KR920003939B1 - 미분말 뱃치(batch) 물질 액화방법 및 장치 - Google Patents

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Description

미분말 뱃치(batch) 물질 액화방법 및 장치

제 1 도는 본 발명에 따른 2단계 뱃치 액화장치의 바람직한 예의 부분 절제 측면도.

제 2 도는 제 1 도의 선2-2에 따른 단면도.

제 3 도는 제 1 도에 도시된 장치의 제1단계와 제2단계사이 전이부의 확대단면도.

제 4 도는 명료한 도시를 위해 일부부분이 제거되어 도시된, 제 3 도 장치의 평면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 회전로 12 : 액화용기

21 : 내화 타이닝 22 : 절연층

26 : 금속판 27 : 중앙관

35 : 드럼 36 : 원형 프레임

37, 38 : 로울러 40 : 내화물질

41 : 부싱 43 : 뚜껑

46 : 버어너 50 : 공급 경사로

55 : 용기 62 : 댐퍼

64 : 보조 버어너 80 : 보조 공급기

본 발명은 용융 공정에서 일단계로서 미분말 원료를 액화된 상태로 변환시키는 것에 관한 것으로, 본 발명은 특히 평유리, 콘테이너용 유리, 유리섬유 및 나트륨 실리케이트 유리를 포함하는 용융 유리에 적용가능하다. 그러나, 본 발명은 유동적이면서도 고체 상태의 공급물질을 용융된 유체로 열에 의해 변환시키는 것을 포함하는 다른 공정들에도 적용가능하다. 그들 다른 공정들은 야금학적 용해타입의 조작과, 단일 또는 다성분의 세라믹, 금속 또는 다른 물질들의 용해 조작을 포함할 수 있다.

연소 가열식 유리용융로 또는 다른 용융로로부터의 배기가스가 공정의 전체 효율을 증진시키기 위해 회수될수 있는 다량의 열에너지를 가진다는 것이 오랫동안 인식되어 왔다. 통상적으로, 용융로로부터 열을 회수하기 위해 재생기(regenerator) 및 관류식 열교환기(recuperator)가 이용되어 왔으나, 그들의 효율은 요구되는 것보다 낮다. 더우기, 재생기 및 관류식 열교환기는 크고 값이 비싸며 성능이 저하되기 쉽다. 재생기 또는 관류식 열교환기에 의해 연소공기를 예열하는 대신, 공급물질에 의해 폐열을 회수하는 것이 제안되었다. 그 제안은 미립 공급물질이 배기가스 흐름내에 함유되는 경향 때문에 바람직하지 못하였다. 이 문제를 해결하기 위해, 미세한 공급물질을 덩어리지게(예를들어 펠릿(pellet)화)하고 그 덩어리진 공급물질을 배기가스 흐름과 접촉시키는 것이 제안되었다. 그러나, 공급물질을 덩어리지게 하는 비용이 열회수의 경제상의 이점들을 크게 감소시킬 수 있고, 몇몇 경우, 배기가스 흐름내의 미립자의 함유 현상이 덩어리진 뱃치 물질의 사용에 의해서도 완전히 방지되지 않는다. 따라서, 본 발명은 전술한 결점들을 제거하면서 뱃치 물질을 예열함에 의해 폐열을 회수하는 것에 관한 것이다.

뱃치 물질을 통상의 용융로에 공급할때, 건조한 미분말 뱃치 물질의 먼지발생이 또한 문제가 된다. 뱃치 물질에 수분을 부여함에 의해 그러한 문제를 해결하는 것이 일반적인 수단이지만, 뱃치를 충분한 정도까지 예열하는 것 때문에 뱃치를 습윤된 상태로 유지하는 것이 불가능하게 된다.

용융로로부터의 폐열이 간혹, 뱃치 물질에서 유용한 반응을 일으킬 수 있는 온도를 가질때만 유용할 지라도, 뱃치 물질의 예열이 낮은 온도로 제한되는데, 이는 높은 온도에서는 약간의 뱃치 물질의 초기 용융물이 예열장치의 막힘(clogging)을 야기할 수 있기 때문이다. 예를들어, 유리용융 조작에서 전형적으로 이용되는 카보네이트 뱃치 물질을 그 물질의 하소온도까지 예열함에 의해 그 뱃치 물질을 산화물로 변환시키는 것이 바람직하지만, 이제까지는, 예열에 뱃치의 나트륨 카보네이트 성분의 비교적 낮은 용융온도로 제한되어, 칼슘 카보네이트 및 마그네슘 카보네이트 성분들의 하소가 불가능하게 되었다. 본 발명의 다른 점이 그러한 문제를 해결하는 것에 관한 것이다.

"컨클" 및 "마레사"의 미국특허 제4,381,934호에, 다량의 뱃치를 비교적 작은 공간에서 효율적으로 액화하는 뱃치 액화공정이 기술되어 있다. 이런 타입의 공정은, 특히 강력한 열원을 사용할때 비교적 소량의 배기가스를 발생시키지만, 그러한 공정의 효율을 더 증진시키기 위해 배기가스로부터 열을 회수하는 것이 요구된다. 특히, 그 회수된 열을 뱃치 공급물의 흐름내로 직접 공급하는 것이 바람직하다.

미분말 물질을 용융하는데 있어서, 가스가 그 용융된 생성물내에 함유될 수 있고 가스 함유는 특히 투명한 유리의 경우 바람직하지 않은 것으로 간주될 수 있다. 용융된 물질로부터의 특정 가스의 제거는 다른것보다 더 어려울 수 있다.(예를들어, 용융된 유리의 경우에서 질소) 가스가 용융물내에 함유되지 않도록 하기 위해 뱃치 예비처리의 일부과정으로서 뱃치로부터 가스를 제거하는 것이 매우 바람직하다.

미국특허 제3,508,742호 및 제3,607,190호는 유리 뱃치 물질의 직접 예열 기술을 나타내고 있다. 그들 특허에서는 온도를 하소가 일어나는 온도보다 낮게 유지한다. 미국특허 제3,082,102호는 유리 뱃치의 팰릿을 예비처리하는 것을 기술하고 있고, 그 특허에서 온도는 물질의 소결이 일어나는 온도보다 낮게 유지되어야 한다.

본 발명에서, 연소가열식 용융 공정으로부터의 폐열은 그 용융 공정에 공급되는 산만한 뱃치 물질들과 직접 접촉하도록 배기가스 흐름을 통과시킴에 의해 회수된다. 본 발명의 한가지 점에 있어서, 카보네이트 함유 뱃치 물질이, 용융장치에 별도의 흐름으로 공급되는 용융온도가 비교적 낮은 뱃치 성분들 없이 카보네이트를 산화물로 분해시키기 위해 하소 온도로 예열된다. 소다석회 유리 용융조작에서, 석회석 및/또는 백운석을 포함하는 물질이 하소온도의 예열을 받는 반면, 소다회 및/또는 가성소다와 같이 나트륨원(sodium source)은 하소온도의 예열을 받지 않는다. 하소온도로 예열되는 뱃치의 성분내에 모래가 또한 포함될 수 있다. 바람직한 예에서, 뱃치 성분들의 혼합은, 별도의 공급 흐름들을 적극적으로 혼합하는 용융용기에 의해 달성된다.

본 발명의 또 다른 점은, 미립 뱃치 물질과 배기가스 흐름사이의 직접 접촉에 의해 열이 회수될 때 배기가스 흐름내에 미립 뱃치 물질이 함유되는 문제를 해결하는 것에 관한 것이다. 배기가스와 뱃치 물질 사이에 충분한 역류 접촉을 제공함에 의해, 배기가스의 온도가 연소 생성물내 수분의 결로점까지 낮아져, 열 회수용기의 차거운 단부에 습윤상태를 형성할 수 있다. 이러한 습윤 상태는 배기가스 흐름내에의 상당 부분의 미립자들의 함유를 야기하는 것으로 밝혀졌다. 이것은 용융용기로부터의 미립자들은 물론 예열중의 뱃치로부터의 미립자들을 포함한다. 배기가스 흐름의 용적을 감소시키기 위해 용융용기를 가열하는 연소 수단에 공기 대신 전체적으로 또는 부분적으로 산소를 사용하는 것이 바람직하다. 낮은 배기가스 용적은 배기가스 단위 용적당 수증기의 농도를 증대시키고, 배기가스 흐름의 낮은 속도에 기인하여 뱃치의 함유가 낮게 되며, 높은 수증기 농도에서의 높은 결로점에 기인하여 뱃치의 습윤이 보다 효과적으로 달성된다.

용융용기의 연소수단이 공기보다는 산소로 가열될 때, 배기가스 흐름으로부터의 질소제거가 증대된다. 질소 기포는 용융 유리로부터 제거되는 것이 비교적 어렵기 때문에, 용융용기로부터의 질소기포의 제거가 이롭다. 본 발명의 또 다른 점은 질소가 없는 배기가스 흐름으로부터 얻어지는 부가적인 이점을 제공하여, 질소가 없는 배기가스 흐름과의 직접적인 접촉에 의한 뱃치 물질의 예열에 의해 뱃치 물질로부터 공기를 제거하고 그리하여 용융장치내에 질소가 들어가는 것이 방지된다.

본 발명에 따른 뱃치 물질의 예열은 전술한 미국특허 제4,381,934호에 기술된 용발 증진 뱃치 액화장치와 함께 이용될 때 특히 유익하다. 뱃치의 예열은 뱃치를 액화시키는데 요구되는 열을 감소시켜 이론적으로 용융장치의 생산율을 증대시킨다. 그러나, 이러한 이론적인 이점은 통상의 용융장치에서는 완전히 얻어질 수 없는데, 이는 용융되는 뱃치로부터의 액화된 뱃치의 유출이 전체 생산율을 크게 제한하기 때문이다. 미국특허 제4,381,934호의 뱃치 액화장치는 용융 표면을 경사지게 하고 액화된 물질의 배출을 신속하게 함에 의해 액화된 뱃치의 유출 또는 용발을 증진시키는데 적합하게 되어 있어 그들 장치는 뱃치 예열에 의해 달성될 수 있는 높은 생산율의 잇점을 취하는데 특히 적당하다. 산소 가열연소를 수반하는 본 발명의 예들에서 미국특허 제4,381,934호의 뱃치 액화 장치가 특히 유익하다. 특히, 뱃치의 층이 열원을 둘러싸는 상기 예들은 산소가열 연소에 의해 발생되는 높은 온도를 이용하는데 적당하다. 그러한 장치에서 연소하는 산소는 통상의 유리 용융로와 비고하여 비교적 적은 양이고 높은 온도의 배기가스 흐름을 생성하고, 높은 온도의 배기가스 흐름은 본 발명의 열회수 및 방사량 조절 목적에 특히 적당하다. 배기가스 흐름으로부터 질소의 양을 크게 감소시키는 다른 고온의 열원 역시 본 발명에 적합하다.

미국특허 제4,381,934호의 뱃치 액화장치는 건조한 미분말 뱃치 물질들을 수용할 수 있고, 따라서, 본 발명에 따라, 건조한 예열된 뱃치가 액화 단계에 직접 공급될 수 있다.

본 발명은 또한 뱃치가 초기 액화 온도로 가열될때 제1지역에서는 비교적 느리게 이송되고 다음, 예열된 뱃치가 경사진 표면상에 배치되고 강한 가열에 의해 신속히 액화되는 제2지역으로 이송되고 그리하여 그 액화된 뱃치가 제2지역에서 배출되는 2단계 뱃치 액화 공정을 제공한다. 이 공정은 뱃치 액화조작을 예비 액화단계와 액화단계로 분리하고 각 단계에 그 단계의 효율을 최대화시키는 조건을 제공한다. 제1지역에서는 뱃치가 자유롭게 흐르고 있는 한 뱃치에 열을 전달하는데 시간 제한이 없다. 따라서, 제1지역은 크기가 비교적 클 수 있고 비교적 낮은 등급의 열을 이용할 수 있으며 뱃치 전체를 가열하기 위해 뱃치를 바람직하게 교반한다. 제2단계는 뱃치를 액화된 상태로 신속히 전환시키기 위해 비교적 작은 공간에서 뱃치에 강한 열을 부여하는데 적합하게 되어 있다. 제2단계에서의 뱃치 지지부는 신속한 유출 및 높은 생산율을 달성하도록 급경사져 있어 강력가열 지역의 크기를 최소화시킨다. 한편, 제1지역은 제2지역으로부터의 폐열을 이용하는 것이 바람직하고 따라서 뱃치는 배기가스로부터 뱃치에의 열전달을 최대화시키기 위해 비교적 느린 속도로 제1지역을 통과하여 이송된다. 제1단계에서의 비교적 느린 뱃치 물질의 이송은 뱃치가 자유유동 상태에 있는 한에만 유지될 수 있는데, 이는 뱃치 온도가 뱃치 성분들중 하나의 용융점에 가까워질때 액상의 발생에 의해 뱃치 입자들이 서로 부착하고 뱃치가 덩어리지게 되어 그것이 제1지역의 막힘을 야기하고 제2지역에서의 불균일한 용융을 야기할 수 있기 때문이다. 따라서, 뱃치가 그러한 상태에 도달할 때 그 뱃치는 제2지역의 급경사 지지부로 이송되어 신속히 액화상태로 되게 한다.

바람직한 예에서, 양단계는 회전 용기에서 수행된다. 제2단계는, 뱃치에 대한 원심력이 크고 제2단계 용기내부의 라이닝으로써 뱃치를 유지시키도록 큰 회전 속도를 가지는 것이 특징이다. 한편, 제1단계 용기의 회전 속도는, 뱃치에 대한 원심력이 크지만 단지 뱃치를 굴러다니게할 정도로 낮다. 구체예들중 적어도 몇몇에서의 2단계 공정의 다른 독특한 특징은, 제1단계가 주로 대류에 의해 가열되고 제2단계는 주로 복사에 의해 가열된다는 점이다.

본 발명의 보다 완전한 이해를 위해, 회전식 액화 용기와 함께 회전로 예열기를 포함하는 특정의 바람직한 예를 이하 상세히 설명한다. 본 발명의 개념은 아래 기술되는 특정장치에 한정되는 것이 아니고 다른 예열 수단 및 액화 수단이 이용될 수도 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 본 발명이 유리의 용융에 특히 유용한 것으로 밝혀졌고 하기 설명이 특히 유리를 용융하는 것에 관한 것이지만, 본 발명은 미분말 공급 물질로부터 열에 의해 액화되는 다른 물질들에도 실시될 수 있다.

제 1 도에, 뱃치와 배기가스를 서로 역류하는 방식으로 통과시키고 예열된 뱃치를 액화용기(12)에 공급하는 회전로(10)이 도시되어 있다. 뱃치 물질은 연속 계량장치(13)으로부터 이송관(14)를 통해 회전로(10)의 차거운 도입구에 공급된다. 예비 혼합된 뱃치 물질들의 단일의 흐름이 계량장치(13)에 공급될 수 있고, 또는 각개 성분들이 별도로 개량된 후 회전로의 도입구에 이송될 수도 있는데, 이는 회전로 자체가 뱃치 혼합기로 작용하기 때문이다. 평유리의 제조에 이용되는 뱃치 성분의 일예는 하기와 같다.

모래 1000중량부

소다회 313.5

석회석 84

백운석 242

산화제2철 0.75

간혹, 다른 광물들이 대체물 또는 첨가제로 이용될 수 있다. 일반적으로, 뱃치는 또한, 전체 뱃치 중량의 20-40% 정도의 컬렛(cullet)(부스러기 유리)를 포함한다. 그러나, 여기에 기술되는 방법 및 장치는 100%컬렛을 포함하는 어떤양의 컬렛을 허용할 수 있다. 상기 뱃치 성분은 대략 아래와 같이 유리를 생성한다.

SiO₂73.10중량%

Na₂O 13.75%

CaO 8.85%

NgO 3.85%

Al₂O₃0.10%

Fe₂O₃0.10%

회전로의 차거운 개방단부는 배기상자(15)에 의해 둘러싸여 있고, 그 배기 상자는 회전로에서 나오는 배기가스를 덕트(16)으로 보낸다. 덕트(16)은 휀(fan)(도시안됨)을 구비할 수 있다. 그 휀은 회전로를 통과하여 배기가스를 흡인하고 그 배기가스를 굴뚝(도시안됨)을 통하여 대기중으로 배출한다.

회전로에서 하소가 일어나는 예들에서는, 소다회 및 컬렛과 같은 비교적 낮은 온도의 뱃치 성분들은 회전로에 공급되지 않고 액화용기(12)에 직접 공급된다. 시판되는 석회석 및 백운석은 화학적으로 순수하지도 않고 균질하지도 않으며, 따라서 석회석 및 백운석의 하소는 어떤 온도범위에서 일어나지만 870℃ 이상의 온도가 완전한 하소를 달성하는데 바람직한 것으로 밝혀졌다. 851℃의 용융온도를 갖는 소다회는 뱃치 입자들을 서로 부착시킬 수 있는 소다회의 용융을 방지하기 위해 하소 방식의 작동시에는 회전로에 통과되는 물질들로부터 제외된다. 간혹, 유리제조에 있어서의 나트륨원으로 소다회를 대신하는 가성소다 역시 바람직한 하소 온도보다 낮은 용융온도를 가지기 때문에, 하소시 회전로의 뜨거운 단부에서 액상을 형성하는 것을 방지하기 위해 회전로를 통과하여 공급되는 물질들로부터 제외된다. 하소는 액화용기에서의 열 요구량을 감소시키는 잇점을 가지지만, 하소는 또한, 뱃치 물질이 액화되기 전에 용융물질로부터 화학적으로 함유된 이산화탄소를 제거하여 용융유리내 이상화탄소 기포의 발생을 방지하는데 유익하다. 따라서, 나트륨원 물질이 액화 용기에 별도로 공급될때, 소다회보다는 이산화탄소가 없는 가성소다원을 이용하는 것이 바람직하다. 평유리 컬렛은 대략 650℃에서 연화하기 시작하고 따라서, 그 역시 하소공정을 거치지 않아야 한다. 한편, 뱃치원료의 주성분인 모래는 하소온도에서 회전로를 통하여 석회석 및 백운석과 함께 통과할 수 있다. 예열되는 외에, 모래는 석회석과 백운석을 자유 유동 상태에 유지하는 것을 돕는다는 것이 밝혀졌다. 나트륨원이 없을때 유리 뱃치는 뱃치를 덩어리지게 함이 없이 약 1300℃로 가열될 수 있다.

회전로(10)은, 뱃치 물질을 회전로의 차거운 단부로부터 뜨거운 단부로 중력과 뒹굶에 의해 이송하도록 수평으로부터 약간 경사진 원통의 축을 중심으로 회전가능하게 장착된 원통형 강(鋼) 동체(20)으로 이루어진 통상의 구조의 것이다. 회전로내 물질의 체류시간은 하기 실험식에 따른 기본로 파라메터와 관련될 수 있다.

t=2.28L/NDS

여기서,

t = 체류시간(분)

D = 직경(피이트)

L = 길이(피이트)

N = 회전속도(rpm)

S = 경사도(피이트당 인치)

회전로내 체류시간은 용융조작의 요구되는 생산율과 배기가스로부터 고체 물질들에 전달되는데 요구되는 열의 양에 좌우된다. 이러한 사항들 및 전술한 관계로부터, 본 발명의 회전로가 설계될 수 있다.

열손실을 방지하기 위해, 회전로(10)은 절연되는 것이 바람직하다. 그 절연물은 강 동체(2)의 외부에 부착되는 내화성 양모 블랭킷(wool blanket)일 수 있고, 또는 제 1 도에 도시된 회전로의 부분들에 도시된 바와 같이 동체(20)의 내부상의 세라믹 라이너형태일 수 있다. 뜨거운 단부에 인접한 회전로 부분은, 특히 하소 온도에서 작동할때 로의 뜨거운 지역에서 고온에 견딜 수 있는 내화 라이닝(21)을 구비한 것으로 도시되어 있다. 또 다르게는, 제 1 도의 회전로의 중간 부분에 도시된 바와 같이 외측 강 케이싱(20)과 내측 강 라이닝(23) 사이에 절연층(22)를 제공하는 것이 바람직하다. 열 내구성이 중요한 사항이 아닐 경우, 강 라이닝이 유리제조에 바람직한데, 이는 그러한 라이닝이 내화 라이닝에서 보다 생산물 흐름내에 부식성 오염물을 함유시키는 경향이 적기 때문이다.

회전로에서의 열전달은 회전로의 회전속도와 관련된 뱃치 물질의 교반에 의해 영향을 받고, 회전로의 내부 구조에 의해 증진될 수 있다. 다양한 열전달 증진 배플(baffle) 수단이 회전로 분야의 당업자에게 잘 알려져 있고 본 발명에 유익하게 이용될 수 있다. 여러가지 예들이 제 1 도에 도시되어 있다. 뜨거운 단부에 인접하여 회전로의 내부 주위에 나선 형상으로 다수의 리프터(lifter)(25)가 설치되어 있으며, 그 리프터는 회전로의 내벽으로부터 방사상 내측으로 연장하는 세라믹 돌출부(금속 라이닝을 가진 부분의 경우에는 금속 돌출부)이며, 뱃치물질을 상승시키고 그 물질을 뜨거운 가스를 통과하여 낙하시키도록 작동한다. 접촉지역 연장 장치의 다른 예가 회전로(10)의 중앙부분내에 도시되어 있고, 그 예에서 다수의 금속판(26)이 제 2 도의 단면에서 볼 수 있는 바와 같이 금속 라이너(23)과 중앙관(27) 사이에서 방사상으로 연장하여 있다. 회전로의 차거운 단부에는 다수의 체인(28)이 설치되어 있고, 그 체인은 열교환 지역을 증대시키고 습윤된 콜렉터로 작용하며, 수증기의 응축에 기인하여 그 단부 부분에서 일어날 수 있는 뱃치의 응집을 파괴하도록 작용하다. 배플 장치와 회전속도에 의해 제공되는 교반량은 가스흐름내 함유되는 뱃치의 과도한 양을 감소시키기 위해 그렇게 크지 않아야 한다. 가스흐름내 배기가스 함유를 최소화시키는 다른 요소는 회전로의 직경이며, 그것은 주어진 조작을 위한 예상되는 배기가스 용적 유량에서 부당한 가스속도를 피하는데 충분한 크기이어야 한다.

액화 단계(12)는 미국특허 제4,381,934호에 기술된 타입의 것이다. 바람직한 예에서, 안정된 뱃치 물질의 층이 수직의 회전축을 가지는 가열된 중앙 공동부(cavity) 주위에서 회전된다. 도면에 도시된 액화 장치(12)는 개량된 것이다. 액화용기는 강 드럼(35)를 포함하며, 그 드럼은 제 3 도에 도시된 바와 같이 회전되는 물질의 양을 감소시키도록 계단진 측부를 가질 수 있다. 그러나, 그 드럼은 똑바른 원통형 측부를 가질 수 있고 또는 원추형태를 가질 수도 있다. 드럼(35)는 원형 프레임(36)에 지지되어 있고, 그 프레임(36)은 다수의 지지 로울러(37)과 정렬 로울러(38)상에 드럼의 중앙선과 일치하는 수직축을 중심으로 회전가능하게 장착된다. 저부 하우징(39)는 드럼의 나머지 부분으로부터 분리될 수 있는 배출구 조립체를 내장하고 있다. 그 하우징(39) 내벽에는 주조가능한 내화성 세멘트와 같은 내화물질(40)의 고리가 배치되어 있고, 그 내화물질 고리내에 내부식성 내화물로된 링형 부싱(bushing)(41)에 배치된다. 그 부싱(41)은 다수의 세라믹 절단편들로 구성될 수 있다. 부싱(41)의 중앙 개구부(42)는 액화체임버로부터의 배출구를 이룬다. 상방으로 도움(dome) 형상을 이루는 내화성 뚜껑(43)은 원형 프레임 부재(部材)(44)에 의한 고정 지지부를 가지고 있다. 그 뚜껑은 버어너(46)을 삽입하기 위한 개구부(45)를 가지고 있다. 버어너(46)은 광각 다공 버어너인 것이 바람직하고 산소와, 메탄과 같은 기체상 연료를 연료로 하는 것이 바람직하다. 시스템으로부터 이산화탄소를 제거하기 위해, 버어너(46)은 산소와 수소를 연료로 할 수 있다.

배기가스는 뚜껑의 개구부(47)을 통해 배기 덕트(48)내로 상방으로 이탈한다. 뱃치물질은 개구부(47)을 통해 액화 용기내로 공급될 수 있고, 이 목적을 위해 공급 경사로(50)이 설치되어 있다. 상하 수밀(水密)부분(51)(52)가 액화 체임버의 내부를 외부 주위 조건으로부터 단절하고 용기로부터 배출될 수 있는 먼지 또는 증기를 포획하기 위해 각각 설치될 수 있다.

액화 용기내에서, 안정된 미용융 뱃치물질 층(53)은, 연소가 일어나는 중앙 공동부를 둘러싸도록 드럼(35)의 벽상에 유지된다. 안정된 뱃치물질층(53)은 드럼이 가열됨이 없이 회전할 때 그 드럼(35)내에 뱃치를 공급함에 의해 초기에는 포물면 형태로 형성될 수 있다. 이 초기 뱃치물질은 안정된 층을 형성하는 것을 돕기 위해 물로 습윤될 수 있다. 용융시, 경사로(50)을 통해 뱃치를 연속적으로 공급함에 의해, 드럼 회전시 뱃치가 안정된 뱃치층의 표면위에 분포된다. 버어너(46)으로부터의 열에 의해, 일시적인 뱃치층(54)가 액화되고 저부개구부(42)를 통해 하방으로 안정된 층(53)상에서 흐르게 된다. 다음, 그 액화된 뱃치는 액화 용기 밖으로 배출되고, 요구되는 경우 후속처리를 위해 액화 체임버 아래의 용기(55)내에 수집될 수 있다.

액화 체임버의 적어도 상부부분들내에서, 일시적인 용융 뱃치층이 수직에 대하여 예각으로 지지된다. 미립 뱃치물질은 경사면을 따라 흘러내리는 것에 대한 마찰저항을 가지지만, 그 물질이 열에너지에 의해 액화되자마자 이 저항이 크게 감소되고 액화된 물질이 즉시 하방으로 흐르고 새로 공급된 뱃치 물질이 일시적인 층을 형성한다. 액화 용기의 회전이 경사진 용융 표면을 유지하는 것을 돕는다. 안정된 뱃치 물질층(53)의 표면 형상은 아래식과 같이 회전속도와 건조된 헐거운 뱃치에 의해 이루어지는 형태와의 사이의 이론적 관계로부터 결정될 수 있다.

H = μR + (2^π2Ω2R²)/g

여기서, H=회전축에 평행한 방향으로 뱃치 표면상 일지점의 높이

R=회전축상의 상기 지점의 반사상 거리

μ=마찰 계수

Ω=가속도

g=중력가속도

마찰계수는 안식각(angle of repose)의 탄젠트로 취해질 수 있고, 그 각은 건조한 유리 뱃치에서 전형적으로는 약 35°이다. 상기 식은 선택된 회전속도에서 회전 용기에 적당한 칫수를 선택하거나 또는 역으로 주어진 용기에서 적당한 회전속도를 결정하는데 이용될 수 있다.

일시적인 층(54)의 액화된 뱃치는 부가 뱃치물질들로만 이루어져 있는 지지표면상에서 흐르고 그리하여 내화물과의 오염 접촉이 방지된다. 더우기, 유리 뱃치가 양호한 열전열재이기 때문에, 안정된 뱃치층(53)의 두께를 충분히 하므로서 하부 지지구조물이 열에 의해 변형되는 것이 방지된다. 액화용기가 열적으로 보호될 뿐만 아니라 부식성 금속물질과의 접촉으로부터 보호될 수 있기 때문에 물질의 요구조건이 크게 완화될 수 있어 드럼(35)에 연강을 사용하는 것이 허용될 수 있다. 그렇게하여 로구조에서 달성되는 경제적인 잇점이 크게될 수 있다. 더우기, 드럼(35)가 안정된 뱃치층의 절연효과에 의해 보호되기 때문에, 외부에서의 냉각이 요구되지 않고 따라서 용융공정으로부터의 유용한 열의 손실이 방지된다. 또한, 비오염적이고 절연성의 뱃치 라이닝이 가열된 공동부를 둘러싸고 있기 때문에, 통상의 내화 용융로에서 사용될 수 있는 것보다 상당히 높은 온도에서 작동하는 예를들어 산소연소 버어너, 플라스마 토오치 또는 전기 아아크와 같은 열원이 이동될 수 있다.

뱃치가 유동성으로 되는 온도는 특정의 뱃치 배합물, 특히 가장 낮은 용융온도의 성분들의 양 및 용융온도에 좌우된다. 소다회를 함유하는 통상의 평유리 뱃치는 약 1090℃-1150℃에서 액화하는 것으로 밝혀졌다. 액화된 뱃치물질은 그가 유체상태에 도달하자마자 액화용기로부터 배출되고 따라서 액화 지역으로부터 흘러 배출되는 유체는 특정의 뱃치 배합물의 액화 온도에 가까운 거의 균일한 온도를 가진다. 액화된 물질이 용기로부터 흐를때 통상 그 물질에 약간의 부가적인 열이 부여되고, 따라서 통상의 평유리 뱃치는 약 1150℃-약1260℃의 온도에서 액화용기로부터 흐르는 것으로 알려졌다. 열이 통상의 유리용융기에서 얻어지는 온도보다 상당히 낮은 액화온도에서 액화 용기 밖으로 이송되기 때문에, 액화 용기의 온도는 열원의 온도에 관계없이 비교적 낮게 유지될 수 있다. 따라서, 고온 열원에 의해 제공되는 큰 열 플럭스(flux)의 잇점이 외부의 봉쇄 수단을 제공함이 없이 유리하게 이용될 수 있다.

전술한 고온열원의 사용은 공기 함유 질소의 제거에 의해 배기가스의 용적을 감소시키는데 유익하다. 질소의 부재는 또한 유리내 질소기포를 방지하는데 유익하다. 적당한 캐리어 가스와 함께 플라스마 토오치를 사용하므로서, 특히 하소된 뱃치의 사용과 관련하여 액화 체임버내에 이산화탄소가 없는 분위기가 제공될 수 있다. 플라스마 토오치 사용은 J.H.Matesa에 의해, 1983년 6월 2일 출원된 미국특허 출원 제500,542호의 주 내용이다. 이산화탄소가 없는 분위기는 또한, 산소와 질소의 연소에 의해 제공될 수도 있다. 질소제거의 또다른 잇점은, 질소의 방사량(즉, 가스가 열에너지를 방사하는 효율)이 이산화탄소 및 물의 방사량보다 매우 낮다는 점이다. 따라서, 질소를 제거하므로서, 연소에 의해 생성되는 이산화탄소 및/또는 물을 희석시킬 필요가 없게되고 에너지 방출이 강화된다. 질소 제거의 잇점은 차차로 얻어질 수 있고 부분적인 제거가 유용한 계량을 제공할 수 있는 것을 이해해야 한다.

안정된 층(53)에 이용되는 물질의 열전도성은, 그 층의 실제의 두께가 용기외부의 강제적인 냉각을 요함이 없이 이용될 수 있도록 비교적 낮은 것이 바람직하다. 일반적으로, 입상 또는 미분말이 광물 원료가 양호한 열절연을 제공하지만, 몇몇 경우 그것은 비오염적인 안정층으로 용융공정의 중간생성물 또는 최종 생성물을 사용하는 것이 가능할 수 있다. 예를들어 유리제조 공정에서 미분화된 컬렛(부스러기유리)가, 유리뱃치와 비교하여 유리의 높은 전도성에 기인하여 두꺼운 층이 요구될지라도 안정층을 형성할 수 있다. 한편 야금학적 공정에서, 안정층으로서 금속 생성물을 사용하는 것은 용기에 열보호특성을 제공하기 위해 매우 큰 두께를 요하나 어떤 광석물질은 절연층으로서 만족할 수 있다. 안정 층은 처리되는 물질과 기본적으로 동일한 조성을 가지는 것이 바람직하다. 그러나, 전구체(precursor) 또는 유도체 물질이 이 개념에서 "기본적으로 동일한 조성"의 것으로 간주된다. 즉, 안정층은, 많은 양의 외부 성분들을 생산물 흐름에 도입시키지 않는 물질을 형성하도록 용융 또는 반응하는한 원료, 생성물, 중간생성물, 또는 다른 형태 또는 그들의 혼합물일 수 있다. 또한, 안정층의 이러한 조성 요구사항은 생성물 흐름에 실제 접촉하는 표면부분과 생성물 흐름내로 부식할 수 있는 표면 바로 아래 부분에만 적용된다. 따라서, 동일한 장치는 부식이 일어날 수 있는 수준 아래 안정층의 부분에 다른 물질을 이용할 수도 있다. 이러한 표면아래 부분이 주로 용기를 보호하는 절연물로 적용하기 때문에, 그 부분은 부여되는 온도에서 표면층으로 오염시키지 않도록 충분히 조성적으로 양립가능하여야 할지라도, 열절연성을 위해 선택된 물질(예를들어, 모래 또는 세라믹 입자)로 이루어질 수 있다.

여기에서 사용되는 "일시적인" 및 "안정된"이란 용어는 상대적인 것이고 일시적인 층과 안정된 층사이의 현저한 물리적 한계는 항상 분명한 것이 아닐 수 있음을 이해해야 한다. 그러나 "일시적인" 및 흐름을 특징으로 하고 안정된 층으로 불리는 지역은, 적어도 그의 대부분에서, 생성물 흐름이 용융 및 "안정된"이란 용어의 사용은 그들사이 경계지역의 최소의 변동이 알어날 수 있는 가능성을 배제하고저 하는 것이 아니다. 기본적인 차이는, 일시적인 층으로 설명되는 지역이 용융 및 흐름에 관계하지 않는다는 점이다. 일시적인 층이 안정된 층위에 있는 것으로 설명되었으나, 그들 층 사이에 중간층이 이론상으로 형성될 수 있고 그 가능성이 포함된다.

몇몇 경우, 예열된 뱃치는 회전로(10)의 출구로부터 액화 체임버(12)내로 직접 공급될 수 있으나, 회전로와 액화 용기가 서로 어느정도 떨어져 있는 제 3 도의 장치가 바람직하다. 회전로의 단부를 액화 용기의 개구부(47)과 직접 연결시킴으로서, 회전로내 뱃치 물질을 과열시키는 액화 용기로부터의 복사 에너지에 기인하여 회전로내에서 뱃치가 굳어질 수 있음이 밝혀졌다. 이 문제는 회전로와 액화 체임버사이에 전이부(transition)를 제공함에 의해 해결된다. 그 전이부는 회전로와 액화 체임버 사이에서 뱃치를 이송하는 경사로(50)과 배기 덕트(48)의 연장부(61)을 포함한다. 연장부(61)은 배기가스를 유리 뱃치(60)으로부터 회전로의 상부 부분내로 안내하고 액화 용기로부터의 복사열이 회전로에 전달되지 못하도록 작용한다. 조절 가능한 댐퍼(damper)(62)가 액화체임버내 압력을 조절하기 위해 전이부의 배기통로에 설치될 수도 있다. 회전로내에서 뱃치물질을 하소시키기 위해 배기가스의 온도를 상승시키는 것이 요구되는 경우, 연장부(61)은 보조 버어너(64)(제 4 도)를 삽입하기 위한 개구부(63)(제 3 도에 점선으로 도시됨)을 구비할 수 있다.

뱃치 공급 경사로(50)은, 뱃치가 과열되고 경사로를 막는 것을 방지하기 위해 배기가스 흐름에 대면하여 있는 차거운 전방판(70)을 구비할 수 있다. 뱃치 공급 경사로(50)의 다른 특징은 낙하하는 뱃치를 액화 체임버내 안정된 뱃치층(53)의 요구되는 부분상으로 조절가능하게 안내하도록 작용하는 회동가능한 수냉 배플(baffle)(71)을 경사로(50)의 출구단부에 가지고 있다는 것이다. 낙하하는 뱃치를 드럼(35)의 상부 테두리 지역으로부터 먼쪽으로 안내하도록 세라믹판(72)가 경사로(50)의 출구단부에 설치될 수도 있다. 액화 체임버에 공급하는 뱃치 물질을 급히 정지시킬 필요가 있는 경우, 회동가능한 전환문(73)이 뱃치 공급 경사로(50)의 입구에 설치되고 회전로로부터 배출경사로(74)로 들어가는 뱃치를 전화시키는데 이용될 수 있다. 회전로와 전이부사이의 시일(seal)은 회전로 동체(20)으로부터 방사상으로 연장하는 원형 휜(fin)(76)에 대하여 지탱된 흑연시일(75) 또는 테플론 합성 중합체에 의해 제공될 수 있다. 그 시일장치는 환상 하우징(77)에 의해 둘러싸여 있을 수 있다.

제 4 도에, 예열되지 않거나 또는 회전로(10)에서 예열된 뱃치와 독립적으로 예열된 물질을 액화 체임버(12)에 공급하기 위해 설치될 수 있는 보조 공급기(80)이 도시되어 있다. 예를들어, 그 보조 공급기(80)은, 특히 회전로가 칼슘 및/또는 마그네슘 카보네이트를 하소하는데 사용되는 경우 소다회, 가성소다 또는 컬렛을 액화 체임버에 공급하는데 사용될 수 있다. 그 보조 공급기(80)은 흡퍼(81), 모우터(82) 및 스크류 바렐(barrel)(83)으로 이루어진 통상의 스크류타입 공급기일 수 있고, 물질을 액화체임버 뚜껑의 개구부(47)을 통하여 안정된 뱃치층(53)의 상연부상에 공급할 수 있다. 액화 체임버의 입구에 다수의 여러가지 물질을 개별적으로 공급하는 것이 요구될 때, 공급기(80)과 유사한 다수의 보조공급기들이 이용될 수도 있다.

회전로의 경사는 회전로내 물질의 요구되는 체류시간에 따라 선택될 수 있고, 적절한 지지 수단이 가변적인 각도를 형성하도록 제공될 수 있다. 수평에 대하여 약 2°(1°-5°)의 고정된 경사를 제공하고, 회전로의 회전속도를 변경시킴에 의해 체류시간을 조절하는 것이 바람직하다. 회전로의 회전속도는, 뱃치의 상당한 부분이 로의 내측원주 주위에서 원심력에 의해 이동됨이 없이 회전로의 하부부분에서 뱃치물질이 뒹굴도록 하는 범위내이다.

회전로의 뜨거운 단부의 유리 뱃치는 약 480℃로 예열될때, 먼지가 발생하지 않게 하는 반점착성의 상태로 된다. 약 760℃의 온도까지에서는 그러한 점착성이 바람직하지 않은 응집(덩어리형성)이나 막힘(plugging)을 야기하지 않는다. 소다회 또는 동등한 나트륨원을 갖지않는 유리 뱃치는, 석회석 또는 백운석의 하소 온도 부근까지 가열될 때 역시 유사한 상태를 가진다. 이러한 점착성 상태는 먼지를 거의 일으키지 않고 액화 체임버에 뱃치를 공급하는데 유익하다. 또한 이러한 점착성 상태의 개시점은 회전로내 실질적으로 수평의 지지체로부터 액화체임버내 거의 수직의 지지체로의 뱃치의 이동과 일치하여 물질이 시스템을 통하여 연속적이고 균일하게 흐르게 하는 것이 이롭다.

하기 사항은 도면에 도시되고 전술한 바와 같은 장치의 일예이고, 여기서 소다회를 포함하는 표준 평유리 뱃치가 1일에 30톤(27미터톤/일)의 비율로 처리되었다. 회전로는 15m의 길이와 76cm의 내경을 가졌고, 그로의 내부면적은 46.6㎡이었다. 그 회전로는 약 3rpm으로 회전되었고 2°의 경사를 가졌다. 액화 용기는 130cm의 내경을 가졌고 약 32rpm으로 회전되었다. 그 액화 체임버는, 시간당 약 3백만 BTU(878,000왓트)의 입력열을 생성하도록 메탄과 산소를 연료로 하는 버어너에 의해 가열되어, 표준 온도와 압력에서 시간당 957㎥ 용적의 배기가스를 생성하였다. 그 배기가스가 888℃의 온도를 가지고 회전로에 들어갔고 246℃의 온도로 그 회전로에서 배출되었다. 유리 뱃치는 16℃의 온도를 가지고 회전로에 공급되었고 그 회전로에서 593℃로 가열되었다. 액화 체임버로부터 흘러나오는 액화된 뱃치는 1236℃의 온도를 가졌다.

다른 개조 및 변경이 첨부된 청구범위에 정의된 바와 같은 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 당업자에 의해 행해질 수 있다.

Claims (10)

1. 뱃치를 예열지역에서 배기가스에 의해 예열하고, 액화 용기로 이송시키고 이 용기내에서 뱃치를 뱃치물질의 경사진 안정 층상에 지지시키는 한편 액화되도록 가열하여, 액화된 물질이 층을 통해서 실질적으로 자유롭게 흘러 용기를 빠져나가는 유리 뱃치 액화방법에 있어서, 액화를 위한 열이 공기보다 상당히 많은 농도의 산소로 연료를 연소시킴으로써 주로 제공되며, 상기 연소로부터 생성된 실질적으로 모든 배기물이 예열 지역에서 뱃치 물질과 접촉하도록 통과하는 것을 특징으로 하는 유리 뱃치 액화 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 뱃치 물질을, 중력을 극복하기에 불충분한 원심력을 뱃치 물질에 부여하는 속도로 예열 용기를 회전시켜 예열 용기내에서 교반하며, 액화 용기를 원심력에 의해 액화 용기의 내벽상에 뱃치물질의 라이닝을 보유하기에 충분한 속도로 회전시키는 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 칼슘 카보네이트 원 물질을 예열 용기에 공급하고, 상기 카보네이트의 적어도 일부분을 하소시키기 위해 가열하며, 이때 예열 용기로부터의 뜨거운 하소 물질을 액화 용기에 공급하고, 액화 용기내에서 뱃치 물질이 액화되도록 실리카 원 물질 및 나트륨 원 물질과 함께 가열하는 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 나트륨 원 물질을 액화 용기에 직접 공급하는 방법.
5. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 하나에 있어서, 예열 용기를 통과한 가스는 실질적으로 질소 및 예열 용기를 통과하는 물질로부터 퍼어징 포획된 질소를 함유하지 않는 방법.
6. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 연소열을 실질적으로 질소가 없이 산소에 의한 연료의 연소에 의해 동공부에 제공하며, 연소 생성물을 배기가스 온도가 그에 함유된 수증기의 결로점보다 낮게 된후 예열 용기로부터 배출하는 방법.
7. 제 6 항에 있어서, 예열 용기로 통과한 연소 생성물을 액화 용기내에서 수소를 산소로 연소함에 의해 생성하는 방법.
8. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 하나에 있어서, 뱃치 물질을 실질적으로 건조하고 자유-유동 상태로 예열 용기에 공급하는 방법.
9. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 하나에 있어서, 뱃치 물질을 수평에 대하여 예각으로 예열 용기를 통해 전달하고, 액화 용기내에서 안정된 뱃치층상에 배치된 뱃치 물질을 적어도 초기에는 가파른 각도로 지지하는 방법.
10. 제 9 항에 있어서, 예열 용기로부터 액화 용기로의 뱃치 물질의 이송을, 뱃치의 용융이 시작되지만, 뱃치 입자들 사이의 실질적인 접착이 발생되기 전에 진행하는 방법.

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