이 있을 수 있다는 것을 당업자가 인식할 것이다. 예를 들면, 덕트는 4개의 변을 갖는 정사각형 단면 구성을 가질 수 있으며, 여기에서, 하나의 절연 벽이 이러한 변 중 하나와 이격된 관계로 배치되며, 금속 파이프 중 하나 이상이 연관된 절연 벽/덕트 측면 사이의 각각의 비반응성 가스 공간을 통하여 연장된다. 다른 예로서, 덕트는 4개의 변을 갖는 정사각형 단면 구성을 가질 수 있으며, 여기에서,
- 제1 절연 벽은 상술한 변 중 제1 변에 인접하고 이격되게 배치되고, 금속 파이프 중 하나 이상이 제1 절연 벽 및 제1 측 사이의 제1 비반응성 가스 공간을 통하여 연장되고,
- 제2 절연 벽은 상술한 변 중 제2 변에 인접하고 이격되게 배치되고, 금속 파이프 중 하나 이상이 제2 절연 벽 및 제2 측 사이의 제2 비반응성 가스 공간을 통하여 연장되고,
- 제3 절연 벽은 상술한 변 중 제3 변에 인접하고 이격되게 배치되고, 금속 파이프 중 하나 이상이 제3 절연 벽 및 제3 측 사이의 제3 비반응성 가스 공간을 통하여 연장되고,
- 제4 절연 벽은 상술한 변 중 제4 변에 인접하고 이격되게 배치되고, 금속 파이프 중 하나 이상이 제4 절연 벽 및 제4 측 사이의 제4 비반응성 가스 공간을 통하여 연장되고,
단지 2개 또는 단지 3개의 덕트 측면이 이격된 관계로 이에 인접하게 배치되는 연관된 절연 벽을 가질 수 있다는 것을 당업자가 더 인식할 것이다.
안전상의 이유로, 외벽은 절연 재료로 구성되어, 열 에너지가 손실되지 않고, 외벽의 외부 장비, 공정 및 사람이 고온 환경에 노출되지 않는다. 외벽의 구성의 OD, ID, 두께, 및 재료는 덕트를 통과하는 연도 가스의 온도 및 유량과, 연소 반응물로 전달된 열의 양에 따라 결정될 것이다. 통상적으로, 덕트의 외면 및 절연재의 내면 사이의 거리는 10 cm 이하이다.
열 전달 공정이 아래와 같이 수행된다. 대체로 복사형 열 전달에 의해 열이 연도 가스로부터 덕트로 전달된다. 복사형 열 매체로서 작용함에 따라, 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 덕트의 부분은 그런 다음 덕트 및 파이프 사이의 비반응성 가스 공간을 횡단하는 복사형 열 전달에 의해 대체로 금속 파이프로 열을 전달한다. 또한, 덕트 및 절연 벽 사이의 비반응성 가스 공간을 횡단하는 복사형 열 전달에 의해 덕트로부터 절연 벽으로 열이 전달된다. 또한, 복사형 열 매체로서 작용함으로써, 절연 벽은 그런 다음 다시 금속 파이프로 열을 방사한다. 최종적으로, 대체로 대류형 열 전달에 의해 파이프로부터 연소 반응물(산소가 풍부한 산화제 또는 가스 연료)로 열이 전달된다.
상술한 열 전달 기법은 US 9,618,203와 같은 본 발명의 분야에서 종래의 열 전달 방법과 구별될 수 있다.
대류 열 전달 방법에서 도 15a에 가장 잘 도시된 바와 같이, 연도 가스(FG)로부터 금속으로 형성되는 튜브(T)로 복사(Qr)에 의해 열이 전달된다. 그런 다음, 열은 전도(Qcond)에 의해 튜브(T)의 폭을 횡단하여 전달된다. 그런 다음, 대류(Qconv)에 의한 예열을 위해 열이 공기(HA)로 전달된다. 절연재(I)의 배치에 의해 열 누출이 저감된다.
본 발명에서 도 15b에 가장 잘 도시된 바와 같이, 복사(Qr)에 의해 연도 가스(FG)로부터 덕트(D)(적어도 일부분이 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 가짐)로 열이 전달된다. 그런 다음, 전도(Qcond)에 의해 덕트(D)의 폭을 횡단하여 열이 전달된다. 그런 다음, 복사(Qr)에 의해 덕트(D)로부터 비반응성 가스 공간(NRG)을 횡단하여 금속 파이프(MP)로 열이 전달된다. 그런 다음, 전도(Qcond)에 의해 금속 파이프(MP)의 벽을 횡단하여 열이 전달되며, 그로부터 대류(Qconv)에 의해 금속 파이프(MP)를 통하여 유동하는 연소 반응물(CR)로 열이 전달된다. 금속 파이프(MP)가 덕트(D)로부터 절연 벽(IW)으로의 경로를 완전히 차단하지 않기 때문에, 열이 또한 복사(Qr)에 의해 덕트(D)로부터 절연 벽으로 전달된다. 따라서, 열이 또한 복사(Qr)에 의해 절연 벽으로부터 비반응성 가스 공간(NRG)을 횡단하여 금속 파이프(MP)의 다른 벽으로 전달된다. 후속적으로, 전도(Qcond)에 의해 금속 파이프(MP) 벽의 폭을 횡단하여 열이 전달되며, 그로부터 대류(Qconv)에 의해 연소 반응물(CR)로 열이 전달된다.
US 9,618,203의 기법과 함께 제공되면, 당업자는 연도 가스(FG) 및 튜브(T) 사이에 덕트를 포함하는 것은 불리한 것이라고 고려할 것이다. 이는 덕트를 포함하는 것은 연도 가스(FG)로부터 예열(HA)용 공기로의 열 전달의 효율을 상당히 감소시키기 때문이다. 본 발명에서는, 연소 반응물(CR)로의 궁극적인 전달을 위해 이용 가능한 연도 가스(FG) 내의 열 에너지가 풍부하고 안전에 대한 우려가 증가하기 때문에, 연도 가스(FG)로부터 궁극적으로 연소 반응물(CR)로의 열 전달의 효율의 상당한 감소가 용인 가능한 것으로 여겨진다.
이제 신규한 노 및 복열기의 일부 구조적 실시예를 설명한다.
도 4에 가장 잘 도시된 바와 같이, 산소가 풍부한 산화제(또는 가스 연료)와 같은 제1 연소 반응물(105) 및 가스 연료(또는 산소가 풍부한 산화제)와 같은 제2의, 예열된, 연소 반응물(103)의 유동이 다수의 서브 유동으로 분할되고, 노(100)의 벽에 장착된 복수의 버너(101)에 수용된다. 노(100) 내의 연소 공간 내측에서 연소 반응물이 버너(101)에 의해 연소되어 연도 가스(FG)의 유동을 생성한다. 연도 가스의 유동은 (선택적으로 도관(109)을 통하여) 복열기(107)를 향하여 이송되며, 복열기(107)에서, 비예열된, 제2의, 연소 반응물(109)의 비교적 낮은 온도(주변 등) 유동을 갖는 비교적 보다 높은 온도 연도 가스(FG)로부터 열이 전달되어, 제2의, 예열된, 연소 반응물(103)의 유동을 생성한다. 당업자는 제1 연소 반응물(105)이 산소가 풍부한 산화제인 경우, 제2 연소 반응물(109)은 가스 연료라는 것을 인식할 것이다. 당업자는 또한 제1 연소 반응물(105)이 연료인 경우, 제2 연소 반응물(109)이 산소가 풍부한 산화제라는 것을 인식할 것이다. 당업자는 또한 제2 연소 반응물(109)의 유동과 동일한 방식으로 버너(101)로 유입되기 전에 복열기(107)에서 제1 연소 반응물(105)의 유동이 예열될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 이는 동일한 복열기(107) 또는 제2의, 개별 복열기(미도시)에서 수행될 수 있다. 최종적으로, 제1 연소 반응물(105)이 (복열기(107)에서 예열되지 않은) 연료인 경우에는, 예열된 연료를 사용하는 연소 분야에서 알려진 임의의 기법을 사용하여 선택적으로 예열될 수 있다.
도 5에 가장 잘 도시된 바와 같이, 복열기(107)는 적어도 부분적으로 상술한 설명에 따라 절연 벽(3)으로 둘러싸인 상술한 설명에 따른 재료로 형성되는 덕트(1)를 포함한다. 덕트(1)는 연도 가스가 유동하는 공간(FG)을 둘러싼다. 비반응성 가스 공간(5)은 절연 벽(3)의 내면 및 덕트(1) 사이의 환형 공간으로 구성된다. (예열될 연소 반응물을 이송하는) 복수의 금속 파이프(7)가 비반응성 가스 공간(5)을 통하여 연장된다. 절연 벽(3)은 부분(1)과 동심이며 이 둘 모두는 원형 단면 구성을 갖는다. 당업자는 절연 벽(3) 및 덕트(1) 모두가 타원형 단면 구성을 가질 수 있는 것을 인식할 것이다. 비반응성 가스 공간(5)은 복열기(107)의 상부 및 바닥에서 둘러싸일 필요가 없으며, 이 경우, 공기는 자유롭게 주변 대기 및 비반응성 가스 공간(5) 사이에서 연통된다. 대안적으로, 덕트(1)로부터 금속 파이프(7)로의 보다 효과적인 열 전달을 제공하기 위해, 복열기(107)의 상부 및 바닥에서, 절연 벽(3)은 비반응성 가스 공간(5)의 상부 및 하부에서 연장되어, 그 내부에 수용된 비반응성 가스가 정적이도록(즉, 보통 비반응성 가스 공간(5)으로부터 배출될 수 없음) 비반응성 가스 공간(5)을 효과적으로 둘러쌀 수 있다. 그럼에도 불구하고, 하나 이상의 개구(상부 및 바닥에서와 같음)가 절연 벽(3)에 형성되어 비반응성 가스 공간(5)의 내외측으로 주변 공기가 자유롭게 유동하도록 할 수 있다. 당업자는 금속 파이프(7)가 개구를 통하여 연장되도록 개구가 절연 벽(3)의 상부 및 바닥에 형성될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
도 6에 가장 잘 도시된 바와 같이, 복열기(107)는 적어도 부분적으로 상술한 설명에 따라 절연 벽(13)으로 둘러싸인 상술한 설명에 따른 재료로 형성되는 덕트(11)를 포함한다. 덕트(11)는 연도 가스가 유동하는 공간(FG)을 둘러싼다. 비반응성 가스 공간(15)은 절연 벽(13)의 내면 및 덕트(11) 사이의 공간으로 구성된다. (예열될 연소 반응물을 이송하는) 복수의 금속 파이프(17)가 비반응성 가스 공간(15)을 통하여 연장된다. 덕트(11) 및 절연 벽(13) 각각이 4개의 변을 가짐에 따라, 덕트(11)를 통하여 유동하는 고온 연도 가스로부터 파이프(17)를 통하여 유동하는 연소 반응물로 보다 균일하게 열을 전달하기 위해, 금속 파이프(17)는 4개의 서브 그룹으로 그룹화된다. 절연 벽(13)은 그 단면 구성이 공통의 중심을 공유한다는 점에서 덕트(11)와 동심이지만, 도 4의 실시예와 대조적으로, 이 둘 모두는 정사각형 단면 구성을 갖는다. 이러한 방식에서, 절연 벽(13)의 4개의 변 각각은 그에 인접한 덕트(11)의 각각의 측면에 평행하다. 당업자는 절연 벽(13) 및 덕트(11) 모두가 직사각형 단면 구성을 가질 수 있는 것을 인식할 것이다. 도 5의 실시예와 마찬가지로, 비반응성 가스 공간(15)은 복열기(107)의 상부 및 바닥에서 둘러싸일 필요가 없으며, 이 경우, 공기는 자유롭게 주변 대기 및 비반응성 가스 공간(15) 사이에서 연통된다. 대안적으로, 덕트(11)로부터 금속 파이프(17)로의 보다 효과적인 열 전달을 제공하기 위해, 복열기(107)의 상부 및 바닥에서, 절연 벽(13)은 비반응성 가스 공간(15)의 상부 및 하부에서 연장되어, 그 내부에 수용된 비반응성 가스가 정적이도록(즉, 보통 비반응성 가스 공간(15)으로부터 배출될 수 없음) 비반응성 가스 공간(15)을 효과적으로 둘러쌀 수 있다. 그럼에도 불구하고, 하나 이상의 개구(상부 및 바닥에서와 같음)가 절연 벽(13)에 형성되어 비반응성 가스 공간(15)의 내외측으로 주변 공기가 자유롭게 유동하도록 할 수 있다. 당업자는 금속 파이프(17)가 개구를 통하여 연장되도록 개구가 절연 벽(13)의 상부 및 바닥에 형성될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
도 7에 가장 잘 도시된 바와 같이, 복열기(107)는 적어도 부분적으로 상술한 설명에 따른 재료로 형성되는 덕트(21) 및 절연 벽(23)을 포함한다. (복수의 금속 파이프(27) 중) 금속 파이프(27)는 덕트(21) 및 절연 벽(23) 사이에서 비반응성 가스 공간(25)을 통하여 연장된다. 연도 가스는 덕트(21)의 내부(FG)를 유동하는 한편, 연소 반응물(29)의 유동은 금속 파이프(27)를 통하여 유동한다. 도 5 및 도 6의 실시예에 대해 설명된 변형예와 마찬가지로, 주변 대기로부터의 공기(A)가 비반응성 가스 공간(25)의 내외측으로 자유롭게 유동하도록 하기 위해, 하나 이상의 개구(O)가 복열기(107)의 바닥(및 상부)에 형성될 수 있다. 또한, 공기가 비반응성 가스 공간(25)으로부터 덕트(21)의 내부(22)로 유동하도록 하기 위해, 개구(29)가 덕트(21)에 형성된다. 비반응성 가스 공간(25)에서의 연도 가스 및 공기(A)의 유동 사이의 유체 연통에 의해 약간의 진공이 형성되어, 공기(A)가 개구(29)를 통하여 비반응성 가스 공간(25)으로부터 내부(FG)로 유동한다. 보다 상세하게는, 비반응성 가스 공간을 통하여 공기(A)의 유동을 강제하기 위해 블로어 또는 팬과 같은 기계적 장치가 연속적으로 작동하지 않는다(상술한 예외가 고려됨).
도 8에 가장 잘 도시된 바와 같이, 복열기(107)는 정사각형 단면 구성을 갖는 4개의 변을 갖는 덕트(31)를 포함한다. 또한, 4개의 절연 벽(33)을 포함하며, 그 각각은 이격된 관계로서 덕트(31)의 4개의 변 중 하나에 인접하게 배치된다. 덕트(31)의 변 및 각각의 절연 벽(3)의 한 쌍의 사이는 각각 연관된 비반응성 가스 공간(35)이다. 절연 벽(33)의 변(덕트(31)의 4개의 코너에 인접함)이 도 8에 둘러싸인 것으로 도시되지만, 당업자는 비반응성 가스 공간(35)을 완전히 둘러쌀 필요가 없다는 것을 인식할 것이다. 4개의 절연 벽(33)은 각각 그에 인접한 덕트(11)의 4개의 변의 각각에 평행하다.
도 8의 구성에서, 당업자는 개별 절연 벽(33) 및 금속 파이프(37)의 특정 그룹의 각 페어링이 그 자체의 챔버(연관된 비반응성 가스 공간(35)을 수용함)를 구비하며 절연 벽(33)의 내면 및 파이프에 대면하는 덕트(31)의 부분에 의해 정의되는 것으로 인식할 것이다. 이러한 구성은 금속 파이프(37)의 상이한 그룹 내의 상이한 가스를 보다 안전하게 예열하는 데에 사용될 수 있다. 예를 들면, 산화제를 예열하는 데에 제1 그룹의 금속 파이프(37)가 사용될 수 있는 한편, 연료를 예열하는 데에 제2 그룹의 금속 파이프(37)가 사용될 수 있다. 제1 그룹의 금속 파이프(37)와 연관된 비반응성 가스 공간(35)이 절연 벽(33) 및 파이프(37)의 그룹과 대면하는 덕트(31)의 부분의 조합에 의해 완전히 둘러싸이기 때문에, 제2 그룹의 금속 파이프(37)의 비반응성 가스 공간으로부터 격리된다(즉, 마찬가지로 그 자체의 연관된 절연 벽(33) 및 파이프(37)의 그룹과 대면하는 덕트(31)의 연관된 부분의 조합에 의해 완전히 둘러싸임). 그러므로, 금속 파이프(37) 중 하나의 고장 시, 상이한 그룹의 금속 파이프에서 예열되는 상이한 가스(산화제 및 연료 등) 사이의 교차 오염의 위험이 감소된다. 각 비반응성 가스 공간(35)이 비반응성 가스 공간(35)의 상방 및/또는 하방에서 완전히 둘러싸일 필요가 없다는 점에 유의하여야 한다. 오히려, 각 비반응성 가스 공간(35)은 주변 대기와 자유롭게 연통될 수 있다. 이러한 방식에서, 교차 오염의 위험이 감소하는 한편, 비반응성 가스 공간(35) 내에서의 산화제 또는 연료의 국부적인 증가의 위험이 감소되는 데, 이는 상술한 바와 같이 비반응성 가스 공간(35)의 가열에 의해 생성되는 자연 통풍에 의해 비반응성 가스 공간(35)이 수동적으로 비워질 수 있기 때문이다.
도 9a에 가장 잘 도시된 바와 같이, 복열기(107)는 절연 벽(43)과, 절연 벽(43) 및 덕트(도 9a에 도시되지 않음) 사이에서 비반응성 가스 공간(45)을 통하여 연장되는 금속 파이프(47)를 포함한다. 다른 도면에 도시된 복열기(107)에 대조적으로, 절연 벽(43)의 내면을 따라 냉각 패널(44)이 구비된다. 냉각 패널(44)은 냉매가 유동하는 복수의 냉각 파이프(46)를 포함한다. 금속 파이프(47)에 대면하는 냉각 패널(44)의 내측 대면 표면은 높은 방사율 코팅을 구비할 수 있다. 상술한 방식에서, 금속 파이프에서 가열된 연소 반응물의 온도가 요구 한계를 초과하는 경우, 절연 벽(43)으로 전달되는 열의 일부를 제거하여 예열된 연소 반응물의 온도를 낮추기 위해 냉매가 냉각 파이프(46)를 통하여 유동한다.
도 9b에 가장 잘 도시된 바와 같이, 복열기(107)는 절연 벽(43)과, 절연 벽(43) 및 덕트(도 9b에 도시되지 않음) 사이에서 비반응성 가스 공간(45)을 통하여 연장되는 금속 파이프(47)를 포함한다. 다른 도면에 도시된 복열기(107)에 대조적으로, 냉매가 유동하는 금속 파이프(47) 및 절연 벽(43) 사이에 일련의 냉각 파이프(46)가 구비된다. 금속 파이프에서 가열된 연소 반응물의 온도가 요구 한계를 초과하는 경우, 냉각 파이프(46)를 통하여 유동하는 냉매가 덕트 및 절연 벽(43) 사이의 비반응성 가스 공간 내의 공기를 냉각시키며, 이는 결국, 금속 파이프(47)를 냉각시켜 예열된 연소 반응물의 온도를 낮춘다. 열 제거 효과는 일련의 냉각 파이프(46)에 금속 플레이트(48)를 제공하는 것에 의해 선택적으로 개선되어, 냉각 효과가 이루어지는 곳을 횡단하는 표면적을 증가시킬 수 있다.
도 9c에 가장 잘 도시된 바와 같이, 복열기(107)는 절연 벽(43)과, 절연 벽(43) 및 덕트(도 9b에 도시되지 않음) 사이에서 비반응성 가스 공간(45)을 통하여 연장되는 금속 파이프(47)를 포함한다. 다른 도면에 도시된 복열기(107)에 대조적으로, 공기 냉각 파이프(46)는 각 금속 파이프(47) 내부에 구비된다. 냉매가 공기 냉각 파이프(46)를 통하여 유동하여, 금속 파이프 내에서 가열된 연소 반응물의 온도가 요구 한계를 초과하는 경우, 냉매가 금속 파이프(47)를 통하여 유동하는 예열된 연소 반응물의 온도를 낮춘다.
도 9d에 가장 잘 도시된 바와 같이, 복열기(107)는 절연 벽(43)과, 절연 벽(43) 및 덕트(도 9a에 도시되지 않음) 사이에서 비반응성 가스 공간(45)을 통하여 연장되는 금속 파이프(47)를 포함한다. 다른 도면에 도시된 복열기(107)에 대조적으로, 열 전달 패널 (144)은 금속 파이프(47)를 따라 구비된다. 덕트 및 절연 벽(43)에 의해 방사된 상당한 양의 열을 흡수하고 이에 후속하여 전도에 의해 금속 파이프(47)로 열을 전달하여 연소 반응물의 가열을 향상시키도록, 열 전달 패널(144)은 비교적 큰 표면적을 갖도록 설계된다.
도 10 내지 도 12에 가장 잘 도시된 바와 같이, 복열기(107)는 선택적으로 도관(109)을 통하여 노(100)의 내부와 유체 연통되도록 그 상부 및 바닥에서 개방되는 세라믹 또는 금속 덕트(51)를 포함하며, 도관은 예열된 연소 반응물(103)의 유동을 이송한다. 아래에서 상세하게 설명하는 바와 같이, 덕트(51)는 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 나타내는 부분과, 1 W/(m·K) 미만의 열 전도성을 나타내는 다른 부분을 포함한다. 1개, 2개, 3개 또는 4개의 절연 벽(53)이 이러한 일부분을 포함하는 덕트(51)의 1개, 2개, 3개 또는 4개의 변에 인접하게 구비될 수 있는 것으로 이해되지만, 단순화 및 명확화를 위해, 덕트(51)의 일측만이 도 10 내지 도 12의 절연 벽(53)과 연관되게 도시된다. 복수의 금속 파이프(57)가 절연 벽(53) 및 덕트(51) 사이에서 비반응성 가스 공간(도시되지 않음)을 통하여 연장된다. 금속 파이프(57)는 입구 매니폴드(56)에 의해 공급을 받으며, 그 다음 비교적 저온(주위 온도 등)인 연소 반응물을 이송하는 입구 도관(54)에 의해 공급을 받는다. 예열된 연소 반응물은 출구 매니폴드(56')에 의해 금속 파이프(57)로부터 취출되고 출구 도관(54')에 의해 출구 매니폴드(56')로부터 취출된다. 상술한 바와 같이, 도 10 내지 도 12의 실시예는 금속 파이프(57) 전부보다 적은 수를 수리하거나 교체하기 위해 노가 정지할 필요가 없다는 장점을 갖는다. 오히려, 복열기(107)가 정상적인 기능을 계속하는 동안, 작업자는 수리 및 교체에 요구되는 금속 파이프(57)에 인접한 특정 절연 벽(53)을 제거하기만 하면 된다.
절연 벽(53)이 제거되어 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료로 구성되는 덕트(51)의 부분(58)을 노출시킨다는 점에서 도 11은 도 10과 차이가 있는 한편, 금속 파이프(57)의 중간 정도가 도시되지 않는다는 점에서 도 12는 추가적으로 차이가 있다. 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 이들 부분(58)은 각각 덕트(51)의 연관된 개구(58')에 제거 가능하게 삽입될 수 있다. 부분(58) 및 나머지 부분(명확화를 위해 번호가 붙지 않음)을 모두 포함하는 덕트(51) 전체는 각각 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료로 구성될 수 있는 한편, 부분(58)만이 이러한 재료로 구성되고 나머지 부분이 1 W/(m·K) 미만의 열 전도성을 갖는 재료로 구성될 때, 도 10 내지 도 12의 실시예가 특히 유리하다. (금속 덕트와 비교하여) 세라믹 덕트는 특별한 장점을 가지며, 이는 세라믹 덕트(51)의 대부분의 비교적 낮은 전도성 재료는 보다 큰 능력을 나타낼 것으로 기대될 수 있고, 부분(58)의 재료에 대조적으로, 다공성을 제공하지 않고 세라믹 덕트(51)의 내부를 통하여 유동하는 비교적 고온 연도 가스와의 장시간의 접촉을 견디어 낼 것으로 기대될 수 있어, 장시간에 걸쳐, 고온 연도 가스의 유동이 절연 벽(53) 및 세라믹 덕트(51) 사이의 비반응성 가스 공간으로 유입되는 것을 방지하는 능력을 보다 크게 나타낼 것이기 때문이다. 다른 한편으로는, 이러한 재료가 다공성을 제공하지 않고 (세라믹 덕트(51)의 나머지 부분에 대조적으로) 고온 연도 가스와의 장시간의 접촉을 견디는 능력이 감소되는 경우, 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 나타내는 세라믹 재료의 이용 가능한 선택이 비교적 제한될 수 있기 때문에, 비반응성 가스 공간 내로 고온 연도 가스가 누출하지 않을 것을 보다 양호하게 확보하기 위해 부분(58)이 규칙적인 간격으로 제거되고 교체될 수 있다. 이는 또한 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 나타내는 재료가 낮은 열 전도성을 나타내는 재료에 비하여 비교적 더 고가인 경우에 유리할 수 있다.
덕트(51)의 부분(58)(1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료로 구성됨)이 유효 수명의 종료점에 도달하면, 부분(58)이 연관된 개구(58')로부터 조심스럽게 제거되고 고온 연도 가스에 노출되지 않은 새로운 부분(58)으로 교체되는 것에 의해 용이하게 교체될 수 있다. 각 부분(58)의 중량을 50 kg 이하로 유지하는 것에 의해 교체 용이성이 향상될 수 있다. 이는 각 부분(58)을 연관된 개구(58')에서 서로 적층되는 복수의 조각으로 분리하는 것에 의해 훨씬 더 용이하게 달성될 수 있다. 최종적으로, 각 부분(58)(또는 개별 조각)은 부분(58)(또는 개별 조각)이 연관된 개구(58') 내의 위치의 내외측으로 보다 용이하고 안전하게 승강되도록 하는 하나 이상의 승강 러그(lug)를 구비할 수 있다.
본 발명의 복열기의 3개의 실시예가 도 13a, 도 13b, 도 13c에 각각 도시된다. 이러한 3개의 실시예의 각각에 공통되는 특정 특징(일부는 선택적)이 또한 도 14a 내지 도 14d에 도시된다. 3개의 실시예는 각각 한 세트의 4개의 구조적 필라(62)를 포함한다. 필수적인 열 전도성을 갖는 재료로 형성되는 덕트부(61)가 각각의 한 쌍의 인접한 필라 사이에서 연장된다. 필라(62) 및 덕트부(61)의 내부 대면 표면은 연도 가스가 유동하는 공간(FG)을 둘러싼다.
필라(62)는 덕트부(61)를 고정하는 기계적 지지를 제공한다. 보다 상세하게는, 덕트부(61)의 각 단부의 단차면(72)이 인접한 필라(62)의 각각의 코너에 배치되는 상응하는 단차면(74)에 접한다. 덕트부(61)의 단차면(72)이 필라(62)의 단차면에 접하기 때문에, 연도 가스가 유동하는 공간(FG) 내로 덕트부(61)가 떨어지는 것이 방지된다. 주어진 덕트부(61)의 각각의 단부면(89)이 인접한 필라(62)의 상응하는 측면(88)에 접하기 때문에, 덕트부(61)는 또한 측방향으로 이동하는 것이 방지된다.
본 발명의 복열기의 실시예는 또한 각각 한 세트의 4개의 절연 벽(63)을 포함한다. 각 절연 벽(63)은 덕트부(61) 중 각 하나에 평행하게 연장된다. 평행 연장 덕트부(61) 및 절연 벽(63)의 한 쌍의 사이는 비반응성 가스 공간(65)이다. 연소 반응물(산화제 또는 연료)이 유동하며 예열되는 복수의 금속 파이프(67)가 비반응성 가스 공간(65)을 통하여 연장된다. 비반응성 가스 공간(65)은 비반응성 가스(공기, 이산화탄소, 수증기 및/또는 질소 등)로 충전된다.
인접한 덕트부(61)의 외면, 절연 벽(63)의 내면 및 인접한 필라(63)의 측면(88) 사이의 비반응성 가스 공간(65)를 둘러싸도록, 각 절연 벽(63)은 인접한 비반응성 가스 공간(65)보다 긴 길이를 갖는다. 각 절연 벽(63)은 인접한 필라(62)의 외면의 일부분(78)과 접하는 내면의 주변 단부(76)를 포함한다. 각 절연 벽(63)이 연소 또는 열 전달 분야에서 알려진 임의의 기법에 의해 제 자리에 고정될 수 있는 한편, 선택적으로 브래킷(68)으로 인접한 필라(62)에 고정될 수 있다. 각 브래킷(68)은 인접한 필라(62)의 외면의 일부분(82)과 접하며 볼트 등의 체결 장치로 필라(62)에 고정되는 외부 레그(80)를 포함한다. 각 브래킷(68)은 또한 인접한 절연 벽(63)의 외면의 일부분(86)에 접하며 부분(78)에 대해 절연 벽(63)을 마찰로 유지하는 내부 레그(84)를 포함한다. 상술한 방식으로, 각 절연 벽(63)은 비반응성 가스 공간(65)을 향하거나 멀어지게 떨어지는 것이 방지된다.
덕트부(61)가 연소 또는 열 전달의 분야에서 알려진 임의의 방식으로 인접한 비반응성 가스 공간(65)을 향하여 떨어지는 것을 방지하기 위해 덕트부(61)가 각각 고정될 수 있지만, 선택적으로, 인접한 필라(62)의 측면(88)에 형성되는 슬롯에 심(90)이 부분적으로 삽입될 수 있다. 덕트부(61)가 인접한 비반응성 가스 공간(65)을 향하여 떨어지는 것을 방지하기 위해, 슬롯에 삽입되지 않는 심(90)의 부분은 문제의 덕트부(61)의 외면의 주변부 위로 연장된다.
도 13a 내지 도 13c의 복열기 실시예는 단일 세트의 4개의 덕트부(61)로 한정되지 않는다. 오히려 도 14c에 가장 잘 도시된 바와 같이, 인접한 한 쌍의 필라(62) 사이에서 연장되는 결합된 덕트부를 형성하도록 복수의 덕트부(61)가 서로 적층될 수 있다. 연소 또는 열 전달 분야에서 알려진 임의의 방식으로 덕트부(61)가 적층될 수 있지만, 도 14d에 가장 잘 도시된 바와 같이, 제1 덕트부(61)의 저부의 돌기(94)가 제1 덕트부 아래의 제2 덕트부(61)의 상응하는 캐비티(96)에 계합된다. 이러한 패턴은 인접한 한 쌍의 필라(62) 사이에서 연장되는 결합된 덕트부의 다른 덕트부(61)에 대하여 반복된다.
선택적으로 및 도 13b의 실시예에 가장 잘 도시된 바와 같이, 복수의 냉각 튜브(70a)가 비반응성 가스 공간(65)을 통하여 금속 파이프(67)로 연장된다. 물 또는 공기 또는 질소와 같은 냉각 유체가 냉각 튜브(70a)를 통하여 유동하여 금속 파이프(67) 내의 산화제 또는 연료의 가열을 적절하게 하는 것을 돕는다. 대안적으로 도 13c의 실시예에 가장 잘 도시된 바와 같이, 복수의 냉각 튜브(70a) 대신, 냉각 패널(70b)이 비반응성 가스 공간(65)을 통하여 연장된다. 냉각 패널(70b)은 주름져 복사열을 받는 표면적을 증가시킨다. 도 13b의 실시예의 냉각 튜브(70a)와 마찬가지로, 물 또는 공기와 같은 냉각 유체가 냉각 패널(70b)을 통하여 유동하여 금속 파이프(67) 내의 산화제 또는 연료의 가열을 적절하게 하는 것을 돕는다.
도 13a 내지 도 13c의 실시예에 있어서, 작동 중, 연료 및 산화제가 노의 노 벽에 장착된 하나 이상의 버너로부터 노의 노 벽에 의해 둘러싸인 연소실 내의 연소 공간으로 주입된다. 주입된 연료 및 산화제는 연소 공간에서 연소되어 열 에너지를 생성하며, 열 에너지는 고체 및/또는 용융 글라스 또는 글라스 제조 재료 또는 고체 및/또는 용융 금속을 가열하는 데에 사용되고 또한 연도 가스를 생성하는 데에 사용된다. 연료 및 산화제 중 적어도 하나는 예열된다.
복열기의 제1 단에서 연소실로부터 연도 가스가 수용되고 복열기의 제2의, 대향단으로부터 배출된다. 연도 가스는 필라(62)의 내면 및 덕트부(61)에 의해 정의되는 공간(FG)을 통하여 유동한다. 연도 가스 및 덕트부(61) 사이에서 열이 복사적으로 교환된다. 비반응성 가스 공간(65)을 횡단하는 복사형 열 교환에 의해 덕트부(61) 및 하나 이상의 금속 파이프(67) 사이에서 열이 교환된다. 예열된 연료 또는 예열된 산화제를 각각 제공하도록 대류형 열 교환에 의해 파이프(67)를 통하여 유동하는 연료 또는 산화제 및 하나 이상의 금속 파이프(67) 사이에서 열이 교환된다. 예열된 연료 또는 예열된 산화제는 주입을 위해 하나 이상의 버너로 공급된다. 금속 파이프(67) 전부가 산화제만의 유동 또는 연료만의 유동을 수용할 필요가 없다는 점에 유의하여야 한다. 연관된 비반응성 가스 공간(65)의 한 세트의 금속 파이프(67)는 산화제의 유동을 수용할 수 있는 한편, 상이한 연관된 비반응성 가스 공간(65)의 다른 세트의 금속 파이프(67)는 연료의 유동을 수용할 수 있다. 또한, 주어진 비반응성 가스 공간(65) 내의 주어진 세트의 금속 파이프(67) 내에서, 파이프(67) 중 하나 이상이 산화제의 유동을 수용할 수 있는 한편, 이 세트의 나머지 파이프(67)가 연료의 유동을 수용할 수 있다.
본 발명의 몇몇 구체적인 실시예와 함께 본 발명을 설명하였지만, 전술한 설명을 고려할 때 많은 대안예, 수정예 및 변경예가 당업자에게 명확해질 것이 분명하다. 따라서, 본 발명은, 첨부된 청구항의 사상 및 넓은 범위 내에 포함되는 그러한 대안예, 수정예, 및 변경예 모두를 포함할 것이다. 본 발명은 개시된 요소를 적절하게 포함하거나, 그러한 요소로 이루어지거나 그러한 요소로 본질적으로 이루어질 수 있고, 개시되지 않은 요소 없이도 실시될 수 있다. 또한, 제1 및 제2와 같이 순서를 지칭하는 언어가 있는 경우에, 이는 예시적인 의미로서 이해되어야 하고 제한적인 의미로 이해되지 않아야 한다. 예를 들어, 당업자는, 특정 단계들이 단일 단계로 조합될 수 있다는 것을 인식할 수 있다.
문맥에서 달리 명백하게 기재되어 있지 않는 한, 단수 형태("a", "an", 및 "the")가 복수의 대상을 포함한다.
청구항 내의 "포함한다"는 개방형 전이적 용어(open transitional term)이며, 이는, 후속하여 식별되는 청구항의 요소가 비배타적인 나열이라는 것, 즉 임의의 다른 것이 부가적으로 포함될 수 있고 "포함한다"의 범위 내에서 유지될 수 있다는 것을 의미한다. "포함한다"는 본원에서 더 제한된 전이적 용어인 "본질적으로 ~으로 이루어진" 및 "~으로 이루어진"을 필수적으로 포함하는 것으로 정의되고; "포함한다"는 그에 따라 "본질적으로 ~으로 이루어진" 또는 "~으로 이루어진"에 의해서 대체될 수 있고, 명백하게 정의된 "포함한다"의 범위 내에서 유지된다.
청구항 내의 "제공한다"는 구비한다, 공급한다, 이용 가능하게 한다, 또는 무언가를 준비한다는 것을 의미하는 것으로 정의된다. 단계는 청구항에서 달리 명백하게 반대되는 기재가 없는 경우에 임의 행위에 의해서 실시될 수 있다.
선택적인 또는 선택적으로는, 후속 설명되는 이벤트 또는 상황이 발생되거나 발생되지 않을 수 있다는 것을 의미한다. 상세한 설명은, 이벤트 또는 상황이 발생되는 경우 및 그러한 것이 발생되지 않는 경우를 포함한다.
범위는 본원에 대략적으로 하나의 특정 값으로부터, 및/또는 대략적으로 다른 특정 값까지인 것으로 표현될 수 있다. 그러한 범위가 표현되었을 때, 다른 실시예가, 그러한 범위 내의 모든 조합과 함께, 하나의 특별한 값으로부터 및/또는 다른 특별한 값까지라는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그에 의해서, 본원에 기재된 모든 언급 각각은 그 전체가, 그리고 그 각각이 인용된 구체적인 정보를 위해서, 본원에 참조로 포함된다.

Claims (31)

  1. 연도 가스로부터의 폐열 에너지로 연소 반응물을 예열하는 복열식 열 교환을 활용하는 노에 있어서,
    노 벽에 의해 둘러싸인 연소 공간을 포함하고, 연료 및 산화제가 연소되어 고체 및/또는 용융 글라스 또는 글라스 제조 재료 또는 고체 및/또는 용융 금속을 가열하여 연도 가스를 생성하는 연소실;
    상기 노 벽에 장착되고 예열된 연료 및/또는 예열된 산화제를 연소실 내부에서의 연소를 위해 그 내부로 주입하도록 만들어지고 구성되는 하나 이상의 버너;
    축을 따라 연장되고 상기 연소실에서 생성된 상기 연도 가스의 적어도 일부분을 수용하는 제1 단과, 상기 수용된 연도 가스를 배출하는 제2 대향단을 갖는 덕트;
    상기 덕트 축에 평행하고 상기 덕트의 외면에 인접하게 연장되는 하나 이상의 절연 벽으로서, 절연 벽은 절연 재료로 구성되고, 비반응성 가스 공간이 상기 덕트의 외면 및 상기 절연 벽의 내면 사이에 형성되는, 절연 벽; 및
    상기 비반응성 가스 공간을 통하여 연장되는 하나 이상의 금속 파이프로서, 상기 연소 산화제 또는 상기 연소 연료를 수용하고 예열된 후에는 상기 연소 산화제 또는 상기 연소 연료를 배출하는 금속 파이프를 포함하고, 상기 덕트의 하나 이상의 부분은 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료로 구성되는, 노.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비반응성 가스 공간은 주변 공기와 자유롭게 연통되며, 상기 비반응성 가스 공간을 통과하는 공기의 유동을 생성하는 데에 기계적 장치가 사용되지 않는, 노.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 파이프와 유동 연통되는 가스 연료원을 더 포함하는 노.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 파이프와 유동 연통되는 산화제원을 더 포함하는 노.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 산화제는 산소가 풍부한 공기, 공업용 순수 산소, 공업용 순수 산소 및 재순환 연도 가스의 혼합물, 또는 공업용 순수 산소 및 이산화탄소의 혼합물인, 노.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 산화제원은 극저온 공기 분리 유닛, 증기 스윙 흡착 유닛, 또는 액체 산소 탱크로부터 액체 산소를 공급받는 기화기인, 노.
  7. 제1항에 있어서,
    1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료로 구성되는 상기 덕트의 상기 하나 이상의 부분은 각각 세라믹 또는 금속 재료로 구성되는, 노.
  8. 제1항에 있어서,
    1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료로 구성되는 상기 덕트의 상기 하나 이상의 부분은 각각 적어도 70%의 SiC 함량을 갖는 캐스터블 내화성 재료인, 노.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 덕트 전체는 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료로 구성되는, 노.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 덕트의 일부 부분은 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료로 구성되고, 상기 덕트의 나머지 부분은 1 W/(m·K) 이하의 열 전도성을 갖는 재료로 구성되는, 노.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 덕트는 상기 덕트의 각각의 4개의 코너에 배치되는 4개의 필라와, 각각의 한 쌍의 필라 사이에서 연장되는 4개의 덕트부로 구성되어, 상기 4개의 덕트부 중 제1 덕트부는 상기 4개의 덕트부 중 제3 덕트부에 평행하고, 상기 4개의 덕트부 중 제2 덕트부는 상기 4개의 덕트부 중 제1 덕트부에 수직하며 상기 4개의 덕트부 중 제4 덕트부에 평행하고;
    상기 하나 이상의 절연 벽은 제1, 제2, 제3, 및 제4 비반응성 가스 공간을 각각 형성하도록 상기 제1, 제2, 제3, 및 제4 덕트부에 평행하게 연장되는 상응하는 제1, 제2, 제3, 및 제4 절연 벽을 포함하고;
    하나 이상의 금속 파이프의 제1 세트는 상기 제1 비반응성 가스 공간을 통하여 연장되고;
    하나 이상의 금속 파이프의 제2 세트는 상기 제2 비반응성 가스 공간을 통하여 연장되고;
    하나 이상의 금속 파이프의 제3 세트는 상기 제3 비반응성 가스 공간을 통하여 연장되고;
    하나 이상의 금속 파이프의 제3 세트는 상기 제3 비반응성 가스 공간을 통하여 연장되고;
    상기 4개의 덕트부는 각각 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료로 구성되는, 노.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 절연 벽은 각각 1 W/(m·K) 이하의 열 전도성을 갖는 세라믹 재료로 구성되고, 상기 필라는 각각 1 W/(m·K) 이하의 열 전도성을 갖는 세라믹 재료로 구성되는, 노.
  13. 제1항에 있어서,
    1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 상기 재료는 3 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는, 노.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 노는 글라스 노이고, 상기 연료 및 상기 산화제는 연소되어 고체 및/또는 용융 글라스 또는 글라스 제조 재료를 가열하는, 노.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 노는 금속 용해로이고, 상기 연료 및 상기 산화제는 연소되어 고체 및/또는 용융 금속을 가열하는, 노.
  16. 노에 의해 생성된 연도 가스로부터의 폐열 에너지로 연소 반응물을 예열하는 복열식 열 교환의 방법에 있어서,
    연료 및 산화제를 노의 노 벽에 장착된 하나 이상의 버너로부터 상기 노 벽에 의해 둘러싸인 연소실 내의 연소 공간으로 주입하고, 상기 연소 공간에서 주입된 연료 및 산화제를 연소시켜, 고체 및/또는 용융 글라스 또는 글라스 제조 재료 또는 고체 및/또는 용융 금속을 가열하여, 연도 가스를 생성하는 단계로서, 상기 연료 및 산화제 중 적어도 하나는 예열되는, 단계;
    축을 따라 연장되는 덕트의 제1 단에서 상기 연도 가스를 수용하는 단계로서, 상기 덕트의 하나 이상의 부분은 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료로 구성되는 단계;
    상기 수용된 연도 가스를 상기 덕트의 제2 단으로부터 배출하는 단계;
    복사형 열 교환에 의해 상기 연도 가스 및 상기 덕트 사이에서 열을 교환하는 단계;
    비반응성 가스로 충전된 비반응성 가스 공간을 횡단하여 복사형 열 교환으로 상기 덕트 및 하나 이상의 금속 파이프 사이에서 열을 교환하는 단계로서, 상기 하나 이상의 금속 파이프는 상기 비반응성 가스 공간을 통하여 연장되고, 상기 비반응성 가스 공간은 상기 덕트의 외면 및 상기 덕트 축에 평행하며 상기 덕트의 상기 외면에 인접하게 연장되는 절연 벽의 내면 사이에 형성되는, 단계;
    예열된 연료 또는 예열된 산화제를 제공하도록 대류형 열 교환에 의해 상기 파이프를 통하여 유동하는 연료 또는 산화제 및 상기 하나 이상의 금속 파이프 사이에서 열을 교환하는 단계; 및
    상기 예열된 연료 또는 예열된 산화제를 상기 하나 이상의 버너로 공급하는 단계를 포함하는 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 비반응성 가스는 공기이고, 상기 비반응성 가스 공간은 주변 공기와 자유롭게 연통되며, 상기 비반응성 가스 공간을 통과하는 공기의 유동을 생성하는 데에 기계적 장치가 사용되지 않는, 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    연료는 상기 하나 이상의 파이프를 통하여 유동하고, 예열된 연료는 상기 하나 이상의 버너로 공급되는, 방법.
  19. 제15항에 있어서,
    산화제는 상기 하나 이상의 파이프를 통하여 유동하고, 예열된 산화제는 상기 하나 이상의 버너로 공급되는, 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 산화제는 산소가 풍부한 공기, 공업용 순수 산소, 공업용 순수 산소 및 재순환 연도 가스의 혼합물, 또는 공업용 순수 산소 및 이산화탄소의 혼합물인, 방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 산화제는 극저온 공기 분리 유닛, 증기 스윙 흡착 유닛, 또는 액체 산소 탱크로부터 액체 산소를 공급받는 기화기로부터 생성된 공업용 순수 산소인, 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 하나 이상의 버너로 공급된 산화제의 전체는 적어도 24 체적%의 산소 함량을 갖는, 방법.
  23. 제16항에 있어서,
    1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 상기 재료는 세라믹 또는 금속 재료인, 방법.
  24. 제15항에 있어서,
    1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료는 적어도 30%의 SiC 함량을 갖는 캐스터블 내화성 재료인, 방법.
  25. 제16항에 있어서,
    상기 덕트 전체는 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료로 구성되는, 방법.
  26. 제16항에 있어서,
    상기 덕트의 일부 부분은 1 W/(m·K) 초과의 열 전도성을 갖는 재료로 구성되고, 상기 덕트의 나머지 부분은 1 W/(m·K) 이하의 열 전도성을 갖는 재료로 구성되는, 방법.
  27. 제16항에 있어서,
    연료는 상기 파이프를 통하여 유동하고, 예열된 연료는 상기 하나 이상의 버너로 공급되는, 방법.
  28. 제16항에 있어서,
    연료는 상기 파이프 중 일부 파이프를 통하여 유동하고, 산화제는 상기 파이프 중 다른 파이프를 통하여 유동하고, 예열된 연료 및 예열된 산화제는 상기 하나 이상의 버너로 공급되는, 방법.
  29. 제16항에 있어서,
    상기 연도 가스의 온도는 1,100 내지 1,550℃인, 방법.
  30. 제16항에 있어서,
    상기 노는 글라스 노이고, 상기 주입된 연료 및 산화제가 상기 연소 공간에서 연소되어, 고체 및/또는 용융 글라스 또는 글라스 제조 재료를 가열하는, 방법.
  31. 제16항에 있어서,
    상기 노는 금속 용해로이고, 상기 주입된 연료 및 산화제는 상기 연소 공간에서 연소되어, 고체 및/또는 용융 금속을 가열하는, 방법.
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