KR20220104714A - 축열식 유리 용해로의 동기화 산소-연료 부스팅을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

축열식 유리 용해로의 동기화 산소-연료 부스팅을 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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마이클 제이 갤러거
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에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
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Abstract

축열식 유리 용해로를 동기화 산소-연료 부스팅하기 위한 시스템 및 방법으로서, 이러한 시스템 및 방법은, 축열식 공기-연료 버너의 제1 및 제2 세트, 제1 벽에 장착된 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너 및 제2 벽에 장착된 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너로서, 각각의 산소-연료 버너는 개별 버너에서 1차 산소와 단계화된 산소 사이에 산소의 흐름을 분배하기 위한 1차 산소 밸브 및 상부 단계화 포트와 하부 단계화 포트 사이에 단계화된 산소의 흐름을 분배하기 위한 단계화 모드 밸브를 갖는, 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너 및 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너, 및 노의 작동 상태에 따라 제1 및 제2 산소-연료 버너의 화염 특성을 조정하기 위해 제1 및 제2 산소-연료 버너 각각의 1차 산소 밸브 및 단계화 모드 밸브를 제어하도록 프로그래밍된 제어기를 포함한다.

Description

축열식 유리 용해로의 동기화 산소-연료 부스팅을 위한 시스템 및 방법
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 2020년 10월 19일자로 출원된 미국 출원 제17/073,451호 및 2019년 10월 25일자로 출원된 미국 출원 제62/925,949호로부터의 우선권을 주장하며, 이러한 출원 둘 모두는 마치 완전히 설명되는 것과 같이 본원에 참조로서 포함된다.
본 출원은 축열식 유리 용해로에서 산소-연료(oxy-fuel) 부스트 버너의 사용에 관한 것으로서, 구체적으로 이러한 버너의 효율성을 개선하는 것에 관한 것이다.
제로-포트 산소-연료 부스트 버너는 유리 생산 증가 및/또는 효율성 개선을 위한 귀중한 수단으로 플로트(float) 유리 용해로에서 널리 받아들여지고 있다. 그러나 부스트 버너의 효율성은 흔히, 매우 격렬한 공기-연료 화염과의 화염 상호작용에 의해 제한된다. 더욱이, 이러한 산소-연료 화염의 강도와 방향, 그리고 공기-연료 화염 상호작용 모두가 각각의 축열기 역전 사이클에 따라 극적으로 시프트된다. 이러한 요인은, 장입(charge) 벽의 과열 및 화염의 스너빙(snubbing)을 포함하여 부정적인 영향을 초래할 수 있으며, 이는 흉벽(breast wall)에 가까운 집중된 열 방출 및/또는 크라운(crown)을 향한 화염 상승을 초래한다.
산소-연료 부스트 버너는 수십 년 동안 공기-연소 축열로에 사용되어 왔으며, 이점이 잘 알려져 있다. 주요 이점은, 더 높은 노(furnace) 효율성 및/또는 더 낮은 연료 소비, 더 높은 생산성, 개선된 유리 품질, 및 더 낮은 NOx를 포함한다. 산소-부스팅은 이점을 갖지만, 공기-연소 축열식 유리 노 내부에서 생성되는 높은 레벨의 난기류를 견딜 수 있는 일관되고 매우 밝은 화염을 유지하는 것과 같은 문제가 또한 존재한다. 축열로 내에서 발화(firing) 방향의 주기적인 성질은, 부스트 버너 화염이 상승하고, 편향되고, 달리 불안정해지게 되도록 할 수 있는 변화하는 기류 및 난류 패턴을 생성한다. 불안정한 부스트 버너 화염은 근처의 장입 벽의 과열을 야기할 수 있다. 또한, 조기 화염 단축 또는 스너빙은, 한편으로, 흉벽에 가까운 집중된 열 방출 및/또는 크라운을 향한 화염 상승과 같은 극단적인 화염 상태를 초래할 수 있다. 이러한 현상은 종종 노 내화물(흉벽/크라운/장입 단부 벽)의 과열 및 화염과 유리 표면 사이의 열전달율 저하를 초래한다. 반면, 연소(combustion) 공간 난류가 또한 연료와 산소의 혼합을 방해하여 불완전 연소를 야기할 수 있다. 이는, 산소와 연료의 혼합이 더 길고 더 밝은 화염을 생성하기 위해 산소의 일부를 화염 위로 또는 아래로 리다이렉트(redirect)함으로써 본질적으로 지연되는 단계화된(staged) 산소-연료 버너에서 특히 그러하다. 따라서, 연소 공간 난류와 단계화된 산소-연료 버너 사이의 상호 작용은 노 연료 덕트를 통해 배출되는 일산화탄소의 높은 방출을 야기할 수 있다.
도 1은, 노(10)의 대향되는 측면 상의 축열기(12A 및 12B), 고체 유리 용융 재료가 노(10) 내로 도입되는 장입 단부(14), 및 용융 유리가 노를 빠져나가는 출구 단부(16)를 갖는 전형적인 축열로(10)를 개략적으로 도시한다(유리 흐름의 방향은 G로 표시된 화살표로 도시된다). 각각의 축열기(12A, 12B)는 공기-연료 버너 포트의 세트를 갖는다(도시된 실시예에서는 6개가 도시되어 있으며, 장입 단부(14)로부터 출구 단부(16)까지 1 내지 6으로 번호가 매겨져 있지만, 세트는 하나 이상의 버너를 포함할 수 있다). 도시된 작동 모드에서, 축열기(12B)가 발화하고 있으며(즉, 공기-연료 버너(1-6)가 작동됨), 한편 축열기(12A)는 노(10)로부터 연소 생성물을 배출하고 있다. 추가로, 산소-연료 부스트 버너는 "제로-포트" 위치(각각 0으로 표시됨)에 도시되며, 어느 축열기(12A, 12B)가 발화하고 있고 어느 축열기가 배출하고 있는지 여부와 무관하게 산소-연료 부스트 버너 둘 모두가 계속해서 발화한다. 이러한 작동 모드에서, 잠재적인 가스 재순환 구역(18)은 포트 1 공기-연소 버너와 포트 0 산소-연료 부스트 버너 사이의 수평(발화) 평면에서 발생할 수 있습니다. 이러한 재순환 구역은 부스트 버너 화염이 가장 가까운 공기-연소 버너의 흐름(같은 측면에서 발화하고 있을 때)에 동반되게끔 할 수 있거나 또는 이는 교번적으로 반대 방향으로 발화하는 부스트 버너의 흐름을 방해하거나 편향시킬 수 있다. 이러한 상황은 Ansys Fluent 전산 유체 역학(computational fluid dynamic; CFD) 시뮬레이션 도구를 사용하여 모델링되었다. 3차원 시뮬레이션에서, 1일 당 650톤의 생산 속도를 기준으로 전형적인 공기-연소 축열로 크기 및 기하구조가 복제되었다. 도 2 및 도 3은 각각 수평(발화) 및 수직(장입 벽) 평면에서 CFD 모델링 결과를 도시한다. 도 2는 노(10)의 배출 측면(E)에서 장입 단부 벽(14)을 향한 산소-연료 화염(화살표(B))의 굽힘(및 노(10)의 발화 측면(F)의 공기-연료 화염을 향한 산소-연료 화염의 굽힘)을 도시한다. 따라서, 도 3은 장입 단부 벽(14) 상의 잠재적으로 과열된 구역(14A)을 도시한다. 이러한 결과는, 유동장(flow field)에 대향되는 산소-연료 제로-포트 부스트 버너에 대한 연소 공간 유동장의 해로운 영향에 대한 전술한 주장을 강력하게 지지한다. 본 명세서에서 설명되는 시스템 및 방법의 주요 목적은 부스트 버너의 유익한 효과를 보존하고 최대화하면서 이러한 부정적인 효과를 제거하는 것이다.
축열로의 사이클 공기-연료 버너 작동과 산소-연료 부스트 버너 화염 사이의 상호작용의 성질을 이해함으로써, 본 발명자들은, 산소-연료 성능 이점을 최대화하면서 부정적인 영향을 피하기 위한 각각의 축열기 역전(reversal)을 가지고 화염 속성(특히 길이, 광도 및 모멘텀)을 자동으로 조정할 수 있는 진보된 버너 기술을 개발했다. 이러한 개발은 진보된 제어 기술과 최근 이중-단계화된(double-staged) 산소-연료 평면-화염 버너를 결합한다. 동기화 산소-연료 부스트 버너의 필드 구현의 방법론 및 유익한 결과 모두가 본 명세서에서 설명된다.
측면 1. 축열식 공기-연료 버너의 제1 세트 및 축열식 공기-연료 버너의 제2 세트, 및 노(furnace) 제어 시스템을 갖는 축열식 유리 용해로(regenerative glass melting furnace)의 동기화 산소-연료 부스팅을 위한 시스템으로서, 상기 노 제어 시스템은, 공기-연료 버너의 상기 제1 세트가 발화(fire)할 때 공기-연료 버너의 상기 제2 세트가 축열하고, 공기-연료 버너의 상기 제1 세트가 축열할 때 공기-연료 버너의 상기 제2 세트가 발화하도록 공기-연료 버너의 상기 제1 세트 및 공기-연료 버너의 상기 제2 세트의 교번적인 발화를 제어하도록 프로그래밍되며, 상기 시스템은, 상기 노의 제1 벽에 장착되고, 1차 산소와 단계화된(staged) 산소 사이에 산소의 흐름을 분배하기 위한 1차 산소 밸브 및 상부 단계화 포트와 하부 단계화 포트 사이에 단계화된 산소의 흐름을 분배하기 위한 단계화 모드 밸브를 갖는, 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너; 상기 노의 제2 벽에 장착되며, 1차 산소의 흐름과 단계화된 산소의 흐름 사이에 산소의 흐름을 분배하기 위한 1차 산소 밸브 및 상기 상부 단계화 포트로의 상부 단계화된 산소의 흐름과 상기 하부 단계화 포트로의 하부 단계화된 산소의 흐름 사이에 상기 단계화된 산소의 흐름을 분배하기 위한 단계화 모드 밸브를 갖는 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너로서, 상기 제2 벽은 제1 벽과 대향되는, 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너; 및 제어기를 포함하며, 상기 제어기는, 공기-연료 버너의 상기 제1 세트 및 상기 제2 세트 중 어느 것이 발화하고 있고 공기-연료 버너의 상기 제1 세트 및 상기 제2 세트 중 어느 것이 축열하고 있는지를 나타내는 신호를 상기 노 제어 시스템으로부터 수신하고; 및 상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너 및 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너의 화염 특성을 조정하기 위해, 상기 노 제어 시스템으로부터의 상기 신호에 응답하여, 상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너의 상기 1차 산소 밸브 및 상기 단계화 모드 밸브를 작동시키고 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너의 상기 1차 산소 밸브 및 상기 단계화 모드 밸브를 작동시키기 위한 신호를 전송하도록 프로그래밍되는, 시스템.
측면 2. 측면 1에 있어서, 상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너 및 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너 각각은, 연료의 흐름 및 상기 1차 산소의 흐름을 수용하도록 구성되고 배열된 중앙 예비연소기, 상기 상부 단계화된 산소의 흐름을 수용하도록 구성되고 배열된 상부 단계화 포트, 및 상기 하부 단계화된 산소의 흐름을 수용하도록 구성되고 배열된 하부 단계화 포트를 포함하며, 상기 제1 및 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너 각각에 공급되는 산소의 흐름은 상기 1차 산소의 흐름과 상기 단계화된 산소의 흐름의 합이고, 상기 단계화된 산소의 흐름은 상기 상부 단계화된 산소의 흐름과 상기 하부 단계화된 산소의 흐름의 합인, 시스템.
측면 3. 측면 2에 있어서, 상기 제1 및 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너 각각의 상기 1차 산소 밸브는, 상기 산소의 흐름의 대부분이 상기 1차 산소의 흐름에 분배되는 1차 화염 위치와 상기 산소의 흐름의 대부분이 상기 단계화된 산소의 흐름에 분배되는 단계화된 화염 위치 사이에서 작동되도록 구성되고 배열되며; 및 상기 제1 및 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너 각각의 단계화 모드 밸브는: 상기 단계화된 산소 흐름의 대부분이 상기 상부 단계화된 산소의 흐름으로 분배되는 폼(foam) 모드 위치, 상기 단계화된 산소의 흐름이 상기 상부 단계화된 산소의 흐름과 상기 하부 단계화된 산소의 흐름 사이에 분배되는 분할 모드 위치, 및 상기 단계화된 산소 흐름의 대부분이 상기 하부 단계화된 산소의 흐름으로 분배되는 용융 모드 위치로부터 선택된 적어도 2개의 위치들 사이에서 작동되도록 구성되고 배열되는, 시스템.
측면 4. 측면 1에 있어서, 축열식 공기-연료 버너의 상기 제1 세트가 상기 제1 벽에 위치되고 축열식 공기-연료 버너의 상기 제2 세트가 상기 제2 벽에 위치되며, 상기 노는 상기 제1 벽과 상기 제2 벽 사이를 상호연결하고 상기 제1 벽 및 상기 제2 벽에 대해 수직인 장입 벽을 더 포함하는, 시스템.
측면 5. 측면 4에 있어서, 상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너는 공기-연료 버너의 상기 제1 세트와 상기 장입 벽 사이에 위치되고, 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너는 공기-연료 버너의 상기 제2 세트와 상기 장입 벽 사이에 위치되는, 시스템.
측면 6. 측면 1에 있어서, 축열식 공기-연료 버너의 상기 제1 세트 및 축열식 공기-연료 버너의 상기 제2 세트는 모두, 상기 제1 벽과 상기 제2 벽 사이를 상호연결하고 상기 제1 벽과 상기 제2 벽에 대해 수직인 벽에 위치되는, 시스템.
측면 7. 측면 4에 있어서, 상기 제어기가 공기-연료 버너의 상기 제1 세트가 발화하고 있고 버너의 상기 제2 세트가 축열하고 있다는 신호를 수신할 때, 상기 제어기는, 상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너의 상기 1차 산소 밸브를 단계화된 위치로 그리고 상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너의 상기 단계화 모드 밸브를 상기 용융 모드 위치로 작동시키고, 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너의 상기 1차 산소 밸브를 상기 1차 화염 위치로 그리고 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너의 상기 단계화 모드 밸브를 상기 분할 모드 위치로 작동시키기 위한 신호를 전송하며; 및 상기 제어기가 공기-연료 버너의 상기 제2 세트가 발화하고 있고 버너의 상기 제1 세트가 축열하고 있다는 신호를 수신할 때, 상기 제어기는, 상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너의 상기 1차 산소 밸브를 상기 1차 화염 위치로 그리고 상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너의 상기 단계화 모드 밸브를 상기 분할 모드 위치로 작동시키고, 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너의 상기 1차 산소 밸브를 상기 단계화된 위치로 그리고 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너의 상기 단계화 모드 밸브를 상기 용융 모드 위치로 작동시키기 위한 신호를 전송하는, 시스템.
측면 8. 측면 7에 있어서, 상기 시스템은, 상기 제1 벽 및 상기 장입 벽에 근접한 유리 바닥 온도를 측정하도록 위치된 제1 하단 열전대; 상기 제2 벽 및 장입 벽에 근접한 유리 바닥 온도를 측정하도록 위치된 제2 하단 열전대; 및 상기 장입 벽 근처의 크라운(crown) 온도를 측정하도록 위치된 크라운 열전대를 더 포함하며;상기 제어기는, 상기 제1 하단 열전대, 상기 제2 하단 열전대, 및 상기 크라운 열전대 중 적어도 하나로부터 개별 온도를 나타내는 신호를 수신하고; 및 상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너 및 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너의 화염 특성을 조정하기 위해, 상기 제1 하단 열전대, 상기 제2 하단 열전대, 및 상기 크라운 열전대 중 적어도 하나 및 상기 노 제어 시스템으로부터의 신호에 응답하여, 상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너의 상기 1차 산소 밸브 및 상기 단계화 모드 밸브를 작동시키고 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너의 상기 1차 산소 밸브 및 상기 단계화 모드 밸브를 작동시키기 위한 신호를 전송하도록 더 프로그래밍되는, 시스템.
측면 9. 축열식 유리 용해로를 동기화 산소-연료 부스팅하는 방법으로서, 상기 축열식 유리 용해로는, 축열식 공기-연료 버너의 제1 세트 및 축열식 공기-연료 버너의 제2 세트; 상기 노의 제1 벽에 장착된 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너; 및 상기 노의 제2 벽에 장착된 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너를 가지며, 상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너 및 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너의 각각은, 연료의 흐름 및 1차 산소의 흐름을 수용하도록 구성되고 배열된 중앙 예비연소기, 상부 단계화된 산소의 흐름을 수용하도록 구성되고 배열된 상부 단계화 포트, 및 하부 단계화된 산소의 흐름을 수용하도록 구성되고 배열된 하부 단계화 포트를 포함하고, 상기 방법은, 공기-연료 버너의 상기 제1 세트가 발화할 때 공기-연료 버너의 상기 제2 세트가 축열하고, 공기-연료 버너의 상기 제1 세트가 축열할 때 공기-연료 버너의 상기 제2 세트가 발화하도록 공기-연료 버너의 상기 제1 세트 및 공기-연료 버너의 상기 제2 세트를 교번적으로 발화시키는 단계; 공기 연료-버너의 상기 제1 세트 및 상기 제2 세트 중 어느 것이 발화하고 있고 공기 연료-버너의 상기 제1 세트 및 상기 제2 세트 중 어느 것이 축열하고 있는지를 검출하는 단계; 및 상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너 및 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너의 화염 특성을 조정하기 위해, 공기 연료-버너의 상기 제1 세트 및 상기 제2 세트 중 어느 것이 발화하고 있고 공기 연료-버너의 상기 제1 세트 및 상기 제2 세트 중 어느 것이 축열하고 있는지에 기초하여, 상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너 및 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너의 각각에 대해 상기 예비연소기로의 상기 1차 산소의 흐름, 상기 상부 단계화된 산소의 흐름, 및 상기 하부 단계화된 산소의 흐름을 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
측면 10. 측면 9에 있어서, 상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너에 공급되는 상기 산소의 흐름은 상기 1차 산소의 흐름과 상기 단계화된 산소의 흐름의 합이고, 상기 단계화된 산소의 흐름은 상기 상부 단계화된 산소의 흐름과 상기 하부 단계화된 산소의 흐름의 합인, 방법.
측면 11. 측면 9에 있어서, 축열식 공기-연료 버너의 상기 제1 세트가 상기 제1 벽에 위치되고 축열식 공기-연료 버너의 상기 제2 세트가 상기 제2 벽에 위치되며, 상기 노는 상기 제1 벽과 상기 제2 벽 사이를 상호연결하고 상기 제1 벽 및 상기 제2 벽에 대해 수직인 장입 벽을 더 포함하는, 방법.
측면 12. 측면 11에 있어서, 상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너는 공기-연료 버너의 상기 제1 세트와 상기 장입 벽 사이에 위치되고, 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너는 공기-연료 버너의 상기 제2 세트와 상기 장입 벽 사이에 위치되는, 방법.
측면 13. 측면 9에 있어서, 축열식 공기-연료 버너의 상기 제1 세트 및 축열식 공기-연료 버너의 상기 제2 세트는 모두, 상기 제1 벽과 상기 제2 벽 사이를 상호연결하고 상기 제1 벽과 상기 제2 벽에 대해 수직인 벽에 위치되는, 방법.
측면 14. 측면 11에 있어서, 상기 노의 상기 제1 벽은 상기 장입 벽의 우측에 위치되고, 상기 노의 상기 제2 벽은 상기 장입 벽의 좌측에 위치되며, 상기 방법은,공기-연료 버너의 상기 제1 세트가 발화하고 있고 버너의 상기 제2 세트가 축열하고 있을 때, 상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너의 1차 산소 밸브를 단계화된 위치로 그리고 상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너의 단계화 모드 밸브를 용융 모드 위치로 작동시키고, 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너의 1차 산소 밸브를 1차 화염 위치로 그리고 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너의 단계화 모드 밸브를 분할 모드 위치로 작동시키는 단계; 및 공기-연료 버너의 상기 제2 세트가 발화하고 있고 버너의 상기 제1 세트가 축열하고 있을 때, 상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너의 상기 1차 산소 밸브를 상기 1차 화염 위치로 그리고 상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너의 상기 단계화 모드 밸브를 상기 분할 모드 위치로 작동시키고, 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너의 상기 1차 산소 밸브를 상기 단계화된 위치로 그리고 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너의 상기 단계화 모드 밸브를 상기 용융 모드 위치로 작동시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
측면 15. 측면 14에 있어서, 상기 방법은, 상기 제1 벽 및 상기 장입 벽에 근접한 제1 유리 바닥 온도, 상기 제2 벽 및 상기 장입 벽에 근접한 제2 유리 바닥 온도, 및 상기 장입 벽 근처의 크라운 온도 중 적어도 하나를 측정하는 단계; 및 상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너 및 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너의 화염 특성을 조정하기 위해, 공기 연료-버너의 상기 제1 세트 및 상기 제2 세트 중 어느 것이 발화하고 있고 공기 연료-버너의 상기 제1 세트 및 상기 제2 세트 중 어느 것이 축열하고 있는지, 상기 측정된 제1 유리 바닥 온도, 상기 측정된 제2 유리 바닥 온도, 및 상기 측정된 크라운 온도에 기초하여, 상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너 및 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너의 각각에 대해 상기 예비연소기로의 상기 1차 산소의 흐름, 상기 상부 단계화된 산소의 흐름, 및 상기 하부 단계화된 산소의 흐름을 제어하는 단계를 더 포함하는, 방법.
본 명세서에 개시된 시스템의 다양한 측면은 단독으로 또는 서로 조합하여 사용될 수 있다.
도 1은 제로 포트 산소-연료 부스트 버너를 보여주는 측면-포트 축열로의 평면 개략도로서, 부스트 버너 화염이 근처의 포트 1 공기-연료 화염으로 편향되거나 또는 끌어 당겨지게끔 할 수 있는, 재순환 가스 구역이 장입 벽과 포트 1 공기-연료 버너 사이에서 발생할 수 있음을 예시한다.
도 2는 제로 포트 산소-연료 부스트 버너를 갖는 축열로의 평면도에 대한 CFD 모델링 결과를 도시하며, 이러한 도면은, 부스트 버너 화염이 편향되게끔 할 수 있는 부스트 버너 근처의 재순환 패턴의 영향(도면에서 가장 좌측)을 도시한다.
도 3은 도 2의 노의 측면도에 대한 CFD 모델링 결과를 도시한다.
도 4는 버너 블록 고온 면(hot face)으로부터의 이중-단계화된 산소-연료 버너의 정면 사시도의 사진으로서, 중앙 1차 노즐(연료-풍부 1차 화염을 형성하는 연료 및 산소)과 상부 및 하부 단계화(staging) 포트(흐르는 산소)를 도시한다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 도 4의 이중-단계화된 버너의 다양한 단계화 모드를 도시하는 개략도이다. 폼(foam) 모드(도 5a)에서, 산소는, 폼 불안정화를 위한 환원 가스(CO)를 포함하는 그을음(sooty) 하층을 갖는 긴 화염을 생성하기 위해 주로 1차 화염 위에 단계화된다. 분할 모드(도 5b)에서, 산소는 1차 화염 위와 아래 모두에 단계화되어 높은 난류를 갖는 위치에서 잘 작동하는 고-모멘텀의 고-광도 화염을 생성한다. 용융 모드(도 5c)에서, 산소는 주로 1차 화염 아래에 배치되어 크라운 차폐를 갖는 고강도 용융을 위한 발광 밑면을 갖는 긴 화염을 생성한다.
도 6은 단계화 모드 및 1차 산소 (단계화) 밸브의 자동 제어를 가능하게 하기 위해 설치된 공압 작동기를 갖는 이중-단계화된 산소-연료 버너의 배면도 사진이다.
도 7은, 제로 포트 위치에 설치된 2개의 이중-단계화된 버너, 2개의 공압 제어 박스 및 이들 시스템을 제어하도록 구성된 제어기를 포함하는 동기화 산소-연료 부스팅 시스템의 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 8은 하단 열전대의 위치를 도시하는 산소-연료 부스트 버너를 갖는 축열로의 개략적인 평면도이다.
도 9는 비-동기화 단일-단계화된 버너에 대한 비-동기화 및 동기화 이중-단계화된 버너의 바닥 온도 변화를 보여주는 결과의 그래픽 요약이다.
도 10a, 도 10b 및 도 10c는 좌측 산소-연료 부스트 버너와 반대측(우측) 공기-연료 버너 연소를 비교하는 사진이다. 이러한 도면은 장입 벽을 뒤돌아 바라보는 목(throat) 단부(방출 단부) 벽에서 본 것이다. 도 10a는 최소 단계화를 갖는 단일-단계화된 버너를 도시하며; 도 10b는 동기화 부스팅이 없는 이중-단계화된 버너를 도시하고; 도 10c는 동기화 부스팅을 이용하는 이중-단계화된 버너를 도시한다. 흑색 점선은 각 사진에서 장입 단부 벽의 동일한 위치를 나타낸다.
도 11은 부스트 버너에 가장 가까운 노 크라운 열전대의 위치를 보여주는 노의 평면 개략도이다.
도 12는, 비-동기화 단일-단계화된 버너에 대하여 비-동기화 및 동기화 이중-단계화된 버너에 대한 부스트 버너에 가장 가까운 평균 크라운 열전대 온도를 비교하는 그래프이다.
도 13은, 비-동기화 단일-단계화된 버너에 대하여 비-동기화 및 동기화 이중-단계화된 버너에 대한 기포 및 스톤(stone)과 관련하여 유리의 톤 당 유리 결함을 비교하는 그래프이다.
도 14는, 비-동기화 단일-단계화된 버너에 대하여 비-동기화 및 동기화 이중-단계화된 버너에 대한 파유리(cullet) 퍼센트의 변화에 대해 보정된 평균 특정 노 에너지 소비를 보여주는 그래프이다.
도 15는, 노에서 연소 생성물의 순환 경로를 보여주는 산소-연료 부스트 버너를 갖지 않는 단부-포트 축열로의 개략적인 평면도이다.
도 16은 산소-연료 부스트 버너를 갖는 단부-포트 축열로의 개략적인 평면도이다.
산소-부스팅의 이점을 최대화하고 현재의 문제를 극복하기 위해, 본 발명자들은 각각의 축열기 역전을 가지고 화염 특성(특히 길이, 광도 및 모멘텀)을 자동으로 조정할 수 있는 동기화 부스팅 시스템을 개발했다. 동기화 부스팅 시스템은, 노 엔지니어가 특정 가스 흐름 및 화염 상태에 따라 양쪽 발화 방향에 대한 각 버너의 설정을 맞춤화하는 것을 가능하게 한다. 이러한 시스템은, 축열기 역전 사이클에 의해 생성된 난류의 부정적인 영향을 극복하기 위해 각 버너의 화염 품질이 최대화된다는 것을 보장할 수 있다.
동기화 부스팅 시스템은 도 4에 도시된 바와 같은 이중-단계화된 버너(20)를 사용하며, 이는 본 명세서에 참조로서 포함된 미국 특허 제10,584,051호에 상세히 설명되어 있다. 이중-단계화된 버너는, 산소-연료 부스팅 애플리케이션에 이상적인 화염 속성인 높은 모멘텀과 광도를 갖는 매우 높은 수준의 산소 단계화를 달성하도록 설계되었다. 이중-단계화된 버너는 단계화 산소의 방향과 양을 제어하는 2개의 밸브를 포함하여 높은 수준의 조절기능을 갖는다. 이러한 밸브들은 본 명세서에서 각각 단계화 모드 밸브 및 1차 산소 밸브로 지칭된다. 부스팅 애플리케이션에서 이중-단계화된 버너의 성능은 본 명세서에서 이전 세대의 단일-단계화된 버너와 비교된다(미국 특허 제7,390,189호 참조). 또한, 본 명세서의 개시는, 축열로의 작동과의 동기화를 추가하는 것의 이중-단계화된 버너의 성능에 대한 영향을 보여준다. 에너지 소비, 국부적인 노 온도, 유리 결함에 대한 효과를 포함하여, 단일-단계화된 버너 부스트, 동기화 시스템을 갖지 않는 이중-단계화된 버너 부스트 및 동기화를 이용하는 이중-단계화된 버너 부스트의 3가지 경우 모두에 대한 다양한 노 작동 파라미터의 영향이 본 명세서에서 설명된다.
이중-단계화된 버너는, 모멘텀, 길이 및 광도와 같은 화염 속성을 제어하는 높은 수준의 조정기능으로 인해 동기화 부스팅 시스템이 매우 효과적이 되는 것을 가능하게 한다. 이중-단계화된 버너는, 높은 연료 효율을 위한 화염 방사 증가, 폼 감소 성능, 유리 결함 감소 및 낮은 NOx 방출을 포함하는 몇 가지 기능을 갖는 유리 산업을 위해 설계된 평면 화염 산소-연료 버너이다.
이중-단계화된 버너(20)의 버너 블록은 3개의 포트; 연료와 1차 산소가 연소를 시작하고 화염이 뿌리를 내리고 안정화되는 중앙 예비-연소기(pre-combustor) 포트(24), 상부 산소 단계화 포트(22) 및 하부 산소 단계화 포트(26)를 갖는다. 이중-단계화된 버너(20)는, 단계화 모드 밸브(30)를 통해 1차 예비-연소기에 인접한 상부 또는 하부 단계화 포트 중 하나 또는 둘 모두를 통해 단계화 산소가 방향 제어되고 비례될 수 있는 고유한 산소 단계화 성능을 갖는다. 산소 단계화의 모드는 폼 제어 모드, 용융 모드 및 분할 모드를 포함한다. 단계화 산소의 이러한 방향 제어는, 화염 길이, 모멘텀, 광도 및 유리 표면에 인접한 가스 분위기의 조정을 포함하여 몇몇 이점을 제공한다. 도 5a 내지 도 5c는 이중-단계화된 버너(20)에 대한 다양한 단계화 모드를 도시한다. 산소 단계화는 또한 산소와 천연 가스의 혼합을 지연시켜서 화염 온도를 낮춤으로써 NOx 형성을 방지한다.
단계화 모드 밸브(30)는 다음과 같은 3가지 별개의 버너 작동 모드의 달성을 가능하게 한다:
분할 모드. 분할 모드에서, 도 5b에 도시된 바와 같이, 본질적으로 동일한 양의 산소가 상부 O2 단계화 포트(22) 및 하부 O2 단계화 포트(26) 모두로 보내진다. 이는, 반대되는 난류 환경에서도 안정적인 더 짧고 밝으며 상대적으로 높은 모멘텀의 화염을 야기한다. 분할 모드는, 부스트 버너가 축열로의 배출 측면으로부터 발화하고 있을 때 특히 유용할 수 있다.
용융 모드. 용융 모드에서, 도 5c에 도시된 바와 같이, 산소는 1차 화염 아래에 있는 버너 블록의 하부 산소 단계화 포트(26)로 보내진다. 화염은, 화염 제트의 아래쪽에 있는 연료와 함께 단계화 산소의 국부적인 연소에 의해 초래되는 열 방사로 인해 밝은 바닥 표면을 생성할 것이다. 주로 연료가 풍부한 제트에서 형성되는 그을음은 상향 방사를 제한하는 광학 차폐물 역할을 하기 때문에, 용융 모드에서 생성된 높은 방사는 우선적으로 유리 표면을 향해 아래쪽으로 보내지며, 용융 프로세스를 가속하는 것으로 나타났다.
폼 모드. 폼 모드(또는 폼 제어 모드)에서, 도 5a에 도시된 바와 같이, 산소는 1차 화염 위에 있는 버너 블록의 상부 산소 단계화 포트(22)로 보내진다. 결과적인 화염은 주로 일산화탄소(수 퍼센트 농도)로 구성된 환원 가스를 포함하는 그을음 밑면을 갖는다. 화염에 의해 생성된 환원 분위기는 유리 표면 위로 연장되어 표면 폼을 소멸시키도록 역할한다.
1차 산소 밸브(28)의 사용은 전술한 3가지 단계화 모드 각각의 연소 특성을 조절한다. 1차 산소 밸브(28)가 100% 개방될 때, 버너로 유입되는 총 산소의 약 75%가 중앙 버너 블록(예비-연소기) 통로로 공급되는 1차 노즐을 통과한다. 이러한 조건은, 중앙 노즐에서 산소와 천연 가스의 혼합을 향상시키고, 더 높은 모멘텀을 갖는 더 짧고 더 안정적인 화염을 생성한다. 1차 산소 밸브(28)가 폐쇄될 때, 버너 산소 흐름의 약 5%가 1차 노즐을 통해 흘러나오고 나머지(95%)는 선택된 단계화 모드에 따라 상부 및/또는 하부 단계화 포트에 분배된다. 1차 산소 밸브(28)가 폐쇄될 때, 산소 단계화의 최대량을 달성하는 것이 가능하고, 화염 길이는 주어진 연료 흐름 (연소) 속도에 대해 최대가 될 것이다. 또한, NOx 방출량은 감소할 것이며, 반면 형성되는 중간 그을음이 풍부하여 화염 광도가 증가할 것이다. 또한, 1차 산소 밸브가 점진적으로 폐쇄됨에 따라 화염 모멘텀이 감소된다.
동기화 부스팅 시스템은, 공기-연소 측면 포트 노에서 각 축열기 역전 사이클을 가지고 최적의 부스트 버너 화염 속성, 특히 길이, 광도 및 모멘텀의 달성을 가능하게 한다. 이는, 버너의 단계화 모드 밸브(30)와 1차 산소 밸브(28)의 공압 또는 전기 작동을 사용하는 화염 속성의 자동 원격 제어를 통해 달성된다. 바람직한 실시예에서, 버너에는 산소 밸브(28, 30) 둘 모두에 대한 공압 작동기가 장착된다. 2개의 밸브의 대표적인 공압 작동기 배열이 도 6에 도시된다. 공압 작동기는 전형적으로 복동식이며, 따라서, 각각의 공압 작동기가 기계적 정지부로 사전 설정될 수 있는 2개의 별개의 제어 위치를 달성할 수 있다. 동기화 버너 제어 시스템은, 각 축열기 역전 사이클을 가지고 밸브 위치를 최적의 사전-설정 위치로 변경하기 위해 플랜트 또는 노 전체 제어 시스템과 함께 작동한다. 최적의 버너 설정은, 예를 들어, 시스템의 초기 설정 동안에, 부스트 버너 화염의 시각적 관찰과 부스트 버너 근처의 장입 단부 벽 및 흉벽의 광학 온도 측정을 통해 결정될 수 있다. 이는, 화염 품질과 외관을 평가하는 것 및 또한 다양한 밸브 설정에서 국부적인 내화물 온도를 측정하는 것을 포함하는 반복적인 프로세스일 수 있다. 최적의 밸브 위치는, 비제한적으로, 부스트 버너 주변의 국부적인 난류, 설비마다 다른 노 형상으로 인한 변경된 가스 흐름 패턴, 부스트 버너의 연소 속도, 공기-연소 버너의 연료 분포, 및 축열기의 유량 용량(flow capacity)을 포함하는 다양한 요인에 따라 변화할 수 있다는 것을 유의해야 한다. 그런 다음 최적의 밸브 위치 설정은, 각 역전 사이클 동안 단계화 모드 밸브가 최적의 위치로 이동된다는 것을 보장하기 위해 동기화 시스템에 프로그래밍된다.
화염의 연소 특성을 광범위하게 조정할 수 있는 능력으로 인해 동기화 부스팅에 이상적인 이중-단계화된 버너가 존재하지만, 단일 산소 단계화 모드 밸브를 갖는 산소-연료 버너(예를 들어, US 7,390,189)도 본 발명의 시스템에 맞춰 용이하게 적응될 수 있다는 것을 유의해야 한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 동기화 부스팅 시스템(100)은, 노 분산 제어 시스템(distributed control system; DCS)(42)으로부터 역전이 발생하는 때를 나타내는 신호를 수신하는 프로그램가능 로직 제어기(programmable logic controller; PLC)(40)와 같은 제어기를 사용한다. 그러면, PLC는 각각의 부스트 버너(20A, 20B)에 설치된 단계화 모드 밸브(30)에 대응하는 공압 작동기를 구동하는 솔레노이드(44A, 44B)에 각기 신호를 전송한다. 도 7은 동기화 부스팅 시스템(100)의 구성요소의 전형적인 레이아웃을 도시한다.
대안적인 실시예에서, 일부 축열식 유리 노는 단부-포트 공기-연료 버너 구성을 사용한다. 단부-포트 노(110)는 도 15에 도시되며, 여기에서 공기-연료 버너 포트(130B)의 제1 세트를 갖는 제1 축열기(112B)는 공기-연료 화염(132)을 발화하고 있고, 한편 공기-연료 버너 포트(130A)의 제2 세트를 갖는 제2 축열기(112A)는 배출하고 있으며, 여기에서 축열기(112B 및 112A) 둘 모두가 노(110)의 장입 단부(114)에 위치된다. 버너 포트(130A, 130B)의 각 세트는 하나 이상의 공기-연료 버너를 포함할 수 있다. 고온 연소 생성물(134)은 재순환하기 전에 노(110)의 배출 단부(116)를 향해 용융물 위에서 순환하고 연료 가스(136)로서 노(110)를 빠져나간다. 고체 장입물은 장입 포트(140)를 통해 노(110)에 추가되고, 용융 유리는 흐름 화살표(G)로 도시된 바와 같이 노를 빠져나간다. 규칙적인 사이클로, 제2 축열기(112A)가 발화하는 동안 제1 축열기(112B)가 배출하도록 축열기가 역전된다. 제1 측벽(118B) 및 제1 측벽(118B) 반대편의 제2 측벽(118A)은 장입 단부(114)를 배출 단부(116)에 연결한다.
도 16은 노(110)에 대한 동기화 산소-연료 부스트 버너(120A, 120B)의 추가를 도시한다. 제1 산소-연료 부스트 버너(120B)는 제1 측벽(118B)에 위치되고, 제2 산소-연료 부스트 버너(120A)는 제2 측벽(118A)에 위치된다. 부스트 버너(120A, 120B)는 대향 측벽(118A, 118B)에 있지만, 이들이 반드시 직접적으로 서로 대향되어 위치될 필요는 없다. 측면-포트 축열로(10)에서와 같이, 산소-연료 부스트 버너(120A, 120B)의 작동은 공기-연료 축열기(112A, 112B)의 역전 사이클에 동기화되어 성능이 최적화된다.
사이드-포트 축열로의 예
동기화 부스팅 시스템은, 측면-포트 구성을 갖는 1일 당 650톤(ton per day; "tpd") 플로트 유리 노에서 개발되고 설치되었다. 시스템은 동기화된 단계화 없이 작동하는 단일-단계화된 버너를 대체했다. 또한, 동기화가 없는 이중-단계화된 버너를 사용하는 중간 작동 단계(phase)가 또한 수행되었다. 이러한 3개의 작동 단계 사이의 성능을 비교한 결과는 수 개월의 작동을 통해 검증되었다. 국부적인 유리 및 내화물 크라운 온도, 유리 결함 및 노 용융 효율에 대한 결과가 본 명세서에 표시된다.
시험 동안의 주요 노 독립 파라미터는, 유리 당김(pull)(생산) 속도, 2개의 부스트 버너 각각의 연소율 및 유리 제조 원료와 혼합되는 유리 파유리(재생 유리)의 퍼센트를 포함하였다. 당김 속도(pull rate)는 공칭 650 tpd 설정점의 +/- 2% 이내로 유지되었으며, 부스트 버너 연소율(firing rate)은 8.25 MMBtu/hr/버너로 일정하게 유지되었다. 파유리는 표 1에 표시된 바와 같이 단계 사이에서 약간 변화하였다.
표 1
각 테스트 단계에 대한 평균 파유리 퍼센트
Figure pct00001
화염 속성 및 이에 따른 사전 설정된 단계화 모드 밸브 위치의 수동 최적화는 동기화 부스팅 시스템을 시작하기 전에 수행되었다. 각 버너 및 역전 연소 사이클에 대한 최적의 단계화 모드 및 1차 산소 밸브 설정을 결정하기 위해 1-마이크론 휴대용 고온계를 사용하는 광학 온도 측정 및 시각적 관찰이 사용되었다.
아래의 표 2는, 테스트 기간 동안 동기화 부스팅 시스템을 이용하는 이중-단계화된 버너에 대해 결정된 최적의 밸브 설정을 보여준다. 이러한 최적의 밸브 설정은 테스트 기간 동안의 국부적인 조건을 기반으로 이러한 특정 케이스에 대해 선택되었다. 최적의 밸브 설정은, 비제한적으로, 부스트 버너 주변의 국부적인 난류, 설비마다 다른 노 형상으로 인한 변경된 가스 흐름 패턴, 산소-연료 버너의 연소율, 공기-연소 버너의 연료 분포 및 축열기의 유량 용량을 포함하는, 다양한 요인으로 인해 동일한 설비에서 시간에 걸쳐 또는 상이한 설비들에 대해 변경될 수 있다. 일반적으로, 공기-연소 버너와 반대로 발화하는 산소-연료 부스트 버너의 최적 조건은, 1차 산소 흐름을 늘리는 것 및 더 높은 모멘텀의 화염을 제공하는 분할 모드로 단계화 모드를 변경하는 것을 포함할 것이다. 공기-연소 버너와 동일한 측면에서 발화하는 산소-연료 부스트 버너에 대한 일반화된 최적 조건은, 1차 산소를 감소시키는 것(단계화 산소를 증가시키는 것) 및 아래의 배치(batch) 재료로의 최대 열 전달을 위한 용융 모드로 단계화 모드를 설정하는 것을 포함한다. 최적 상태를 결정하는 정확한 밸브 설정은, 비제한적으로, 노 열전대 및/또는 광학 온도 측정을 포함하는 화염 및/또는 온도 표시기에 대한 관찰을 기반으로 필드에서 결정되어야 한다. 전형적으로 최적 조건을 포괄할 수 있는 1차 산소 및 단계화 산소 흐름의 범위는 다음을 포함한다: 공기-연소 버너에 반대로 발화하는 산소-연료 부스트 버너에 대해 60% 내지 90%의 1차 산소 흐름 및 나머지(40% 내지 10%)의 단계화된 산소 흐름; 및 공기-연소 버너와 동일한 방향으로 발화하는 산소-연료 부스트 버너에 대해 5% 내지 40%의 1차 산소 흐름 및 나머지(95% 내지 60%)의 단계화된 산소의 흐름.
표 3 및 표 4는, 각기 비-동기화 이중-단계화된 버너 및 비-동기화 단일-단계화된 버너에 대한 유사한 정보를 각각 보여준다.
표 2 -- 이중-단계화된 동기화 부스트 버너에 대한 최적화된 단계화 설정
Figure pct00002
표 3 -- 이중-단계화된 비동기화 부스트 버너의 단계화 설정
Figure pct00003
표 4 -- 단일-단계화된 비-동기화 부스트 버너의 단계화 설정
Figure pct00004
결과들.
유리 바닥 온도에 대한 영향. 바닥 온도를 증가시키는 것은 유리 용융물 내의 자연 순환 흐름(circulation current)을 강화하며, 이는 유리 체류 시간을 증가시켜서 유리 제품 내의 가스 함유물(시드 또는 기포)의 수를 감소시킨다. 유리 바닥 온도는, 도 8에 도시된 바와 같이 부스트 버너의 의 탱크 아래 약 12피트에 위치된 가장 가까운 (도 9의 그래프에서 "R"로 표시된 우측의) 열전대(46A) 및 ("L"로 표시된 좌측의) 열전대(46B)를 이용하여 노의 좌측 및 우측에서 기록되었다.
도 9는, 동기화를 이용하는("Sync") 및 동기화가 없는("HRx") 이중-단계화된 버너에 대한 평균 바닥 온도의 정규화된 온도 차이(ΔT)를 도시한다. 여기에 도시된 결과는, 시험의 시작 전에 설치된 동기화가 없는 단일-단계화된 버너로부터의 측정치들로 정규화된다. 이중-단계화된 동기화 부스트 케이스에 대한 평균 바닥 온도는 단일-단계화된 버너에 비해 6°F만큼 증가하였다. 또한, 좌측 및 우측 열전대에 대한 변화는 거의 동일하며, 이는 화염이 축열기 사이클의 발화 및 배출 절반(half) 모두에 대해 안정적이고 균형이 잘 잡혔다는 것을 의미한다. 대조적으로, 동기화 부스팅이 없는 이중-단계화된 버너의 평균 바닥 온도는 혼합된 결과를 나타냈다. 특히, 좌측 하단 열전대는 단일-단계화된 버너보다 약간 높았고, 우측 하단 열전대는 약간 낮았다. 좌측 대 우측 불균형은, 버너 동기화의 부재로 인하여 축열기 사이클의 양쪽 절반에 대한 최적 화염의 결여로 인한 화염 불안정성 때문일 수 있다.
또한, 유리 바닥 온도에 대한 버너의 "평균" 상대 성능은, 축열기 사이클의 배출 단계에서 촬영된 도 10a, 도 10b, 및 도 10c에 도시된 화염 사진을 참조하여 정성적으로 이해될 수 있다. 도 10a의 단일-단계화된 비-동기화 버너로부터의 화염은 난류의 영향을 받아 확산하는 것으로 나타난다. 도 10b의 이중-단계화된 비-동기화 버너로부터의 화염은 더 직선적이고 일관성 있게 나타나지만, 노에서 발화의 역전 동안 화염 속성을 일관되게 유지하기 위해 단계화가 제한된다. 도 10c의 이중-단계화된 동기화 버너로부터의 화염은 더 길고 더 밝으며, 단계화가 최대화될 수 있고, 이는 배치로의 더 양호한 열 전달을 가능하게 한다. 요약하면, 이러한 사진들은 2개의 비-동기화 케이스(도 10a 및 도 10b)에 비해 이중-단계화된 동기화 부스트 버너(도 10c)를 이용하여 달성되는 더 길고 더 밝은 화염을 강조한다. 도 10c의 더 길고 더 밝은 화염은 명백하게 더 많은 표면적 및 더 높은 방사율을 가지며, 이는 더 높은 화염-대-유리 열 전달율과 그에 따른 더 높은 바닥 온도로 이어질 것이다.
노 크라운 온도에 대한 영향. 상대적으로 낮은 크라운 온도로 작동하는 것이 이러한 내화물 수명으로서 바람직하며, 이는 내화물-기반 유리 결함(스톤)을 감소시킨다. 노(10)의 부스트 버너(20A 및 20B)에 가장 가까운 크라운 열전대(48)는, 도 11에 예시된 바와 같이, 부스트 버너(20A 및 20B) 사이의 중앙에, 그리고 버너의 탱크 아래 약 4 피트 이내인 장입 단부 벽으로부터 약 12 피트에 위치된다.
도 12는, 동기화를 이용하는 그리고 동기화가 없는 이중-단계화된 버너의 국부적인 크라운 열전대 대 단일-단계화된 버너 결과의 평균 온도 차이를 도시한다. 동기화 부스팅이 없는 이중-단계화된 버너("HRx")는, 기존에 설치된 단일-단계화된 버너에 비해 평균 약 7°F의 온도 감소를 보여준다. 이는 주로, 이중-단계화된 버너가 단일-단계화된 버너보다 더 높은 화염 모멘텀을 가지며 더 높은 정도의 화염-아래(under-flame) 단계화를 달성할 수 있다는 사실에 기인한다. 미국 특허 제10,584,051호에 설명된 바와 같이, 화염-아래 단계화의 정도가 더 높을 수록 화염 위에 더 조밀한 그을음 입자의 층이 생성되며, 이는 방사 화염 에너지가 크라운으로 위쪽으로 전달되는 것을 방해한다. 또한, 이중-단계화된 버너의 더 높은 모멘텀은 크라운을 향한 화염 상승을 어느 정도 방지하고, 또한 크라운 온도를 낮추는 경향이 있다. 동기화 부스팅을 이용하는 이중-단계화된 버너("Sync")는 평균 크라운 온도의 약 12°F의 훨씬 더 큰 감소를 보였다. 이러한 결과는, 이중-단계화된 버너 화염 속성이 화염 광도와 모멘텀을 최대화하여 유리 용융물로 더 높은 비율의 열 전달을 보내도록 완전히 최적화되는 동기화 부스트 시스템의 효율성을 강조한다.
유리 결함에 대한 영향. 기포 및 스톤에 대한 유리 결함 데이터는 생산된 유리의 톤 당 평균 결함 수를 기준으로 계산되었다. 동기화를 이용하는 그리고 동기화가 없는 이중-단계화된 버너의 결함 데이터는 단일-단계화된 버너 데이터에 대해 다시 정규화되었으며, 도 13에 도시된다. 이중-단계화된 동기화 부스트 시스템 결과는 기포와 스톤이 각각 8% 및 21% 감소한 것으로 나타났다. 이러한 유리한 결과는 논리적으로, 또한 동기화 시스템을 사용하여 달성된 유리 바닥 온도의 증가 및 크라운 온도의 감소로부터 발생한다. 즉, 이전에 설명된 바와 같이, 바닥 온도가 높을수록 유리 용융물 내부의 자연 순환이 강화되어 기포가 감소되며, 한편 크라운 온도가 낮을수록 유리로 흘러내리는 내화물이 감소하여 "스톤"을 감소시킨다. 동기화 부스팅이 없는 이중-단계화된 버너는 결함 기포의 약간의 증가를 보여주었으며, 이는 도 9에 도시된 바와 같이 약간 더 낮은 평균 바닥 온도(좌측 및 우측 열전대의 평균)를 감안할 때 예상치 못한 일은 아니다. 게다가, 동기화 부스팅이 없는 이중-단계화된 버너는 스톤이 12% 감소한 것을 나타났는데, 이는 아마도 더 낮은 크라운 온도 때문일 것이다.
특정 에너지 소비. 노의 특정 에너지 소비는, 테스트 프로그램 동안 변수들 모두가 제어되지는 않는 여러 테스트 변수를 포함하는 간접 계산이므로 평가하기 가장 어려운 파라미터였다. 구체적으로, 에너지 소비는, 공기-연료 버너의 총 천연가스 소비율에 천연가스 발열량을 곱하고 평가를 통해 생산된 유리의 총 톤 수로 나누어 평가되었다. 그런 다음, 에너지 소비 결과는 3 가지 테스트 기간 각각에서 사용된 파유리의 평균 퍼센트의 변화에 대해 보정되었다. 도 14에 표시된 결과는, 이중-단계화된 버너들 둘 모두의 보정된 에너지 소비가 단일-단계화된 버너보다 약 2.5% 낮음을 나타낸다. 에너지 소비 결과가, 시험의 시작 직전에 가동되었던 노 제어 시스템의 영향을 받았을 수 있다는 점은 주목할 가치가 있다. 이러한 제어 시스템은, 연료 흐름 속도를 직접적으로(straightforwardly) 조절하기 위해 주요 노 온도에 의존하는 기존 유형이 아니다. 오히려, 이러한 제어 시스템은 연속 학습/데이터 정리로부터 도출된 복잡한 비-선형 알고리즘을 기반으로 공기 -연료 연소율을 조정했다. 따라서, 하드웨어(산소-연료 버너) 및 작동 변경(버너 동기화)이 시험 단계 사이에 이루어졌다는 사실이 학습 패턴에 영향을 미치고 제어 반응에 영향을 미쳤을 수 있다. 그럼에도 불구하고, 동기화를 이용하는 그리고 동기화가 없는 이중-단계화된 버너는 기준선 단일-단계화된 버너에 비해 에너지 소비를 감소시킨 것이 명백하다.
요약하면, 동기화 부스팅 시스템은, 공기-연소 축열식 측면 포트 노 내부의 산소-부스팅 고유의 높은 난류 및 변화하는 기류를 극복하도록 설계되었다. 산소-연료 부스트 버너 성능은, 각각의 축열기 역전 사이클을 가지고 각각의 버너에 대해 맞춤형 화염 속성(모멘텀, 광도)이 자동으로 설정되는 것을 가능하게 함으로써 개선된다. 본 명세서에서 설명된 테스트 결과는, 동기화 부스팅 시스템이 더 유리한 노 크라운 및 바닥 온도를 생성할 수 있을 뿐만 아니라 에너지 소비를 2-3% 감소시키면서 유리 품질을 크게 개선할 수 있음을 보여주었다.
본 발명은, 본 발명의 몇몇 측면의 예시로서 의도된 예들에 개시된 실시예들 또는 특정 측면들에 의해 범위가 제한되지 않으며, 기능적으로 등가인 임의의 실시예는 본 발명의 범위 내에 속한다. 본 명세서에 도시되고 설명된 것 외에 본 발명의 다양한 변형예들이 당업자에게 명백할 것이며, 첨부된 청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 의도된다.

Claims (15)

  1. 축열식 공기-연료 버너의 제1 세트 및 축열식 공기-연료 버너의 제2 세트, 및 노(furnace) 제어 시스템을 갖는 축열식 유리 용해로(regenerative glass melting furnace)의 동기화 산소-연료 부스팅을 위한 시스템으로서, 상기 노 제어 시스템은, 공기-연료 버너의 상기 제1 세트가 발화(fire)할 때 공기-연료 버너의 상기 제2 세트가 축열하고, 공기-연료 버너의 상기 제1 세트가 축열할 때 공기-연료 버너의 상기 제2 세트가 발화하도록 공기-연료 버너의 상기 제1 세트 및 공기-연료 버너의 상기 제2 세트의 교번적인 발화를 제어하도록 프로그래밍되며, 상기 시스템은,
    상기 노의 제1 벽에 장착되고, 1차 산소와 단계화된(staged) 산소 사이에 산소의 흐름을 분배하기 위한 1차 산소 밸브 및 상부 단계화 포트와 하부 단계화 포트 사이에 단계화된 산소의 흐름을 분배하기 위한 단계화 모드 밸브를 갖는, 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너;
    상기 노의 제2 벽에 장착되며, 1차 산소의 흐름과 단계화된 산소의 흐름 사이에 산소의 흐름을 분배하기 위한 1차 산소 밸브 및 상기 상부 단계화 포트로의 상부 단계화된 산소의 흐름과 상기 하부 단계화 포트로의 하부 단계화된 산소의 흐름 사이에 상기 단계화된 산소의 흐름을 분배하기 위한 단계화 모드 밸브를 갖는 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너로서, 상기 제2 벽은 제1 벽과 대향되는, 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너; 및
    제어기를 포함하며, 상기 제어기는,
    공기-연료 버너의 상기 제1 세트 및 상기 제2 세트 중 어느 것이 발화하고 있고 공기-연료 버너의 상기 제1 세트 및 상기 제2 세트 중 어느 것이 축열하고 있는지를 나타내는 신호를 상기 노 제어 시스템으로부터 수신하고; 및
    상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너 및 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너의 화염 특성을 조정하기 위해, 상기 노 제어 시스템으로부터의 상기 신호에 응답하여, 상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너의 상기 1차 산소 밸브 및 상기 단계화 모드 밸브를 작동시키고 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너의 상기 1차 산소 밸브 및 상기 단계화 모드 밸브를 작동시키기 위한 신호를 전송하도록 프로그래밍되는, 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너 및 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너 각각은, 연료의 흐름 및 상기 1차 산소의 흐름을 수용하도록 구성되고 배열된 중앙 예비연소기, 상기 상부 단계화된 산소의 흐름을 수용하도록 구성되고 배열된 상부 단계화 포트, 및 상기 하부 단계화된 산소의 흐름을 수용하도록 구성되고 배열된 하부 단계화 포트를 포함하며, 상기 제1 및 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너 각각에 공급되는 산소의 흐름은 상기 1차 산소의 흐름과 상기 단계화된 산소의 흐름의 합이고, 상기 단계화된 산소의 흐름은 상기 상부 단계화된 산소의 흐름과 상기 하부 단계화된 산소의 흐름의 합인, 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너 각각의 상기 1차 산소 밸브는, 상기 산소의 흐름의 대부분이 상기 1차 산소의 흐름에 분배되는 1차 화염 위치와 상기 산소의 흐름의 대부분이 상기 단계화된 산소의 흐름에 분배되는 단계화된 화염 위치 사이에서 작동되도록 구성되고 배열되며; 및
    상기 제1 및 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너 각각의 단계화 모드 밸브는: 상기 단계화된 산소 흐름의 대부분이 상기 상부 단계화된 산소의 흐름으로 분배되는 폼(foam) 모드 위치, 상기 단계화된 산소의 흐름이 상기 상부 단계화된 산소의 흐름과 상기 하부 단계화된 산소의 흐름 사이에 분배되는 분할 모드 위치, 및 상기 단계화된 산소 흐름의 대부분이 상기 하부 단계화된 산소의 흐름으로 분배되는 용융 모드 위치로부터 선택된 적어도 2개의 위치들 사이에서 작동되도록 구성되고 배열되는, 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    축열식 공기-연료 버너의 상기 제1 세트가 상기 제1 벽에 위치되고 축열식 공기-연료 버너의 상기 제2 세트가 상기 제2 벽에 위치되며, 상기 노는 상기 제1 벽과 상기 제2 벽 사이를 상호연결하고 상기 제1 벽 및 상기 제2 벽에 대해 수직인 장입 벽(charge wall)을 더 포함하는, 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너는 공기-연료 버너의 상기 제1 세트와 상기 장입 벽 사이에 위치되고, 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너는 공기-연료 버너의 상기 제2 세트와 상기 장입 벽 사이에 위치되는, 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    축열식 공기-연료 버너의 상기 제1 세트 및 축열식 공기-연료 버너의 상기 제2 세트는 모두, 상기 제1 벽과 상기 제2 벽 사이를 상호연결하고 상기 제1 벽과 상기 제2 벽에 대해 수직인 벽에 위치되는, 시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제어기가 공기-연료 버너의 상기 제1 세트가 발화하고 있고 버너의 상기 제2 세트가 축열하고 있다는 신호를 수신할 때, 상기 제어기는, 상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너의 상기 1차 산소 밸브를 단계화된 위치로 그리고 상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너의 상기 단계화 모드 밸브를 상기 용융 모드 위치로 작동시키고, 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너의 상기 1차 산소 밸브를 상기 1차 화염 위치로 그리고 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너의 상기 단계화 모드 밸브를 상기 분할 모드 위치로 작동시키기 위한 신호를 전송하며; 및
    상기 제어기가 공기-연료 버너의 상기 제2 세트가 발화하고 있고 버너의 상기 제1 세트가 축열하고 있다는 신호를 수신할 때, 상기 제어기는, 상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너의 상기 1차 산소 밸브를 상기 1차 화염 위치로 그리고 상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너의 상기 단계화 모드 밸브를 상기 분할 모드 위치로 작동시키고, 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너의 상기 1차 산소 밸브를 상기 단계화된 위치로 그리고 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너의 상기 단계화 모드 밸브를 상기 용융 모드 위치로 작동시키기 위한 신호를 전송하는, 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 시스템은, 상기 제1 벽 및 상기 장입 벽에 근접한 유리 바닥 온도를 측정하도록 위치된 제1 하단 열전대; 상기 제2 벽 및 장입 벽에 근접한 유리 바닥 온도를 측정하도록 위치된 제2 하단 열전대; 및 상기 장입 벽 근처의 크라운(crown) 온도를 측정하도록 위치된 크라운 열전대를 더 포함하며;
    상기 제어기는, 상기 제1 하단 열전대, 상기 제2 하단 열전대, 및 상기 크라운 열전대 중 적어도 하나로부터 개별 온도를 나타내는 신호를 수신하고; 및 상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너 및 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너의 화염 특성을 조정하기 위해, 상기 제1 하단 열전대, 상기 제2 하단 열전대, 및 상기 크라운 열전대 중 적어도 하나 및 상기 노 제어 시스템으로부터의 신호에 응답하여, 상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너의 상기 1차 산소 밸브 및 상기 단계화 모드 밸브를 작동시키고 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너의 상기 1차 산소 밸브 및 상기 단계화 모드 밸브를 작동시키기 위한 신호를 전송하도록 더 프로그래밍되는, 시스템.
  9. 축열식 유리 용해로를 동기화 산소-연료 부스팅하는 방법으로서, 상기 축열식 유리 용해로는, 축열식 공기-연료 버너의 제1 세트 및 축열식 공기-연료 버너의 제2 세트; 상기 노의 제1 벽에 장착된 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너; 및 상기 노의 제2 벽에 장착된 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너를 가지며, 상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너 및 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너의 각각은, 연료의 흐름 및 1차 산소의 흐름을 수용하도록 구성되고 배열된 중앙 예비연소기, 상부 단계화된 산소의 흐름을 수용하도록 구성되고 배열된 상부 단계화 포트, 및 하부 단계화된 산소의 흐름을 수용하도록 구성되고 배열된 하부 단계화 포트를 포함하고, 상기 방법은,
    공기-연료 버너의 상기 제1 세트가 발화할 때 공기-연료 버너의 상기 제2 세트가 축열하고, 공기-연료 버너의 상기 제1 세트가 축열할 때 공기-연료 버너의 상기 제2 세트가 발화하도록 공기-연료 버너의 상기 제1 세트 및 공기-연료 버너의 상기 제2 세트를 교번적으로 발화시키는 단계;
    공기 연료-버너의 상기 제1 세트 및 상기 제2 세트 중 어느 것이 발화하고 있고 공기 연료-버너의 상기 제1 세트 및 상기 제2 세트 중 어느 것이 축열하고 있는지를 검출하는 단계; 및
    상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너 및 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너의 화염 특성을 조정하기 위해, 공기 연료-버너의 상기 제1 세트 및 상기 제2 세트 중 어느 것이 발화하고 있고 공기 연료-버너의 상기 제1 세트 및 상기 제2 세트 중 어느 것이 축열하고 있는지에 기초하여, 상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너 및 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너의 각각에 대해 예비연소기로의 상기 1차 산소의 흐름, 상기 상부 단계화된 산소의 흐름, 및 상기 하부 단계화된 산소의 흐름을 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너에 공급되는 상기 산소의 흐름은 상기 1차 산소의 흐름과 상기 단계화된 산소의 흐름의 합이고, 상기 단계화된 산소의 흐름은 상기 상부 단계화된 산소의 흐름과 상기 하부 단계화된 산소의 흐름의 합인, 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    축열식 공기-연료 버너의 상기 제1 세트가 상기 제1 벽에 위치되고 축열식 공기-연료 버너의 상기 제2 세트가 상기 제2 벽에 위치되며, 상기 노는 상기 제1 벽과 상기 제2 벽 사이를 상호연결하고 상기 제1 벽 및 상기 제2 벽에 대해 수직인 장입 벽을 더 포함하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너는 공기-연료 버너의 상기 제1 세트와 상기 장입 벽 사이에 위치되고, 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너는 공기-연료 버너의 상기 제2 세트와 상기 장입 벽 사이에 위치되는, 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    축열식 공기-연료 버너의 상기 제1 세트 및 축열식 공기-연료 버너의 상기 제2 세트는 모두, 상기 제1 벽과 상기 제2 벽 사이를 상호연결하고 상기 제1 벽과 상기 제2 벽에 대해 수직인 벽에 위치되는, 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 노의 상기 제1 벽은 상기 장입 벽의 우측에 위치되고, 상기 노의 상기 제2 벽은 상기 장입 벽의 좌측에 위치되며, 상기 방법은,
    공기-연료 버너의 상기 제1 세트가 발화하고 있고 버너의 상기 제2 세트가 축열하고 있을 때, 상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너의 1차 산소 밸브를 단계화된 위치로 그리고 상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너의 단계화 모드 밸브를 용융 모드 위치로 작동시키고, 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너의 1차 산소 밸브를 1차 화염 위치로 그리고 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너의 단계화 모드 밸브를 분할 모드 위치로 작동시키는 단계; 및
    공기-연료 버너의 상기 제2 세트가 발화하고 있고 버너의 상기 제1 세트가 축열하고 있을 때, 상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너의 상기 1차 산소 밸브를 상기 1차 화염 위치로 그리고 상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너의 상기 단계화 모드 밸브를 상기 분할 모드 위치로 작동시키고, 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너의 상기 1차 산소 밸브를 상기 단계화된 위치로 그리고 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너의 상기 단계화 모드 밸브를 상기 용융 모드 위치로 작동시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 방법은, 상기 제1 벽 및 상기 장입 벽에 근접한 제1 유리 바닥 온도, 상기 제2 벽 및 상기 장입 벽에 근접한 제2 유리 바닥 온도, 및 상기 장입 벽 근처의 크라운 온도 중 적어도 하나를 측정하는 단계; 및
    상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너 및 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너의 화염 특성을 조정하기 위해, 공기 연료-버너의 상기 제1 세트 및 상기 제2 세트 중 어느 것이 발화하고 있고 공기 연료-버너의 상기 제1 세트 및 상기 제2 세트 중 어느 것이 축열하고 있는지, 상기 측정된 제1 유리 바닥 온도, 상기 측정된 제2 유리 바닥 온도, 및 상기 측정된 크라운 온도에 기초하여, 상기 제1 이중-단계화된 산소-연료 버너 및 상기 제2 이중-단계화된 산소-연료 버너의 각각에 대해 상기 예비연소기로의 상기 1차 산소의 흐름, 상기 상부 단계화된 산소의 흐름, 및 상기 하부 단계화된 산소의 흐름을 제어하는 단계를 더 포함하는, 방법.
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