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KR20060120125A - 분상 연료용 버너 - Google Patents

분상 연료용 버너 Download PDF

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Publication number
KR20060120125A
KR20060120125A KR1020067009731A KR20067009731A KR20060120125A KR 20060120125 A KR20060120125 A KR 20060120125A KR 1020067009731 A KR1020067009731 A KR 1020067009731A KR 20067009731 A KR20067009731 A KR 20067009731A KR 20060120125 A KR20060120125 A KR 20060120125A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
burner
fuel
air
flow
chamber
Prior art date
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Ceased
Application number
KR1020067009731A
Other languages
English (en)
Inventor
로베르토 마르코스 까브레라 야노스
라파엘 발라데스 가스띠요
아르투로 끼에르-렌돈
Original Assignee
비트로 글로발, 에스. 에이.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 비트로 글로발, 에스. 에이. filed Critical 비트로 글로발, 에스. 에이.
Publication of KR20060120125A publication Critical patent/KR20060120125A/ko
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Abstract

유리 용융로내의 석유 코크스와 같은 분상 연료의 공급 및 연소를 위한 방법 및 시스템은 유리 용융과 하나의 복수의 버너들을 포함한다. 이러한 유리 용융과 하나의 복수의 버너들은 열교환기의 역할을 하며 이와 나란히 배치된 한쌍의 밀봉된 축열식 챔버와 결합한다. 이 시스템은 용융 유리 원료에 대한 각 하나의 버너에 의해 분상 연료를 공급하기 위한 수단을 포함한다. 노에서 연료의 연소 공정에 의해 생성된 연도 가스의 방출은 연도 가스를 정화하고 SOx, NOx 및 미립자와 같은 연료로부터 불순물의 방출을 감소하기 위해 제어된다. 축열식 챔버는 선택된 내화재, 예컨대 마그네슘, 지르콘-실리카-알루미나 또는 산화 마그네슘(magnesia)과 지르코니움-실리케이트(zirconium-silicate)로 제작된다. 이는 유리 용융 챔버에서 연료의 연소 공정에 의해 생성된 부식성 효과를 방지하기 위함이다. 하나의 버너는 또한 석유 코크스를 공급하기 위해 제공된다. 하나의 버너는 분상 연료의 연소를 위해 1차 공기와 분상 연료-공기 혼합물을 동시에 혼합하기 위한 수단을 포함한다.

Description

분상 연료용 버너 {Burner for pulverized fuel}
발명의 배경
본 출원은 지금은 포기되었으나 2001년 3월 23일 출원된 미국 출원번호 제09/816,254호의 일부계속출원으로 2003년 6월 20일 출원된 미국 출원번호 제10/601,167호의 일부계속출원이다.
발명의 분야
본 발명은 유리 용융로에 대한 분상 연료의 공급 및 연소를 위한 시스템 및 방법, 보다 상세하게는 유리 용융로에 분상 석유 코크스를 공급하고 연소시키기 위한 시스템 및 방법, 그리고 그에 사용되는 버너에 관한 것이다.
유리의 용융이, 생산품의 최종 특성에 따라 그리고 용융 및 정제 공정의 열 효율을 고려하여, 상이한 종류의 용융로에서 그리고 상이한 종류의 연료를 사용하여 행해져 왔다. 단위 용융로들(unit melter furnaces)이 (가스 연료)에 의해 유리를 용융시키는데 사용되어 왔으며, 이 용융로들은 그 측면들을 따라 여러 개의 버 너를 구비하는데, 그 유닛 전체가, 공급기의 입구에 또는 용융로의 단부에, 즉, 공정의 하류 부분에 마련될 수 있는 하나의 연돌(chimney)을 구비한 하나의 밀폐된 박스처럼 보인다. 그러나, 고온 가동 용융로에서 나오는 유리에는 막대한 열 손실이 있다. 예를 들어, 2500°F에서, 연도 가스의 열은 천연 가스 연소 용융로에 투입된 열의 62 퍼센트이다.
연도 가스의 잔열을 이용하기 위하여, 더 복잡하고 고가인 구조(design)가 창출되었고 축열식 용융로 (regenerative furnace)로 명명되었다. 축열식 유리 용융로를 가동시키기 위하여, 복수의 버너들이 나란히 배치되어 밀폐된 한 쌍의 축열기(regenerators)와 결합되는 것이 잘 알려져 있다. 각 축열기는 하나의 하부 챔버, 상기 하부 챔버 상부에 있는 하나의 내화 구조체(refractory structure) 그리고 상기 내화 구조체의 상부에 있는 하나의 상부 챔버를 가진다. 각 축열기는, 각 상부 챔버를 용융로의 용융 및 정제 챔버와 연결하는 하나의 개별 포트를 가진다. 버너들은, 유리 용융로에 사용하기에 적합한 천연가스, 액체 석유, 연료유, 다른 가스 또는 액체 연료를 연소시키고, 그에 따라 유리 제조 원료(glass making materials)를 챔버에서 용융 및 정제시키기 위한 열을 공급하도록 구성된다. 용융 및 정제 챔버는, 하나의 개구멍(doghouse)이 있는 그 일 단부에 유리 제조 원료가 공급되며, 다른 단부에 배치되어 용융된 유리가 용융 및 정제 챔버로부터 옮겨질 수 있게 하는 일련의 포트들로 구성되는 하나의 용융 분배기(molten distribuitor)를 가진다.
버너들은, 여러 가지 실현 가능한 형태로, 예를 들어 관통-포트 형 태(through-port configuration), 측면-포트 형태(side-port configuration) 또는 하부-포트 형태(under-port configuration)로 설치될 수 있다. 예를 들어 천연가스와 같은 연료가, 버너로부터, 연소 사이클 동안 각 축열기로부터 오는 인입 예열 공기 흐름에 공급되고, 그에 따라 생기는 화염(flame)과 그 화염에서 생성된 연소 생성물(products of combustion)이 용융 유리의 표면을 가로질러 퍼져서, 열을 용융 및 정제 챔버에 있는 용융 유리로 옮긴다.
가동에 있어서, 축열기들은 연소 공기와 배출 열 사이클 사이에서 교대로 동작된다. 특정 용융로에 따라, 매 20분 또는 30분마다, 화염의 통로가 반전된다. 각 축열기의 목적은, 배출 열을 저장하는 것으로서, 이에 의해 찬 공기의 경우와는 다르게 더 큰 효율과 더 높은 화염 온도를 얻을 수 있다.
유리 용융로의 가동에 있어서, 버너에 공급되는 연료와 연소 공기는, 용융 챔버 내 또는 용융 챔버를 끼고 있는 지점에서, 공급된 연소 공기가 공급된 연료의 완전 연소에 필요한 것보다 더 적도록 유지하기 위하여, 포트 입구와 용융로 상부에 존재하는 산소량과 가연성 물질을 측정하여, 제어된다.
과거에는, 유리를 용융시키는데 사용되는 연료가 석유를 정제한 연료유였다. 다년간에 걸쳐 이러한 종류의 연료가 사용되었으나, 환경 규제의 강화가 연료유 사용의 감소를 촉진시켰으며, 이는 이러한 연료유가 석유 원유에 포함된 유황, 바나듐, 니켈 기타 다른 중금속들과 같은 불순물을 가지기 때문이다. 이러한 종류의 연료유는 SOx, NOx 및 미립자와 같은 오염 물질을 발생시킨다. 근래에 와서 유리 산업계는 청정 연료로서 천연 가스를 사용해 왔다. 석유정제 잔재물의 액상 흐름에 포함되어 나오는 모든 중금속과 유황이 천연 가스에는 함유되어 있지 않다. 그러나, 천연 가스의 화염에 생성된 높은 온도가 다른 오염 물질보다는 더 많은 NOx를 발생시키기에 매우 효과적이었다. 이러한 의미에서, 천연 가스 연소용의 낮은 NOx 버너를 개발하기 위한 많은 노력이 경주되어 왔다. 그 외에, NOx 형성을 막기 위해 상이한 기술들이 개발되었다. 그 하나의 예가 산소-연료 기술(Oxy-fuel Technology)인데, 이것은 연소 공정에 공기 대신 산소를 사용한다. 이 기술은, 공기 침입을 막아야 하기 때문에 특별히 내화 물질을 갖춘 단위 용융로를 필요로 하는 점에서 불편하다. 산소의 사용은 또한 더 높은 온도의 화염을 생성시키지만, 질소가 없기 때문에 NOx의 발생이 급격히 감소된다.
산소-연료 공정의 다른 불편한 점은 산소 자체의 비용이다. 산소 비용을 저렴하게 하기 위해서는, 용융 공정에 필요한 산소를 공급하도록 용융로 옆에 산소 공장을 두는 것이 필요하다.
그러나, 계속해서 급속히 상승하는 에너지 비용(주로 천연 가스)은 주요 판유리 제조 회사들로 하여금 판유리를 출하하는데 따라 추가 비용을 부담하지 않으면 안되었다. 천연 가스 가격은, 금년에 (멕시코, 기타 지역에서) 120% 이상 상승하였으며, 예상치를 크게 웃돌았다.
유리 산업계 내부의 일반적인 여론은 배급업자들이 그러한 새로운 추가 비용을 주의 깊게 관찰하여야 하며, 대부분이 추가 비용을 떠넘기게 될 것이라는 것이다.
종래 기술을 고려할 때, 본 발명은 환경 친화적으로 유리를 생산하기 위해 사 용되도록, 중류탑의 유분으로부터 얻는 고체 연료를 사용하여, 용융 원가를 절감하기 위하여 서로 다른 기술들을 적용하는데 관한 것이다.
석유 코크스는 고체인데 반하여, 연료유는 액상이고, 천연 가스는 가스 상태이므로, 연료유와 천연 가스에 관한 이러한 종류의 연료의 주된 차이점은 물체의 물리적 상태이다. 연료유와 석유 코크스는 모두 원유의 증류탑의 잔류물로부터 생성되므로, 그들은 모두 동일한 종류의 불순물을 가진다. 그 중요한 차이점은 각각에 함유된 불순물의 양이다. 석유 코크스는 지연성, 유동성 및 유연성의 세가지 다른 성격의 공정으로 생산된다. 증류 공정으로부터의 잔류물을 드럼에 넣고, 잔류 휘발성 물질을 대부분 제거하기 위하여 36시간까지 900°F 내지 1,000°F로 가열한다. 휘발성 물질은 코킹 드럼의 상부에서 추출되고, 드럼내의 잔류 물질은 약 90%의 카본으로 된 고체물(hard rock make)과 사용된 원유에 있던 나머지 불순물이다. 이 고체물은 수압드릴과 워터 펌프를 사용하여 코킹 드럼으로부터 추출된다.
석유 코크스의 전형적인 조성은 약 90%의 탄소; 약 3%의 수소; 약 2% 내지 약4%의 질소; 약2%의 산소; 약 0.05% 내지 6%의 유황; 그리고 약 1%의 다른 성분이다.
석유 코크스의 용도
석유계 고체 연료들은 이미 시멘트 산업 및 증기 발전 산업에 사용되고 있다. 페이스 컨설턴트 아이엔씨.(Pace Consultatns Inc.)에 의하면, 1999년도의 시멘트 및 증기 발전을 위한 석유 코크스의 사용은 각각 40% 와 14% 내외였다.
두 산업계에서, 석유 코크스의 연소는 직접 발화 시스템으로서 사용되었는데, 연료의 연소에 의해 만들어진 가스체는 직접 공기와 접촉했다. 시멘트 생산의 경우에, 제품에 필요한 열 프로파일(thermal profiles)을 제공하기 위해 로터리 킬른이 필요하다. 이 로터리 킬른에 있어서, 용융 시멘트의 하나의 셀(shell)이 항상 형성되어 연소가스와 화염이 킬른의 내화재와의 직접 접촉을 피하고, 그 공격을 피한다. 이 경우에, 하소된 제품(시멘트)이 연소 가스를 흡수하여 로터리 킬른 내의 바나듐, SO3 와 NOx의 부식 및 연마 효과를 피한다.
그러나, 높은 유황 함량과 바나듐으로 인해, 석유 코크스의 연료로서의 사용은 유리 산업계에서 일반적이지 않으며, 이는 내화 물질 구조에 대한 부정적인 효과와 환경 문제에 기인한다.
내화재의 문제점
유리 산업계는 수종의 내화 물질을 사용하는데 그 대부분은 화석 연료에 함유된 불순물로 인해 열적 조건 뿐만 아니라 내화학성 및 기계적 부식 등 다른 기능들을 성취하기 위해 사용된다.
주 에너지원으로서의 화석 연료의 사용은, 연료에 함유된 5산화 바나듐(vanadium pentoxide), 산화철(iron oxide), 산화크롬(chromium oxide), 코발트(cobalt) 등, 다양한 종류의 중금속이 로(furnace)에 투입되는 것을 의미하는데, 연소 공정에서, 금속 산화물의 낮은 증기압과 용융로의 높은 온도 때문에, 대부분 의 중금속이 증발한다.
로에서 나오는 연도 가스의 화학적 특성은, 화석 연료로부터의 높은 유황 함량으로 인해, 대부분 산성이다. 또한, 5산화 바나듐(vanadium pentoxide)는 유황 연도 가스와 같은 산성작용(acid behavior)을 나타낸다. 산화 바나듐은 가스 상태에서의 이 산화물의 산성작용으로 인해 기초 내화재에 대한 손상을 일으키는 원인이 된다. 바나듐 펜톡사이드가 1,275℃에서 디칼슘 실리케이트를 형성하는 산화 칼슘과 강하게 반응하는 것은 잘 알려져 있다.
디칼슘 실리케이트는 이러한 손상을 계속하면서 머위나이트(merwinite)를 만들고, 몬티셀라이트(monticelite)를 만들며, 최종적으로 포스터라이트(forsterite)를 만드는데, 이것은 5산화 바나듐과 반응하여 낮은 용융점의 바나듐산 트리칼슘(tricalcium vanadate)을 형성한다.
기본 내화재에 대해 초래된 손상을 감소시키기 위한 유일한 방법은, 내화재의 수명이 다할 때까지 5산화 바나듐과 계속하여 반응하는 디칼슘 실리케이트의 생성을 막기 위하여, 주된 기본 내화재의 산화 칼슘의 양을 줄이는 것이다.
한편, 석유 코크스의 사용에 대한 주된 문제는 높은 유황 및 바나듐 함량과 관계가 있으며, 이들은 용융로의 내화재의 구조에 나쁜 영향을 끼친다. 내화재의 첫 번째 요구 특성은 장기간에 걸친 고온에 대한 노출을 견디는 것이다. 그에 더하여, 급격한 온도 변화를 견디고 용융 유리의 부식 작용과 가스의 부식 작용과 가스 내의 입자의 연마력을 견딜 수 있어야 한다.
내화재에 대한 바나듐의 영향은, 예를 들어 1978년 11월과 12월에 발행된 유 리 산업 잡지(The Glass Industry Magazine)에 기재된, 로이 브라운(Roy W. Brown)과 칼 샌드마이어(Karl H. Sandmeyer)의 “건물 내화재에 대한 바나듐산 나트륨의 영향(Sodium Vanadates effect on superstructure refractories)”논문 1부, 2부와 같은 여러 논문에 연구 결과가 나와 있다. 위의 논문에서, 조사자들은, 유리탱크 건축에 공통적으로 사용되는, 알루미나-지르코니아-실리카(alumina-zirconia-silica (AZS)), 알파-베타 알루미나(alpha-beta alumina), 알파 알루미나 및 베타 알루미나와 같은 유동 주조 성분(flowing cast compositions)에서의 바나듐 공격을 극복하는 데 중점을 둔 상이한 주조 내화재를 실험하였다.
제이. 매크라렌(J.R. Mclaren)과 에이취. 리차드슨(H. M. Richardson)은 “규산 알루미늄 내화재에 대한 5산화 바나듐의 작용(The action of Vanadium Pentoxide on Aluminum Silicate Refractories)”논문에서, 알루미나 함량이 각각 73%, 42% 및 9%인 벽돌의 분상 샘플의 여러 세트에 대해 수행된 원뿔 변형(cone deformation)에 관한 일련의 실험에 대해 기술하고 있는데, 각 샘플은 산화 나트륨 또는 산화 칼슘과 결합되거나 단독으로 된 5산화 바나듐의 혼합물을 포함하였다.
그 결과에 대한 논의는, 5산화 바나듐의 작용 및 5산화 바나듐의 산화 나트륨과의 작용 그리고 5산화 바나듐의 산화 칼슘과의 작용에 초점이 맞추어졌다.
1. 뮬라이트(Mullite)는 1,700℃까지의 온도에서 5산화 바나듐의 작용을 견뎌내었다.
2. 5산화 바나듐과 알루미나 또는 5산화 바나듐과 실리카의 결정질 화합물(crystalline compounds) 또는 고용체(solid solutions)의 형성에 관한 여하한 증거도 발견되지 않았다.
3. 주된 슬래그화 동인은 아니라 하더라도, 오일 회(oil ash)에 의한 알루미노 규산염(alumino-silicate) 내화재의 슬래그화 중에 5산화 바나듐이 조광소(mineralizer)로서 작용할 수도 있다.
4. 나트륨 또는 산화 칼슘, 특히 나트륨과 5산화 바나듐 사이에 저융점 화합물이 형성된다.
5. 바나듐산 나트륨이나 바나듐산 칼슘과 알루미노 규산염 사이의 반응에서, 알루미나가 많은 벽돌보다 실리카가 많은 벽돌에 저융점 슬래그가 형성된다.
1979년 4월에 발행된 유리 기술(Glass Technology) 20호에 기재된 논문, "기본 내화재의 결합 광물질에 대한 SO3, Na2SO4 및 V2O5의 영향 (The effect of SO3, Na2SO4 및 V2O5 on the bonding minerals of basic refractories)"에서, 티. 부스비(T.S. Busby)와 엠. 카터(M. Carter)는, 600℃ ~ 1,400℃ 사이의 유황 분위기에서 기본 내화재의 결합 광물질인 수많은 첨정석(spinels)과 규산염(silicates)을 시험했는데, Na2SO4 와 V2O5를 함유하거나 함유하지 않았다. 시험결과, 이들 광물질 중에서 얼마간의 MgO나 CaO가 황산염으로 변화한 것이 밝혀졌다. Na2SO4나 V2O5의 존재에 의해 반응 속도가 증가되었다. 그 결과들은, 유황이 폐가스내에 존재하는 용융로에 사용된다면, 기본 내화재의 CaO 나 MgO이 황산염으로 변화할 수 있다는 것을 나타낸다. 황산 칼슘은 1,400℃ 아래에서, 황산 마그네슘은 약 1,100℃ 아래에서 형성된다.
그러나, 상술한 바와 같이, 내화재에 대한 바나듐의 영향이 유리 용해로에서 많은 문제점들을 야기하는데, 이들은 전혀 해결되지 않았다.
석유 코크스와 환경
석유 코크스의 사용에 따른 다른 문제는 환경과 관계가 있다. 석유 코크스의 연소에 의해 생성된, 니켈과 바나듐과 같은 금속과 높은 함량의 유황이 이러한 환경 문제를 촉발시켰다. 그러나, 높은 함량의 유황(중량 5% 이상)을 가진 석유 코크스를 환원 또는 탈황시키기 위해 이미 존재하는 개발 기술이 있다. 예를 들어, 1983년 6월 21일 자로 특허된 챨스 고포쓰(Charles P. Goforth)의 미국 특허 제4,389,388호는 석유 코크스의 탈황에 관한 것으로서, 유황 함량을 줄이기 위해 석유 코크스를 처리하는 데 관한 것이다. 분말 코크스를 압력 상태하에서 약 2 ~ 60초의 체류 시간 동안 가열 수소와 접촉시키는 것이다. 탈황된 코크스는 야금용 또는 전극용으로 적합하다.
1989년 8월 15일 자로 특허된 롤프 호크(Rolf Hauk)의 미국 특허 제 4,857,284호는 환원 샤프트 로(a reduction shaft furnace)의 폐가스로부터 유황을 제거하는 공정에 관한 것으로서, 철광석용의 환원 샤프트 로(a reduction shaft furnace)의 폐가스의 적어도 일부를 흡수함으로써 가스 상태의 화합물에 포함된 유황을 제거하는 새로운 공정이 기록되어 있다. 폐가스는 먼저 집진기로 세정하고, 냉각시킨 다음 탈황시키는데, 그 동안 환원 샤프트 로에서 생성된 해면철(sponge iron)의 일부에 의해 유황 흡수 물질이 만들어진다. 탈황이 30℃~60℃의 범위의 온 도에서 일어나는 것이 장점이다. 탈황은 고로 가스(blast furnace gas)로부터 분리된 CO2로 수행되고 고로 가스 일부는 엑스포트 가스(export gas)로 사용되는 것이 바람직하다.
1990년 1월 16일 자로 아르투로 라즈카노-나바로(Arturo Lazcano-Navarro)등에게 특허된 미국 특허 제 4,894,122호는, 중량 약 5% 이상의 초기 유황 함량을 가지는 코크스 입자 형태인 석유 증류 잔류물의 탈황 공정에 관한 것으로, 코크스 입자가 연속적으로 도입되고, 순차적으로 연결된 복수의 유동층에 기초한 연속식 전열(continuous electrothermal)공정에 의해 탈황이 이루어진다. 코크스 입자들을 탈황시키기 위해 필요한 열 발생은, 유동 코크스 입자들 안으로 뻗어 있어서 유동 코크스 입자들에 전류를 보내는 한쌍의 전극을 설치함으로써, 코크스 입자들을 각 유동층 내의 전기 저항으로 이용함으로써 얻어진다. 유황 함량이 중량 약1% 보다 낮게 감소된 후에 탈황 코크스 입자를 냉각시키기 위해 전극이 없는 최종 유동층이 설치된다.
1993년 11월 9일 자로 특허된 리차드 그린발트(Richard B. Greenwalt)의 미국 특허 제 5,259,864호는, 석유 코크스와 그에 포함된 유황과 중금속으로 된 환경 비친화 물질들을 처리하고 동시에 상측 연료 장전부(charging end), 환원가스 배출부, 하측 용융금속/슬래그 수집부 및 철강 재료 투입구 제공 수단을 가지는 용융 가스 화로(melter gasifier)에 용융철 또는 철강 시제품 그리고 환원 가스를 만드는 공정을 위한 연료를 제공하는 방법에 관한 것으로서; 석유 코크스를 용융 가스 화로의 상측 연료 장전부에 투입하는 단계와; 석유 코크스로부터의 코크스 입자의 적어도 제1 유동층을 형성하기 위하여 산소 함유 가스를 석유 코크스에 불어넣는 단계와; 투입구 제공 수단을 통해 용융 가스 화로에 철강 재료를 투입하는 단계와; 석유 코크스의 연소에 의해 발생된 중금속을 포함하는 환원 가스와 용융철 또는 철강 시제품과 마찬가지로 석유 코크스의 연소로부터 발생되고 유황을 함유한 슬래그를 만들기 위해 석유 코크스와 산소 및 석유 코크스 대부분을 연소시키는 입상 철강 재료를 반응시키는 단계로 구성된다.
유리 산업계에서 고려되어야 할 추가적인 요소는 공기 오염이 주된 문제인 환경 제어(control of the environment)이다. 용융로는 유리 공장으로부터 배출된 전체적인 입상 및 기체 상태 오염 물질의 99% 이상과 관련되어 있다. 유리 용융로로부터의 연료 폐가스는 주로 이산화탄소, 질소, 수증기, 황산화물 및 질소산화물로 되어 있다. 용융로로부터 방출된 폐가스는 주로 연료에 의해 발생된 연소 가스와 배치(batch)의 용융에 의해 생기는 가스로 되어 있는데, 그것은 이 시간에 일어나는 화학 반응에 의해 좌우되는 것이기도 하다. 화염 한정 가열 로(exclusively flame-heated furnaces)의 배치 가스(batch gases)의 비율은 전체 가스 부피의 3%~5%를 나타낸다.
연료 폐가스의 공기 오염 성분의 비율은 연소 연료, 그 가열값, 연소 공기 온도, 버너 설계, 화염 형상 그리고 초과 공기 공급량에 의해 좌우된다. 유리 용융로의 폐가스의 황산 화물은 사용된 연료로부터 생기는 외에 용융 유리 배치로부터도 생긴다.
이들 금속 산화물과 수산화물을 휘발시키는 것을 포함하여 여러 가지 메카니즘이 제안된 바 있다. 어느 경우에도, 70%이상이 나트륨 화합물, 약 10% ~ 15%가 칼슘 화합물, 그 나머지가 마그네슘, 철, 실리카 및 알루미나라는 것이, 실제 미립자 물질의 화학적 분석의 결과로서 잘 알려져 있다.
유리 용융로에 대하여 고려되어야 할 다른 문제는 SO2의 방출이다. SO2의 방출은 원료와 연료에 들어가는 유황 성분의 기능이다. 생산 레벨의 상승 후와 같이 용융로 가열 시간 중에, 많은 SO2가 방출된다. SO2의 방출량은 용융 유리 1톤당 약 2.5파운드에서 5파운드에 이른다. 배기 가스내의 SO2의 농도는 천연 가스와 섞여서 대체로 100 ~ 300ppm의 범위에 있다. 고유황 연료의 사용중에, 연료 내의 각 1%의 유황에 대하여 유리 1톤당 4파운드의 SO2가 추가된다.
한편, 연소 공정의 결과로서 NOx의 형성을 연구하고 기술한 저자가 많이 있다 [(젤도비치 제이(Zeldovich, J.): 연소와 폭발에서의 질소의 산화(Acta. Physiochem. 21 (4) 1946); 에드워드 제이(Edwards, J.B.): 연소와 미량 종(trace species)의 형성과 방출(Ann Arbor Science Publishers, 1974. p-39)]. 이들은 대기 품질 기획 및 표준청인 USEPA의 방출 표준국의 “유리제조로 인한 NOx 의 방출”이라는 보고서에 공인되어 있으며, 젤도비치의 동질 NOx 형성과 에드워즈의 실험식들의 제공을 포함한다. 젤도비치는 고온 연소 공정의 결과로서 NO와 NO2의 형성에 대한 속도 상수(rate constants)를 개발했다.
마지막으로, 화염이 적절히 조절되고 용융로에 대한 연소 공기 공급이 모자라지 않는 정상적인 동작 상태에서, 화석 연료의 불완전 연소로부터 소량의 일산화탄소 또는 다른 잔류물이 배기 가스에서 발견된다. 이들 종의 가스 농도는 100ppm 보다 적고, 아마도 50ppm 보다 낮으며, 그 발생율은 톤당 0.2% 보다 낮다. 이들 오염 물질의 제어장치는 단순히 올바른 연소 장치이다.
가스 상태 방출물의 감소를 위한 처리 기술은 용융로 설계 및 동작 뿐만 아니라, 연료와 원료의 적절한 선택에 한정되는 것이 필수적이다. 1991년 10월 1일 자로 마이클 북셀(Michael Buxel) 등에게 특허된 미국 특허 제 5,053,210호는 연도 가스를 정화하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 가스 스팀에 의해 접촉된 입상의, 탄소 함유 물질의 중력-유동층에서의 다단계 흡수 및 촉매 반응에 의해 연도 가스로부터 탈황 및 NOx- 제거를 위한 방법 및 장치를 기술하고 있는데, 이 특허에서는 최소한 2개의 유동층이 가스 통로에 대해 직렬로 배치되어 NOx- 제거가 제2 또는 하류 유동층에서 일어나게 된다. 산업용 로의 대량의 연도 가스가 정화되어야 하는 경우, 다양한 이산 화황 농도를 가진 가스 흐름의 형성이 정화에 악영향을 미친다. 제1 유동층에서 나오고 국부적으로 가변적인 이산화황 농도 경사도(gradient)를 가지는 정화된 연도 가스를 암모니아가 NOx- 제거를 위한 반응물로서 첨가되기에 앞서, 반복적으로 혼합함으로써, 이러한 결점이 제거된다.
1997년 6월 3일 자로 정-시안(Jeng-Syan) 등에게 특허된 미국 특허 제 5,636,240호는 유리 용융로의 폐가스 출구에 사용하기 위한 대기오염 조절 공정 및 장치에 관한 것으로서, 배기 가스의 불투명도(opacity)를 감소시키기 위하여 흡수 제(NaOH)를 분무하여 폐가스내의 황산염(sulphates)을 제거하기 위하여 폐가스를 분무형 중화탑을 통해 폐가스를 배출하는 것과 백 하우스의 정상적인 여과 기능을 유지하기 위하여 분무형 중화탑과 백 하우스 사이에 주기적으로 플라이 애쉬(flyash) 또는 수산화칼슘을 공급하기 위한 공압식 분말 공급 장치를 채용하는 것을 포함한다.
분상 연료용 버너
마지막으로, 분상 석유 코크스의 연소를 위해서는, 특별한 유형의 버너 설계를 고려하는 것이 필요하다. 일반적으로, 가연성 연료-공기 혼합물에 버너 화염을 발화시키기 위해 점화 에너지가 공급된다. 몇몇 버너 시스템들이 석탄 또는 석유 코크스와 같은 분상 연료를 연소시키기 위해 개발되어 왔다.
1983년 9월 1일 자로 공개된 위 윌드만(Uwe Wiedmann)등의 PCT 출원 제 PCT/EP83/00036호는, 분말 상태, 가스 상태 및/또는 유체 연료용의 버너를 기술한다. 이 버너는 연결된 배기관과 함께, 회전 대칭(rotation symmetry)을 가지고 펴지는 벽을 가진 점화 챔버를 구비한다. 챔버 벽의 중심부에, 연료 제트(jet)의 유입을 위한 파이프의 인입구, 그리고 점화 챔버 내에 연료 제트(fuel jet)를 혼합하고 인화점에서 연소 공기의 소용돌이(vortex)를 가열하는 뜨거운 재순환스트림(a hot recirculation stream)을 생산하는 연소 공기의 소용돌이(vortex)의 유입을 위하여 상기 인입구를 둘러싸고 있는 공기 공급구가 배열되었다. 점화 챔버에 공급된 연소공기 소용돌이(vortex)의 공기량은 요구되는 총 연소 공기의 일부분에 지나지 않는다. 챔버 벽과 배출 파이프 사이에, 연소 공기의 또 다른 부분 (전체적 또는 부분적으로 연료 제트와 혼합됨)이 점화 챔버내로 유입될 수도 있는 제2 공기 유입 파이프가 설치된다. 점화 챔버내에서 연료 제트와의 혼합 (향후 연소의 점화와 개시)에 참여하는 연소 공기의 합계는 요구되는 총 연소 공기량의 50%를 초과하지 않도록 조절된다. 그러한 모든 조치들을 결합함으로서, 산업 공정상 열 생산에 특히 적합하고, 중간적이고 가변적인 파워 레이트(intermediary and variable power rates), 연소 챔버내에 가늘게 길고 얇은 형태의 화염을 발생시키는 안정된 점화, 그리하여 입자의 낮은 방사상의 편향(low radial deflection of particles)을 가지는 버너가 제공된다.
1983년 11월 1일 자로 아키라 이주하(Akira Izuha) 등에게 특허된 미국 특허 제4,412,810호는 연소의 결과로 생기는 NOx, CO와 불 연소 탄소량의 감소로 안정된 상태에서 연소를 수행할 수 있는 분상 석탄 버너에 관한 것이다.
1985년 7월 30일 자로 윌리암 세일러(William H. Sayler)에게 특허된 미국 특허 제 4,531,461호는, 주로 석고-가공 솥을 가열하기 위해 사용되는 것과 같은 산업용 로 및 야금용 로와 관련하여, 석탄이나 다른 화석 연료와 같은 고체 연료를 분쇄하고 연소시키기 위한 시스템 그리고 그런 분상 연료를 공기중에 부유시켜 연소시키기 위한 시스템에 관한 것이다.
1986년 7월 29일 자로 클라우스 그레드(Klaus Grethe)에게 특허된 미국 특허 제4,602,575호는 강력 내부 재순환 구역을 가지는 버너 화염에서 석유 크크스 분말을 연소시키는 방법에 관한 것이다. 석유 코크스 분말은 연소될 석유 코크스 분말 을 위해 점화 에너지를 제공하는 강력 재순환 구역에 공급된다. 그러나, 본 특허는 원유가 거치는 공정 유형에 따라, 석유 코크스가 바나듐과 같은 유해물질을 함유할 수 있고, 이 바나듐은 증기 발생기내에서 연소하는 동안 부식성 화합물을 생성할 뿐 아니라 연도 가스와 함께 증기 발생기(steam generator)를 나와서 환경을 크게 오염시킨다는 사실을 기술한다. 이 특허는 이 버너를 사용할 때, 공기 증대를 통해 연소시에 바나듐-결합 첨가제(vanadium-binding additives)를 추가함으로써, 이러한 부정적 효과나 유해한 일들이 광범위하게 회피될 수 있다는 것을 제시한다.
석탄 버너에 대한 또 다른 새로운 사실이 1990년 5월 15일 자로 데니스 레논(Dennis R. Lennon)등에게 특허된 미국 특허 제4,924,784호에 기술되어 있는데, 이 특허는 보일러와 같은 버너 내에서의 용제 정제 분상 석탄(pulverized solvent refined coal)의 발화에 관한 것이다.
마지막으로, 1998년 11월 3일 자로 히데끼 오타(Hideaki Ohta) 등에게 특허된 미국 특허 제 5,829,367호는 진하고 묽은 두가지의 농도를 가지는 분상 석탄 혼합물의 연소를 위한 버너에 관한 것으로 이 버너는 버너 패널의 높이가 축소되고, 전체적으로 단순화되었다. 이 버너들은 보일러 로 또는 화학산업 로에 적용된다.
위에서 기술한 바와 같이, 여러 가지 기술발전은 석유 코크스의 오염을 조절하는데 초점이 주어져 왔다. 그러나, 이들은 석유 코크스의 탈황이나 정화에 집중되어 왔다.
한편, 석유 코크스가 이미 다른 산업에서 사용되고 있음에도 불구하고, 몇몇의 경우 이와 같은 석유 코크스가 용융로에 대한 부식 및 연마 효과를 갖는 바나듐 과 같은 오염 가스를 흡수하는 것을 이용한다(예:시멘트 산업).
각 경우에 있어, 오염문제와 해결책(solution)은 각 산업에 따라 다르다. 각 산업에서 로는 에너지 소비와 제품 품질에 영향을 미치는 내화 물질의 유형에 따라 그리고 로 구조 및 최종 제품과 관련하여, 상이한 열 특성과 오염 물질 문제들을 가지고 있다.
제안된 해결책
상기 사항에도 불구하고, 지금 유리 산업계에서는 로의 내화물질의 구조에 부정적 영향을 미치면서 환경에 심각한 문제를 야기시키는 오염과 높은 유황 및 바나듐 함유량과 같은 상기 기술된 요인을 고려하여 유리 원료의 용융을 위한 석유 코크스의 연료사용을 고려하고 있지 않다.
상술한 모든 공정을 고려하여, 본 발명은 대기중의 오염물질 방출을 줄이고 유리 용융로의 내화 물질에 대한 손상의 위험을 줄이는 청정 환경 방식으로 공업용 유리를 생산하기 위하여, 석유 증류 잔여물(석유 코크스)로부터 얻어지는 저가의 고체 연료의 사용에 관한 것이다. 관련 기술 분야에서 기술된 바와 같이, 앞에서 언급한 문제점들로 인하여 이 고체 연료는 유리 원료를 녹이는데 사용하는 것이 고려되고 있지 않다.
본 발명을 이용하여, 석유 코크스를 공급하고 연소시키는 연소 장치가 효과적인 연소를 위하여 개발되었다. 본 발명에서는 또한 SOx와 NOx 그리고 미립자들과 같은 연료로부터의 불순물의 방출을 예방하여 연도 가스를 청정화하기 위해, 로에 이어 배치된 방출 제어 시스템(emissions control system)이 고려된다. 개발된 장치의 통합(완성)에 의해, 그리고 장치 및 시스템의 올바른 구조를 선택함으로써, 저가 연료를 사용할 수 있고, 상업용 유리를 제작할 수 있으며, 환경규제에 적합한 연도 가스를 발생시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 측면-포트 유형의 유리 용융로에서 상업용 유리를 생산하기 위해 하나의 단일 공정에 배치된 여러 시스템의 설계에 관한 것이다. 그래서, 측면-포트 유형의 유리 용융로에서, 탄소, 유황, 질소, 바나듐, 철과 니켈이 혼합된 형태의 분상 연료가 판유리(glass sheets) 또는 유리용기의 제조를 위한 유리 원료를 녹이기 위해 연소된다. 분상 연료를 공급하기 위한 수단은 유리 용융 사이클 동안에, 분상 연료를 연소시키기 위하여, 로 에서 분상 연료의 연소에 의해 촉발된 유리 용융의 부식 작용, 연소 가스의 부식 작용 그리고 공기 중의 입자들의 마모력을 저지하기 위해, 유리 용융로의 축열식 챔버(regenerative chambers)내의 내화재 수단(refractory means)을 포함하는 상기 유리 용융로의 유리 용융 구역의 복수의 제1 과 제2 측면 포트(a plurality of first and second side ports) 마다 배치된 최소한 하나의 버너이다. 끝으로, 유리 용융로 내에서의 분상 연료의 연소가 끝난 후 폐가스 배출구내의 공기 오염을 제어하기 위한 방법이 실행된다. 상기 방법은 유황, 질산 바나듐, 철과 니켈 화합물의 공기중 방출을 줄여서, 공기 오염을 제어하는 것이다.
나아가, 산화 마그네슘에 대해 발생 가능한 피해를 감소시키거나 예방하기 위해서, 원료의 정화가 내화물질 원료내의 산화 칼슘의 함유량을 감소시키고 용융 단계에서 형성을 억제함으로써 내화물질 원료의 순도에 있어서 산화 마그네슘의 순도는 적어도 98%가 요구된다. 산화 마그네슘이 불순물 주변을 에워싸기 위해 이 내화물질은 고온에서 소결되어 주원료에 세라믹 결합(ceramic bond)을 이루어야 한다.
98%나 그 이상의 순도의 기본적인 내화 물질의 산화 마그네슘은 대부분 유리 용융로의 축열식 챔버(regenerative chamber)의 최상부 열(top rows)에서 사용된다. 축열식 챔버 또는 톱 체커(top checkers)에서 사용될 수 있는 다른 예의 내화 물질들은 지르콘-실리카-알루미나(Zircon-silica-alumina) 용해 주조 원료인데, 이것은 5산화 바나듐처럼 산성작용을 나타내어 내화재에 대한 피해를 감소시킨다.
유리 용융로내의 내화 물질의 올바른 선택은, 열역학적인 분석과 불순물의 화학 성분 그리고 내화재를 형성하는 화합물을 기초로, 화석 연료에 포함된 불순물의 영향을 감소시킬 수 있다.
발명의 요약
본 발명의 첫 번째 목적은, 유리 용융로내의 분상 연료 공급 및 연소, 즉 분상 석유 코크스의 연소 그리고 유리 용융의 비용을 줄이는 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 분상 연료를 연소시키고 유리 용융로내에서 탄소, 유황, 질소, 바나듐, 철과 니켈을 함유하는 분상 연료를 공급 및 연소시키는 방법 및 시스템을 제공하는 것으로서, 이는 분상 연료로부터의 SOx와 NOx 그리고 미립자 와 같은 불순물의 방출을 줄이고 연도가스를 정화시키기 위해 분상연료의 연소에 의해 발생된 오염물질의 방출을 제어하며, 오염물질 방출의 감소는 유리 용융로내에서의 분상 연료의 연소 후에 수행되도록 제어된다.
본 발명의 또 다른 목적은, 1차 공기 또는 기체와 결합된 분상 연료 혼합물이 각 버너 마다 높은 속도로 주입되는, 유리 용융로내에서의 분상 연료의 공급 및 연소를 위한 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 분상 연료의 연소에 의해, 특히 V2O5에 의해 생성되는 효과에 의해 발생되는 부식 및 연마 효과를 줄이는 목적으로 유리 용융로의 챔버들의 건조용으로 특별한 내화재들을 사용하는, 유리 용융로에서의 분상 연료의 공급 및 연소를 위한 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 화학양론적인 공기를 초과하여 공기가 약 16%를 차지하는 연료-공기 비율로 분상 연료가 용융로에 직접 공급되는, 유리 용융로내의 분상 연료를 공급 및 연소시키는 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은, 동시에 2가지 또는 3가지 유형의 연료를 사용하여 유리원료를 녹일 수 있는, 유리 용융로내에서의 분상 연료를 공급 및 연소시키기 위한 방법 및 시스템을 제공하는 것이다. 석유 코크스, 가스 또는 연료유를 독립적으로 연소시키기 위한 일련의 버너들이 용융 챔버내에 배치될 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 분상 연료가 높은 고체-공기 비율로 공압식 수단에 의해 공급되는, 유리 용융로에서의 분상 연료를 공급 및 연소시키기 위한 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 버너의 냉각을 위한 부가적인 2차 공기 흐름을 포함하는, 유리 용융로내의 분상 연료 연소를 위한 버너를 제공하는 것으로서, 2차 공기 흐름은 고체 연료의 초기 연소를 개선하기 위해 부가적인 공기의 주입에 의해 버너의 화염을 조절하는(regulate) 소용돌이 효과를 발생시킨다.
본 발명의 다른 목적은, 약 1,500℃의 높은 가동 온도를 유지하기 위해 계속적으로 물로 냉각되는, 유리 용융로내의 분상 연료 연소를 위한 버너를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 적어도 18m/s의 운송 공기 속도 및 약 1 대 약 3.25의 분상 연료-공기 비율을 가진 고체 연료를 공압식 흐름에 의해 약 400~1,300kg/hr의 가동 범위내에서 다룰 수 있는, 유리 용융로내의 분상 연료 연소를 위한 버너를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 고체 연료의 점화 공정을 늘리기 위하여 제2 챔버내에 천연 가스와 같은 다른 연료를 사용할 가능성을 허용하는, 유리 용융로내의 분상 연료 연소를 위한 버너를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은, 유리 용융로내에 사용하기 위한 분상 연료 연소를 위한 버너를 제공하는 것으로서, 이 버너는 고체 연료의 공압식 수송을 수행하기 위해 사용되는 공기의 흐름 속도로 가능하는 길이와 더불어 정형적인 형태로 되고, 버너의 출구 단부를 통해 균일하게 배분되는 화염을 발생시킨다.
본 발명의 다른 목적은, 유리 용융로내의 분상 연료 연소를 위한 버너를 제 공하는 것이다. 이 버너는 유리내의 열전도의 효율적인 공정을 수행하기 위하여 그리고 천연 가스와 연료유와 같은 다른 연료들과의 관계에서 성능을 개선하기 위하여 0.95의 높은 방사율(radiant emissivity)을 가진 화염을 발생시킨다.
본 발명의 또다른 목적은, 유리 용융로내의 분상 연료 연소를 위한 버너를 제공하는 것으로서, 이 버너는 균일하고 규칙적인 흐름들을 발생시키고, 화염을 확대시키며, 그 결과 유리내 열 전도의 더 좋은 분배의 결과로 화염을 확장시키기 위하여 비례분할부(proportional division)를 제공하는 두 출구 말단(Y 형상)을 포함한다.
본 발명의 다른 목적은, 유리 용융로내의 분상 연료 연소를 위한 버너를 제공하는 것으로서, 이 버너는 유리 용융로에서 고체 연료의 완벽한 연소를 가져오도록 1,200℃까지 예열된 공기 흐름을 활용한다.
본 발명의 또 다른 목적은, 적은 함유량의 NOx를 발생시키는 유리 용융로내의 분상 연료 연소를 위한 버너를 제공하는 것으로서, 이는 같은 가동 조건에서 가스의 단열 온도 보다 분상 연료의 화염의 단열온도가 적은 것에 기인한다.
본 발명의 또 다른 목적은, 유리 용융로의 사용에 있어 분상 연료를 연소시키기 위한 버너를 제공하는 것으로서, 이 버너는 유리 용융로내에서의 수산화 나트륨의 발생과 내화 물질에 대한 공격을 줄이기 위하여 연소생성물(combustion product)로서 최소량의 물을 발생시킨다.
본 발명의 다른 목적은, 유리 융용로내의 분상 연료 연소를 위한 버너를 제공하는 것으로서, 이 버너는 유리품질에 나쁜 영향을 주지 않는 비산 회(volant ashes)를 저농도의 회(low concentration of ashes)와 감소된 그래뉼로미트리(reduced granulometry) [입자의 95%가 74 미크론(microns) 보다 작음]를 포함하는 고체 연료를 연소시키는데 사용된다.
본 발명의 위와 같은 그리고 다른 목적과 장점들은 첨부 도면에 도시된 본 발명에 대한 아래의 상세한 기술로부터 이 분야의 전문가들에게 명백하게 될 것이다.
도 1은 유리 융용로의 최소한 하나의 버너에 분상 연료를 공급 및 연소시키기 위한 시스템과; 용융로에서의 상기 분상 연료의 연소로 촉발된 용융 유리의 부식작용과 연소가스의 부식작용 그리고 공기 중의 미립자의 연마력을 저지하기 위해 유리 용융로의 벽과 바닥을 형성하는 상이한 형태들의 내화 수단과; 그리고 용융로 내에서 분상 연료의 연소가 수행된 이후 폐가스 배출구내의 공기 오염을 제어하기 위한 환경 제어 시스템을 포함하여 구성되는, 본 발명의 하나의 실시예의 블록 다이아그램(block diagram);
도 2는 본 발명에 따라 석유 코크스를 공급 및 연소시키는 시스템의 제1 실시예의 또다른 블록 다이아그램(block diagram);
도 3은 축열식(regenerative-type) 유리 용융로의 평단면도;
도 4는 도 1에서 도시된 용융로의 측 단면도;
도 5는 본 발명에 의해 분상 연료를 공급 및 연소시키는 시스템의 개략도;
도 6은 축열식(regenerative-type) 유리 용융로와 결합하여 분상 연료를 공급 및 연소시키는 시스템의 측면도;
도 7은 본 발명에 의해 분상 연료를 공급 및 연소시키는 장치의 상세도;
도 8은 본 발명에 의해 분상 석유 코크스 연소를 위한 버너의 바람직한 실시예의 도 7에 따른 측면도;
도 9는 도 8에 따른 정면도;
도 10은 도 8의 버너의 정단면 상세도;
도 11은 두 개의 출구 노즐(nozzle)을 가진 버너를 보여주는 도 10의 A-A선 평단면도;
도 12는 한 개의 출구 노즐을 가진 제2 실시예의 버너를 보여주는 다른 평면도;
도 13은 본 발명에 의해 분상 석유 코크스를 연소시키는 버너의 제3의 실시예의 상세 측단면도;
도 14는 한 개의 출구 노즐을 가진 버너의 제4 실시예의 상세 측단면도;
도 15는 도 14에 도시된 버너를 보여주는 평면도;
도 16은 도 14의 버너의 수직단면 상세도;
도 17은 도 16에 도시된 버너의 부분 사시도;
도 18은 도 17에 도시된 버너의 한 부분 분해사시도;
도 19는 두 개의 출구 노즐을 가지는 버너의 제5 실시예의 상세 측단면도;
도 20은 도 19의 버너의 한 수직단면 상세도; 그리고
도 21은 도 20에 도시된 버너의 부분 사시도이다.
발명의 상세한 설명
본 발명을 하나의 특정 실시예에 대하여 설명하는 바, 동일 부분은 동일한 도면부호로 나타내며, 도 1은, 추후 기술될 측면-포트 유형의 유리용융로에 대하여 적어도 하나의 버너내에서의 분상 연료 공급 및 연소를 위한 시스템(A); 유리용융로의 축열식 챔버의 벽과 바닥을 형성하기 위해 상이한 형상으로 형성된 내화 수단(B)을 포함하여 구성되는 본 발명의 실시예의 블록 다이아그램으로서, 이 내화수단은, 원료내에 있는 산화칼슘 함유량을 감소시키고 용융 단계에서의 형성도 지연시켜서 내화재를 형성하는 원료의 순도가 적어도 98%의 산화마그네슘을 가지도록 선택된다. 불순물이 산화 마그네슘에 의해 둘러싸이도록 하기 위해 이 내화재는 주재료내에 세라믹 결합(ceramic bond)이 생기도록 고온에서 소결되어야 한다. 1,350℃ ~ 1,450℃의 높은 온도의 톱 체커(top checkers)나 축열식 챔버내에서 사용될 수 있는 다른 재료들은 내화재에 대한 피해의 영향을 줄이는 5산화 바나듐과 같은 산성작용을 나타내는 지르콘-실리카-알루미나 용융주조물질(Zircon-silica-alumina fused cast materials)이다. 사용될 수 있는 내화재의 또 다른 유형은 약 80%의 산화 마그네슘과 20%의 지르코니움-실리케이트(zirconium-silicate)를 함유하는 물질로부터 선택된 것들이다. 상기의 물질들은 용융로내에서의 분상 연료(석유 코크스)의 연소로 촉발되는 용융 유리의 부식력과 연소 가스의 부식 작용 그리고 공기중 입자들의 연마력을 저지시키기 위해 사용된다. 마지막으로, 환경 제어 시스템(C)은, 용융로내에서 수행된 분상 연료의 연소 후 폐가스 배출구내의 공기 오염을 제어하기 위해 필요하다.
도 2에 있어서, 분상 연료를 공급 및 연소시키기 위한 시스템(A)은 유리 용융로내에서 분상 석유 코크스를 공급 및 연소시키는 각 버너들(50a, 50b, 50c, 50d, 50e, 50f, 50g, 50h) 뿐 아니라 각 버너들(48a, 48b, 48c, 48d, 48e, 48f, 48g, 48h)에도 연결된다. (도 3 및 도 5 참조). 분상 연료를 공급 및 연소시키는 시스템(A)은 분상 석유 코크스를 투입하는(dosing) 투입 시스템(dosing system)(D)과 유리 용융로내에서 분상 석유 코크스를 연소시키는 연소 시스템(E)을 결합하여 구성된다. 투입 시스템(D)은, 이미 산업계에 공지된, 분상 석유 코크스를 공급하고 취급하기 위한 시스템(F)에 의해 공급될 수 있다.
분상 연료를 공급하고 연소시키는 시스템(A)을 도 3 내지 도 5에 의해 설명하기로 하는 바, 도 3과 도 4는 용융 챔버(melting chamber)(10), 정제 챔버(12), 조절 챔버(14) 그리고 정제 챔버(12)와 조절 챔버(14)사이의 통로(throat)(16)로 구성되는 축열식(regenerative-type) 유리 용융로의 개략도를 보여주고 있다. 정제 챔버(12)의 전방 단부(18)에서는 용융 유리(molten glass)가 정제 챔버(12)로부터 제거되는 일련의 전방로 연결부(forehearth connections)(20)를 포함한다. 개구멍(dog house)(24)을 포함하는 용융 챔버(melting chamber)(10)의 후방 단부(22)를 통해 유리 제조 재료가 배치 장전기(batch charger)(26)에 의해 공급된다. 한 쌍의 축열 장치(28, 30)가 용융 챔버(10)의 각 측면에 설치된다. 각 축열 장치(28, 30) 를 용융 챔버(10)와 연결하는 발화 포트(firing ports)(32, 34)가 용융 챔버(melting chamber)(10)에 설치된다. 가스 축열식 챔버(regenerator chamber)(36)와 공기 축열식 챔버(38)가 축열 장치(28, 30)에 설치된다. 두 챔버(36, 38)는 모두 댐퍼(42)에 의해 폐가스 용의 터널(44)와 연돌(chimney)(46)과 연통되도록 배치된 하부 챔버(40)에 연결된다. 버너들 (50a, 50b, 50c, 50d, 50e, 50f, 50g, 50h)과 버너들(48a, 48b, 48c, 48d 48e, 48f, 48g, 48h)은, 유리용융로내에서 사용되는 천연 가스, 석유 코크스 또는 다른 유형의 연료를 연소시키기 위하여, 각 발화 포트(32, 34)의 목 부분(neck portion)(52, 54)내에 위치하도록 각 포트(32, 34)의 옆에 배치된다.
그래서, 유리 제조 원료들이 용융 챔버(10)의 후방 단부의 개구멍(24)을 통해 공급될 때, 버너들(48a-48h, 50a-50h)에 의해 용융되어, 용융 유리(melting glass)가 용융 챔버(10)로부터 조절 챔버(14)로 통과하기 위해 완전히 녹을 때까지 전방으로 부유하여 흐른다(floats). 용융로가 작동하는 동안에는, 축열기(28, 30)들은 연소 공기와 배기 사이클(exhaust cycles) 사이에서 교대로 동작된다. 특정 용융로에 따라, 매 20분 또는 30분마다, 일련의 버너들(48a-48h , 50a-50h)의 화염의 통로가 반전된다. 그래서, 각 버너들 (48a-48h, 50a-50h)에서 생성된 화염과 연소 생성물이 용융 유리의 표면을 거쳐 통과하면서 용융 챔버(10)와 정제 챔버(12)내에 있는 그 유리에 열을 전도한다.
분상 석유 코크스의 공급
도 5와 도 6에 있어서, 본 발명의 제1 실시예에 의한 유리 용융로내에서의 분상 연료를 공급 및 연소시키는 시스템(A)은, 분상 석유 코크스나 다른 유형의 원료의 저장을 위한 제 1 저장 사일로 또는 탱크(56, 58)를 포함한다. 저장 사일로(56, 58)에 대한 공급은 웨건트레인(wagon train)(60)과 사일로(56, 58) 사이에 연결된 제1 인입 파이프(62)에 의해 웨건 또는 웨건트레인(wagon or wagon train)(60)을 통해 이루어진다. 제1 메인 파이프(62)는 각 사일로 (56,58)에 대한 장전을 위해 각 사일로 (56, 58)에 각각 연결된 제1 분지파이프(branch pipe)(64, 66)를 구비하고 있다. 각 사일로 (56, 58)에 대한 장전을 조절하기 위해 밸브(68, 70)가 각 제1 분지파이프(64, 66)에 연결된다. 각 사일로(56, 58)는 제1 배출 파이프(72)에 의해 진공 펌프(70)를 통한 진공 효과에 의해 채워진다. 제1 배출 파이프(72)는 각 사일로(56, 58)와 연결되기 위해 제2의 분지파이프(74, 76)를 구비한다. 각 사일로(56, 58)의 장전을 위해 진공 펌프(70)에 의해 제공된 진공 효과를 조절하기 위해 밸브(78, 80)가 제2 분지 파이프(74, 76)에 의해 각각 연결된다.
각 사일로 (56, 58) 아래에, 제2 배출 파이프(90)내로의 분상 코크스의 일정한 배출흐름을 유동화시키고 확보하기 위하여 원뿔부(82, 84)와 하나의 중량측정 코크스 공급 시스템(86, 88)이 포함되며, 이렇게 하여 분상 물질이 고체 연료 투입 시스템(SD-5, SD-6, SD-7)에 보내진다. 제2 배출 파이프(90)는 각 사일로 또는 탱크(56, 58)의 각 원뿔부(82, 84)의 바닥에 연결된 제3 분지파이프(92, 94)를 포함한다. 제2 배출 파이프(90)에 대한 분상 석유 코크스의 흐름을 조절하기 위해 밸브(96, 98)가 제3 분지파이프(92, 94)에 각각 부착된다.
분상 석유 코크스의 투입 시스템(D)
본 발명에 따른 투입 시스템(D)에 있어서, 분상 석유 코크스는 제2 배출 파이프(90)를 통하여 각 고체 연료 투입 시스템(SD-5, SD-6, SD-7)에 수용된다. 고체 연료 공급 시스템(SD-5, SD-6, SD-7) 쪽으로 제1 사일로 또는 탱크(56, 58)의 분상 코크스를 운반하기 위해, 제4 분지 파이프(100, 102와 104)가 제2 배출 파이프(90)에 연결된다. 각각의 고체 연료 공급 시스템(SD-5, SD-6, SD-7)은 일련의 제2 사일로 또는 탱크(106, 108, 110)를 포함한다. 일련의 제2 사일로(106, 108, 110)는, 원뿔부(112, 114, 116); 중량측정 코크스 공급 시스템(118, 120, 122); 통기 시스템(124, 126, 128); 공급기(130, 132, 134); 그리고 필터(136, 138, 140)로 구성되어 추후 기술될, 각 버너들 (48f, 48g, 48h, 50f, 50g, 50h) 각각에 대해 일정한 흐름의 분상 코크스를 방출시킨다.
공압식 공기 압축기(142)와 공기 탱크(144)는 제2 메인 파이프(146)에 의해 연결된다. 일련의 제2 사일로 또는 탱크(106, 108, 110)의 각각의 내부쪽으로 코크스를 운반하기 위해 제1 인입 분지 파이프(148, 150, 152)가 필터(136, 138, 140)를 통해 여과된 공기를 공급하는 제2 메인 파이프(146)에 연결된다. 제2 메인 파이프(146)는, 추후 기술될, 제3 배출 파이프(160, 162, 164) 쪽으로 코크스가 적절히 흐르도록 하기 위해 각 통기시스템(124, 126, 128)과 연결된 제1 복귀 분지 파이프(154, 156, 158)를 포함한다. 부가적으로, 제2 인입 파이프(166)는 각 사일로 또는 탱크(56, 58)의 내부 쪽으로 공기를 불어넣기 위하여 각 사일로 또는 탱크(56, 58)의 상부에 연결된 제2 인입 분지 파이프(168, 170)를 포함하는, (공기 탱크(144)의 다음에 있는) 제2 메인 파이프(146)와 연결된다.
고체 연료 공급 시스템( SD-5, SD-6, SD-7 )은 각 공급기 (130, 132, 134)의 아래에 연결된 제4 배출 파이프(172, 174, 176)를 포함한다. 삼방향 조절밸브(178, 180, 182)가 제1 통로를 통하여 제4 배출 파이프(172, 174, 176)와 각각 연결되고; 제2 통로가 일련의 제2 사일로 또는 탱크(106, 108, 110) 쪽으로 과잉 분상 코크스를 되돌리기 위해 제1 복귀 파이프(179, 181, 183)와 연결되며, 제3 통로는 지금 설명할 연소시스템(E)과 관련된 제4 통로 파이프(184, 186, 188)의 장치 쪽으로 공기-연료 혼합물을 공급하기 위해 사용되는, 제3 배출 파이프(160, 162, 164)와 연결된다.
연소시스템(E)
이제 연소시스템(E)을 살펴보면, 이것은 각 고체 연료 공급시스템(SD-5, SD-6, SD-7)의 제3 배출 파이프(160, 162, 164)와 각각 연결된 4방향 파이프(184, 186, 188)의 제1 통로를 통해 각 고체 연료 공급시스템(SD-5, SD-6, SD-7)과 연결된다. 제2 통로는 버너들(48h, 48g, 48f) 쪽으로 공기-연료 혼합물을 공급하기 위해 제4 배출 파이프(190, 192, 194)와 각각 연결된다. 4방향 파이프(184, 186, 188)의 제3 통로는 버너들(50h, 50g, 50f) 쪽으로 공기-연료 혼합물을 공급하기 위해 제5 배출 파이프(196, 198, 200)와 연결되고 4방향 파이프(184, 186, 188)의 제4 배출구는 일련의 제2 사일로 또는 탱크(106, 108, 110) 쪽으로 과잉 분상 코크스 를 되돌리기 위해 제2 복귀 파이프(202, 204, 206)에 각각 연결된다. 4방향 파이프(184, 186, 188)는 제4 배출 파이프(190, 192, 194), 제5 배출 파이프(196, 198, 200) 그리고 제2 복귀 파이프(202, 204, 206)의 4방향 파이프(184, 186, 188)와의 사이에 각각 밸브(208A-208C, 210A-210C, 212A-212C)를 갖는다.
이러한 방식으로, 용융로가 작동하는 동안에, 버너들(48a-48h 또는 50a-50h)은 연소와 비연소 사이클 사이에서 교대로 동작된다. 특정 용융로에 따라, 매 20분 또는 매 30분마다, 일련의 버너들(48a-48h 또는 50a-50h)의 화염 통로가 반전된다. 제3 배출 파이프(160, 162, 164)를 통하여 도착되는 공기-연료 혼합물은 공기-연료 혼합물의 주입을 각 버너들(48a-48h, 50a-50h) 간에 교대로 하기 위하여 4방향 파이프(184, 186 및 188)와 볼 밸브(208A-208C, 210A-210C, 212A-212C)에 의해 조절된다. 버너들(48a-48h, 50a-50h) 간에 작동 사이클의 교번이 수행될 때, 일정량의 공기-연료가 제2 복귀 파이프(202, 204, 206)에 의해 일련의 제2 사일로 또는 탱크(106, 108, 110)에 되돌려진다.
제3 배출 파이프(160, 162, 164)를 통하여 공급된 송급 공기(supply air)는, 석유 코크스를 운반하기 위해 그리고 각 버너들(48a-48h, 50a-50h)의 노즐을 향한 코크스 주입의 높은 속도를 촉발시키기 위해 사용된다. 송급 공기는 제3 메인 파이프(216)를 통하여 공압식 송급 공기 송풍기(214)에 의해 공급된다.
버너들(48a-48h, 50a-50h)에 송급되고 있는 연료-공기 혼합물의 높은 비율(relation)을 유지하기 위해 제4 배출 파이프(218, 220, 222)가 제3 메인 파이프(216)와 제3 배출 파이프(160, 162, 164)에 연결된다.
버너들 (48a-48h 또는 50a-50h)의 연소 사이클을 달성하기 위해, 각 버너(48a-48h 또는 50a-50h)에는 공기-연료 혼합물이 개별적으로 공급된다. 이러한 혼합물은 각 버너(48a-48h 또는 50a-50h)의 내부 튜브를 통해 공급되어, 분배 챔버(distribution chamber)에 도달하여, 각 버너(48a-48h 또는 50a-50h)의 다른(diverse) 주입 노즐에 분배된다.
각 버너(48a-48h 또는 50a-50h)내에서의 예열된 연소 공기와 분상 연료의 혼합물의 흐름의 교류(turbulence)를 늘리기 위해, 1차 공기가 1차 공기 송풍기(224)로부터 주입되는데, 각 버너(48a-48h 또는 50a-50h)의 주입 노즐을 통해 압력 하에 공급된다. 따라서, 버너들(48a-48h 또는 50a-50h)의 동작은, 높은 고체-공기 비율로 그리고 화학양론적 공기의 대략 4%의 1차 공기의 비율로 공압식 운반을 통하여 코크스를 주입하게 된다.
제6 배출 파이프(226)와 제7 배출 파이프(228)가 1차 공기 송풍기(224)와 연결된다. 제6 배출 파이프(226)가 제5 분지 파이프(230, 232, 234)와 연결되고 제7 배출 파이프(228)가 제6 분지 파이프(236, 238, 240)와 연결된다. 제5 및 제6 분지 파이프(230, 232, 234, 236, 238, 240)의 출구 단부는 각각 직접 각 버너(48a-48h 또는 50f-50h)와 연결된다. 제5 및 제6 분지 파이프(230, 232, 234, 236, 238, 240) 내에서의 1차 공기의 흐름은 제1 글로브 밸브(first glove valve)(242), 제1 볼 밸브(first ball valve)(244)와 제2 글로브 밸브(246)로 된 장치에 의해 개별적으로 조절된다.
부가적으로, 제6 배출 파이프(226)는 제5 배출 파이프(196, 198, 200)와 각 각 연결되는 제7 배출 파이프(248, 250, 252)를 포함한다. 그리고, 제7 배출 파이프(228)는 제4 배출 파이프(190, 192, 194)와 각각 연결되는 제6 배출 파이프(254, 256, 258)를 포함한다. 제6 및 제7 배출 파이프(248, 250, 252, 254, 256, 258)는 각각 체크 밸브(check valve)(260)와 볼 밸브(262)를 구비한다.
위에 설명한 장치를 통해, 1차 공기 송풍기(224)는 제6 배출 파이프(226)와 제7 배출 파이프(228)를 통하여 그리고 제7 배출 파이프(228)와 각 제5 및 제6 분지 파이프(230, 232, 234, 236, 238, 240)에 의해 버너[48f-48h(왼쪽버너) 또는 50f-50h]에 1차 공기를 공급한다. 1차 공기 송풍기(224)는 각 버너(48f-48h 또는 50f-50h)가 동작하는 동안 최대 공기 흐름을 공급하기 위해 동작하게 된다. 한편, 최소 공기 흐름이 더 좋은 냉각 조건을 보장하기 위해 각 제6 및 제7 배출 파이프(248, 250, 252, 254, 256, 258)에 의해 작동되지 않는 버너들(48 f-48h 또는 50f-50h)을 위해 송급된다.
본 발명이 3개의 버너들(48f, 48g, 48h 및 50f, 50g, 50h)을 기초로 하여 설명되기는 하였으나, 본 발명의 시스템이 모든 버너들(48a-48h 및 50a-50h)에 적용될 수 있음을 유념하여야 한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 유리의 용융은 두가지 또는 세가지 유형의 연료로 수행될 수 있는데, 예를 들면 도 3의 버너들(48a-48d, 50a-50d)은 석유 코크스가 분상 연료로서 공급될 수 있고; 버너들(48e-48h 와 50e-50h)은 가스 또는 연료유가 공급될 수 있다. 본 발명의 제3 실시예에서, 버너들(48a-48d, 50a-50d)은 석유 코크스를 분상 연료로서 공급받을 수 있고; 버너들(48e-48f, 50e-50f)은 가스를 공급받을 수 있으며; 버너들(48g-48h, 50g-50h)은 연료유를 공급받을 수 있다. 이러한 결합은 가스 또는 연료유를 유리 용융을 위한 주연료로 사용하는 유리 용융로가 현재 이미 존재하고, 가스 또는 연료유의 작동이 당업계에서 잘 알려진 것을 고려하고 있다.
분상 연료 버너
부가적으로, 분상 석유 코크스의 우수한 연소를 수행하기 위해, 특수 버너가 유리 용융로에서 분상 연료를 공급 및 연소시키기 위한 시스템과 함께 사용되도록 고안되었다. 적은 량의 NOx을 생성하는 상기 버너는, 분상 연료의 화염의 단열온도(adiabatic temperature)(약 1,900~2,000℃사이)가 같은 조작 조건하에 가스의 단열온도보다 작기 때문에, 유리 품질에 영향을 주지 않는 가벼운 회 (volant ashes)를 생성한다.
도 7 내지 도 12는, 본 발명에 의한 분상 연료를 공급 및 연소시키기 위한 버너(48f)의 상세도를 보여준다. 분상 연료 버너(48f)는, 하나에 다른 하나가 동심원으로 배치된 외부 파이프(266), 중간 파이프(268) 그리고 내부 파이프(270)(도 10)로 구성된 본체(264)를 포함한다. 외부 파이프(266)는 상부 단부(272)(도 9)에서 닫혀진다. 제1 챔버(276)는 외부 파이프(266)와 중간 파이프(268)에 의해 구획된 공간에 의해 구획된다. 외부 파이프(266)는, 버너(48f)의 냉각을 위해 제1 챔버(276)에 냉각수가 도입되는 인입 파이프(278)와 배출 파이프(280)를 구비한다(도 8). 중간 파이프(268)와 내부 파이프(270)는 외부 파이프(266)의 상부 단부(272)를 넘어 뻗어 있다.
버너(48f)의 상부에, 공기 인입 파이프(282)가 중간 파이프(268) 주위에 경사진 형태로 연결되는데, 이것은 내부 파이프(270)와 중간 파이프(268)에 의해 구획된 공간에 형성된 제2 챔버(284)내에 1차 공기 또는 천연 가스의 흐름을 도입하기 위한 제6 분지 파이프(236)(도 7 참조)와 연결되기 위한 것이다. 제2 챔버(284)는 1차 공기 또는 천연 가스가 공기 인입 파이프(236)로부터 버너(48f)의 하단부로 나아가고, 그곳으로 운반되게 한다(도 7). 제2 챔버(284)내에서의 1차 공기의 흐름은 제1 글로브 밸브(242)와 제1 볼 밸브(244) 그리고 제2 글로브 밸브(246)의 장치에 의해 조절된다.
같은 방법으로, 2차 공기와 분상 석유 코크스의 혼합물은 내부 파이프(270)의 상단(286)에 도입되고 버너(48f)의 하단에 운반된다. 내부 파이프(270)의 상단(286)은, 상기 버너(48f) 쪽으로 분상 연료-2차 공기 혼합물을 공급하기 위해 제4 배출 파이프(194)와 각각 연결된다. 따라서, 1차 공기 및 2차 공기와 분상 석유 코크스의 혼합물이 버너(48f)의 하단에 도달할 때, 1차 공기 또는 천연 가스와 분상 연료-2차 공기의 혼합물은 지금 설명할, 연소 공정을 점화시키기 위해 혼합된다.
이제 도 10 내지 도 12를 살펴보면, 이들은 본 발명에 따라 분상 연료를 공급하고 연소시키기 위한 버너(48f)의 실시예의 상세도를 보여주고 있다.
기본적으로, 버너(48f)(도 10)는 서로 동심원으로 배치된 외부 파이프(266), 중간 파이프(268) 그리고 내부 파이프(270)로 구성된 본체(264)를 포함한다. 제1 챔버(276)는 외부 파이프(266)와 중간 파이프(268)에 의해 구획된 공간에 형성된다. 외부 파이프(266)는, 버너(48f)의 냉각을 위해 냉각수가 제1 챔버(276)에 도입되는 인입 파이프(278)와 배출 파이프(280)를 갖는다.
1차 공기 또는 가스의 흐름을 도입하기 위한 제2 챔버(284)는, 내부 파이프(270)와 중간 파이프(268)에 의해 구획된 공간에 형성된다. 제2 챔버(284)는 공기 인입 파이프(236)로부터 1차 공기 또는 가스를 내보내고(direct)[도 7], 버너(48f)의 하단에 운반되도록 해준다. 같은 방법으로, 2차 공기와 분상 석유 코크스의 혼합물이 내부 파이프(270)의 상단(286)에 도입되어, 버너(48f)의 하단에 운반된다.
도 10 내지 도 12에 있어, 버너(48f)의 하단(274)은 1차 공기 또는 가스와 2차 공기-분상 연료를 동시에 받아들이고 배분하기 위한 흐름 분배기(286)를 포함한다. 흐름 분배기(286)[도 11]는 버너(48f)의 하단(274) 아래에 연결되고, 2차 공기-분상 연료의 혼합물을 받아들이기 위해 제1 분배 챔버(290)를 구획하는 본체(288); 1차 공기 또는 가스의 흐름을 받아들이기 위해 제2 분배 챔버(292); 그를 통해 버너(48f)의 냉각을 위한 냉각수가 제3 챔버(294)에 도입되는 제1 분배 챔버(290)와 제2 챔버(292)를 둘러싸고 있는 제3 챔버(294)를 포함한다. 제1 챔버(290)는 반-구상(semi-spherical) 벽(296)내에 구획되어 있다. 반-구상 벽(296)은 상부에, 즉 내부 파이프(270)의 하단과 중간 고리형 슬리브(intermediate annular sleeve)(300)와 연결되고 외부 파이프(268)의 하단부와 연결되는 제1 내부 고리형 슬리브(298)에 의해 형성되고, 1차 공기 또는 가스가 흐르도록 만들어진 2 차 챔버(342)를 구획한다.
흐름 분배기(286)는 또한 1차 공기 또는 가스와 2차 공기-분상 연료 혼합물의 흐름을 수직의 흐름에서 길이방향흐름으로 일탈시키기 위하여 본체(288)의 반-구상 벽(296)에 대해 90°위치에 위치된 방출 단부(302)(discharge end)를 포함한다. 방출 단부(302)는 제1 분배 챔버(290)를 본체(286)의 외주와 연결하고 본체(286)에 길이방향으로 형성된 통로(passage)(304)를 포함한다[도 10과 12]. 통로(304)는, 분상 연료-2차 공기 혼합물이 그를 통해 흐르는 제1 내부 고리부(first inner annular section)(306)에 의해 형성된다. 제1 고리부(306)는 각 통로의 선단에 적은 직경을 갖도록 원뿔대형태(frusto-conical form)로 내부적으로 형성된다. 그리고 제2 중간 고리 부(308)는 그를 통해 1차 공기 또는 기체가 흐르게 만들어진 제1 내부 고리 부(306)를 둘러싸고 있다. 제1 내부 고리 부(306)와 제2 중간 고리 부(308)는, 유리 용융로의 챔버내에서 2차 공기-분상 석유 코크스 및 1차 공기 또는 가스를 동시에 혼합하기 위한 노즐(310)을 수용하기 위한 통로를 구획한다. 마지막으로, 본체(288)의 주위와 제2 중간 고리 부(308)는 버너(48f)의 냉각을 위한 물이 흐르도록 하기 위하여 제3 챔버(294)를 구획한다.
이제 노즐(310)을 살펴보면, 이것은 헤드(312)의 후방 부분에 위치하는 원통형 헤드(312)와 원통형 부재(314)를 포함한다. 원통형 부재(314)는, 원통형 부재(314)의 주위를 횡단하는 중앙 오리피스(316)와 적어도 하나의 복수의 오리피스(318)를 포함한다. 원통형 부재(314)는, 제2 챔버(292)에 닫혀진 부분을 형성하는 제1 내부 고리 부(306)와 제2 중간 고리 부(308)에 의해 구획된 입구에 수용된 다. 원통형 부재(314)가 상기 입구에 수용될 때, 복수의 오리피스(318)가, 흐름 분배기(286)로부터 1차 공기 또는 기체의 출구 흐름을 허용하기 위해, 제2 챔버(292)와 일치하여 (in coincidence with the second chamber) 배치된다. 제1 고리형 홈부(320)가 흐름 분배기(286)의 전면 쪽으로 1차 공기 또는 기체의 흐름을 일탈시키기 위해, 제1 내부 고리 부(306)와 원통형 부재(314)의 내부 부분 사이에 구획된다.
버너의 제3의 실시예에서(도 11), 흐름 분배기(286)는 본체(288)에 대해 90°위치에 배치된 두 개의 방출 단부(322, 324)를 가진 것으로 도시되어 있다. 노즐(326, 328)은 방출 단부(322, 324) 중 각 하나에 의해 수용된다. 방출 단부(322, 324)는 세로의 축(330)에 대하여 서로 대략 10°~ 20°까지의 각도로 떨어져 있다.
이제, 도 8 및 도 10에 도시된 버너(48f)에 따라, 1차 공기가 공기 인입 파이프(282)를 통하여 들어가서, 내부 파이프(270)와 중간 파이프(268)에 의해 구획된 공간에 형성된 제2 챔버(284)에 1차 공기 또는 가스의 흐름을 도입한다. 후에, 1차 공기 또는 가스의 흐름은 노즐(310, 326, 328)의 복수의 오리피스(318)를 밖으로 방출되도록 제2 분배 챔버(342)를 통해 계속된다.
동시에, 2차 공기와 분상 석유 코크스의 혼합물이 내부 파이프(270)를 통해 상단(286)에서 도입되고 제1 분배 챔버(290)로 운반된다. 그리고 이 부분으로부터 이 혼합물이 흐름 분배기(286)의 통로(304)로 흐른다. 이 혼합물은 유리 용융로의 챔버에 도입되도록 축 방향으로 통로(304)를 통해 공급된다. 1차 공기 또는 기체, 그리고 2차 공기와 분상 석유 코크스의 혼합물이 노즐(310 또는 326, 328)의 출구 에서 동시에 연소된다.
냉각수가 버너를 냉각시키기 위하여 제1 챔버(276)와 제3 챔버(294)를 통하여 계속 도입된다.
도 13에 있어서, 이것은 본 발명에 의한 분상 연료를 공급하고 연소시키기 위한 버너(48f)의 상세도이다. 제3의 실시예에서, 확장된 원뿔부(366)를 포함하는 도 13에 도시된 버너(48f)는, 상기 버너(48f)의 몸체에서 제1 부분(368)에서 제2 부분(370)까지 균일하게 감소된다. 상기 제2 부분(370)은 버너(48f)의 하부에서 흐름 분배기(376)와 연결된다. 이 경우, 공기나 기체 그리고 분상 혼합물의 속도는 버너가 최대 직경부(374)에서 최소 직경부(372)까지의 감소에 기인하여 증가된다. 흐름 분배기(376)는 (도 16의 엘보우의 90°의 각도와 유사한) 곡률을 가지고, 수직의 흐름부터 길이방향의 흐름까지 분상 고체 연료-2차 공기 혼합물과 1차 흐름의 흐름 궤적을 점차적으로 변화시키기 위하여 그리고 지금 기술하려는 바와 같이, 노즐(378)에서 분상 연료-2차 혼합물의 출구 흐름을 균일하게 하기 위하여 버너(48f)의 하부에 연결된다. 하나의 노즐(378)이 흐름 분배기(376)의 출구 단부에 연결된다. 상기 노즐(378)은 분상 연료-2차 공기 혼합물이 그를 통해 흐르는 중앙 오리피스(379)와 내부 파이프(270)와 중간 파이프(268) 사이에 형성된 제2 챔버(292)와 일치하는 일련의 오리피스(380)를 포함하고, 흐름 분배기(376) 밖으로 1차 공기 또는 기체의 방출 흐름을 허용한다. 제2 연결 챔버(292)와 일치하는 일련의 오리피스(380)는 분상 연료-공기 혼합물의 출구 흐름에 대하여 평행 관계로 놓일 수 있다. 제2의 실시예에서(도 18), 오리피스(380)는, 공기의 제1 흐름에 대하여 소용돌 이 효과를 제공하고, 그 결과 그 분상 연료-공기 혼합물에 소용돌이 효과를 제공하기 위해 상기 노즐(378)내 모서리가 있는 위치에 형성된다. 이런 방식으로, 1차 공기와 분상 연료-2차 공기 혼합물이 버너(48f)의 하단부에 도달하고 이들은 유리 용융로에서 연소 공정을 점화하기 위해 노즐(378)의 출구 단부에서 혼합된다. 이 구조는 약 1대 약 3.25의 분상 연료-공기 관계 및 적어도 18m/s의 운송 공기 속도, 그리고 약 400에서 1,300 kg/hr의 가동 범위를 갖는다. 부가적으로, 버너는 용융로내의 분상 연료의 완전 연소를 개선하기 위해 약 1,200℃부터 예열된 공기를 사용한다.
도 14, 15, 16, 17 그리고 도 18는, 본 발명에 의한 버너(48f)의 제4의 실시예가 도시하며, 여기에서 내부 파이프(270)와 중간 파이프(268) 그리고 외부 파이프(266)의 직경을 균일하게 줄이기 위해 짧은 원뿔부(382)가 버너(48f)의 하단에 형성된다. 흐름 분배기(376)[도 16]는 수직의 흐름에서 수평의 흐름까지 분상 연료-2차 공기 혼합물과 1차 공기의 흐름 궤적의 방향을 바꾸기 위하여 90°의 엘보우 형태를 가지고 있다. 흐름 분배기(376)는, 서로 동심원으로 배치된 외부 원통 형체(384)와 중간 원통 형체(386) 그리고 내부 원통 형체(388)를 포함한다. 상기 흐름 분배기(376)는 본체(264)의 내부 파이프(270)와 중간 파이프(268) 그리고 외부 파이프(266)의 하단과 각각 연결된다. 외부 벽(384)와 중간 벽(386) 사이에 구획된 공간은 냉각수가 흐르는 챔버(390)를 구획한다. 같은 방식으로, 노즐(378)의 출구 단부에서 분상 연료-2차 공기 혼합물과 혼합되기 위해 제2 챔버(284)[도14]로부터 공급되는 1차 공기 또는 기체의 흐름을 받아들이기 위해, 구획하는 중간 벽(386)과 내부 벽(388) 사이의 공간이 챔버(392)를 구획한다.
마지막으로 도 19, 도 20 그리고 도 21은, 흐름 분배기(376)가 두 개의 방출 단부(394, 396)로 두 갈래로 나뉘어지는 버너(48f)의 제5의 실시예를 보여준다. 이 경우, 방출 단부 (394, 396)는 대략 10°~20° 사이의 각도로 서로 분리된다. 노즐(398, 400)은 방출 단부(394, 396)의 각각에 위치한다. 방출 단부(394, 396)는, 균일하고 정형적 흐름을 만들어 내기 위하여 그리고 화염을 확대시키고 결과적으로 유리내의 열전도의 좋은 분포를 제공하기 위해, 비례분할(proportional division)을 제공한다.
상술한 바에 따라, 유리 용융로에서 열교환기 역할을 하는 밀봉된 축열기와 결합된 내화재와 복수의 버너가 배치된 유형의 유리 용융 영역을 포함하는 유리 용융로 내에 분상 연료를 공급하고 연소시키기 위한 방법이 제공되며, 이 방법은;
고정탄소(fixed carbon), 그리고 유황, 질소, 바나듐, 철과 니켈의 불순물 재료 EH는 그 혼합물을 포함하는 분상 연료를 유리용융로의 밀봉된 축열기와 결합된 상기 버너의 각각에 화학양론적 공기에 대하여 대략 16%를 넘는 공기의 연료-공기 비율로 용융로에 직접 공급하는, 분상 연료 공급하는 것과;
상기 용융로의 용융 영역의 상기 버너의 각각에 의해 상기 분상 연료를 연소시켜서, 유리 용융을 위해 상기 용융 영역에서 연소 공정을 수행하기 위해 각 버너에 대해 화염을 생성하는 것과;
유리 용융로에서 분상 연료의 연소가 수행되는 동안이나 후에 상기 분상 연료의 연소에 의해 생성된 탄소와 불순물질의 방출을 연도 가스를 정화하고 SOx 및 NOx 와 미립자와 같은 분상 연료로부터 불순물의 방출을 감소시키기 위하여 상기 유리 용융로의 폐가스 배출구에 배치된 환경 제어 수단에 의해 제어하는 것과;
유리 용융로내의 분상 연료의 연소에 의해 생성된 부식 및 연마 효과를 제어하도록 유리 용융로내의 상기 분상 연료의 연소에 의해 생성된 상기 부식 및 연마 효과를 내화 수단에 의해, 제어하는 것을 포함한다.
이러한 방법은 또한;
일련의 배분 수단 쪽으로 분상 연료 물질을 공급하는 단계와;
일련의 배분 수단내에 분상 연료 물질을 유동화시키는 단계와;
일련의 배분 수단으로부터 최소한 하나의 메인 파이프 쪽으로 유동화하는 분상 연료 물질을 방출하는 단계와;
메인 파이프 쪽으로 분상 연료의 일정한 흐름을 방출하기 위하여 유동화하는 분상 연료를 1차 공기의 제1 흐름과 함께 혼합하는 단계와;
교번 작동 사이클로 두 개의 분배 파이프의 각각에 의해 연료-1차 공기 혼합물을 공급하기 위해, 분상 연료와 1차 공기의 혼합물을 적어도 두 개의 분배 파이프내에 유동화하여 배분하는 단계와;
연소와 비연소 사이클 사이에서 교대로 작동하는 사이클로 상기 제1 및 제2 버너들을 작동시키기 위하여, 두 개의 분배 파이프로부터 용융로의 일련의 제1 버너들과 일련의 제2 버너들에 연료-공기를 공급하는 단계와; 그리고
상기 버너들 각각에 의해 더 좋은 연소 사이클을 유지하기 위하여, 제1 및 제2 버너들의 각각에 의해 공기의 제2 흐름을 동시에 제공하는 단계를 포함하며,
여기서, 제1 과 제2 버너의 각각에 의해 공기의 제2 흐름을 송급하는 단계는, 유동화하는 분상 연료와 제1 공기의 내부 흐름과 공기의 제2 흐름의 외부 흐름을 각 버너에 의해 동시에 제공한다.
환경 제어
마지막으로, 유리 용융로에서 분상 연료의 연소가 수행되고 난 후에, 대기오염과 대기 중에 유황, 질소 바나듐, 철과 니켈 화합물의 방출을 감소시키고 제어하기 위한 장치가 터널(44)의 단부에 놓이고, 폐가스용 연돌(chimney)(46)과 연결된다. 본 발명에 따른 오염 제어 시스템은 유리 용융로의 폐가스 배출구에 적합하다.
오염물 방출의 제어를 위해, 전기 집진기는 유리 용융로 미립자 물질 제거에 있어 훌륭하게 작동하는 것이 입증되었다. 유리 용융로의 미세 미립자 물질은 전기 집진기에 대해 문제를 나타내지 않는다.
미립자 물질 외에 SO2 제거가 더 필요한 경우, 건식 또는 부분 습식 스크러버가 전기 집진기 또는 섬유 여과 장치에 효력있는 보완물(complement)이 된다. 사실, 높은 산성 가스의 조건 하에서, 스크러버는 부식성 가스의 농도를 감소시키기 위해 필요하다. 새로운 연료의 사용의 경우, 스크러버는 SO2 함유량을 더 낮추기 위해 필요하게 될 것이다. 그것은 부식 방지를 위한 시스템에 이로운 역할을 할 뿐만 아니라 배기 가스의 온도를 낮추고 가스 부피를 축소시킬 것이다.
건식 스크러빙(건식 반응 분말의 주입)과 반습식 스크러빙은 전기 집진기의 커다란 반응 챔버 상류에서 발생한다. 건식과 습식 모두에서, 스크러빙 원료는 Na2CO3, Ca(OH)2, NaHCO3 또는 기타를 포함할 것이다. 반응 결과 물질은 유리 제조 공정에서 기초적 성분이므로 어느 정도까지는 재활용이 가능한 것이 일반적이다.
제일 중요한 법칙은, 연료에 있는 유황의 1%마다, 용융된 유리 1톤당 약4 파운드의 SO2가 생성된다는 것이다. 그래서, 고유황 연료의 경우, 많은 건성 폐기물, 예를 들어 NaSO4가 많게 될 것이다. 폐기물의 이러한 양은 재활용될 수 있는 원료의 포착 비율과 원료에 따라 변화할 것이다. 그러나 그 수는 상당할 것이다. 고유황 연료로 작동하는 부동식 로(float furnace)의 경우, 거기에 1일 5톤까지의 폐기물이 있을 수 있다.
스크러빙의 성능레벨은, 건성 NaHCO3 또는 반 습성 Na2CO3를 사용할 경우 50%에서 90%까지 이른다. 온도 제어는, 모든 스크러빙에서 중요하며, 스크러빙 물질의 약 250℃부터 400℃까지 이르는 타켓 반응 온도(target reaction temperatures)에 따라 다르다.
습식 스크러버는 형상, 크기 및 적용예가 거의 무한대로 다양하다. 그 중 유리 제조에 관한 두 개의 중요한 적용예는 가스(SO2)를 모으기 위한 것과 특정 물질을 포착하기 위한 것이다.
이상과 같이, 유리 용융로의 최소한 하나의 버너에서 분상 연료의 공급 및 연소를 위한 시스템이 기술되는 바, 다음 청구항에 의해 결정된 범위 내에서 고려될 수 있 는 다른 많은 특징이나 진보가 전문가들에게 명백할 것이다.

Claims (16)

  1. 서로 동심원적으로 배치되어 있는 외부 파이프, 중간 파이프 그리고 내부 파이프를 포함하여 구성되고, 상기 외부 파이프와 중간 파이프가 제1 챔버를 형성하고, 상기 외부 파이프가 버너의 냉각을 위해 상기 제1 챔버에 냉각 유체를 도입하고 순환시키기 위한 인입 파이프와 배출 파이프를 포함하며, 상기 중간 파이프가 제2 챔버에 공기나 가스의 제1 흐름을 도입하기 위한 제1 인입구를 포함하고, 상기 제2챔버는 상기 내부 파이프와 중간 파이프 사이에 구획되며, 상기 내부 파이프는 그것을 통해 분상 연료-공기 혼합물의 흐름의 도입을 위한 제2 인입구를 포함하도록 구성된 본체와;
    상기 본체의 하단부와 일렬로 정렬된 입구 단부를 가지고, 상기 분상 연료-공기 혼합물과 상기 공기나 가스의 흐름에 대한 흐름 궤적을 균일하게 변화시키기 위한 곡률을 가지며, 외부 원통 형체, 중간 원통 형체 및 내부 원통 형체를 포함하여 구성되고, 그 냉각을 위해 상기 외부 원통 형체와 중간 원통 형체가 상기 본체의 냉각 액체를 순환시키기 위한 제1 연결 챔버를 구획하며, 상기 내부 원통 형체와 중간 원통 형체가 상기 본체의 제2 챔버의 공기나 가스의 제1 흐름에 대한 흐름 궤적을 받아들이고 변화시키기 위한 제2 연결 챔버를 구획하고, 유리 용융로의 연소 영역내 공기나 가스의 제1 흐름과 혼합되도록 최소한 하나의 그 출구 단부 쪽으로 분상 연료-공기 혼합물을 받아들이고 운반하기 위한 메인 유체 챔버(main fluid chamber)를 포함하여 구성되는 흐름 배분 수단과; 그리고
    상기 흐름 배분 수단의 각 출구 단부에 연결되고, 분상 연료-공기 혼합물의 배출을 허용하기 위해 메인 유체 챔버와 일치하게 배치된 중앙 오리피스와 유리 용융로의 상기 연소 영역내에 화염을 생성하기 위한 흐름 배분 수단의 출구 단부에서 공기 또는 가스의 제1 흐름과 상기 분상 연료-공기 혼합물이 동시에 혼합되도록 하기 위해 제2 연결 챔버와 일치하게 배치된 복수의 오리피스를 포함하는 적어도 하나의 방출 노즐;을 포함하여 구성되는 유리 용융로내의 분상 연료 연소를 위한 버너.
  2. 제1항에 있어서, 출구 통로가 제1 내부 고리부와 제2 중간 고리부를 포함하고, 상기 제1 내부 고리부와 제2 중간 고리부가 방출 노즐을 수용하기 위한 접근부를 구획하는, 유리 용융로내의 분상 연료 연소를 위한 버너.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 내부 고리부가 상기 흐름 배분 수단의 전면부 쪽으로 1차 공기나 가스의 흐름을 일탈시키기(deviate) 위한 제1 고리 홈부를 포함하는, 유리 용융로내의 분상 연료 연소를 위한 버너.
  4. 제1항에 있어서, 냉각 액체가 물인, 유리 용융로내의 분상 연료 연소를 위한 버너.
  5. 제1항에 있어서, 상기 방출 노즐이,
    헤드(head)와, 상기 헤드의 후방에 결합되고 하나의 중앙 오리피스와 주위에 형성된 적어도 하나의 오리피스를 포함하는 원통형 부재(cylindrical member)를 포함하며, 각 방출 단부에 연결되고, 상기 오리피스들이 제2 연결 챔버(connecting chamber)와 상기 중앙 오리피스 사이가 연통하도록 상기 원통형 부재의 주변에 옆으로 형성된 구조를 갖는, 유리 용융로내의 분상 연료 연소를 위한 버너.
  6. 제5항에 있어서, 원통형 부재의 복수의 오리피스가 원통형 부재에 대해 수직형태로 형성된, 용융로내의 분상 연료 연소를 위한 버너.
  7. 제5항에 있어서, 원통형 부재의 복수의 오리피스가, 분상 연료-공기 혼합물 주위에 공기나 가스의 제1 흐름의 소용돌이 효과를 제공하기 위해, 0도 내지 15도의 각도로 접선으로 형성된, 유리 용융로내의 분상 연료 연소를 위한 버너.
  8. 제1항에 있어서, 상기 흐름 배분 수단의 출구 통로가 각각의 사이에 약 10도 내지 약 20도의 각도로 분리된, 유리 용융로내의 분상 연료 연소를 위한 버너.
  9. 제1항에 있어서, 상기 본체가 상기 버너 몸체내에 최대 직경부에서 최소 직경부로 균일하게 감소되는 원뿔부를 포함하고, 최소 직경부가 공기나 가스의 제1 흐름과 상기 분상 연료-공기 혼합물의 속도를 증가시키기 위해 흐름 배분 수단과 연결되는, 유리 용융로내의 분상 연료 연소를 위한 버너.
  10. 제1항에 있어서, 상기 본체가 상기 버너의 몸체내에 최대 직경부에서 최소 직경부로 균일하게 감소되는 확대된 원뿔부를 포함하고, 상기 최소 직경부가 공기나 가스의 제1 흐름 및 분상 연료-공기 혼합물의 속도를 증가시키기 위해 흐름 배분 수단과 연결되는, 유리 용융로내의 분상 연료 연소를 위한 버너.
  11. 제1항에 있어서, 상기 흐름 배분 수단이 직각( 90°)의 엘보우 형태를 가지는, 유리 용융로내의 분상 연료 연소를 위한 버너.
  12. 제1항에 있어서, 흐름 배분 수단내 흐름 궤적이 수직흐름에서 길이방향 흐름으로 변화되는, 유리 용융로내의 분상 연료 연소를 위한 버너.
  13. 제1항에 있어서, 제2 연결 챔버와 일치하여 배치된 제2 복수 오리피스가 분상 연료-공기 혼합물의 방출 흐름에 대하여 평행관계에 있는, 유리 용융로내의 분상 연료 연소를 위한 버너.
  14. 제1항에 있어서, 제2 연결 챔버와 일치하여 배치된 제2 복수 오리피스가 공기나 가스의 제1 흐름과 상기 분상 연료-공기 혼합물에 대해 소용돌이 효과를 제공하기 위한 각도의 위치에서 형성된, 유리 용융로내의 분상 연료 연소를 위한 버너.
  15. 제1항에 있어서, 상기 버너가 약 1대 약 3.25의 분상 연료-공기 관계 및 적어도 18m/s의 운송 공기 속도에서, 약 400~1300 kg/hr 의 작동 범위를 가지는, 유리 용융로내의 분상 연료 연소를 위한 버너.
  16. 제1항에 있어서, 분상 연료내 화염이 약 1900℃~ 약 2000℃사이에서 생성되어 적은 함유량의 NOX를 생성하는, 포함하는 유리 용융로내의 분상 연료 연소를 위한 버너.
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