KR930001962B1 - 액중연소에 의한 물질의 용융방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

액중연소에 의한 물질의 용융방법

제1도는 첫번째 단계의 액화용기와 연결된 액중 연소 유리 용융장치의 수직단면도.

제2도는 본 발명에서 사용될 수 있는 형식의 다공 버어너의 확대 평면도.

제3도는 제2도의 선 3-3을 따라 취한, 제2도의 버어너의 확대 종단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 액중 연소실 11 : 배치(batch)액화 장치

21 : 중간 용기 25 : 용융물 푸울(pool)

26 : 액중 연소 버어너 27 : 캡

30 : 중앙 도관 31 : 큰도관

32 : 냉각 재킷 33 : 유입구

34 : 유출구 40 : 배출로

41 : 표면장벽

본 발명은 유리 및 그와 같은 물질의 용융방법에 관한 것으로서, 더 구체적으로는, 개선된 액중(液中)연소법을 이용한 유리 용융방법에 관한 것이다.

유리를 용융시키는데 있어 액중 연소(submerged combustion)를 이용하는 기술이 미국특허 제 3,170,781호, 제 3,224,855호, 제 3,237,929호, 제 3,260,587호, 제 3,606,825호, 제 3,627,504호, 제 3,738,792호 및 제 3,764,287호에 제안되어 있다. 액중 연소에 있어서, 연소 가스는 용융 푸울(molten poo1)의 표면 아래로 주입되고 용융물을 통해 상방으로 스며나오게 된다. 이런 방법의 장점은, 가열되는 물질이 연소가스 및 연소가스에서 나오는 열에너지와 긴밀하게 접촉하므로서 열교환율이 매우 양호하게 된다는데 있다. 또다른 장점으로는, 용융물속으로 가스를 주입함에 따라 일부 용융공정에 유리할 수 있는 고도의 교반작용이 얻어진다는데 있다.

그러나, 액중 연소법의 중대한 단점은, 어떤 경우에 다량의 가스를 용융물속으로 주입할때 이를 조절하기가 어렵다는데 있다. 다시말하자면, 특히 유리 같은 용융물이 간혹 거품 상태로 전환될수가 있어서 이 기포를 없애기가 어려울 수 있다. 용융물의 가스 함량을 증가시키는 액중 연소법의 이러한 경향은 유리제조 공업에 있어서 액중 연소법을 채택하는데 장애가 되고 있는데, 그 이유는 유리 용융공정의 한가지 목적이 용융된 유리로부터 기포와 다른 기체상 함유물을 가능한한 많이 제거하는데 있기 때문이다. 유리를 용융시키는데 있어 액중 연소를 이용하는 종래 기술들은 일반적으로, 용융 및 정제 공정의 후기 단계중에 기체상 함유물이 증가하는 것을 방지하기 위해 용융 공정의 초기 단계에서만 적응되었다.

본 발명에 있어서는, 액중 연소법이, 과도한 기포생성의 결점을 해소하면서 그 장점을 그대로 이용하는 방식으로 유리 용융공정 또는 그와 유사한 공정에 이용된다. 초기의 유리 배치(batch) 액화 단계를 거친후 유리 용융 공정의 두번째 단계에서 액중 연소법이 이용된다. 원료 배치 물질을 정제된 유리 용융물로 전환시키는데 요구되는 열량의 대부분은 액화 공정(예를들어, 미국 특허 제 4,381,934호에 기재된 형식의 공정)에 특히 적합한 수단에 의해 첫번째 단계에서 공급된다. 다음, 액화되고 부분적으로 용융된 물질이 두번째 단계로 보내지고, 여기서 액중 연소에 의해 가열된다. 이 두번째 단계에서는, 물질의 액화온도로 부터, 용융 공정을 완료하고 유리를 정제(즉, 기체상 함유물을 제거)하는데 적당한 온도까지 그 물질의 온도를 올려주기 위해서만 열이 요구된다. 첫번째 단계에서의 온도 상승은 약 2000^oF(1093.3℃)정도인 것이 전형적이지만, 두번째 단계는 불과 수백도 정도의 온도 상승을 필요로하는 것이 전형적이다. 두번째 단계에서 요구되는 열량이 적기 때문에, 액중 연소에 의해 용융물속으로 소량의 연소가스가 주입되므로, 기포 생성을 최소화 하면서 이 단계에서의 공정 목적을 효과적으로 달성할 수 있다. 이와 동시에, 액중 연소에 의한 용융물 교반 작용은, 유리의 균질화를 향상시키고 모래알의 용해를 촉진시킴으로써 전체 공정에 이롭다.

본 발명의 또 다른 특징에서는, 수소를 연료로 이용하고 산소를 산화제로 이용함으로써 용융물내에 과도한 기상(氣相)을 생성시키지 않고서 유리를 용융시키는데 액중 연소가 이용된다. 공기보다는 산소를 사용함으로써, 용융물속으로 질소가 주입되는 것이 방지되어, 용융물속으로 도입되는 기체량을 상당히 줄일 수 있다. 용융물속으로 질소가 도입되지 않게 한다는 것은, 질소가 용융된 유리 속에 잘 용해되지 않기 때문에 유익한 것이다. 탄화수소보다 수소를 연료로 사용함으로써, 용융된 유리에 대한 용해도가 불량한 이산화탄소가 용융물속으로 도입되는 것이 방지된다. 한편으로는, 산소-수소 연소시에 생기는 연소 생성물은 용융된 유리에 대한 용해성이 큰 수증기이다. 따라서, 본 발명은 액중 연소시에 생기는 기상(氣相)의 양을 감소시키고, 용융물속으로 도입되는 기체는 액상속으로 쉽사리 동화되는 기체이다. 산소-수소 연소는 비교적 높은 온도를 발생시켜 용융물에 대한 열전달률을 향상시킨다는 것이 또 다른 장점이다.

본 발명을 첨부 도면을 참조하여 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도는 배치(batch)액화 장치(11)로 부터 하류쪽에 액중 연소실(10)이 설치된 본 발명의 바람직한 일실시예를 나타낸다. 도면에 도시된 액화 장치의 바람직한 형식은 미국특허 제 4,381,934호와 미국특허 출원제 481,970호(1983년 4읠 4일에 출원됨)에 기재된 것이다. 이런 형식의 액화 공정의 특징은, 배치 원료의 경사층에 대해 복사열이 전달되게함으로써 액화된 원료가 신속히 유출되도록 하는데 있다. 여기에 도시된 특정 실시양태에서, 그 배치 액화 장치(11)는 지지링(13)과 로울러(14)에 의해 수직측선을 중심으로 회전하도록 설치된 드럼(12)을 포함한다. 고정 뚜껑(15)에는, 최소한 하나의 연소 버어너(16)를 삽입하기 위한 구멍과, 배치 물질을 드럼속으로 투입하고 배기가스를 덕트(17)를 통해 드럼밖으로 배출되게 하는 구멍들이 형성되어 있다. 회전하는 드럼(12)으로 공급된 배치 물질은 내벽에 포물면 라이닝(lining)형상으로 배치되어, 드럼 바닥의 중앙 배출구(도시되지 않음)쪽으로 경사지게 된다. 이런 형식의 액화 장치는 소오다-석회-실리카 유리를 액화하는데 장점이 있지만, 본 발명의 목적을 위해서는 당 분야에 공지된 다른 액화장치도 사용될 수 있다. 예를들어, 짧은 평로(平爐)형식 또는 전기저항로 형식의 유리 용융장치가 초기단계로서 사용될 수 있다. 다른 유형의 유리, 또는 세라믹, 프리트(frit) 또는 광석과 같은 다른 원료를 처리할때는, 이런 원료에 특히 적합한 액화장치가 이용될 수 있다.

첫번째 단계인 액화 장치에서 배출되는 액화된 유리 배치(batch)는 배치 물질의 용융되지 않은 입자를 포함하는 거품상태인 것이 전형적이다. 제1도에 도시된 실시예에 있어서, 액화된 물질은 원통형 칼라(collar)(20)를 통해 중간 용기(21)속으로 떨어져, 이 용기내에 거품 상태의 물질(22)이 축적된다. 그 액화된 물질은 액화 장치(11)로 부터 직접 액중 연소실(10)로 공급될 수 있지만, 서어지(surge) 현상을 고려하고 액화 장치(11)의 아래쪽에 접근이 용이하도록 하기 위해 중간 용기(21)를 설치하는 것이 바람직하나. 중간 용기는 본질적으로는, 도시된 바와같이 액중 연소실로 통하는 램프(ramp) 형식일 수 있으나, 원료에 부가적인 체류시간을 부여하도록 더 큰 용량을 가질 수 있고 원료를 가열하거나 다른 처리를 제공하는 수단을 구비할 수 있다.

액중 연소실(10)은 본질적으로는, 상당한 깊이의 용융물 푸울(pool)(25)을 수용하기에 적합한 내화성 상자이다. 제1도에 나타낸 예에서, 액중 연소 용기에 2개의 액중 연소버어너(26)가 설치되어 있으나, 이 버어너의 수는 특정 용도의 가열 조건에 따라 더 많거나 적을 수 있다. 액중 연소 버어너(26)는 액중 연소 용기의 바닥을 통해 연장하도록 설치되지만, 측벽에 설치될 수도 있다. 또한, 버어너들을 용기 벽에 대해 비스듬하게 설치할 수도 있다.

본 발명에서는 액중 연소 버어너의 특정한 구조가 중요한 것은 아니지만, 본 발명에 사용하는데 적합한 버어너 구조의 한가지 예가 제2도와 제3도에 도시되어 있다. 이 버어너의 상단부는 캡(cap)(27)으로 구성되고, 이 캡(27)은 중앙 구멍(28)과 이 중앙 구멍을 둘러싸는 다수의 주위 구멍들(29)을 가지는 것이 바람직하다. 전형적으로는, 중앙 구멍(28)을 통해 산화 가스가 공급되고, 연료가스는 주위 구멍들(29)을 통해 공급되지만, 이와 반대되는 배치도 가능하다. 산소-수소 연소를 이용하는 바람직한 방법에서는, 중앙 구멍(28)을 통해 산소가 공급되고 주위 구멍들(29)을 통해 수소가 공급된다. 특히 제3도를 보면, 중앙 구멍(28)이 중앙 도관(30)에 연결되고, 큰 도관(31)이 중앙 도관(30)을 둘러싸 그들 사이에 환형공간을 형성하게하고, 이 환형 공간에 주위 구멍들(29)이 연결된다. 중앙 도관을 둘러싸고 있는 큰 도관의 둘레에 냉각 재킷(32)이 배치되어 큰 도관(31)과 냉각 재킷(32)사이에 환형 공간을 형성하고, 이 환형 공간을 통해 물과 같은 냉각 매체를 순환시켜 고온 환경으로부터 버어너가 보호되게 한다. 냉각 매체를 위한 환형 공간은, 냉각매체가 유입구(33)로부터 말단 캡(27) 부근을 지나 유출구(34)쪽으로 순환하여 나가게 하는 냉각 매체 흐름 통로를 형성하도록 격벽들(도시되지 않음)을 가지는 것이 바람직하다. 어떤 액중 연소 장치에 있어서는, 버어너 속에서 연소가 일어나고 배기가스가 용융물속으로 분출되게 할 수 있으나, 여기에 설명된 바람직한기술은 도시된 유형의 버어너를 이용하여 연료와 산화제 모두를 용융물속으로 분출시키고 용융물속에서 연소가 일어나게 하는 것이다. 그리하여, 연소시에 나오는 에너지가 직접 용융물로 보내진다. 또한, 버어너 바깥에서 연소를 시킴으로써, 버어너가 받게 되는 조건이 덜 심하게 되어 내구성 요구를 감소시킨다.

배출로(40)가 액중 연소실(10)로부터 유리 성형부로 연장하여 있다. 배출로(40)내에는 대체로 정적인 조건을 만들어 주어, 용융물로부터 기포가 방출되게 하며 용융물이 유리 성형공정에 적당한 온도까지 냉각되게 하는 것이 바람직하다. 액중 연소실(10)내의 용융물 푸울(25)의 표면에 떠 있는 기포가 배출로(40)로 들어가는 것을 방지하기 위해, 배출로(40)의 입구에 표면 장벽(41)을 배치하는 것이 바람직하다.

물론 액중 연소 버어너(26)에 공급되는 연료와 산화제는 그들 위에 있는 용융물 푸울(25)의 정수두(hydrostatic head)를 이겨낼 수 있을 정도의 충분한 압력을 가져야 한다. 특정의 경우에 필요로 하는 압력은 용융물의 밀도와 깊이에 따라 달라지지만, 예를들면 기포가 많은 용융된 소오다-석회-실리카 유리의 깊이가 2피이트 (0.6m)일때 51b/in²(34,500Pa)정도의 기체압이 요구된다. 버어너에 공급되는 연료량은 특정 용도에 요구되는 열량, 사용된 연료의 열함량 및, 용융물에 대한 열전달 효율에 따라 달라진다. 소오다-석회-실리카 유리를 약 2300^oF(1260℃)로부터 약 2800^oF(1538℃)까지 가열할 때, 약 70%의 열전달 효율을 얻을 수 있었다. 수소의 열함량은 약 275BTU/ft³(10.4joule/cm³) 또는, 기화열을 포함해서 325BTU/ft³(12.2joule/cm³)이다.

어느 정도 산화된 조건이 일반적으로 요구되는 판유리와 같은 물질의 경우에는, 연소에 요구되는 양을 초과하는 과잉의 산소가 액중 연소 버어너에 공급되는 것이 좋다. 더욱이, 액중 연소실에서 철저한 교반 작용과 긴밀한 가스와 액체의 혼합이 달성되어, 용융물의 산화상태나 용융물의 다른 화학적 성질을 조절하기가 매우 적합하게 된다. 예를들어, 액화 단계가 환원 조건하에서 수행될 수 있고, 용융된 유리가 액중 연소실에서 산화될 수 있다. 역으로, 액중 연소실에서 부족량의 산소를 사용하여 용융물이 더 환원된 상태에 있게하는 것도 가능하다. 용융된 유리의 산화 상태를 조절할 수 있는 능력은 유리의 색상과 투명성을 얻는데 유용하다. 이런 시스템은 또한, 액중 연소실에서 착색제나 다른 부가적 성분을 첨가하는데 적합하다. 액중 연소실은 다수의 별도로 액화된 성분들을 함께 수용할 수 있는 적당한 혼합 및/또는 반응 용기일 수 있다. 이점에 있어서, 다수의 액화 장치(11)가 단일의 액중 연소실에 연결되게 설치될 수 있다.

연소 버어너에 사용하기에 적합한 어떤 탄화수소 연료도 본 발명에서 사용될 수 있는데, 천연가스가 특히 적당한 예이다. 공기 대신 산소를 사용함으로써, 용용물 속에 주입되는 산화제 가스의 양이 약 1/5로 감소될 수 있다.

연소 생성물이 본질적으로 수증기로 구성되는 산소-수소 연소를 이용하는 잇점은, 문헌에 보고된 바와같은, 포화상태에서의 용융된 유리내 가스들의 용해도의 하기 비교에서 알 수 있다 :

용융된 유리내에서의 질소(공기의 주성분인)의 용해도와, 이산화탄소(탄화수소 연료의 주연소생성물인)의 용해도는 물의 용해도 보다 훨씬 작다. 따라서, 공기와 탄화수소 연료의 사용을 피함으로써, 낮은 용해성의 성분들이 용융물 속의 기체상으로부터 제거될 수 있고, 용융물에 동화되는 높은 용해성의 수증기만이 본질적으로 남게 된다. 또한, 공기 대신 산소를 사용함으로써, 용융물속으로 주입되는 산화제 가스의 양이 약 1/5로 감소된다.

산소-수소의 액중 연소는 바람직한 2단계 장치와는 별도로 다른 잇점을 제공한다. 따라서, 본 발명의 보다 넓은 범위에는, 산소-수소 연소에 의해 가열되는 액중 연소실(10)속으로 원료 배치물질을 직접 공급하는 것이 포함된다.

본 발명에서 이용될 수 있는 다른 고온 열원은 플라즈마 토오치(plasma torch)이다. 플라즈마 토오치는 캐리어 가스 흐름을 이용하여, 전기 아아크(arc)에 의해 생긴 고온의 플라즈마를 토오치의 오리피스 밖으로 분사하는 것이다. 캐리어 가스는 가연성 가스이거나 비 반응성 혹은 불활성 가스일 수 있다. 예를들어, 캐리어 가스는 증기일 수 있는데, 그 증기는 용융된 유리내물의 용해도가 비교적 높기 때문에 유리하다. 산소도 캐리어 가스로 적당한데, 그 이유는 용융된 유리내 산소의 용해도가 거의 물의 용해도 만큼 높기 때문이다. 헬륨도 용융유리내에서의 확산성이 매우 높기 때문에 용해도가 비교적 작다하더라도 캐리어 가스로 사용하기에 적합할 수 있다.

요약하자면, 액중 연소의 열원은 연소실에서 연소되거나 액중 연소실로 주입되기 직전에 연소되는 가스로부터 방출되는 연소열이거나, 전기적으로 여기(excite)된 가스로부터 방출되는 열에너지일 수 있다. 이들은 일반적으로 복사가스로 불릴 수 있다. 간접 연소 불꽃이나 전기 저항 가열과 같은 추가적인 열원이 액중 연소실에서 이용될 수도 있다.

액중 연소실(10)은 초기에는 액중 연소 버어너(26)를 사용하여 속이 빈 상태에서 가열된다. 다음, 가열된 연소실이 액화 장치(11)에서 나오는 용융된 원료나, 원료 유리 배치 또는 재생 유리로 점진적으로 채워진다. 일단 용융물 푸울(25)이 형성되면, 연료를 차단하고 공급하는 조작만으로 액중 연소 버어너의 작동을 중지 및 재개한다. 버어너의 작동을 중지시켰을 때는, 용융물이 버어너로 들어가지 못하게 하고, 가스로 버어너를 계속 세정함으로써, 즉, 산화제 가스를 계속해서 흐르게 함으로써 용융물이 응고되지 않도록 하는 것이 좋다.

Claims (9)

1차 용융 용기내에서 배치 물질을 유동 상태가 되게 액화시켜 액화된 물질을 1차 용융 용기로 부터 2차 용융 용기속으로 배출시키는 단계와, 2차 용융 용기내에서, 액화된 물질의 액화체를 유지하고 액화체의 표면 아래로, 액화체를 가열하고, 액화된 물질을 용융 상태로 만들기에 충분한 비율로 복사 가스를 주입하는 단계로 구성되는, 액중 연소에 의한 물질의 용융 방법.

제1항에 있어서, 복사 가스가 연료와 산화제의 연소 생성물인 물질의 용융 방법.

제2항에 있어서, 상기 연소 생성물이 연소가 시작된 버어너로 부터 액화체 속으로 주입되는, 물질의 용융 방법.

제2항에 있어서, 2차 용융 용기 속으로 주입되는 산화제가 연소에 요구되는 양 보다 과잉으로 주입되는 물질의 용융 방법.

제1항에 있어서, 복사 가스가 플라즈마 흐름을 포함하는, 물질의 용융 방법.

제5항에 있어서, 플라즈마 흐름이 수증기로된 캐리어 가스를 포함하는, 물질의 용융 방법.

제1항, 제2항, 제3항 내지 제6항중 어느 한 항에 있어서, 복사 가스가, 수소와 순수 산소로 이루어진 연료의 연소에 의해 생성되는 물질의 용융 방법.

제1항, 제2항, 제3항 내지 제6항중 어느 한 항에 있어서, 복사 가스가 탄소 산화물을 포함하지 않는, 물질의 용융 방법.

제1항, 제2항, 제3항 내지 제6항중 어느 한 항에 있어서, 복사 가스가 질소를 포함하지 않는, 물질의 용융 방법.

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