KR20200085707A - 이중-단계화된 산소-연료 버너 - Google Patents

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마크 다니엘 다고스티니
알렉산다르 게오르기 슬라베이코프
마이클 데이비드 부진스키
윌리엄 제이 호란
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에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
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Abstract

산소-연료 버너로서, 중앙 버너 요소로서, 중심축을 갖고 중앙 노즐에서 종료하는 중앙 도관; 및 중앙 도관을 둘러싸고 중앙 도관과 동축인 고리형 노즐에서 종료하는 고리형 도관으로서, 고리형 도관 및 중앙 도관은 고리형 벽에 의해 분리되고, 중앙 도관은 제 1 반응물을 흐르도록 배열되고, 고리형 도관은 제 2 반응물을 흐르도록 배열되는, 고리형 도관을 포함하는, 중앙 버너 요소; 중앙 버너 요소의 측부로부터 이격되고 제 1 단계화 노즐에서 종료하는 제 1 단계화 도관; 중앙 버너 요소의 대항 측부로부터 이격되고 제 2 단계화 노즐에서 종료하는 제 2 단계화 도관; 제 2 반응물의 흐름을 고리형 도관으로 향하는 제 2 반응물의 비-제로 1차 흐름과 제 2 반응물의 비-제로 2차 흐름으로 배분하도록 배열된 제 1 배분 유닛; 및 제 1 단계화 도관과 제 2 단계화 도관 사이의 제 2 반응물의 2차 흐름을 선택적으로 배분하도록 배열된 제 2 배분 유닛을 포함하고, 하나의 반응물은 연료이고, 다른 반응물은 산소이다.

Description

이중-단계화된 산소-연료 버너{DOUBLE-STAGED OXY-FUEL BURNER}
본 출원은 2017년 2월 22일에 출원한 미국 가특허 출원 번호 62/461,946의 이익을 주장하며, 그 전체가 참고용으로 병합된다.
본 출원은 산소-연료 버너, 및 그러한 버너의 동작 방법에 관한 것으로, 특히 2개의 대안적인 구성들에서 단계화된(staged) 불꽃을 발생시킬 수 있는 능력을 갖는 산소-연료 버너에 관한 것이고, 단계화(staging) 산소는 로(furnace) 동작 상태 또는 파라미터에 따라, 연료-풍부(fuel-rich) 1차 불꽃 위 또는 아래 중 어느 하나에 도입되거나, 동시에 연료-풍부 1차 불꽃 위 또는 아래 모두에 도입된다.
유리 로에서 산소-풍부 연소, 및 특히 산소-연료 연소에 계속되는 특정한 문제들은 본 출원의 버너들 및 방법들에 의해 해결되었다.
먼저, 산소-천연 가스 불꽃에서 높은 명도를 생성하는 것은 어렵다. 탄화수소에서의 그을음 형성은 전자기 스펙트럼의 가시광 및 근적외선 범위에서 상당한 열 복사에 대해 필요하다. 주로 메탄과, 상대적으로 사소한 양의 다른 탄화수소 가스 및 다른 희석 가스를 포함하는 가장 보편적으로 사용된 탄화수소 가스 연료, 천연 가스가 모든 주요한 탄화수소 가스의 최저 그을음-형성 경향을 갖는다는 것이 잘 알려져 있다. 따라서, 사실상, 천연 가스로부터 높은 명도 불꽃을 생성하는 것은 상대적으로 어렵다. 이러한 고유한 어려움은 산소-연료 불꽃에서 발견되는데, 이는 생성될 수 있는 임의의 그을음이 일단 형성되면 단명하기 때문이다. 이것은 특히, 산소-연료 연소에서 생성된 초고(ultra-high) 불꽃 온도에서, 산소와의 천연 가스 연료의 극도로 높은 상대성으로 인한 것이다. 문제에 대한 한 가지 종래 기술의 접근법은 그을음을 형성하기 위해 연료-풍부 산소-가스 혼합물을 사전 혼합하고 점화하고, 그런 후에 유리 용융 로에 침투하는 불꽃을 발생시키기 위해 산소와 혼합되는 그을음-함유 생성물(products)을 버너 노즐에 도입함으로써 천연 가스를 열적으로 "분해"(thermally cracking)하기 위한 버너 내 챔버의 사용을 통해 이루어졌다. 이러한 접근법이 갖는 한 가지 고유한 어려움은, 사전 혼합이 버너의 내부 챔버에서 발생하고, 이것이 버너 금속을 매우 높은 온도에 노출하면서, 또한 그을음 증착으로 인해 버너 통로들의 내부 파울링(fouling)의 위험을 갖는다는 것이다. 더욱이, 이러한 디바이스 및/또는 방법에 의해 형성된 불꽃은 분해에 요구된 매우 특정한 반응물 조성물로 인해 조정하기에 어렵다.
그을음 형성에 대한 다른 접근법은, 고 종횡비(즉, 넓은-불꽃 또는 평평한-불꽃)를 갖는 노즐을 이용하고 유리 표면에 인접한 불꽃의 밑면 상에 점차 도입된 또는 "단계화된"인 산소의 균형을 가지고 연료-풍부 1차 불꽃을 형성함으로써 연료와 산소 사이의 계면 영역을 최대화하는 결합된 효과에 의존한다. 예를 들어, 미국 특허 번호 5,575,637; 5,611,682; 및 7,390,189의 버너들을 참조하자. '189 특허에서 공개된 데이터는, 피크 밑면(즉, 하향) 불꽃 복사가 1차 불꽃의 증가하는 등가비(equivalence ratio)에 따라, 따라서, 더 높은 산소 단계화 레벨에서, 증가한다는 것을 보여준다. 이러한 접근법이 연료와 산소의 사전 혼합의 위험에 의해 부담되지 않지만, 실용적인 이유로 인해, 달성될 수 있는 산소 단계화의 정도에 제한된다. 이것은 산소가 사전 연소기(precombustor)의 불꽃 경계와 내부 벽들 사이에서 흐르고, 이를 통해 불꽃 복사와 충돌(impingement)로부터 사전 연소기 벽들을 대류적으로 냉각하도록 작용하기 때문이다. 1차 불꽃의 산소 단계화의 정도는 이에 따라 냉각 요건들에 의해 좌우되고, 1차 불꽃 연료-산소 등가비는 일반적으로 상업용 시스템들에서 3의 최대치(즉, 산소의 약 2/3은 2차 또는 단계화 노즐을 통해 흐르고, 산소의 1/3은 연료의 100%로 연소하기 위해 1차 노즐에 남아있고, 이를 따라 3:1 1차 등가비)에 제한된다. 하지만, 더 높은 등가비는 유리 표면에 대한 하향 불꽃 복사를 최대화하는데 필요하다.
제 2의 폼(foam) 생산 및 제어는 유리 용융 로에서 매우 중요한 문제일 수 있다. 산소/연료 연소에서 발생된 높은 습도 및 산소 농도는 일반적으로 공기-연료 로에 존재하는 것보다 유리 용융 로에서 더 높은 양의 2차 폼에 관련(linked)되었다. 2차 폼은 연소 공간과 유리 용융 사이의 열 전달을 실질적으로 제약하는 것으로 알려져 있으며, 이것은 더 불량한 유리 품질을 초래하는 평균 유리 온도를 낮추고, 전체 열 효율을 감소시키면서, 내화 온도 및 부식율을 증가시켜, 내화 수명을 단축시킨다. 과거에, 다른 발명자들은 성공 정도가 다른 다양한 즉석 방법들로 폼을 감소하거나 완화시키려고 했다. 이들 방법들 중 몇몇은 a) 배치로/로부터 청정제를 추가하거나 제거하는 것, b) 유리의 표면 상에 연료를 분무하는 것, c) 버너 산소/연료 또는 공기/연료 비를 더 많은 연료-풍부 동작으로 변화하는 것, d) 유리 인상비(pull ratio)를 감소시키는 것, e) 로 압력을 증가시키는 것, 및 f) 버너 발화 속도(firing rate)를 조정하는 것을 포함한다. 하지만, 종종, 동일한 접근법은 예를 들어, 배치 화학 물질, 로 온도 및 흐름 패턴에서의 차이로 인해 상이한 로들에서 작용하지 않을 것이다. 그러므로, 신뢰성 있고, 편리하고, 신중하고 저렴한 폼 감소의 디바이스 및 연관된 시스템적인 방법이 필요하다.
유리 용융에 대한 산소-연료 연소가 더 낮은 자본비, 더 높은 연료 효율, 감소된 NOx 방출물, 및 더 높은 유리 품질과 같이 공기-연료 연소에 비해 여러 가지 이점들을 갖는 것이 알려져 있다. 산소 단계화는 이들 이점들을 더 증가시킬 수 있다. 특히, 산소 단계화는 NOx 방출물을 감소시키고 용융 효율 및 생산 품질을 증가시키는데 사용될 수 있다. "산소 단계화"는 불꽃으로부터 산소의 부분의 전환(diversion)에 의해 연소를 지연시키는 수단이다. 바람직하게, 근-불꽃 단계화가 사용되고, 여기서 단계화된 산소 스트림(또는 스트림들)은 산소와의 연료의 궁극적인 공동 혼합 및 완전한 연소를 보장하기 위해 불꽃에 근접하게 유지한다.
'189 특허는 기존의 '하위-단계화된(under-staged)' 산소를 갖는 산소-연료 버너를 기재하고, 여러 가지 핵심적인 원리들을 예시하는 불꽃을 발생시킨다. 초기에 화학양론적 산소가 빼앗긴 불꽃은 그을음 및 일산화탄소(CO)를 생성하고, 이 크기는 단계화된 산소의 백분율에 따라 증가한다. 특히, 그을음 영역은 미세 탄소질 입자들의 클라우드(cloud)를 포함하고, 매우 불투명할 수 있어서, 이를 통해 복사 열 전달에 대한 장애물을 제공한다. 이와 달리, 주로 그을음과 단계화된 산소의 반응으로 인해, 불꽃의 밑면은 매우 발광성이고, 전자기 스펙트럼의 가시 및 근적외선 영역들에서 높은 비율의 열 복사를 전달한다. 복사가 인접한 그을음 클라우드에서 강력한 저항을 발견하기 때문에, 대부분은 유리 표면으로 아래로 향하게 된다. 용융 효율은 이를 통해 단계화되지 않은 불꽃에 상대적으로 증가한다. 더욱이, 연료와 산소의 완전한 혼합이 지연되기 때문에, 단계화된 불꽃은 동일한 연료 흐름율을 갖는 단계화되지 않은 불꽃보다 더 길다. 개선된 가시 및 근적외선 복사와 조합된 이러한 사실은, 피크 불꽃 온도가 단계화된 불꽃에서 더 낮은 것을 보장한다.
크게 단계화된 및 단계화되지 않은 산소-연료 불꽃의 계산상 유체 역학(CFD) 모델링의 결과들은, 크게 단계화된 불꽃의 피크 온도가 대략 600℃만큼 낮아지는 것을 보여주었다. 단계화된 불꽃의 산소가 없는 상태가 NOx 생성의 더 낮은 비율을 초래한다. 비-단계화된 및 하위 단계화된 모드들 양쪽 모두에서 동작하는 '189 특허의 버너의 사진들은 산소를 갖는 하위-불꽃 단계화에 의해 발생된 불꽃 구조 및 복사 특성에서의 차이들을 효율적으로 예시한다(산소 단계화를 갖지 않는 도 26a의 불꽃 대 산소 하위-불꽃 단계화를 갖는 도 26b의 불꽃을 참조).
비-단계화된 버너들을 하위-단계화된 버너들로 교체하는 것은, 산소를 갖는 불꽃을 하위-단계화하는 것이 유리 하부 온도를 증가시키고, 이것이 유리 용융에서 더 강력한 대류 흐름에 기여하여, 불순물의 더 완전한 제거를 촉진하고, 이를 통해 더 적은 유리 결점을 촉진한다는 것을 보여주었다. 비-단계화된 산소-연료 버너들로부터 하위-단계화된 산소-연료 버너들로 전환된 로 유리 로의 하나의 일반적인 경우에서, 하부 유리 온도는 10℃만큼 증가하는 반면, 결함들은 거의 50%만큼 감소하였다. 로 플루(flue) 가스 온도는 또한 60℃만큼 감소하여, 공칭적으로 9%와 동일한 비 연료 사용량(유리의 단위 출력당 에너지 입력)에서의 감소에 기여한다.
하지만, 산소-연료에 대한 유리 로들 - 유리 표면 폼의 이전 구현들에서 다루어지지 않았던 산소 단계화/유리 품질 관계에 대한 다른 양상이 있다. 폼은 유리로부터의 가스의 방출로 인해 배치 용융(1차 폼) 및 청징(fining)(2차 폼) 프로세서들 모두 내에서 형성된다. 사실상 이산화황, 수증기 및 산소로 구성된 2차 폼은 특히 때때로 두께에서 수 인치로 성장할 수 있는 기포들의 안정한 층에서 응집하려는 경향이 있다. 표면 폼의 주요 해로운 효과로는 유리로의 열 전달의 방해물, 크라운(crown)으로의 열 에너지의 결과적인 반사, 및 로 내화물에 대한 부식 특성이 있다. 유리로의 열 전달의 낮은 속도에 대해, 이것은 유리 온도를 낮추고, 용융물 내에서 대류-구동 2차 흐름을 약화시켜, 청징 프로세스를 중단하고, 마무리된 제품에 더 많은 결점이 지속하도록 한다.
유리 용융 로들에 대한 기존의 산소-연료 버너들에 비해 동작 장점들을 제공하는 이중-단계화된 산소-연료 버너가 본 명세서에 기재된다. 특히, 본 청구된 버너는 낮은 비 에너지 소모, 감소된 NOx 생산, 및 개선된 유리 품질을 나타낸다.
양상 1. 산소-연료 버너는 중앙 버너 요소로서, 중심축을 갖고 중앙 노즐에서 종료하는 중앙 도관; 및 중앙 도관을 둘러싸고 중앙 도관과 동축인 고리형 노즐에서 종료하는 고리형 도관으로서, 고리형 도관 및 중앙 도관은 고리형 벽에 의해 분리되고, 중앙 도관은 제 1 반응물을 흐르도록 배열되고, 고리형 도관은 제 2 반응물을 흐르도록 배열되는, 고리형 도관을 포함하는, 중앙 버너 요소; 중앙 버너 요소의 측부로부터 이격되고 제 1 단계화 노즐에서 종료하는 제 1 단계화 도관; 중앙 버너 요소의 대항 측부로부터 이격되고 제 2 단계화 노즐에서 종료하는 제 2 단계화 도관; 고리형 도관으로 향하는 제 2 반응물의 비-제로 1차 흐름과 제 2 반응물의 비-제로 2차 흐름으로 제 2 반응물의 흐름을 배분하도록 배열된 제 1 배분 유닛; 및 제 1 단계화 도관과 제 2 단계화 도관 사이의 제 2 반응물의 2차 흐름을 선택적으로 배분하도록 배열된 제 2 배분 유닛을 포함하고, 제 1 및 제 2 반응물 중 하나는 연료이고, 제 1 및 제 2 반응물 중 다른 하나는 산소이다.
양상 2. 양상 1의 산소-연료 버너로서, 중앙 노즐 및 고리형 노즐 각각은 2보다 크거나 같은 종횡비를 갖는 비-원형 형상을 갖고, 종횡비는 개구 최소 치수에 대한 개구 최대 치수의 비율이다.
양상 3. 양상 2의 산소-연료 버너로서, 단계화 도관들 각각은 2보다 크거나 같은 종횡비를 갖는 비-원형 형상을 갖고, 종횡비는 개구 최소 치수에 대한 개구 최대 치수의 비율이고, 중앙 노즐의 개구 최대 치수를 한정하는 축과, 각 단계화 도관들의 각각의 개구 최대 치수들을 한정하는 축들은 실질적으로 서로 평행하다.
양상 4. 양상 1 내지 3 중 어느 한 양상의 산소-연료 버너로서, 제 1 배분 유닛은 고리형 도관으로의 제 2 반응물의 1차 흐름을 조절하기 위해 가변 흐름 제약을 포함하고, 이를 통해 상보적 방식으로 제 2 배분 유닛으로의 제 2 반응물의 2차 흐름을 간접적으로 조절한다.
양상 5. 양상 1 내지 4 중 어느 한 양상의 산소-연료 버너로서, 제 2 배분 유닛은 제 1 단계화 도관과 제 2 단계화 도관 사이에서 제 2 반응물의 흐름을 선택적으로 향하게 하기 위한 밸브를 포함한다.
양상 6. 양상 5의 산소-연료 버너로서, 밸브는 제 2 반응물의 2차 흐름을 제 1 단계화 도관으로, 또는 제 2 단계화 도관으로, 또는 제 1 단계화 도관과 제 2 단계화 도관의 조합으로 동시에 향하게 하도록 구성된 3-방향 밸브이다.
양상 7. 양상 1 내지 6 중 어느 한 양상의 산소-연료 버너로서, 제 1 반응물은 연료이고, 제 2 반응물은 산소이다.
양상 8. 양상 1 내지 6 중 어느 한 양상의 산소-연료 버너로서, 제 1 반응물은 산소이고, 제 2 반응물은 연료이다.
양상 9. 양상 1 내지 8 중 어느 한 양상의 산소-연료 버너로서, 버너가 발화하는 로내에서 상태들을 감지하기 위한 장치를 더 포함하고, 장치는 감지된 상태에 따라, 제 2 반응물의 2차 흐름을 제 1 단계화 도관으로, 또는 제 2 단계화 도관으로, 또는 제 1 단계화 도관과 제 2 단계화 도관의 조합으로 동시에 향하게 하기 위해 제 2 배분 유닛을 작동하도록 구성된다.
양상 10. 양상 1 내지 9 중 어느 한 양상의 산소-연료 버너로서, 중앙 버너 요소가 배기하는 중앙 통로, 및 제 1 및 제 2 단계화 노즐들이 각각 배기하는 제 1 및 제 2 단계화 통로들을 갖는 버너 블록을 더 포함한다.
양상 11. 양상 1 내지 10 중 어느 한 양상의 산소-연료 버너로서, 고리형 노즐에 위치되고, 고리형 벽에 근접한 블러프 바디(bluff body)의 한 측부 상에 내부 노즐과, 고리형 벽으로부터 말단에 있는 블러프 바디의 대항 측부 상에 외부 노즐을 형성하는 블러프 바디를 더 포함하고, 내부 노즐은 외부 노즐보다 더 작은 단면적을 갖는다.
양상 12. 양상 11의 산소-연료 버너로서, 내부 노즐은 외부 노즐보다 10% 이하의 비-제로 단면적을 갖는다.
양상 13. 양상 11의 산소-연료 버너로서, 높이를 갖는 블러프 바디를 더 포함하고, 블러프 바디는 중앙 도관의 중심축 상에 위치하고, 블러프 바디 높이의 2 내지 20배의 축방향 거리만큼 중앙 노즐의 상류에 위치한다.
양상 14. 양상 13의 산소-연료 버너로서, 블러프 바디의 하류에 있는 중앙 도관의 중심축을 따라 위치된 분할기 플레이트를 더 포함하고, 분할기 플레이트는 블러프 바디 높이의 1 내지 10배의 길이를 갖는다.
양상 15. 유리 배스를 포함하고 용융 영역 및 정제 영역을 포함하는 산소-연료 유리 로를 동작하는 방법으로서, 양상 1 내지 14 중 어느 한 양상의 산소-연료 버너 중 제 1 복수의 산소-연료 버너들은 용융 영역에서 발화하도록 위치되고, 양상 1 내지 14 중 어느 한 양상의 산소-연료 버너 중 제 2 복수의 산소-연료 버너들은 정제 영역에서 발화하도록 위치되고, 각 버너에 대해, 제 1 단계화 도관은 중앙 버너 요소와 유리 배스 사이에 위치되고, 제 2 단계화 도관은 중앙 버너 요소와 로의 루프(roof) 사이에 위치되고, 방법은 제 1 반응물로서 연료를 그리고 제 2 반응물로서 산소를 흐르게 하는 단계; 유리 배스에 인접한 산소-풍부 대기를 생성하기 위해 제 1 복수의 산소-연료 버너들을 동작하는 단계; 및 유리 배스에 인접한 연료-풍부 대기를 생성하기 위해 제 2 복수의 산소-연료 버너들을 동작하는 단계를 포함한다.
양상 16. 양상 15의 방법으로서, 산화 대기는 제 1 복수의 산소-연료 버너들에서의 2차 산소 흐름의 적어도 50%를 제 1 도관에 배분함으로써 생성되고, 환원 대기는 2차 산소 흐름의 적어도 70%를 제 2 단계화 도관에 배분함으로써 생성된다.
양상 17. 양상 15의 방법으로서, 산화 대기는 1보다 큰 화학양론적 비를 가지고 제 1 복수의 산소-연료 버너들을 동작함으로써 생성되고, 환원 대기는 1보다 큰 화학양론적 비를 가지고 제 2 복수의 산소-연료 버너들을 동작함으로써 생성되고, 버너의 화학양론적 비는 제로 초과 산소를 갖는 이론적으로 완벽한 화학양론적 연소에 요구된 산소-연료 흐름의 비율에 의해 나누어진 버너를 통하는 산소-연료 흐름의 비율로서 정의된다.
양상 18. 양상 15 내지 17 중 어느 한 양상의 방법으로서, 유리 표면 상태를 나타내는 파라미터, 로 온도 프로파일, 로 배출 가스 온도, 및 로 가스 배출 조성의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 로 파라미터를 측정하는 단계; 및 산소-연료 버너들의 적어도 하나에 대해, 적어도 하나의 측정된 로 파라미터에 기초하여 하나 이상의 발화 속도, 산소/연료 비, 및 2차 산소 흐름의 분배를 제어하는 단계를 더 포함한다.
양상 19. 양상 18의 방법으로서, 측정된 파라미터가 유리 표면 폼을 나타낼 때, 제 1 복수의 산소-연료 버너들에서의 버너들 중 적어도 하나를 유리 배스에 인접한 산화 대기를 생성하는 것으로부터, 유리 배스에 인접한 환원 대기를 생성하는 것으로 스위칭하는 단계를 더 포함한다.
도 1은 이중-단계화된 산소-연료 버너의 개략적인 횡단면도.
도 2는 도 1에서와 같은 버너에 대한 버너 블록의 전방 단부 사시도.
도 3은 하위-불꽃 단계화(하위-단계화된) 또는 용융 모드에서 동작하는, 도 1에서와 같은 이중-단계화된 산소-연료 버너의 개략적인 횡단면도.
도 4는 상위-불꽃 단계화(상위-단계화된) 또는 폼 제어 모드에서 동작하는, 도 1에서와 같은 이중-단계화된 산소-연료 버너의 개략적인 횡단면도.
도 5는 하위- 및 상위-불꽃 단계화(하위- 및 상위-단계화된) 또는 혼합됨 또는 분할에서 동작하는, 도 1에서와 같은 이중-단계화된 산소-연료 버너의 개략적인 횡단면도.
도 6은 용융 모드에서 유리 로에서 동작하는, 도 1 및 도 3에서와 같은 버너의 개략적인 횡단면도로서, 연료는 제 1 반응물이고, 산소는 제 2 반응물이고, 2차 또는 단계화 산소는 연료 및 1차 산소 포트 아래에 도입되는, 개략적인 횡단면도.
도 7은 폼 제어 모드에서 유리 로에서 동작하는, 도 1 및 도 4에서와 같은 버너의 개략적인 횡단면도로서, 연료는 제 1 반응물이고, 산소는 제 2 반응물이고, 2차 또는 단계화 산소는 연료 및 1차 산소 포트 위에 도입되는, 개략적인 횡단면도.
도 8a는 개략적인 횡단면도이고, 도 8b는 도 1에서와 같은 버너의 중앙 포트의 개략적인 전방 단부 도면이고, 연료 노즐을 둘러싸는 1차 산소 노즐의 세부 사항들을 도시하고, 특히 산소 블리드(bleed) 슬릿들에 의해 산소 노즐과 연료 노즐 사이에서 벽으로부터 분리된 1차 산소 스트림에서 블러프 바디들을 도시하는, 도면.
도 9는 횡방향 원통형 흐름 디바이더(divider)와, 원통형 흐름 디바이더의 하류에 있고 원통형 흐름 디바이더로부터 약간 이격된 축방향 분리기(separator) 플레이트의 조합을 도시하는, 도 8a 및 도 8b에서와 같은 중앙 포트의 개략적인 횡단면도.
도 10은 도 6에서와 같은 동작 모드의 횡단면도로서, 도 9의 흐름 디바이더 및 분리기와, 도 8a 및 도 8b의 블러프 바디들의 흐름 결과들을 도시하는, 횡단면도.
도 11은 도 7에서와 같은 동작 모드의 횡단면도로서, 도 9의 흐름 디바이더 및 분리기와, 도 8a 및 도 8b의 블러프 바디들의 흐름 결과들을 도시하는, 횡단면도.
도 12a 내지 도 12c는 도 3(용융 모드 - 도 12a), 도 4(폼 제어 모드 - 도 12b) 및 도 5(혼합 모드 - 도 12c)의 동작 모드들에서 얻어진 불꽃들을 비교하는 사진을 도시한 도면.
도 13a 및 도 13b는 상위-단계화된 모드에서 동작하는 이중 단계화된 산소-연료 버너의 불꽃들 사이의 비교를 도시한 사진으로서, 종래의 직선 노즐(도 13a) 및 노즐은 도 8 및 도 9에서와 같은 블러프 바디들 및 산소 블리드 슬릿들을 갖는(도 13b), 사진.
도 14는 불꽃 확산 각(α)에 의해 한정된 불꽃 확산율을 보여주는 이중 단계화된 버너의 개략적인 횡단면도.
도 15는 산소 노즐 블러프 바디를 갖지 않는 노즐(도 13a의 사진에 도시된 버전) 및 산소 노즐 블러프 바디를 갖는 노즐(도 13b의 사진에 도시된 버전)의 불꽃 확산율을 비교하는 데이터를 도시하는 그래프.
도 16은 로의 영역에 따라 상이한 모드들로 동작되는, 도 1에서와 같은 복수의 버너들을 이용하는 유리 로의 개략적인 평면도.
도 17은 도 1에서와 같은 복수의 버너들을 이용하는 유리 로의 개략적인 평면도로서, 포밍(foaming)과 같은 감지된 상태 또는 센서 데이터에 기초하여, 및 특히 디지털 카메라 또는 다른 유형의 센서에 의해 얻어진 실시간 광학 온도 측정치 또는 온도 매핑 데이터에 기초하여 각 버너의 동작 모드를 조정하는 제어기를 도시하는, 개략적인 평면도.
도 18은 로의 영역에 따라 상이한 모드들로 동작되는, 도 1에서와 같은 복수의 버너들을 이용하는 유리 로의 개략적인 평면도.
도 19는, '189 특허(중심점, 점선)에서와 같은 종래 기술의 버너에 대한, 그리고 본 명세서에 기재된 이중-단계화된 버너(교차점, 실선)에 대한 비 연료 사용량 대 가열 값을 비교하는 그래프로서, 본 버너가 갖는 넓은 범위의 가열 값들에 비해 비 연료 소모에서의 3.2% 감소를 보여주는, 그래프.
도 20은, '189 특허(좌측으로의 중심점)에서와 같은 종래 기술의 버너에 대한, 그리고 본 명세서에 기재된 이중-단계화된 버너(우측으로의 교차점)에 대한 시드 카운트(유리 결점들의 표시자)를 비교하는 그래프로서, 본 버너가 갖는 시드들에서의 43% 감소를 보여주는, 그래프.
도 21은 '189 특허(좌측으로의 중심점)에서와 같은 종래 기술의 버너에 대한, 그리고 본 명세서에 기재된 이중-단계화된 버너(우측으로의 교차점)에 대한 블리스터 카운트(유리 결점들의 표시자)를 비교하는 그래프로서, 본 버너를 갖는 블리스터들에서 38% 감소를 보여주는, 그래프.
도 22는 '189 특허(중심점, 상부 점선)에서와 같은 종래 기술의 버너에 대한, 그리고 본 명세서에 기재된 이중-단계화된 버너(교차점, 하부 실선)에 대한 상대 NOx(종래 기술의 버너에 대해 1로 정규화됨)를 비교하는 그래프로서, 본 버너에 대해 가열 값들의 영역에 비해 상대 NOx에서 40% 감소를 보여주는, 그래프.
도 23a 및 도 23b는 본 명세서에 기재된 실시예의 폼-환원 모드의 결과로서, 유리 로의 정제 지역(도 23a) 및 동일한 정제 지역에서의 미러형(mirrored) 표면(도 23b)에서 2차 폼을 보여주는 사진 비교를 도시한 도면.
도 24a 및 도 24b는 단계화되지 않은(도 24a) 및 하위-단계화된(도 24b)인 종래 기술의 산소-연료 버너의 불꽃 사이의 단면 비교 사진을 도시한 도면.
도 25는 도 2에서와 같은 버너 블록의 전방 단부 사시도이지만, 버너 블록에서 발생할 수 있는 균열을 보여주는, 도면.
도 26a 및 도 26b는 종래 기술의 하위-단계화된 버너(도 26a)의 방사 휘도 대 본 명세서에 기재된 버너의 실시예(도 26b)를 보여주는 사진 비교를 도시한 도면.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "산소"라는 용어는 공기보다 큰(즉, 20.9 몰%보다 큰) 산소 분자(O2)의 농도를 갖는 산화제를 의미하고, 몇몇 실시예들에서, 산소는 적어도 23 몰% O2, 적어도 30 몰% O2, 적어도 70 몰% O2, 또는 적어도 90 몰% O2를 갖는다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "산소-연료 버너"라는 용어는 본 명세서에 한정된 연료 및 산소를 연소하는 버너를 의미한다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "연료"라는 용어는 연소할 수 있는 임의의 탄화수소 혼합물을 포함하고, 기체, 액체, 및 미분탄 고체 연료를 포함한다. 본 명세서에 제공된 모든 데이터는 연료로서 천연 가스를 이용하여 취득되었지만, 결과들은 일반적으로 다른 연료, 특히 다른 기체 연료에 적용가능한 것으로 여겨진다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "단계화"라는 용어는, 단계화된 반응물의 부분이, 다른 반응물이 공급되는 버너 요소로부터 이격된 노즐을 통해 공급된다는 것을 의미한다. 예를 들어, 버너 요소를 논의할 때, 산소가 단계화되면, 이것은, 연료가 전체 버너에 제공된 산소의 총량보다 적은 산소의 양과 함께 버너 요소를 통해 흐르게 되고, 산소의 나머지가 다른 또는 2차 노즐을 통해 흐르게 된다는 것을 의미한다. 산소가 75%에서 단계화되면, 이것은, 산소의 25%가 연료를 갖는 버너 요소에 제공되고(상이한 노즐에도 불구하고), 산소의 75%가 버너 요소로부터 이격된 개별적인 노즐에 의해 제공된다는 것을 의미한다. 연료 및 산소 모두는 단계화될 수 있다. 단계화는 버너 및 단계화 비율의 총 전체 화학양론을 알고 있음으로써 버너 요소에서의 등가비와 상관될 수 있다.
이중-단계화된 산소-연료 버너가 본 명세서에 기재된다. 버너는 2가지 목적들: (a) 낮은 NOx 방출 및 (b) 버너 불꽃 아래에서 유리 표면에 인접한 가스 대기 제어를 달성한다. 낮은 NOx 방출은 종래의 버너들에서 달성 가능한 것보다 더 높은 단계화 비율로, 크게 단계화된 방법으로 연료 및 산소를 전달함으로써 얻어진다. 일반적으로, 산소는 단계화된 반응물이고, 연료는 비-단계화된 반응물이지만, 본 명세서에서의 설계들이 산소가 비-단계화된 반응물이고 연료가 단계화된 반응물인 경우에도 동일하게 잘 작용한다는 것이 이해된다. 다음의 설명에서, 종종 산소는 단계화된 반응물로서 논의되고, 종종 설명은 더 일반적이지만, 양쪽 경우들에서 더 일반적이다. 연료 또는 산소 중 어느 하나가 단계화된 반응물일 수 있다는 것이 이해된다.
폼으로의 가스 방출 및 형성의 비율에 영향을 미치는 핵심적인 인자들은 청징을 위해 첨가된 설페이트의 양, 유리 표면 온도, 및 로 가스 온도를 포함하는 배치 조성을 포함한다. 유리 품질에 주요 관심사인 2차 폼은 일반적으로 1400℃ 내지 1500℃에서 발생하고, 배출된 청징 가스의 부피 및, 이에 따라 포밍 문제의 심각도는 온도에 따라 증가한다.
가스 대기에 관해, 유리 표면 바로 위의 환원 환경은 폼 특성들의 변형을 통해 폼 문제를 완화할 수 있다. 이것이 발생하는 메커니즘은 폼 기포의 액체 경계면에서 낮은 표면 텐션 경사도(tension gradients)로 작용하는 폼과 대조적으로, 일산화탄소와 같은 환원 가스이어서, 이를 통해 용융물의 폼의 가속화된 배수를 촉진한다. 이것은 불꽃 위에서 산소 단계화의 이용, 즉 유리 표면에 인접한 연료-풍부 불꽃을 생성하는 것을 제안하고, 이에 의해 연소 프로세스는 포밍 문제점을 경감하는데 도움을 줄 수 있다.
도 1은 제 1 반응물 입구(24) 및 제 2 반응물 입구(34)뿐 아니라, 버너(10)의 출구 평면을 한정하는 버너 면(12)을 갖는 버너(10)의 개략적인 단면도를 도시한다. 제 1 반응물 입구(24)는 제 1 반응물(R1)(가장 일반적으로 연료)을 버너 고온 면(12)에서의 중앙 노즐(22)에서 종료하는 중앙 도관(20)에 공급한다. 중앙 노즐(22)은 원형일 수 있거나, 적어도 2의 종횡비(최대 치수로부터 최소 치수까지)를 갖는 비-원형 또는 넓은 또는 평평한-불꽃 구성일 수 있다.
제 2 반응물 입구(34)는 제 2 반응물(R2)(가장 일반적으로 산소)을 플리넘(plenum)(40)에 공급하고, 플리넘(40)은 중앙 도관(20)을 둘러싸고 중앙 도관(20)과 동축인 고리형 도관(30)과 단계화 입구(42) 사이에서 제 2 반응물(R2)을 분배하고, 단계화 입구(42)로부터 제 2 반응물은 한 쌍의 단계화 도관들(50 및 60) 중 하나 또는 양쪽 모두에 전달된다. 고리형 도관(30)은 버너 고온 면(12)에서의 고리형 노즐(34)에서 종료한다. 함께, 중앙 도관(20)과 중앙 노즐(22)은 고리형 도관(30) 및 고리형 노즐(32)과 함께 중앙 버너 요소(28)를 형성한다.
고리형 도관(30)과 단계화 입구(42) 사이에서 배분된 흐름의 양은 플리넘(40)과 고리형 도관(30)의 접합부에 위치한 가변 흐름 제약기(38; 예컨대 제1 배분 유닛)에 의해 제어된다.
제 1 단계화 도관(50)은 중앙 버너 요소(28)의 하나의 측부에 평행하고 이로부터 이격되고, 버너 고온 면(12)에서의 제 1 단계화 노즐(52)에서 종료한다. 제 2 단계화 도관(60)은 중앙 버너 요소(28)의 대항 측부와 평행하고, 이로부터 이격되고, 버너 고온 면(12)에서의 제 2 단계화 노즐(62)에서 종료한다. 단계화 입구(42)의 하류에 있는 3-방향 밸브(44; 예컨대 제2 배분 유닛)는 제 1 단계화 도관(50)과 제 2 단계화 도관(60) 사이에서 제 2 반응물의 단계화 흐름을 배분한다. 밸브(44)는, 모든 제 2 반응물 단계화 흐름이 제 1 단계화 도관(50)으로 향하게 되거나, 모든 제 2 반응물 단계화 흐름이 제 2 단계화 도관(60)으로 향하게 되거나, 제 2 반응물 단계화 흐름이 분배되어, 비-제로 부분이 제 1 단계화 도관(50)으로 향하게 되고 비-제로 균형이 제 2 단계화 도관(60)으로 향하게 되도록 위치될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 제 1 반응물은 연료이고, 제 2 반응물(단계화되는)은 산소이다. 이 실시예는 버너(10)의 다양한 동작 모드들을 보여주는 도 3, 도 4 및 도 5에 추가로 도시된다.
도 3은, 2차 산소가 연료 및 1차 산소 아래에서 단계화되는(하위-불꽃 단계화) 용융 동작 모드를 도시한다. 2차 산소는 밸브(44)에 의해 제 2 단계화 도관(60)으로 향하게 되어, 2차 산소의 스트림(66)은 제 2 단계화 노즐(62)로부터 흐른다. 도 6 및 도 10에 도시된 바와 같이, 용융 모드 동안, 버너(10)는 불꽃을 발생하고, 이 불꽃은 고온, 크게-복사성 발광 밑면(86)을 가질 뿐 아니라, 복사성 밑면(86) 위에서 그을음이 가득찬, 광학적으로-두꺼운 연료-풍부 1차 상부 불꽃(88)을 갖는다. 발광 밑면은 유리 표면으로의 직접적인 방해되지 않은 복사 경로를 가지고, 복사열(84)을 로에서의 유리(99)에 전달하는데 효율적이다. 광학적으로-두꺼운 1차 상부 불꽃(88)은, 로 루프가 과열되는 것을 방지하고, 연소의 열을 주로 유리쪽으로 아래로 향하게 하는 것을 방지한다. 용융 모드 동안 발생된 그러한 불꽃의 사진 입면도는 도 12a에 도시된다.
도 4는, 2차 산소가 연료 및 1차 산소 위에서 단계화되는(상위-불꽃 단계화) 폼 제어 동작 모드를 도시한다. 2차 산소는 밸브(44)에 의해 제 1 단계화 도관(60)으로 향하게 되어, 2차 산소의 스트림(56)은 제 1 단계화 노즐(52)로부터 흐른다. 도 7 및 도 11에 도시된 바와 같이, 폼 제어 모드 동안, 버너는 발광 상부 측(90)과 함께 그을음-가득찬, 광학적으로-두꺼운 연료-풍부 1차 하부 불꽃(92)을 갖는 불꽃을 발생한다. 연료-풍부 1차 하부 불꽃(92)은 유리(99) 바로 위에서 불꽃 아래의 환원 대기(94)를 생성하고, 이것은 유리 표면 상에서 폼을 불안정하게 만들고 파괴하는데 도움을 준다. 폼은 바람직하지 않은데, 이는 불꽃이 열을 유리에 전달할 수 있는 능력을 감소시켜, 폼 제어 모드가 폼을 주기적으로 파괴하기 위해 용융 모드와 조합하여 간헐적으로 사용될 수 있어서 용융 모드가 유리를 용융하고 가열할 때 가장 효율적이게 하기 때문이다. 폼 제어 모드 동안 발생된 그러한 불꽃의 사진 도면은 도 12b에 도시된다.
도 5는, 2차 산소가 연료 및 1차 산소의 위 및 아래 모두에서 단계화되는 혼합된 또는 분할 동작 모드를 도시한다. 혼합된 또는 분할 동작 모드는 높은 불꽃 모멘트와 높은 불꽃 발광의 조합이 바람직할 때 유리하다. 이것은 예를 들어 도 17 및 도 18에 도시된 바와 같이, 종종 버너들이 로의 용융 영역에서의 배기 연통(flues) 근처에 위치되는 경우에 그러하다. 이 영역에서의 버너 불꽃은 일반적으로 연통을 통해 로를 빠져나가는 연소 가스의 흐름에 근접함으로써 악영향을 받는다. 높은 모멘트 불꽃은 그러한 환경에서 불꽃 안정성을 유지하는데 도움을 준다. 하지만, 높은 모멘트 불꽃을 달성하면서, 동시에 효율적인 유리 용융을 위해 필요로 하는 높은 불꽃 발광을 발생시키는 것이 매우 어렵다는 것을 당업자는 인식할 것이다. 이것은 높은 불꽃 모멘트가 통상적으로 크게 발광성 불꽃을 달성하기 위해 사전 요구되는 그을음 수용, 성장 및 응집의 프로세스들에 대해 충분한 거주 시간을 제공하지 않기 때문이다. 본 버너는 이들 어려움들을 해결하고, 로에 방출할 때 양쪽 측부상에서 산소로 불꽃을 둘러쌈으로써 혼합된 또는 분할 모드에서 동작할 때 높은 모멘트와 높은 발광의 조합을 달성할 수 있고, 이것은 연료 제트가 하나의 측부 상에서만 산소 단계화가 발생하는 경우보다 훨씬 더 빠르게 연소하고 가열하도록 한다. 추가로, 불꽃의 양쪽 측부 상에서 단계화된 산소는 로 내에서 불꽃 수직 팽창을 제약한다. 이렇게 행할 때, 연료 제트 연소 및 가열이 더 빠른 것은 사실상 개선된 순방향 축방향 가속을 초래하고; 따라서, 높은 불꽃(축방향) 모멘트를 초래한다. 이러한 모드에서의 불꽃 발광은 사이트-특정 동작 제약에 따라 허용될 수 있는 것만큼 낮은 1차 산소로 동작하는 것으로부터 유래된다. 동시적인 상위- 및 하위- 산소 단계화 플러스 낮은 비율의 1차 산소-연료 흐름율의 조합이 유리하게 그을음 수용, 성장, 및 응집에 대한 충분한 거주 시간을 제공하면서, 또한 높은 불꽃 모멘트를 달성한다는 것이 예기치 않게 발견되었다. 혼합된 동작 모드 동안 얻어진 불꽃은 도 12c에서의 사진에 도시된다.
사용시, 버너(10)는 중앙 버너 요소(28)와 유리 배스 사이에 위치된 제 1 및 제 2 단계화 도관들(50 및 60) 중 하나와, 중앙 버너 요소(28)와 로의 루프 사이에 위치된 제 1 및 제 2 단계화 도관들(50 및 60) 중 다른 하나를 갖는 유리 로에 설치된다.
본 명세서에 기재된 버너(10)의 설계의 결과로서, 버너는 버너 노즐에 대한 손상을 야기하지 않고도 화학양론으로부터 실용적인 것만큼 고리형 노즐(32)에서의 제 2 반응물(예를 들어, 산소)에 대한 중앙 노즐(22)에서의 제 1 반응물(예를 들어, 연료)의 중앙 버너 요소(28)에서의 비율로 동작된다. 예를 들어, 연료가 제 1 반응물이고 산소가 제 2 반응물일 때, 버너(10)에 공급된 연료의 총량은 중앙 노즐(22)을 통해 흐르는 한편, 버너에 공급된 산소의 매우 적은 비율은 바람직하게 20% 미만 또는 10% 미만 또는 5% 미만 또는 1% 미만으로 고리형 노즐(32)을 통해 흐르고, 산소의 균형물(balance)은 제 1 및 제 2 단계화 노즐들(50 및 60) 중 하나 또는 양쪽 모두로 간다. 이것은 각각 적어도 80%, 적어도 90%, 적어도 95%, 적어도 98%, 또는 적어도 99%의 바람직한 단계화 비율과 동일하다. 이들은 이전에 얻어질 수 없는 단계화의 레벨들이어서, 중앙 및 고리형 노즐들의 구조로부터 초래된다.
버너(10)가 하위-불꽃 단계화(즉, 용융 모드, 여기서 산화 대기는 유리 용융물 위에서 생성된다)로 동작될 때, 2차 산소의 적어도 50%는 제 1 단계화 노즐(50)을 통해 흐르는 한편, 균형물은 고리형 노즐(32)을 통해 흐른다. 몇몇 실시예들에서, 산소의 적어도 75% 또는 적어도 90%는 제 1 단계화 노즐을 통해 흐른다.
버너(10)가 상위-불꽃 단계화(즉, 폼 환원 모드, 여기서 환원 대기는 유리 용융물 위에서 생성된다)로 동작될 때, 2차 산소의 적어도 70%는 제 2 단계화 노즐(60)을 통해 흐르는 한편, 균형물은 고리형 노즐(32)을 통해 흐른다. 몇몇 실시예들에서, 산소의 적어도 80% 또는 적어도 90%는 제 2 단계화 노즐(60)을 통해 흐른다.
고리형 도관(30)에서의 제로의 제 2 반응물로 동작하는 것이 바람직하지 않은데, 이는 이것이 버너(10)의 무결성을 빠르게 약화시키는 고온의 부식 로 가스에서 유입하는 고리형 도관(30)에서 공극 또는 진공을 생성하기 때문이라는 것이 이해되어야 한다. 더욱이, 고리형 제 2 반응물 흐름(36)을 간단히 제거하는 것은 바람직하지 않은데, 이는 고리(30)에서의 그러한 흐름이 중앙 도관(20)에서의 제 1 반응물과 제 1 및 제 2 단계화 도관들(50 및 60) 양쪽 모두에서의 제 2 반응물 사이에서 버퍼(buffer)를 생성하여, 도 25에서와 같은 인접한 블록 통로들 사이의 버너 블록 균열(599)의 경우에, 연료와 산소의 제어되지 않은 교차-혼합에 대해 가능성이 없기 때문이다.
사실상, 특정한 구조적 요소들을 중앙 버너 요소(28)에 추가하는 것은 고리에 필요한 2차 반응물의 양을 최소화하는 것으로 발견되어(도 8 및 도 9를 참조하여 아래에 논의된 바와 같이), 총 2차 반응물 흐름율의 대략 1%만큼 낮아질 수 있다. 이것은, 2차 반응물의 나머지 최대 99%까지 제 1 단계화 도관(50) 또는 제 2 단계화 도관(60)(또는 아마도 양쪽 단계화 도관들 사이에서 배분된) 중 어느 하나를 통해 단계화된다는 것을 의미한다. 이것은 2차 반응물(산소)의 70%의 최대치에서 단계화할 수 있었던 이전의 생성 단계화된 버너(본 명세서에서 그 전체가 참고용으로 병합된 미국 특허 번호 7,390,189를 참조)와 비교하면, 본 버너에서의 피크 1차 연료에 대한 고리형 산소 비율은 이전의 생성 버너에서 달성될 수 있는 것보다 공칭적으로 30배 더 크다(즉, 이전 생성 버너에서 100% 연료: 30% 산소에 비해 본 버너에서 100% 연료: 1% 산소). 추가 NOx 환원은 또한 도 8 및 도 9에 관한 노즐 설계를 이용하여 내부 노즐 단계화에 의해 달성된다.
환원하는 NOx에 더하여, 버너가 매우 많은 양의 단계화로 화학양론에서 크게 벗어나게 1차 불꽃을 발생할 수 있는 능력은 유리 표면에 인접한 가스 대기를 제어할 수 있는 능력을 상당히 개선한다. 하지만, 존재할 유리 표면에 인접한 대기를 제어할 수 있기 위해, 선택적으로 프로세스 환경들에 따라 산화 또는 환원 중 어느 하나는 버너들을 스위칭하지 않고도 그리고 상당한 시간 지연 없이 요구시 유리에 인접한 환원 대기 또는 산화 대기를 생성하기 위해 버너의 동작을 편리하게 스위칭할 수 있는 능력을 요구한다. 이것은 본 발명의 버너의 2차 반응물 플리넘(40)에 위치된 위에 논의된 3-방향 단계화 분배 밸브(44)에 의해 달성되며, 이것은 플리넘(40)으로부터의 2차 반응물 흐름의 단계화된 부분을 제 1 단계화 도관(50) 또는 제 2 단계화 도관(60)(또는 양쪽 모두로의 몇몇 배분에서)으로 전환하는 기능을 한다. 그리고, 위에서 주지된 바와 같이, 버너(10)는 로에 장착될 것인데, 예를 들어, 제 1 단계화 도관(50)은 중앙 버너 요소(28) 아래에(즉, 유리 배스쪽으로) 위치되고 제 2 단계화 도관(60)은 중앙 버너(28) 위에(즉, 로 루프쪽으로) 위치된다.
바람직하게, 버너(10)는 버너 블록(100)에 설치되고, 버너 블록(100)은 로로부터 버너(10)를 분리하고, 또한 도 2의 입면도에 도시된 바와 같이, 버너의 중앙 1차 유체 도관 및 2차 고리형 도관을 단일 중앙 버너 블록 통로(128)에 통합하고, 이것은 1차 유체 및 2차 고리형 유체가 불꽃으로서 블록으로부터 로에 방출하도록 한다.
도 16에 도시된 바와 같이, 복수의 버너들(10)은 유리 로(500)에 설치될 수 있고, 개별 버너들(10)은 로(500)에서의 그 장소에 따라 상이하게 동작된다. 기존의 유리 로는 공급 단부(510) 및 작용 단부(550)를 갖고, 원 유리 배치 요소들(고체)은 배치 공급기(512)에 의해 공급 단부(510)에 공급되고, 정제된 용융된 유리는 작용 단부(550)로부터 제거된다. 로(500)는 2개의 섹션들 또는 영역들, 즉 용융되지 않은 배치 물질들의 용융된 유리 및 고체 덩어리(chunks)의 혼합물을 특징으로 하는 배치 단부(510) 근처의 용융 영역(520)과, 주로 용융된 유리를 특징으로 하는 작용 단부 근처의 정제 영역(530)을 갖는 것으로 기재될 수 있다. 측부들(540)은 공급 단부(510)를 작용 단부(550)에 연결한다. 버너들(10)은 양쪽 측부들(540)을 따라 위치되고, 용융 영역(520)에서 배치를 용융하고, 정제 영역(530)에서 용융된 유리를 정제하는데 사용된다. 적어도 하나의 연통(542)은 로(500)로부터 연소 생성물을 제거하기 위해 측부들 중 하나(540) 및/또는 단부들(510, 550) 중 하나 상에 위치된다.
도 16의 동작 상황에서, 유리 로(500)의 용융 영역(520)에서의 버너들(10)은 용융 지역(520)에서의 유리 배치 물질로 전환된 복사 에너지를 최대화하기 위해 도 6 및 도 10에 도시된 것과 같은 불꽃(522)을 발생하도록 동작될 수 있다. 이것은 1차 불꽃 아래의 산소를 단계화함으로써 달성된다. 이러한 기술은 우선적으로 하향 방향으로의 불꽃 복사를 용융물로 편향한다. 대안적으로, 또는 이전 설명과 조합하여, 정제 영역(530)에서의 버너들(10)은 유리 로에 인접한 환원 대기를 생성하기 위해 도 7 및 도 11에 도시된 것과 같은 불꽃(532)을 발생하기 위해 생성하도록 동작될 수 있다. 이것은 1차 불꽃 위의 산소를 단계화함으로써 달성된다. 이 기술은 표면 텐션에서의 갑작스러운 변화를 부과하여, 이를 통해 용융물로 다시 빠르게 배수하도록 함으로서 표면 폼의 안정성을 방해할 수 있다. 더욱이, 환원 대기는 용융물에 대한 열 복사를 차단하여, 표면 온도, 및 이에 따라 이산화황과 같은 폼-발생 청징 가스의 방출 속도를 낮추는 그을음을 일으킨다.
폼이 다음의 이유들로 인해 유리 로 동작에 유해하여, 환경이 요구할 때, 동작 동안 또는 로의 특정한 부분들에서 다양한 시간에 폼을 선택적으로 환원할 수 있는 것으로부터 상당한 동작적 및 유리 품질 이점들이 있을 수 있다는 것이 주지된다. 첫째로, 폼은 로 연소 공간과 유리 용융물 사이에서 열 전달을 심각하게 제약한다. 이것은 더 높은 유리 표면 및 크라운 온도를 초래하는 한편, 유리 배스의 용융 상에서 유리의 천연 대류 구동된 2차 흐름을 감소한다. 이들 2차 흐름은 유리 불순물의 높은 제거 정도를 달성하기 위해 로에서의 유리의 필요한 거주 시간을 제공하기 위해 중요하다. 두 번째로, 폼은 로 내화물에 매우 부식성이고, 유리 결점을 초래하는 유리 상으로의 내화 물질의 가속화된 지연 및 스폴링(spalling)을 초래할 수 있다.
도 17은 도 16에 관해 위에서 논의된 방법에 비해 대안적인 로 동작 방법을 도시한다. 상위-불꽃 단계화된 버너들(즉, 정제 영역에서와 같이 유리 배스에 인접한 환원 대기를 생성)의 분배 및 하위-불꽃 단계화된 버너들(즉, 용융 영역에서와 같이 유리 배스에 인접한 복사 불꽃 및 산화 대기를 생성)의 분배를 미리 결정하는 것 대신에, 이러한 방법은 폼의 존재와 같이 로에서의 감지된 상태를 검출하고, 및/또는 높거나 낮은 온도의 영역들을 검출하기 위해 하나 이상의 로 센서들(560)을 이용하고, 그런 후에 제어기(562)는 이에 따라 각 개별 버너(10)의 동작 상태를 조정한다. 폼 존재는 적외선 온도계, 적외선 이미징 카메라, 및 비디오 카메라를 포함하지만, 여기에 제한되지 않는 임의의 여러 유형들의 센서들에 의해 검출될 수 있다. 이것은 본 발명의 버너(10)를 통해 특히 유리한데, 이는 3-방향 스위칭 밸브(44)가 단계화된 제 2 반응물 흐름을 단계화 노즐들 중 어느 하나에 빠르게 다시 향하게 하도록 예를 들어, 전기적 또는 공압적 수단에 의해 원격으로 쉽게 작동될 수 있다.
다른 실시예에서, 도 18은 NOx 방출물을 최소화하기 위한 최적의 로 구성을 도시한다. 로(510)의 하류 또는 정제 영역(530)에서의 NOx 형성은 연료-풍부 불꽃(534)을 발생하기 위해 그러한 영역에서의 버너들(10)을 서브-화학양론적으로(연료 풍부) 동작함으로써 최소화되는 한편, 기존의 산소-풍부 유리 로(500)의 연통(542) 근처에서 상류 또는 용융 영역(520)에서의 버너들(10)은 연료-부족(fuel-lean) 불꽃(524)을 발생하기 위해 초-화학양론적으로(super-stoichiometrically)(연료-부족) 동작된다. 이러한 구성에서, 상류의 연료-부족 버너 불꽃(524)으로부터의 초과 산소는 연통(543)을 통해 로 연소 공간을 떠나기 전에 연료-풍부 생성물의 연소를 완료하기 위해 하류 연료-풍부 불꽃(534)으로부터 부분 연소의 연료-풍부 생성물과 혼합한다. 로(500)에서의 버너들(10)의 전체 화학양론 - 제로 초과 산소를 이용한 완전한 연소에 이론적으로 필요한 비율로 나누어진 로에 들어가는 총 연료 분자에 대한 총 산소 분자의 비율로서 본 명세서에서 정의됨 - 은 정확히 1일 필요는 없지만, 전체 로 화학양론은 연료-부족 상류 버너들 또는 연료-풍부 하류 버너들 중 어느 하나보다 1에 더 가깝다.
오프-화학양론 상태에서 개별 버너들을 동작함으로써, 몇몇 연료-풍부 및 몇몇 연료 부족 NOx 방출물은 열 NOx 형성(NOx 형성 메커니즘의 가장 느린 것인)을 제한함으로써 감소된다. 자유 산소는 열 NOx 형성 반응을 촉진하기 위해 필요하다. 그러므로, 가장 큰 거주 시간을 갖는 가스(즉, 연통으로부터 가장 멀리 있는 로의 하류 단부에 있는 가스)가 최소 자유 산소를 갖는 것을 보장함으로써, 열 NOx 형성이 감소된다. 더욱이, 일단 하류 연료 및 산소의 균형이 연통에 근접한 로의 영역에서 반응하면, 반응은 로 배기 가스에 의해 실질적으로 희석되고, 그러므로 다른 경우 버너에서의 반응을 통해 발생되었을 낮은 온도에서 발생한다. 이러한 낮은 온도는 열 NOx 형성의 비율을 더 감소한다. 로 구성은 또한 폼 환원 사시도로부터 유리한데, 이는 연료-풍부 영역이 정제 영역 또는 지역과 동일 선상에 있고, 이것이 본 발명의 버너들(10)의 폼 환원 작용을 더 강화하기 때문이다.
버너(10)의 동작은 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 특정한 요소들을 버너 요소(28)의 노즐에 병합함으로써 개선될 수 있다. 이들 요소들은 위에서 논의된 1차 불꽃의 극도의 오프-화학양론적 동작을 용이하게 한다.
첫째로, 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 블러브 바디(70)는 제 2 반응물(예를 들어, 산소) 흐름의 2가지 스트림들, 즉 내부 노즐 또는 갭(74)을 통한 내부 스트림 및 외부 노즐 또는 갭(72)을 통한 외부 스트림을 생성하기 위해 고리형 제 2 반응물 노즐(32)에 위치된다. 내부 갭(74)은 외부 갭(72)에 비해 상대적으로 작다. 일실시예에서, 내부 갭(74)은 외부 갭(72)의 단면적의 10% 이하인 단면적을 갖는다. 바람직하게, 블러프 바디(70)는 중앙 도관(20)의 외부 측부에 부착되어, 내부 갭(74)은 블러프 바디(70)의 베이스 부분에서 슬릿으로서 형성된다. 제 2 반응물의 작은 슬립 스트립은 내부 갭(74)을 통해 흐르고, 버너(10)의 방출 평면(12)에서 제 1 반응물(예를 들어, 연료)과 혼합한다. 방출 평면(12)에서, 제 2 반응물의 작은 슬립 스트림은 중앙 노즐(22)로부터 방출하는 제 1 반응물과 혼합하고, 점화하여, 중앙 노즐 방출 스트림(제 1 반응물의)의 경계에서 불꽃 시트 또는 불꽃 제트를 생성한다.
비-반응 제트와 대조적으로, 제트에서의 주변의 가스의 비말 동반율은 반응성 제트 불꽃의 경우에 상당히 감소된다는 것이 당업자에 의해 알려져 있다. 위에 논의된 내부 갭(74) 및 외부 갭(72)을 갖는 블러프 바디(70)의 경우에, 이 시스템에 의해 생성된 불꽃의 비말 동반율이 상기 블러프 바디의 부재시 생성된 것보다 작다는 것을 추가로 발견하였다. 비말 동반율을 측정하는 것이 실험적으로 매우 어렵지만, 고정된 노즐 방출 흐름율의 중앙 제트에 대해, 비말 동반율이 제트 확산율과 직접적으로 관련된다는 것이 알려져 있다.
도 14는 불꽃 확산이 각도(α)의 탄젠트를 특징으로 할 수 있도록, 확산 각(α)에 의해 측정된 바와 같이, 이중-단계화된 버너(10)의 중앙 버너 블록 통로(128)로부터 나오는 불꽃 시트(180)(1차 불꽃의 경계를 표시함)의 불꽃 확산율의 정량화를 도시한다.
도 15는 2개의 노즐들을 이용하여 생성된 불꽃으로부터의 불꽃 확산율 데이터를 비교한다. 그래프 상의 하부 실선(십자가 데이터 지점들)은 도 8a 및 도 8b에 도시된 특징부들(features), 즉 본 명세서에 기재된 블러프 바디(70), 내부 갭(74), 및 외부 갭(72)을 갖는 노즐을 갖는 버너의 불꽃 확산율을 도시한다. 상부 점선(정사각형 데이터 지점들)은 동일한 기본 노즐을 갖지만, 블러프 바디 및 갭들을 갖지 않는 버너의 불꽃 확산율을 도시한다. 도 15에서의 수직축은 상대적인 불꽃 확산율{비-치수적 tan(α)}인 한편, 수평축은 1차 불꽃 화학양론적 비율, 즉 1차 버너 노즐을 통해 흐르는 고리형 2차 반응물(산소) 및 중앙 1차 반응물(연료 또는 천연 가스)에 기초한 화학양론적 비율을 표시한다. 블러프 바디 및 갭들을 갖는 노즐에 의해 발생된 불꽃 확산율이 블러프 바디 및 갭들을 갖지 않는 동일한 노즐에 의해 발생된 불꽃 확산율보다 어떻게 크게 낮아지는 지가 주지된다. 더욱이, 2개의 불꽃 확산율 사이의 차이는 1차 불꽃 화학양론적 비율이 낮아짐에 따라(즉, 단계화 산소의 비율이 증가함에 따라) 성장한다. 이것은 특히 중요한데, 이는 이전에 주지된 바와 같이, 본 발명의 버너의 이점들이 단계화 산소의 비율이 증가함에 따라 증가하기 때문이다.
도 13a 및 도 13b는 도 8a 및 도 8b에 도시된 노즐 특징부들을 갖고 갖지 않는 본 명세서에 기재된 버너의 비교를 도시하고, 특히 각각 더 높은 및 더 낮은 비말 동반율을 갖는 불꽃의 상대적인 확산율을 도시한다. 도 13a의 사진에서, 직선 노즐이 이용되었고, 결과적인 불꽃은 수직 방향으로 상대적으로 빠르게 확산하여, 상당량의 로 가스를 비말 동반한다. 비교시, 도 13b의 사진에서, 도 8a 및 도 8b의 특징부들을 병합하는 노즐이 이용되었고, 결과적인 불꽃은 수직 방향으로 상대적으로 느리게 확산하여, 적은 양의 로 가스를 비말 동반한다.
임의의 이론으로 유지되기를 원하지 않지만, 블러프 바디 및 갭들을 갖는 버너 노즐을 통해 획득된 감소된 불꽃 확산율이 2개의 인자들로부터 도출된다고 여겨진다. 하나는 소량의 2차 고리형 유체, 이 경우에 산소이고, 이것은 1차 유체(천연 가스)와 혼합하기 위해 내부 갭(74)을 통해 수용된다. 이러한 혼합물은 노즐 팁에 고정되는 상대적으로 저온의 약한 불꽃을 생성한다. 노즐 팁에서의 불꽃의 고정은 소용돌이도(vorticity)의 성장을 방해하고, 연료와 산소 스트림들 사이의 전단 층 내에서 방사상 혼합율을 감소하는 불꽃 반응물의 존재를 보장한다. 더욱이, 불꽃의 상대적으로 약한 저온 특성은, 반응율의 초기 비율이 감소되고; 그러므로 불꽃 시트의 초기의 연소-유도된, 부피 팽창이 최소화된다는 것을 의미한다. 제 2 인자는, 블러프 바디(70)가 내부 갭(74)을 통해 흐르는 연료와 산소의 초기 접촉 사이의 물리적 분리를 생성하고, 고리형 산소의 균형물은 외부 갭(72)을 통해 블러프 바디 주위에 흐른다. 산소-연료 혼합에서의 이러한 추가 지연은 불꽃 시트의 낮은 초기 부피 팽창율을 연장한다.
바람직하게, 블러프 바디(70)는 도 9에 도시된 바와 같이, 1차 반응물 중앙 노즐(22)의 높이(H)의 50% 내지 150%인 높이(h)를 갖는다. 더욱이, 도 9에 도시된 바와 같이, 블러프 바디(80)는 또한 노즐(22)의 상류에 있는 중앙 제 1 반응물 도관(20)에 위치될 수 있다. 블러프 바디(80)는 바람직하게 중앙 도관 단면적의 25% 내지 75%로부터 점유하도록 횡방향 치수(d)와, 횡방향 치수(d)의 2 내지 20배인 버너 방출 평면(12)으로부터 오목부 길이(L)를 갖는다. 블러프 바디(80)의 유체-기계적 효과는 중앙 도관(20)에서의 1차 반응물을 2개의 외부 고속 스트림 및 축방향 저속 코어 또는 웨이크(wake)로 분리하는 것이다. 이러한 분리의 주요 장점은, 불꽃 제트가 로에 나타날 때, 단계화 2차 반응물 흐름으로부터의 1차 반응물의 구분이 이러한 분리 없이 이루어진 것을 넘어서서 증가된다는 것이다. 예를 들어, 산소(제 2 반응물로서)가 불꽃 위에서 단계화되면, 중앙 노즐의 하부 부분 상에서 흐르는 연료(제 1 반응물로서)의 고속 부분은 상부-단계화된 산소와 혼합하는 것으로부터 더 실질적으로 버퍼링된다. 이와 달리, 산소가 불꽃 아래에서 단계화되면, 중앙 노즐의 상부 부분 상에서 흐르는 연료의 고속 부분은 하부-단계화된 산소와 혼합하는 것으로부터 더 실질적으로 버퍼링된다. 이들 시나리오들은 도 10 및 도 11에 도시된다.
하지만, 1차 반응물 도관(20)에 위치된 블러프 바디(80)는 웨이크에서 소용돌이의 발산(shedding)을 생성하는 경향이 있을 수 있다. 이들 소용돌이는 버너 방출 평면(12) 근처의 제 1 및 제 2 반응물들 사이의 혼합율을 실질적으로 증가할 수 있어서, 더 빠른 연소 및 더 높은 NOx 방출물을 초래한다. 이러한 잠재적인 효과를 완화하기 위해, 후미 에지 분할기 플레이트(82)는 블러프 바디(80)의 하류에 있는 중앙 도관(20)의 중심축을 따라 추가될 수 있다. 바람직하게, 분할기 플레이트(82)는 블러프 바디(80)로부터 약간 이격되어, 블러프 바디(80)의 하류 측 상의 압력 균일화를 허용하고, 분할기 플레이트는 바람직하게 블러프 바디(80)의 치수(d)와 같거나 더 큰 길이(x)를 갖고, 더 바람직하게 횡방향 치수(d)의 1 내지 10배인 길이(x)를 갖는다. 하지만, 분할기 플레이트의 후미 에지는 버너 방출 평면(12)을 지나 결코 연장하지 않아야 한다.
중앙 도관(20)의 중심선을 따라 블러프 바디(80)와 분할기 플레이트(82)를 위치시키는 것의 실제 효과는 도 13a 및 도 13b에 도시되고, 도 13a 및 도 13b는 각각 블러프 바디(80)와 분할기 플레이트(82)의 조합을 갖고 갖지 않는 불꽃의 찍은 사진 이미지이다. 중앙 도관의 흐름 단면적의 블러프 바디가 거주된 50%는 14와 같은 오목부 치수(d/L)를 갖고, 분할기 플레이트는 5와 같은 길이 치수(x/d)를 갖는다. 불꽃 축을 따라 불꽃의 하류에서 사진들이 찍혔고, 버너 산소의 공칭적으로 90%는 상부 단계화 플리넘(56)을 통해 도입된다{고리형 도관(36)을 통한 균형물}. 불꽃 아래의 불투명 영역은 그을음 클라우드를 나타내고, 소실되는 2차 폼에서 활성화하는 하위-불꽃 환원 지역의 크기의 척도이다. 그을음-충진된 환원 영역의 크기가 블러프 바디(80)와 분할기 플레이트(82)를 갖는 노즐의 경우에서 실질적으로 더 크다는 것이 이들 사진들의 비교로부터 증명된다.
본 명세서에 기재된 바와 같이, 하위-단계화(1차 불꽃 아래의 2차 산소) 또는 상위-단계화(1차 불꽃 위의 제 2 산소) 중 어느 하나를 선택하기 위한 옵션을 가능하게 하는 이중-단계화된 산소-연료 버너는 높은 용융 효율 및 낮은 NOx 방출물을 위한 산소 단계화의 이점뿐 아니라 포밍을 감소시킬 수 있는 능력을 제공한다. 본 발명의 청구된 버너는 사용자들이 산소 단계화의 크기 및 장소 모두를 제어하도록 한다. 위에 기재된 바와 같이, 버너에는 3개의 통로들이 설치된다: 버너 연료 및 산소 노즐들을 수용하는 1차 포트, 단계화된 산소를 도입하기 위한 상부 및 하부 산소 포트들, 및 3개의 통로들 중에서 산소의 방향 및 흐름율을 제어하기 위한 2개의 밸브들.
'189 특허의 종래 기술의 버너에 비해, 산소(하위) 단계화가 인입 산소의 70%에 제한되는 경우에, 본 발명의 청구된 버너는 95%를 초과하는 산소 단계화로 안전하게 동작할 수 있다. 본 발명의 청구된 버너들이 종래 기술의 '189 특허 버너들을 대체하는 하나의 컨테이너 유리 로에서의 테스트 결과에서, 비 에너지 소모, 유리 결점들, 및 NOx 방출물은 모두 감소될 수 있다. 특히, 도 19에 도시된 바와 같이, 비 에너지 소모는 3%만큼 낮아졌다. 그리고 시드 및 블리스터의 형태인 결점들은 약 40%만큼(각각 도 20 및 도 21에 도시된 바와 같이, 43% 적은 시드 및 38% 적은 블리스터) 낮아졌다.
추가적으로, NOx 방출물은 40%만큼 감소되었다(도 22를 참조). 이론에 의해 구속되는 것 없이, 이들 유리한 효과는 종래 기술의 버너들에서 이전에 달성 가능한 것을 너머서서 단계화 비율을 증가할 수 있는 능력과, 용웅 동작 동안 폼을 파괴할 수 있는 능력 모두로부터 초래된다고 여겨진다. 즉, 낮은 NOx는 본 버너 설계에 의해 가능하게 이루어진 단계화된 산소의 더 높은 비율로부터 초래되는 한편, 결점들에서의 감소는 2차 폼의 세척에서 초래된 청징 영역에서의 상위-단계화된 산소의 이용으로 인한 것(도 23a 및 도 23b를 참조; 본 발명의 청구된 버너를 이용한 미러형 표면의 출현을 주지)이 생각된다. 감소된 연료 소모에 대해, 이것은 전술한 인자들 모두에 의해 가능하게 되었다.
정제 영역에서의 폼의 감소가 결점들을 감소할 뿐 아니라, 유리로의 열 전달의 저항을 낮추어서, 이를 통해 더 높은 연료 효율에 기여한다는 것이 명백하다. 추가로, 배치 용융 영역에서의 버너들에 적용될 때, 증가된 상위-단계화는 종래 기술의 '189 버너들의 것에 비해 본 발명의 청구된 버너 불꽃의 증가된 발광을 초래한다. 예를 들어, 2개의 버너들에 대해 불꽃의 밝기와 허리 벽 사이에서 콘트라스트에서의 변동을 주지하는 도 24a 및 도 24b를 참조 - 하위-불꽃 산소 단계화를 갖는 도 24b에서의 본 버너 불꽃은 단계화되지 않은 도 24a에서의 본 버너 불꽃보다 훨씬 더 발광한다(이미지를 찍은 카메라는 전체 밝기에 대해 자동-정정되어, 고온 로 벽의 배경으로 거의 혼합하는 도 24a에서의 불꽃에 비해 실제로 두드러지는 도 24b에서의 불꽃의 콘트라스트가 있다는 것이 주지된다). 이것은 로의 그러한 영역에서 유리로의 복사 열 전달율을 증가하였다.
본 발명은 본 발명의 소수의 양상들의 예시들로서 의도되는 예들에 개시된 특정한 양상들 또는 실시예들에 의해 범주에 제한되지 않고, 기능적으로 동등한 임의의 실시예들은 본 발명의 범주 내에 있다. 본 명세서에 도시되고 기재된 것에 더하여 본 발명의 다양한 변형들은 당업자에게 명백할 것이고, 첨부된 청구항의 범주 내에 있는 것으로 의도된다.

Claims (16)

  1. 산소-연료 버너로서,
    중앙 버너 요소로서,
    중심축을 갖고 중앙 노즐에서 종료하는 중앙 도관; 및
    상기 중앙 도관을 둘러싸고 상기 중앙 도관과 동축인 고리형 노즐에서 종료하는 고리형 도관으로서, 상기 고리형 도관 및 상기 중앙 도관은 고리형 벽에 의해 분리되고,
    상기 중앙 도관은 제 1 반응물을 흐르도록 배열되고, 상기 고리형 도관은 제 2 반응물을 흐르도록 배열되는, 고리형 도관을
    포함하는, 중앙 버너 요소;
    상기 중앙 버너 요소의 측부로부터 이격되고 제 1 단계화 노즐에서 종료하는 제 1 단계화 도관;
    상기 중앙 버너 요소의 대항 측부로부터 이격되고 제 2 단계화 노즐에서 종료하는 제 2 단계화 도관;
    상기 제 2 반응물의 흐름을 상기 고리형 도관으로 향하는 상기 제 2 반응물의 비-제로 1차 흐름과 상기 제 2 반응물의 비-제로 2차 흐름으로 가변적으로 배분하도록 배열된 제 1 배분 유닛; 및
    상기 제 1 단계화 도관과 상기 제 2 단계화 도관 사이의 상기 제 2 반응물의 2차 흐름을 선택적으로 배분하도록 배열된 제 2 배분 유닛을 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 반응물들 중 하나는 연료이고, 상기 제 1 및 제 2 반응물들 중 다른 하나는 산소이며,
    제 1 배분 유닛은 상기 고리형 도관으로의 상기 제 2 반응물의 1차 흐름을 조절하기 위해 가변 흐름 제약기를 포함하고, 이를 통해 상보적 방식으로 제 2 배분 유닛으로의 상기 제 2 반응물의 2차 흐름을 간접적으로 조절하는, 산소-연료 버너.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 중앙 노즐 및 상기 고리형 노즐 각각은 2보다 크거나 같은 종횡비를 갖는 비-원형 형상을 갖고, 상기 종횡비는 개구 최소 치수에 대한 개구 최대 치수의 비율인, 산소-연료 버너.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 단계화 도관들 각각은 2보다 크거나 같은 종횡비를 갖는 비-원형 형상을 갖고, 상기 종횡비는 상기 개구 최소 치수에 대한 상기 개구 최대 치수의 비율이고, 상기 중앙 노즐의 상기 개구 최대 치수를 한정하는 축과, 각 상기 단계화 도관들의 각각의 상기 개구 최대 치수들을 한정하는 축들은 서로 평행한, 산소-연료 버너.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 배분 유닛은 상기 제 1 단계화 도관과 상기 제 2 단계화 도관 사이에서 상기 제 2 반응물의 흐름을 선택적으로 향하게 하기 위한 밸브를 포함하는, 산소-연료 버너.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 밸브는 상기 제 2 반응물의 상기 2차 흐름을 상기 제 1 단계화 도관으로, 또는 상기 제 2 단계화 도관으로, 또는 상기 제 1 단계화 도관과 상기 제 2 단계화 도관의 조합으로 동시에 향하게 하도록 구성된 3-방향 밸브인, 산소-연료 버너.
  6. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 버너가 발화하는 로내에서 상태들을 감지하기 위한 장치를 더 포함하고, 상기 장치는 상기 감지된 상태에 따라, 상기 제 2 반응물의 2차 흐름을 상기 제 1 단계화 도관으로, 또는 상기 제 2 단계화 도관으로, 또는 상기 제 1 단계화 도관과 상기 제 2 단계화 도관의 조합으로 동시에 향하게 하기 위해 상기 제 2 배분 유닛을 작동하도록 구성되는, 산소-연료 버너.
  7. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중앙 버너 요소가 배기하는 중앙 통로, 및 상기 제 1 및 제 2 단계화 노즐들이 각각 배기하는 제 1 및 제 2 단계화 통로들을 갖는 버너 블록을 더 포함하는, 산소-연료 버너.
  8. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고리형 노즐에 위치되고, 상기 고리형 벽에 근접한 블러프 바디(bluff body)의 한 측부 상에 내부 노즐과, 상기 고리형 벽으로부터 말단에 있는 상기 블러프 바디의 대항 측부 상에 외부 노즐을 형성하는 블러프 바디를 더 포함하고, 상기 내부 노즐은 상기 외부 노즐보다 더 작은 단면적을 갖는, 산소-연료 버너.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 내부 노즐은 상기 외부 노즐보다 10% 이하의 비-제로 단면적을 갖는, 산소-연료 버너.
  10. 청구항 8에 있어서, 높이를 갖는 블러프 바디로서, 상기 블러프 바디는 상기 중앙 도관의 상기 중심축 상에 위치하고, 상기 블러프 바디 높이의 2 내지 20배의 축방향 거리만큼 중앙 노즐의 상류에 위치하는, 블러프 바디를 더 포함하는, 산소-연료 버너.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 블러프 바디의 하류에 있는 상기 중앙 도관의 상기 중심축을 따라 위치된 분할기 플레이트로서, 상기 분할기 플레이트는 상기 블러프 바디 높이의 1 내지 10배의 길이를 갖는, 분할기 플레이트를 더 포함하는, 산소-연료 버너.
  12. 유리 배스를 포함하고 용융 영역 및 정제 영역을 포함하는 산소-연료 유리 로를 동작하는 방법으로서,
    청구항 1의 제 1 복수의 산소-연료 버너들은 상기 용융 영역에서 발화하도록 위치되고, 청구항 1의 제 2 복수의 산소-연료 버너들은 상기 정제 영역에서 발화하도록 위치되고, 각 버너에 대해, 상기 제 1 단계화 도관은 상기 중앙 버너 요소와 상기 유리 배스 사이에 위치되고, 상기 제 2 단계화 도관은 상기 중앙 버너 요소와 상기 로의 루프(roof) 사이에 위치되고, 상기 방법은
    상기 제 1 반응물로서 연료를 그리고 상기 제 2 반응물로서 산소를 흐르게 하는 단계;
    상기 유리 배스에 인접한 산소-풍부 대기를 생성하기 위해 상기 제 1 복수의 산소-연료 버너들을 동작하는 단계; 및
    상기 유리 배스에 인접한 연료-풍부 대기를 생성하기 위해 상기 제 2 복수의 산소-연료 버너들을 동작하는 단계를
    포함하는, 산소-연료 유리 로를 동작하는 방법.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 산소-풍부 대기는 상기 제 1 복수의 산소-연료 버너들에서의 2차 산소 흐름의 적어도 50%를 상기 제 1 단계화 도관에 배분함으로써 생성되고, 상기 연료-풍부 대기는 상기 2차 산소 흐름의 적어도 70%를 상기 제 2 단계화 도관에 배분함으로써 생성되는, 산소-연료 유리 로를 동작하는 방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 산소-풍부 대기는 1보다 큰 화학양론적 비를 가지고 상기 제 1 복수의 산소-연료 버너들을 동작함으로써 생성되고,
    상기 연료-풍부 대기는 1보다 큰 화학양론적 비를 가지고 상기 제 2 복수의 산소-연료 버너들을 동작함으로써 생성되고,
    버너의 화학양론적 비는 제로 초과 산소를 갖는 이론적으로 완벽한 화학양론적 연소에 요구된 산소-연료 흐름의 비율에 의해 나누어진 상기 버너를 통하는 산소-연료 흐름의 비율로서 정의되는, 산소-연료 유리 로를 동작하는 방법.
  15. 청구항 12 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
    유리 표면 상태를 나타내는 파라미터, 로 온도 프로파일, 로 배출 가스 온도, 및 로 가스 배출 조성의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 로 파라미터를 측정하는 단계; 및
    상기 산소-연료 버너들의 적어도 하나에 대해, 상기 적어도 하나의 측정된 로 파라미터에 기초하여 하나 이상의 발화 속도, 산소/연료 비, 및 2차 산소 흐름의 분배를 제어하는 단계를
    더 포함하는, 산소-연료 유리 로를 동작하는 방법.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 측정된 파라미터가 유리 표면 폼을 나타낼 때, 상기 제 1 복수의 산소-연료 버너들에서의 상기 버너들 중 적어도 하나를 상기 유리 배스에 인접한 산소-풍부 대기를 생성하는 것으로부터, 상기 유리 배스에 인접한 연료-풍부 대기를 생성하는 것으로 스위칭하는 단계를 더 포함하는, 산소-연료 유리 로를 동작하는 방법.
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