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KR20180095571A - 생산율이 개선된 유리 노 - Google Patents

생산율이 개선된 유리 노 Download PDF

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KR20180095571A
KR20180095571A KR1020187019587A KR20187019587A KR20180095571A KR 20180095571 A KR20180095571 A KR 20180095571A KR 1020187019587 A KR1020187019587 A KR 1020187019587A KR 20187019587 A KR20187019587 A KR 20187019587A KR 20180095571 A KR20180095571 A KR 20180095571A
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KR
South Korea
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furnace
regenerator
rear wall
fuel
glass
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Application number
KR1020187019587A
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Inventor
히사시 코바야시
Original Assignee
프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
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.)
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Publication date
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Abstract

공급 구역 내의 노 천장에서의 온도와 공급 구역 외부의 노 천장에서의 온도의 차이를 감소시키도록 공급 구역에 걸쳐 작동 조건을 제어함으로써 열화학적 재생을 채용하는 유리 노 작동의 효율 및 생산량이 개선된다.

Description

생산율이 개선된 유리 노
본 발명은 밀폐된 노(furnace)가 승온에서 작동되는 산업 공정에 관한 것이다. 본 발명은 특히 유리를 제조하기 위한 노에 관한 것이다.
유리는 통상적으로, 노 내에서, 모래, 석회암 및 소다회와 같은 원재료 ("배치"(batch)로 지칭됨), 및 재활용 유리 조각 ("컬릿"(cullet)으로 지칭됨)을 의미하는 유리 제조 재료를 용융시킴으로써 제조된다. 유리 제조 재료는 전형적으로 노의 한쪽 단부 ("후방 벽")에서 또는 그 근처에서 공급되어 용융 유리의 균일한 스트림을 생성하며, 이 스트림은 예를 들어 용해된 가스 및 버블의 제거 ("청징"(fining))에 의해 추가로 처리될 수 있고, 용융 유리는 (전형적으로 "전방 벽" 밖으로) 노를 떠나서 형성되고 노의 하류에서 고체 생성물로 냉각된다.
유리 제조 재료의 용융은, 고체 유리 제조 재료를 용융시키고 용융된 유리 제조 재료를 노 내에서 용융된 상태로 유지하기 위해, 그리고 용융된 유리 제조 재료가 노를 통과하여 밖으로 나갈 때, 노 내에서 승온을 확립하는 것을 필요로 한다. 승온은 전형적으로 노 내의 복수의 버너(burner)에서 연료를 연소시킴으로써 확립된다. 연료는 산소 공급원으로서의 공기와 함께 연소될 수 있거나, 또는 "산소-연료"(oxy-fuel) 연소로 지칭되는 것에서, 연료는, 본 명세서에 기재된 바와 같은, 공기보다 산소 함량이 높은 기체 산화제와 함께 연소될 수 있다.
유리 용융 노에서, 천장(crown)의 온도는 전형적으로, 유리를 제조하는 노의 최대 작동 용량을 통상 좌우하는 피크(peak)를 천장 내의 일정 위치 ("고온점"(hot spot))에서 나타내는데, 그 이유는 최대 노 생산율이 전형적으로 최대 사용가능 천장 내화물 온도에 의해 제한되기 때문이다. 더 많은 유리를 용융시킴으로써, 즉 더 많은 배치 및 컬릿 재료를 유리 노에 장입함으로써 유리 용융 노의 산출량을 증가시키려는 시도는, 필요한 추가적인 열을 제공하고 용융 유리 조(bath)에서 적절한 온도 프로파일을 유지하기 위해, 노에 투입되는 연료의 증가를 필요로 하는 것으로 여겨진다. 그러나, 더 많은 유리를 제조하기 위해 연료 투입량이 증가함에 따라, 천장 온도가 증가할 것이다. 연소를 증가시키면 천장 고온점을 증가시킬 것이기 때문에, 그리고 천장 고온점 온도가 이미 천장이 견뎌 낼 수 있는 그의 최대치이거나 그 근처인 경우, 천장에 손상을 입힐 위험 없이는 고온점 근처에서 발화율(firing rate)을 더 이상 증가시킬 수 없기 때문에, 이는 실용적이지 않다. 고온점에서 온도를 증가시키지 않고서 생산율을 증가시키기 위해서, 전기 부스팅(electric boosting) (서브머지드 전극(submerged electrode)에 의한 직접적인 용융 유리 전기 가열)과, 배치 및 컬릿 예열과 같은 다른 방법이 때때로 사용된다. 그러나, 이들 방법은 높은 자본 비용 및 높은 운영 비용을 초래한다.
산소-연료 발화식 노 및 연료-공기 발화식 노에서, 연도 포트(flue port)는 전형적으로 후방 벽에 또는 후방 벽 근처의 측벽에, 즉 노의 상대적으로 가장 차가운 영역에 위치된다. 연도 포트를 노의 가장 차가운 영역에 위치시키는 이유는 노를 떠나는 연도 가스의 현열(sensible heat) 손실을 최소화하기 위한 것이다. 노에 공급되는 추가적인 유리 제조 재료를 용융시키기 위해 필요한 추가적인 열을 제공하기 위해 추가적인 공기-연료 또는 산소-연료 버너가 그 구역에 위치될 수 있는 것으로 예상될 수 있다. 그러나, 본 발명자들은, 공기-연료 또는 산소-연료 연소에 의해 공급 구역에서 발화율이 증가될 때, 노를 떠나는 연도 가스의 온도가 급격히 증가하고, 용융 유리를 제조하기 위한 에너지 소비가 급격히 증가함을 밝혀내었다. 게다가, 그러한 추가된 버너로부터의 열속(heat flux)은, 노 내에서 일어나는 복사열 교환에 의해, 천장의 "고온점"을 포함한 노의 다른 영역에서 온도를 증가시킬 것으로 예상될 것이다. 고온점 온도를 안전 한계 미만으로 유지하기 위하여, 고온점 근처의 발화율은 감소되어야만 한다. 고온점 근처에서의 발화율의 감소는 공급 구역에서의 발화율을 증가시킴으로써 이루어져야만 하며, 이는 연도 가스 온도를 추가로 증가시킨다. 더욱이, 적절한 종방향 천장 온도 프로파일이 양호한 품질의 유리를 제조하는 데 필수적인 것으로 일반적으로 여겨지며, 고온점 온도를 증가시키지 않고서 장입 구역 온도를 증가시키는 것이 지금까지는 유리 품질에 악영향을 주는 것으로 고려된다.
따라서, 유리 제조 재료가 공급되는, 후방 벽 근처의 유리 용융 노의 구역 내에 버너를 제공하는 것은 노의 유리 제조 용량을 증가시키기에 실용적인 선택사양이 아닐 것으로 예상된다.
본 발명자들은, 예상되는 것과는 대조적으로, 노의 천장의 고온점 온도를 증가시키지 않고 노로부터 양호한 품질의 유리의 제조를 증가시키면서, 노의 후방 벽 근처의 구역에서 연소가 제공될 수 있음을 발견하였다.
이러한 발견의 일 태양은, 용융 유리의 제조 방법으로서,
(A) 후방 벽, 전방 벽, 및 서로 대면하고 각각 후방 벽으로부터 전방 벽까지 연장되는 한 쌍의 측벽들, 그리고 천장을 갖는 유리 용융 노 내로 유리 제조 재료를 공급하는 단계 - 여기서, 유리 제조 재료는 후방 벽으로부터 전방 벽으로 향하는 노의 길이의 최대 30%까지 후방 벽으로부터 연장되는 공급 구역 내로 공급되고,
버너들이 측벽들에 위치되지 않거나 또는 적어도 하나의 산소-연료 또는 공기-연료 버너가 각각의 측벽에 위치되어 각각의 상기 버너에서 연소에 의해 노 내의 유리 제조 재료에 열을 제공하고,
상기 노는 상기 공급 구역 내로 개방된 포트를 각각 갖는 제1 축열기(regenerator) 및 제2 축열기를 포함하고, (i) 상기 제1 축열기 포트는 한 측벽에 위치되고 상기 제2 축열기 포트는 다른 측벽에 위치되며, 공기-연료 버너가 상기 축열기 포트들 중 어느 하나와 후방 벽 사이에 위치되지 않고, 산소-연료 버너들이 상기 축열기 포트들과 후방 벽 사이에 선택적으로 존재하거나 존재하지 않을 수 있거나, 또는 (ii) 상기 제1 및 제2 축열기 포트들은 후방 벽에 위치됨 -; 그 동안
(B) 존재하는 상기 버너들에서 상기 노 내의 연료를 연소시키는 단계; 및
(C) 제1 및 제2 축열기들로부터의 합성 가스(syngas)의 노 내에서의 연소가 공급 구역 내에서의 천장의 온도를 공급 구역 외부의 노 내에서의 천장의 최고 온도로부터 100 C 범위 이내로 유지하는 조건 하에서,
교대로,
(1) 노로부터 기체 연소 생성물들을 냉각된 제1 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 제1 축열기를 가열하고 상기 기체 연소 생성물들을 냉각시키고, 상기 제1 축열기로부터의 상기 냉각된 기체 연소 생성물들의 제1 부분 및 연료를 가열된 제2 축열기 내로 통과시키고, 제2 축열기에서, 기체 연소 생성물들과 연료를 흡열 반응으로 반응시켜 수소 및 CO를 포함하는 합성 가스를 형성하고, 상기 합성 가스를 제2 축열기로부터 공급 구역 내로 통과시키고 이를 공급 구역 내에서 연소시키는 단계, 및
(2) 노로부터 기체 연소 생성물들을 냉각된 제2 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 제2 축열기를 가열하고 상기 기체 연소 생성물들을 냉각시키고, 상기 제2 축열기로부터의 상기 냉각된 기체 연소 생성물들의 제1 부분 및 연료를 가열된 제1 축열기 내로 통과시키고, 제1 축열기에서, 기체 연소 생성물들과 연료를 흡열 반응으로 반응시켜 수소 및 CO를 포함하는 합성 가스를 형성하고, 상기 합성 가스를 제1 축열기로부터 공급 구역 내로 통과시키고 이를 공급 구역 내에서 연소시키는 단계
를 포함하는, 용융 유리의 제조 방법이다.
본 발명의 다른 태양은, 용융 유리의 제조 방법으로서,
(A) 후방 벽, 전방 벽, 및 서로 대면하고 각각 후방 벽으로부터 전방 벽까지 연장되는 한 쌍의 측벽들, 그리고 천장을 갖는 유리 용융 노 내로 유리 제조 재료를 공급하는 단계 - 여기서, 유리 제조 재료는 후방 벽으로부터 전방 벽으로 향하는 노의 길이의 최대 30%까지 후방 벽으로부터 연장되는 공급 구역 내로 공급되고,
버너들이 측벽들에 위치되지 않거나 또는 적어도 하나의 산소-연료 또는 공기-연료 버너가 각각의 측벽에 위치되어 각각의 상기 버너에서 연소에 의해 노 내의 유리 제조 재료에 열을 제공하고,
상기 노는 상기 공급 구역 내로 개방된 포트를 각각 갖는 제1 축열기 및 제2 축열기를 포함하고, (i) 상기 제1 축열기 포트는 한 측벽에 위치되고 상기 제2 축열기 포트는 다른 측벽에 위치되며, 공기-연료 버너가 상기 축열기 포트들 중 어느 하나와 후방 벽 사이에 위치되지 않고, 산소-연료 버너가 상기 축열기 포트들과 후방 벽 사이에 선택적으로 존재하거나 존재하지 않을 수 있거나, 또는 (ii) 상기 제1 및 제2 축열기 포트들은 후방 벽에 위치됨 -; 그 동안
(B) 존재하는 상기 버너들에서 상기 노 내의 연료를 연소시키는 단계, 및
(C) 제1 및 제2 축열기들로부터의 합성 가스의 노 내에서의 연소가 공급 구역 내에서의 천장의 온도를 공급 구역 외부의 노 내에서의 천장의 최고 온도로부터 100 C 범위 이내로 유지하는 조건 하에서,
교대로,
(1) 노로부터 기체 연소 생성물들을 냉각된 제1 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 제1 축열기를 가열하고 상기 기체 연소 생성물들을 냉각시키고, 기체 개질 반응물(gaseous reforming reactant)들을 가열된 제2 축열기 내로 통과시키고, 제2 축열기에서, 기체 개질 반응물들과 연료를 흡열 반응으로 반응시켜 수소 및 CO를 포함하는 합성 가스를 형성하고, 상기 합성 가스를 제2 축열기로부터 공급 구역 내로 통과시키고 이를 공급 구역 내에서 연소시키는 단계, 및
(2) 노로부터 기체 연소 생성물들을 냉각된 제2 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 제2 축열기를 가열하고 상기 기체 연소 생성물들을 냉각시키고, 기체 개질 반응물들을 가열된 제1 축열기 내로 통과시키고, 제1 축열기에서, 기체 개질 반응물들과 연료를 흡열 반응으로 반응시켜 수소 및 CO를 포함하는 합성 가스를 형성하고, 상기 합성 가스를 제1 축열기로부터 공급 구역 내로 통과시키고 이를 공급 구역 내에서 연소시키는 단계
를 포함하는, 용융 유리의 제조 방법이다.
전술한 실시 형태들에서, 연소는 바람직하게는, 제1 및 제2 축열기들로부터의 합성 가스의 노 내에서의 연소가 공급 구역 내에서의 천장의 온도를 공급 구역 외부의 노 내에서의 천장의 최고 온도로부터 75 C 범위 이내, 더욱 바람직하게는 50 C 범위 이내로 유지하는 조건 하에서 수행된다.
다른 바람직한 실시 형태에서, 열화학적 축열기 포트는 후방 벽에 위치되고 가시적 화염 길이는 노의 종방향 길이의 2/3 미만, 또는 심지어 1/2 미만이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "유리 제조 재료"는 다음 재료들 및 이들의 혼합물 중 임의의 것을 포함한다: 모래 (대부분 SiO2), 소다회 (대부분 Na2CO3), 석회암 (대부분 CaCO3 및 MgCO3), 장석, 붕사 (수화된 붕산나트륨), 나트륨 및 칼륨의 기타 산화물, 수화산물 및/또는 규산염 (이들 재료는 또한 "배치"로 지칭됨), 및 임의의 전술한 것을 용융 및 응고시켜 이전에 생성된 유리 (예를 들어 재활용 고체 유리 조각) (이는 또한 "컬릿"으로 지칭됨). 유리 제조 재료는 기능성 첨가제, 예를 들어, 망초(salt cake) (황산나트륨, Na2SO4) 및/또는 초석 (질산나트륨, NaNO3, 및/또는 질산칼륨, KNO3)과 같은 배치 산화제, 및 산화안티몬 (Sb2O3)과 같은 청징제(fining agent)를 또한 포함할 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "산소-연료 버너"는 공기의 산소 함량보다 큰 산소 함량을 가지며, 바람직하게는 50 부피% 이상, 바람직하게는 80 부피% 이상의 산소, 더욱 바람직하게는 90 부피% 이상의 산소, 심지어 99 부피% 이상의 산소의 산소 함량을 갖는 산화제와 연료가 공급되는 버너를 의미한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "산소-연료 연소"는 공기의 산소 함량보다 큰 산소 함량을 가지며, 바람직하게는 50 부피% 이상, 바람직하게는 80 부피% 이상의 산소, 더욱 바람직하게는 90 부피% 이상의 산소, 심지어 99 부피% 이상의 산소의 산소 함량을 갖는 산화제와 함께 연료를 연소시키는 것을 의미한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "공기-연료 버너"는 연료와 공기가 공급되는 버너를 의미하며, 축열기에서 연소 공기를 예열하는 축열식 공기 연소 시스템을 포함한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "공기-연료 연소"는 연료를 공기와 함께 연소시키는 것을 의미한다.
도 1a, 도 1b, 도 1c, 도 1d 및 도 1e는 본 발명이 실시될 수 있는 유리 노의 내부의 5가지 상이한 실시 형태의 평면도.
도 2는, 열화학적 재생(thermochemical regeneration)이 실시될 수 있는 추가 세부 사항을 나타내는, 단부-발화 구성(end-fired configuration)의 열화학적 축열기를 갖는 유리 노의 일 실시 형태의 내부의 평면도.
도 3 및 도 4는 열화학적 축열기 및 열 회수 작동을 실시하기 위한 본 발명의 공정의 상이한 태양들의 개략도.
도 5는, 대안적인 실시 형태가 실시될 수 있는 추가 세부 사항을 나타내는, 단부-발화식 구성의 열화학적 축열기를 갖는 유리 노의 대안적인 실시 형태의 개략도.
먼저 유리 제조 노 그 자체로 돌아가면, 도 1a는 본 발명이 실시될 수 있는 전형적인 교차 발화식 플로트 유리 노(cross fired float glass furnace, 10)의 평면도를 도시한다. 본 발명은 플로트 유리 노에 제한되지 않으며, 예를 들어, 식기류 유리, 시트(sheet) 유리, 디스플레이 유리, 및 컨테이너 유리를 제조하는 다른 유형의 유리 용융 노에서 실시될 수 있다. 노(10)는 용융 구역(11) 및 정련(refining) 구역(12) (본 명세서에서 청징 구역(12)으로도 지칭됨)을 포함한다. 용융 구역(11) 및 정련 구역(12)은 후방 벽(3), 전방 벽(6), 및 측벽(4)과 측벽(5) 내에 둘러싸여 있다. 천장 또는 루프(roof)(도시되지 않음)가 측벽(4, 5)들, 후방 벽(3), 및 전방 벽(6)에 연결된다. 노(10)는 후방 벽(3), 측벽(4, 5)들, 및 전방 벽(6), 그리고 천장 또는 루프와 함께, 용융된 유리 제조 재료를 수용하는 인클로저(enclosure)를 형성하는 저부를 또한 갖는다. 노(10)의 개구 밖으로의 용융된 유리 제조 재료의 유동이 90으로 나타나 있다.
노(10)는 전형적으로 후방 벽(3)의 내부 표면을 따라 또는 다른 유형의 유리 노의 경우 후방 벽(3) 근처의 측벽(4 및/또는 5)에 적어도 하나의 재료 장입 입구(20)를 가지며, 이를 통해 도 2에 나타난 바와 같이 유리 제조 재료(30)가 용융 구역 (11) 내로 공급될 수 있다. 더욱 구체적으로, 용융 구역(11)의 일부인 것으로 고려되며 후방 벽(3)으로부터 전방 벽(6)까지의 길이의 최대 30%까지 후방 벽(3)으로부터 연장되는 공급 구역(13) 내로 유리 제조 재료가 공급된다. 하나 이상의 연도(19)가 또한 존재할 수 있으며, 이를 통해 용융 구역(11) 내의 연료와 산소의 연소 생성물이 노의 내부에서 밖으로 유동할 수 있다. 연도 또는 연도들은 전형적으로 후방 벽(3)에, 또는 하나 또는 둘 모두의 측벽에 위치된다.
노의 저부, 후방 벽, 전방 벽, 측면 및 천장은, 노출될 온도, 즉 1300℃ 내지 1700℃에서 고체 구조 완전성(solid structural integrity)을 유지할 수 있는 내화 재료로 제조되어야 한다. 그러한 재료는 고온 장치의 구성 분야에 널리 알려져 있다. 예에는 실리카, 용융 알루미나, 및 AZS가 포함된다.
도 1c 및 도 1d에 도시된 실시 형태에서, 용융 구역(11)은 어떠한 버너도 갖지 않거나, 또는 선택적으로 도 1a 내지 도 1b에 도시된 바와 같이 용융 구역(11)은 축열기 포트들일 수 있는 하나 이상의 쌍의 대향 공기-연료 버너들 및/또는 산소-연료 버너들을 포함하는데, 이때 측벽(4, 5)들 각각에 적어도 하나의 버너가 있다. "대향"은, 주어진 쌍의 버너들 또는 축열기 포트들에서, 각각의 측벽에 하나의 포트가 존재하여, 서로 대면하고 둘 모두가 용융 구역(11)의 내부로 향함을 의미한다. 대향 포트들은 본질적으로 동축일 수 있는데, 즉 이들은 서로로부터 가로질러 직접 대면하거나 또는 오프셋될 수 있으며, 여기서 도 1a에서의 예에 도시된 바와 같이, 하나의 측벽 내의 각각의 포트의 축은 반대편 측벽 내의 임의의 포트의 축과 동축이 아니다.
선택적인 버너들이 용융 구역(11)에 설치되는 경우, 이들 포트가 용융 구역(11) 내로 개방되는 위치들에서 또는 그 근처에서 주입되는 천연 가스 또는 연료 오일과 같은 연료가 고온의 연소 공기 또는 산화제와 혼합되어 화염을 형성하고 용융 구역에서 열을 발생시켜 유리 제조 재료를 용융시키고 유리 제조 재료를 용융된 상태로 유지함에 따라, 용융 구역(11)에서 연소가 일어난다. 연소는 모든 포트들에서 동시에 일어날 수 있거나, 또는 축열식 버너를 사용하는 경우에서와 같이 연소가 교대로 일부 포트들에서, 그리고 이어서 일부 다른 포트들에서 일어날 수 있다. 도 1a 및 도 1b는 선택적인 3쌍의 포트들을 도시하며, 용융 구역의 일 측의 포트들은 1L, 2L 및 3L로 번호가 매겨지고, 용융 구역의 다른 측의 포트들은 1R, 2R 및 3R로 번호가 매겨진다. 노의 원하는 유리 용융 용량에 따라, 2 내지 10개 또는 심지어 최대 20개 이상인 임의의 개수의 포트들 또는 버너들이 채용될 수 있다.
용융 유리로부터 가스 버블을 제거하는 것은 양호한 품질의 유리를 제조하기 위한 유리 용융 노에서의 필수 요건이다. 용융 유리는, 청징으로 알려진 공정인, 부력을 통해 가스 버블이 유리를 빠져나가게 하기에 충분한 시간 동안 노 내에 남아 있어야 한다. 유리 용융 노에서 노의 작동 조건은 전형적으로 천장 열전쌍 및 탱크 저부 열전쌍을 모니터링함으로써 제어된다. 본 발명을 포함하지 않는 이미 공지된 작동 기술을 이용하는 높은 생산율을 갖는 최첨단 컨테이너 유리 노는 후방 벽으로부터 노의 종방향 길이의 약 2/3 내지 3/4에 위치된 1550 내지 1600 C의 고온점 천장 온도에서 작동할 수 있다. 배치 재료는 후방 벽 근처에서 장입되며, 후방 벽 근처의 천장 온도는 고온점 온도보다 100 내지 200 C 낮은 온도 또는 전형적으로 약 1400 내지 1450 C에서 작동할 수 있다. 전방 벽 근처의 청징 구역(12)에서의 천장 온도는 고온점 온도보다 약 50 C 낮은 온도에서 작동할 수 있다. 배치 장입기(batch charger)(20) (도 2)로부터 공급되는 배치 재료들은, 이들이 용융 구역(11) 내의 화염에 의해 가열되고 용융됨에 따라, 용융 유리 조 위에 이산된 "섬(island)"들로서 부유하며 전방 벽을 향해 이동한다. 부유하는 배치 섬들 아래의 용융 유리는 노의 고온점으로부터 후방 벽을 향해 유동한다. 전방으로 이동하는 배치 섬들 및 아래에 있는 후방으로 이동하는 용융 유리의 균형은 용융 구역(11)을 청징 구역(12)으로부터 분리하는 소위 "배치 라인"(batch line)을 형성하며, 이는 전형적으로 고온점 근처에 위치된다. 청징 구역(12)에서는, 양호한 유리 품질을 보장하기 위해 용융 유리 위에 배치 섬이 부유하지 않는다. 용융 유리의 종방향 순환 패턴은 용융 유리 온도 구배에 의해 유도되는 것으로 알려져 있기 때문에, 적절한 종방향 천장 온도 프로파일을 유지하는 것이 일반적으로 양호한 품질의 유리를 제조하는 데 필수적인 것으로 고려된다. 노의 소정 종방향 위치 내에 배치 라인을 유지하는 것이 중요하다. 예를 들어 미국 특허 제4,473,388호 및 제5,116,399호는 배치 라인의 위치를 유지하기 위해 배치 라인 또는 그 근처를 목표로 하는 산소-연료 화염을 사용하는 것을 교시한다. 그러나, 배치 라인은 전형적으로 노의 고온점 근처에 위치되며 고온점 근처에서 더 많은 연료를 발화시키는 것은 천장 온도를 증가시킬 것이다. 따라서, 노가 이미 최대 고온점 천장 온도에서 작동하는 경우 그러한 방법을 사용하는 것이 불가능하다. 노의 대체로 배치로 덮인 구역, 즉, 공급 구역(13)에서의 온도는 고온점 천장 온도보다 훨씬 더 저온이기 때문에, 이 구역에서의 천장의 최대 내화 온도 한계를 초과하지 않으면서 이 구역에서의 연료 발화율을 증가시키는 것이 가능하다. 그러나 공급 구역(13)의 온도를 증가시키는 것은 일반적으로 용융 유리의 후방 재순환 유동을 약화시키며 유리의 품질에 악영향을 주는 것으로 고려된다. 게다가 공급 구역 내의 연료 발화 구역을 증가시키는 것은 공급 구역에 위치된 연도 포트에서의 연도 가스 온도를 증가시켜 현열 손실을 증가시킨다.
도 1a, 도 1b, 도 1c, 도 1d 및 도 1e에서, 100 및 200은 축열기를 표시하고, 101 및 102는 본 명세서에 기재된 열화학적 축열기 및 열 회수 및 재사용 (heat recovery and reuse, "TCR") 작동에 사용되는, 노(10)에 연결된 포트를 표시한다. 도 1a 및 도 1c에 도시된 바와 같이, 축열기(100) 및 축열기(200)는 각각의 측벽에 하나씩 있도록 위치될 수 있다. 그러한 구성에서, 각각의 그러한 축열기는 공급 구역(13) 내로 개방되고, 축열기(100, 200)들 중 어느 하나와 후방 벽(3) 사이에는 공기-연료 버너 또는 축열기 포트가 없다. 선택적으로, 축열기(100, 200)들과 후방 벽 사이의 측벽에 산소-연료 버너가 존재할 수 있다. 도 1e는 산소-연료 버너(F1)가 축열기(100)와 후방 벽 사이에 있고, 산소-연료 버너(F2)가 축열기(200)와 후방 벽 사이에 있는 그러한 실시 형태를 도시한다. 도 1b 및 도 1d에 도시된 바와 같이, 축열기(100, 200)들은 둘 모두가 후방 벽(3)에 있도록 위치될 수 있다.
도 2는 TCR 작동에 사용되는 축열기(100, 200)들 둘 모두가 후방 벽(3)에 위치되는 단부-포트 발화 구성으로 알려진 실시 형태를 더 상세하게 예시한다. 작동은 도 2 내지 도 4를 참조하여 더욱 상세하게 설명된다. 이들 세부 사항은 축열기(100, 200)들이 노의 측벽(4, 5)들에 위치되는 경우에 또한 채용된다.
전체 공정의 이러한 태양은, 본 명세서에서 연도 사이클 및 개질 사이클로 지칭되는 2가지 사이클로 진행된다. 이러한 두 사이클은 둘 이상의 체커-충전(checker-filled) 축열기에서 교대로 수행된다. 이러한 공정은 바람직하게는 산소-연료 연소와 관련하여 수행되는데, 그 이유는 산소-연료 연소에 의해 생성되는 연도 가스가 더 높은 H2O 및 CO2 농도를 갖고, 이들 둘 모두가 본 발명의 방법에 이용되는 흡열 개질 반응을 촉진하기 때문이다. 이러한 공정이 (도 1a 및 도 1b에 도시된) 공기 버너들을 사용하여 교차-발화식 구성에서 수행되는 경우, 높은 질소 농도를 함유하는 공기-연료 버너로부터의 연도 가스가 산소-연료 발화된 TCR 연도 가스와 혼합되고 연도 사이클에서 축열기로 들어가는 연도 가스 내의 H2O 및 CO2의 농도를 희석시킨다. 연도 가스 내의 H2O 및 CO2의 총 농도가 50 부피% 미만인 경우, 높은 H2O 및/또는 CO2를 함유하는 가스들의 별개의 스트림이 바람직하게는 흡열 개질 반응들에 사용된다. (RFG가 본 명세서에 정의되지만, 30 부피%만큼 낮은 H2O 및 CO2의 총 농도가 여전히 잘 작용할 수 있다.) 연도 사이클 동안, 제1 축열기 내의 체커는 노로부터 이러한 축열기 내로 그리고 이러한 축열기를 통해 공급되는 고온 연도 가스로부터 열을 추출하고 저장한다. 이어서, 개질 사이클에서는, 제1 축열기를 빠져나온 냉각된 연도 가스로부터, 소정 부분 (본 명세서에서 재순환 연도 가스(Recycled Flue Gas) 또는 RFG로 지칭됨)이 다른 (제2) 축열기로 공급되고 연료 (본 명세서에서 개질 연료(Reforming Fuel) 또는 RF로 지칭됨)의 스트림과 혼합된다. 하기 설명에서는, 예시를 위해 순수한 메탄 (CH4)이 개질 연료로서 기재되고 RFG가 개질 반응물로서 기재된다. 다른 만족스러운 연료에는, 천연 가스, 프로판, 및 LPG (액화 석유 가스)를 포함하지만 이에 한정되지 않는, 임의의 가연성 가스, 가스 혼합물, 또는 기화된 액체 연료가 포함된다. 다른 만족스러운 개질 반응물은 보일러로부터 발생되는 스팀을 포함하지만 이에 한정되지 않는 50 부피% 초과의 H2O 및 CO2를 함유하는 임의의 가스 혼합물을 포함한다.
개질 사이클에서, RFG/RF 혼합물은, 본 명세서에 기재된 바와 같이, 체커가 이미 가열되어 있는 제2 축열기로 들어가고 이를 통해 노를 향해 유동한다. 제2 축열기를 통과하는 RFG/RF 혼합물의 온도는, 이미 예열된 체커로부터 열을 추출함으로써 계속 증가한다. RGF/RF 혼합물은 제2 축열기를 통과할 때, 개질 반응이 일어나기 시작하여 계속 일어나는 온도에 도달하여, H2 및 CO를 포함하는 생성물을 생성한다. 개질 반응은 흡열 반응이며 개질 반응을 촉진하는 데 필요한 열은 가열된 체커로부터 흡수된다. 개질 반응에 의해 생성되는 기체 조성물은 전형적으로 H2, CO, 그리고 H2O, CO2, CH4를 포함하는 미반응 가스, 질소, 임의의 잔류 NOx 및 그을음과 같은 하나 이상의 성분을 포함한다. 그렇게 생성된 기체 조성물은 또한 본 명세서에서 "합성 가스"로 칭해질 수 있다. 합성 가스는 제2 축열기로부터 노 내로 빠져나오고 노에서 산화제와 함께 연소되어 노 내의 재료를 가열하고/하거나 용융하기 위한 열 에너지를 제공한다.
소정 길이의 시간 후에, 두 축열기의 작동이 반전되며, 즉, 연도 사이클에 사용된 축열기가 개질 사이클로 전환되고, 개질 사이클에 사용된 축열기가 연도 사이클로 전환된다. 추가의 기간 후에, 두 축열기의 작동이 다시 반전된다. 반전 타이밍은 경과 시간에 의해 또는 다른 기준, 예를 들어 연도 사이클에 있는 제1 축열기로부터 빠져나온 연도 가스의 온도에 의해 결정될 수 있다. 반전 공정은 미리 결정된 메커니즘 및 계획에 따라 수행되는데, 밸브들이 특정 타이밍에 기초하여 개방 및 폐쇄되도록 차례로 배열된다.
본 발명의 이러한 태양의 작동 및 제어는 도 2 내지 도 4와 관련하여 하기에 기재되는데, 여기서 유리 노(10)는 후방 벽(3)에 2개의 축열기(100, 200)를 구비한다.
도 2에 나타난 바와 같이, 유리 노(10)는 공급 스테이션(20)을 가지며, (배치 및/또는 컬릿) 고체 유리 제조 재료를 포함하는 공급 재료(30)가 노 내로 장입되어 가열 및 용융된다. 노(10)는 노의 좌측에 제1 축열기(100) 및 노의 우측에 제2 축열기(200)를 구비한다. 두 축열기의 수직 단면도가 도 2 및 도 3에 더욱 상세하게 도시되어 있다.
도 3에 나타나 있는 바와 같이, 축열기(200)는 연도 사이클에 있으며, 여기서 노(10)의 내부로부터의 연도 가스 스트림(50)은 포트 넥(port neck)(240)으로 들어간 다음, 산소 분석기(250)를 지나서 축열기(200)의 상부 공간(530)으로 유동한다. 연도 가스 스트림은 축열기(200) 내의 체커(520으로 나타나 있음)들 사이의 통로를 통해 유동할 때 체커를 가열하고, 전체 체커 층의 중량을 또한 지지하는 아치(510) 상에 지지된 가스 통로(515)를 통해 챔버 하부 공간(500)으로 들어간다. 도 2에 나타나 있는 바와 같이, 노(10)에서 생성된 연도 가스의 소정 부분(52)은 부분적으로 개방된 밸브(350)를 통해 도관(70)으로 우회될 수 있고, 이어서 스택(stack)(340)으로 들어가 배출되는데, 이는 그것이 노에 다시 들어가지 않고 대신에 대기로 방출되고/되거나 저장 및/또는 추가의 처리 또는 그러한 용도의 임의의 조합을 위한 하나 이상의 다른 스테이션으로 이송됨을 의미한다. 최대 열 회수를 위해, 본질적으로 모든 노 연도 가스가 연도 가스 스트림(50)으로서 축열기(200)로 가도록 밸브(350)가 폐쇄되는 것이 바람직하다.
도 2 및 도 3에 나타나 있는 바와 같이, 냉각된 연도 가스 스트림(201)은 도관(260)에서 축열기(200)를 빠져나와서, 개방 밸브(210) 및 산소 센서(310)를 통과한 다음, 송풍기(300)의 흡입 측(suction-side)으로 들어간다. 송풍기의 가압 측(pressure-side)을 떠나는 연도 가스(301)의 대부분은 댐퍼(330)를 통과한 다음 유량계(332)를 통과하고, 마지막으로 스택(340) 내로 향하며, 그를 통해 이러한 연도 가스가 본 명세서에 정의된 바와 같이 시스템을 떠나서 배출된다. 연도 가스의 소정 부분(303)은 도관(320) 및 밸브(360)를 통과함으로써 축열기(100)의 하부로 재순환된다. 이것이 재순환 연도 가스 (RFG)이다. 이러한 유동은 유량계(322)에 의해 계측된다. 제2 축열기(100)로 공급될 개질 연료는 밸브(120)를 통해 도관(130)에 의해 공급된다.
도 4에 나타나 있는 바와 같이, 스트림(130)으로부터의 개질 연료(RF)는 도관(128) 내의 위치(127)에서 교차하여 RFG(303)와 혼합되며, 도관(128)은 또한 축열기(100)의 하부 공간(400)과 연통한다. 이러한 RFG/RF 혼합물은 아치(410) 상의 가스 통로(415)를 통해 축열기(100)의 이미 예열된 체커 팩(420)으로 들어간다. 축열기(100)는 이전 사이클에서 노로부터 축열기(100) 내로의 그리고 축열기를 통한 연도 가스의 통과에 의해 이미 가열되어 있다. RFG/RF 혼합물의 온도는 축열기(100)의 체커 팩을 통해 유동함에 따라 증가한다. RFG/RF의 온도가 개질 온도에 도달한 때에, 개질 연료 (예를 들어 CH4)가 RFG 중의 CO2 및 H2O와 반응하여 CO, H2, 및 약간의 그을음을 형성하는 흡열 개질 반응이 일어난다. 흡열 개질 반응을 위해 필요한 열은 가열된 체커로부터 취해진다. RFG/RF 혼합물이 상부 공간(430)을 향해 계속 이동함에 따라 개질 반응이 계속된다. 기체 스트림(425) (본 명세서에서 "개질된" 또는 "합성 가스" 가스 스트림으로 지칭됨)이 체커 팩(420)의 상부로부터 빠져나간다. 스트림(425)은 고온이며 CO, H2, 그을음, 미반응 CH4, 및 미반응 CO2 및 H2O와 같은 화학종을 포함한다. 합성 가스 스트림(425)은 포트 넥(140) 및 산소 센서(150)를 통과하고, 노(10)에 들어간다. 합성 가스 스트림은 예를 들어 982 C 내지 1371 C (1800 F 내지 2500 F) 범위의 온도에서 체커 팩(420)을 빠져나간다. 이러한 합성 가스는 화염(40)으로 표시되는 노(10)에서 연소되어, 노 내의 재료, 예를 들어 유리 제조 재료를 가열하고/하거나 용융하기에 유용한 추가적인 연소 열을 생성한다. 합성 가스의 연소를 위한 산화제는 개방된 밸브(115)를 통해 도관(135)에 의해 공급된다. 이러한 산화제는 공기일 수 있거나, 또는 공기의 산소 함량보다 높은 산소 함량, 즉 21 부피% 이상, 및 바람직하게는 80 부피% 이상, 더욱 바람직하게는 90 부피% 이상, 또는 심지어 99 부피% 이상의 산소 함량을 가질 수 있다.
전형적으로, 열 회수 공정은, 도 2에 나타나 있는 바와 같은, 연도 사이클의 하나의 축열기 및 개질 사이클의 하나의 축열기를 사용하여, 약 20 내지 40분 동안 또는 개질 축열기 내의 체커가 너무 차가워서 원하는 흡열 화학 반응을 촉진하기에 충분한 열을 공급하지 못 할 때까지 진행된다. 그 시점에, 그리고 축열기(200)가 연도 사이클에 있었고 축열기(100)가 개질 사이클에 있었던 본 명세서의 기재를 이제 계속하면, 노(10)는 축열기(200)가 열 회수를 위한 개질 사이클로 전환되고 축열기(100)가 열 축적을 위한 연도 사이클로 전환되는 반전을 겪는다. 반전 전에, 축열기(100) 내의 잔류 합성 가스는 노(10)로 퍼징되어야 한다. 이러한 경우에, 송풍기(300)로부터의 RFG의 유동은 계속되게 하면서, 밸브(120)를 폐쇄함으로써, 축열기로 공급되는 개질 연료를 처음에 종결된다. 축열기(100) 내의 잔류 합성 가스는, 축열기 내의 거의 모든 합성 가스가 노로 배출되어 완전히 연소되도록 명시된 양의 시간 동안 RFG에 의해 퍼징된다.
반전 시에, 노로부터의 연도 가스는 축열기(100)를 통과하고, 그의 소정 부분은 (본 명세서에 정의된 바와 같이) 통과 배출되는 반면, 소정 부분 또는 잔부는 연료와 혼합되고 혼합물이 축열기(200)를 통해 노 내로 통과된다. 폐쇄되어 있던 밸브(110)가 개방되고, 밸브(210)가 폐쇄되고, 밸브(360)가 폐쇄되고 밸브(380)가 개방되어, 가열된 연도 가스가 축열기(100)로부터 송풍기(300) 쪽으로 가서 이를 통과하고, 이러한 연도 가스의 소정 부분(303)은 폐쇄되어 있었지만 지금은 개방된 밸브(220)를 통해 들어온 개질 연료(230)와 혼합된 후에 축열기(200) 내로 통과한다. 개방되어 있던 밸브(115)는 밸브(115)를 통한 산화제에 의해 도움을 받는 연소가 이 상태에서는 일어나지 않기 때문에 폐쇄되고, 밸브(225)는 개방된다. 개질 연료와 재순환 연도 가스의 생성되는 혼합물은, 본 명세서에 기재된 바와 같이 이전 사이클에서는 축열기(100)에서 일어났던 흡열 반응을 축열기(200)에서 겪어서 합성 가스(425)를 생성하며, 이는 노(10) 내로 통과되고 노(10)에서 밸브(225)를 통해 공급되는 산화제(235)와 함께 연소된다.
연도 가스가 냉각되었던 축열기를 통해 빠져나와서 개질을 위한 다른 축열기로 재순환되는 연도 가스의 양은, 특정 노 및 연도 가스의 특정 특징에 따라 조정될 수 있으나, 연도 사이클에서 작동하는 축열기로부터 빠져나오는 연도 가스의 전형적으로 약 40% (부피 기준) 이하, 및 바람직하게는 약 6% 내지 27%가 재순환되어 개질 사이클에서 작동하는 축열기 내로 그리고 이를 통해 공급된다고 할 수 있다.
개질 사이클에서 작동하는 축열기 내로 공급되는 가스 스트림을 형성하는 데 있어서 FG에 대한 RFG의 임의의 비가 본 발명의 방법에 효과적으로 이용될 수 있지만, FG에 대한 RFG (부피 기준)의 바람직한 비는 0.5 내지 2.0이다.
본 발명의 대안적인 실시 형태에서, 열화학적 축열기들 중 하나로부터 다른 것으로 교대로 공급되는 RFG는, 스팀을 포함하지만 이에 한정되지 않는 50 부피% 초과의 H2O 및 CO2를 함유하는 별개의 개질 반응물 스트림으로 대체될 수 있다. 이 실시 형태는 도 5를 참조하여 설명되며, 여기서, 도 2, 도 3, 및/또는 도 4에 또한 나타나 있는 참조 번호는 도 2, 도 3, 및 도 4의 전술한 설명에서 그들에 부여된 의미를 갖는다.
도 5를 참조하면, 축열기(200)를 빠져나온 기체 연소 생성물(260) (및 교대로 축열기(100)를 빠져나온 기체 연료 생성물)은 다른 축열기 내로 전달되지 않는다. 따라서, 스트림(303) 및 도 2에서 밸브(360) 및 밸브(380)를 통과하는 스트림은 존재할 필요가 없다. 대신에, 스트림(260)은 스트림(260A)으로서 통과하여 배출되거나, 또는 스트림(260B)으로서 다른 목적지로 전달되며, 거기에서 수집되거나, 추가의 화학 처리를 거치거나, 둘 모두이다. 유사하게, 연도 가스가 노(10)로부터 축열기(100)를 통과하여 축열기(100)를 가열할 때의 사이클에서, 도 5에서 128이었을 스트림은 스트림(128A)으로서 통과하여 배출될 수 있거나, 스트림(128)으로서 다른 수집 또는 처리, 또는 둘 모두를 거칠 수 있다.
도 5의 실시 형태에서, 개질 연료 및 개질 반응물을 포함하는 스트림들은, 교대로, 밸브(220)가 폐쇄된 채로 개방된 밸브(120)를 통해 가열된 축열기(100) 내로 스트림(130)으로서 공급되고, 이어서 다른 사이클에서 밸브(220)가 개방되고, 밸브(120)가 폐쇄되고, 스트림(230)이 가열된 축열기(200) 내로 공급된다. 적합한 개질 반응물은 30 부피% 초과, 바람직하게는 50 부피% 초과, 더욱 바람직하게는 70 부피% 초과의 H2O 및/또는 CO2 (합계)를 포함하며, 질소, 아르곤, 일산화탄소, 수소, 및/또는 메탄 중 하나 이상을 또한 포함할 수 있다.
개질 연료 및 개질 반응물은 이들이 교대로 공급되는 가열된 축열기의 각각에서 개질 반응을 겪으며, 가열된 축열기에서 흡열 반응에 의해 합성 가스를 형성하고, 이어서 합성 가스는 노 내로 통과되고 연소되는데, 도 2 내지 도 4에 대해 기재된 실시 형태에 대해 모두 마찬가지이다.
본 발명은 유리 노를 작동시키는 통상적인 모드에서 확립된 결과 및 제한으로 간주되었던 것을 개선한다.
유리 노의 한 가지 중요한 작동 조건은 노가 구성되는 재료가 손상될 정도로 노 내의 온도가 높지는 않아야 한다는 것이다. 노 내의 온도는 전형적으로 천장의 내부 표면에서 가장 높기 때문에, 천장의 내부 표면 상의 가장 뜨거운 지점 ("고온점")에서 도달하는 최대 온도를 제어함으로써 작동을 제어하는 것이 유리하다.
높은 생산율을 갖는 전형적인 최첨단 컨테이너 유리 노는 후방 벽으로부터 노의 종방향 길이의 약 2/3 내지 3/4에 위치된 1550 C 내지 1600 C의 고온점 천장 온도에서 작동할 수 있다. 공급 구역(13) 내의 온도는 전형적으로 고온점 온도보다 100 C 내지 200 C 더 낮고 전형적으로 약 1400 내지 1450 C이다.
더 많은 배치 및 컬릿 재료를 유리 노 내에 장입함으로써 유리 노의 생산량을 증가시키기 위해서는, 노에 대한 연료 투입을 증가시켜 적절한 용융 유리 조 온도 프로파일을 유지하여야 한다. 그러나 더 많은 유리를 제조하기 위해 연료 투입을 증가시킴에 따라, 천장 온도가 증가할 것이고, 천장과 용융 유리 표면 사이의 더 큰 온도 차이에 의해 유도되는 더 많은 열이 용융 유리 제조 재료 위의 연소 공간으로부터 용융 유리 및 유리 제조 재료의 유입 공급물로 전달된다. 따라서, 천장 고온점 온도가 이미 그의 실용적인 작용가능한 최대치이거나 또는 그 근처인 경우, 천장의 온도를 그의 최고온 지점으로 증가시킬 위험이 있을 방식으로 연료 발화율을 증가시켜 노 생산량을 증가시키는 것은 불가능하다. 이론상으로 교차-발화식 노에서 공급 구역(13) 내의 장입 단부에 가장 가까운 버너의 발화율을 증가시켜, 고온점에서의 천장 온도를 크게 증가시키지 않고서 열 투입을 증가시킬 수 있다. 이러한 접근법에는 2가지 실용적인 제한이 존재한다. 첫째로, 교차-발화식 노 내의 버너의 최대 발화율은 전형적으로 노의 폭인 최대 화염 길이에 의해 제한된다. 화염 길이가 노의 폭을 초과하는 경우, 과열에 의해 연도 포트 내화 재료가 손상될 수 있고 연도 가스 온도가 증가하며, 이는 노 내에서 이용가능한 열을 감소시킨다. 둘째로, 화염의 가스 속도가 증가하면 연도 가스 내로의 미세 배치 재료의 캐리-오버(carry-over)가 증가한다.
도 1a 및 도 1c 및 도 1e에서 100 및 200으로 표시된 위치에, 즉 공급 구역 내에 산소-연료 버너 또는 공기-연료 버너를 설치하고 작동시킴으로써 추가적인 열이 유리 노에 제공될 수 있는 것으로 생각되어 왔으나, 이는 연도 가스 온도를 급격히 증가시키고 언급된 바와 같이 전형적으로 또한 공급 구역(13)에 위치된 연도 밖으로의 열 손실을 야기하는 것으로 밝혀졌다. 게다가 적절한 종방향 천장 온도 프로파일이 양호한 품질의 유리를 제조하는 데 필수적인 것으로 일반적으로 여겨지며, 고온점 온도를 증가시키지 않고서 공급 구역 온도를 증가시키는 것이 지금까지는 유리 품질에 악영향을 주는 것으로 고려된다. 예상외로 본 발명은, 제1 축열기(100) 및 제2 축열기(200)로부터의 합성 가스의 연소가 공급 구역 내의 분위기의 온도를 공급 구역 외부의 노 분위기의 최대 온도로부터 100 C 범위 이내로 유지하도록 전술된 열화학적 축열기(100, 200)를 작동시킴으로써, 이들 단점을 회피하고 천장에서의 최대 허용가능 온도를 넘지 않고서 유리의 증가된 생산량을 제공하는 것으로 밝혀졌다. 이는 노 내의 적합한 온도 센서에 의해 확립 및 모니터링될 수 있다. 이러한 결과를 초래하는 전형적인 조건은, 이들 축열기 중 하나 또는 다른 것으로부터 노 내로 나오는 합성 가스의 연소에 의해 형성되는 화염 (예를 들어 화염(40))의 길이가 도 1b 및 도 1d의 단부-포트 발화 구성에서 노의 길이의 2/3 미만, 바람직하게는 그러한 길이의 1/2 미만이 되도록; 또는 (도 1a 및 도 1c 및 도 1e에 나타난 바와 같이) 측벽 내의 축열기(100) 및 축열기(200)로부터의 화염이 교차-발화식 구성에서 대향 측벽에 도달하지 않도록 작동시키는 것이다. 각각의 화염의 길이는, 합성 가스가 축열기로부터 노 내로 유동해 나오는 포트의 크기 및 각도를 제어하는 것 및 노 내로 주입되는 산화제 스트림의 속도, 각도, 개수 및 위치를 제어하는 것과 같은 잘 알려진 기술에 의해 원하는 길이로 제어될 수 있다. 교차 발화식 구성에서 이러한 결과를 위해 전형적인 유량은 3,000 SCFH 내지 100,000 SCFH (합성 가스) 및 2,000 SCFH 내지 60,000 SCFH (산화제)이다.
이러한 예상외의 발견에 대한 특정 설명에 구애되고자 함이 없이, TCR 작동 하에 생성되는 합성 가스 연소 화염은 주위 온도 천연 가스 및 산소 연소의 정상 단열 화염 온도보다 현저히 더 높은 단열 화염 온도를 갖는 것으로 여겨지는데, 그 이유는 TCR로부터의 합성 가스가 더 높은 수소 농도 및 약 1100 내지 1300 C의 높은 예열 온도를 갖기 때문이다. 도 2의 구성에서, 대부분의 연소열은 후방 벽에 더 가까운 노의 영역에서 방출되며, 그 결과로 피크 천장 온도는 노의 후방 벽을 향해 이동되고 천장 고온점과 후방 벽 근처 천장 사이의 온도차는 통상적인 산소-연료 발화식 유리 노에 대한 130 C로부터 본 명세서에 기재된 열 회수 열화학적 재생을 이용하는 노에 대한 약 50 C로 감소된다. 따라서, 천장 고온점과 후방 벽 근처 천장 사이의 온도차는 TCR로부터 화염의 발화율 및 화염 길이를 제어함으로써 TCR 작동에 의해 100 C 미만, 또는 75 C 미만 또는 심지어 50 C 미만으로 제어될 수 있다.
본 발명의 TCR 양상이 없는 통상적인 산소-연료 발화식 유리 노에서, 발화율이 증가될 때, 이는 또한 노를 떠나는 연도 가스 온도를 증가시키고 용용 유리를 제조하기 위한 에너지 소비가 급격히 증가한다. 제조되는 유리의 단위당 에너지 소비 증가의 이러한 문제는 본 발명의 (TCR) 열화학적 재생 및 연소 공정을 통합하여 연도 가스 내의 증가된 폐열을 효율적으로 회수함으로써 해결된다. 즉, 연도 가스의 온도가 증가함에 따라 열 회수 효율이 증가한다는 점에서 TCR은 독특한 특징을 갖는 것으로 밝혀졌다. 통상적인 공기 가열 축열기에서, 연도 가스 온도가 증가할 때 열 회수 효율 (연소 공기로 전달되는 예열 에너지로서 회수된 폐열의 %)은 거의 동일하게 유지된다. 축열기로 들어가는 뜨거운 연도 가스 온도가 증가함에 따라 축열기 후의 냉각된 연도 가스의 온도가 증가한다. 대조적으로, 본 발명에 채용되는 TCR 열 회수 공정에서, 연도 가스 온도가 증가될 때 열 회수 효율이 증가하고, 축열기로 들어가는 뜨거운 연도 가스 온도가 증가함에 따라 축열기 후의 냉각된 연도 가스의 온도가 별로 증가하지 않는다. 이러한 독특한 특징의 이유는 축열기에 저장된 열이, 합성 가스를 형성하는 흡열 화학 반응을 통해 부분적으로 회수되기 때문인 것으로 여겨진다. 흡열 화학 반응의 속도가 816 C (1500 F) 초과에서 중요해지며 온도에 따라 기하급수적으로 증가한다. TCR 축열기 층(100) 또는 층(200)으로 들어가는 연도 가스 온도가 증가될 때, 층의 더 높은 온도 구역에 더 많은 열이 저장되고 열 회수 사이클 동안 더 많은 흡열 반응이 일어나서 높은 온도 구역에 저장된 열을 회수한다. 축열기로부터의 생성되는 뜨거운 합성 가스는 더 많은 에너지를 함유하며 더 뜨거운 화염을 생성하고, 이는 공급 구역 근처에서 더 많은 에너지를 방출하여, 장입된 재료의 더 신속한 용융을 촉진한다.
이는 노의 고온점에서 나타나는 최대 온도를 증가시키지 않고서 공급 구역 내의 온도가 증가되게 한다.
따라서, 본 발명은 본 명세서에 기재된 열화학적 축열기 작동 및 산소-연료 연소를 이용함으로써, 양호한 비에너지 소비(specific energy consumption)를 유지하면서 고온점 온도를 증가시키지 않고서, 고온 예열된 합성 가스 및 산소의 연소에 의해 생성되는 화염으로부터의 강한 열에 의해 후방 벽 근처에서 공급 구역 내의 온도를 증가시킴으로써 교차-발화식 구성에서 산소-연료 발화식 유리 노 또는 공기-연료 발화식 노의 비생산율(specific production rate)을 증가시키는 개선된 노 작동 방법을 제공한다. 이러한 방식으로, 더 많은 배치/컬릿 재료를 장입하면서 후방 벽 근처에서 합성 가스 발화율을 증가시킴으로써, 천장 온도 프로파일이 평탄해진 (즉, 높은 천장 온도가 천장의 더 긴 범위에 걸쳐 유지되는) 때에도 양호한 품질의 유리가 제조될 수 있다.
이러한 관찰되는 현상은, 컴퓨터 모델링 연구에 의하면, 부유하는 배치 섬 아래의 용융 유리를 상부의 연소 공간으로부터의 강한 복사열로부터 단열하고 용융 유리 온도를 고온점 근처의 용융 유리 온도보다 저온으로 유지하는, 노의 공급 구역에서 용융 유리 위에 부유하는 배치 재료와 일치하는 것으로 나타난다. 고온점으로부터 후방 벽으로 향하는 용융 유리의 후방 순환 유동은 고온점과 후방 벽 사이의 용융 유리 온도 차이에 의해 유도되기 때문에, 더 평탄한 천장 온도 프로파일에도 불구하고 양호한 후방 순환 유동이 유지된다. 추가적인 비교적 저온인 배치 재료가 후방 벽 근처에서 장입됨에 따라, 이는 이 구역에서 순환하는 용융 유리를 냉각시키고, 노의 고온점으로부터 용융 유리의 필요한 재순환 유동을 생성하기에 충분한 온도 구배를 유지하는 데 도움을 준다.

Claims (18)

  1. 용융 유리의 제조 방법으로서,
    (A) 후방 벽, 전방 벽, 및 서로 대면하고 각각 후방 벽으로부터 전방 벽까지 연장되는 한 쌍의 측벽들, 그리고 천장(crown)을 갖는 유리 용융 노(glassmelting furnace) 내로 유리 제조 재료를 공급하는 단계 - 여기서, 유리 제조 재료는 후방 벽으로부터 전방 벽으로 향하는 노의 길이의 최대 30%까지 후방 벽으로부터 연장되는 공급 구역 내로 공급되고,
    버너(burner)들이 측벽들에 위치되지 않거나 또는 적어도 하나의 산소-연료(oxy-fuel) 또는 공기-연료 버너가 각각의 측벽에 위치되어 각각의 상기 버너에서 연소에 의해 노 내의 유리 제조 재료에 열을 제공하고,
    상기 노는 상기 공급 구역 내로 개방된 포트를 각각 갖는 제1 축열기(regenerator) 및 제2 축열기를 포함하고, (i) 상기 제1 축열기 포트는 한 측벽에 위치되고 상기 제2 축열기 포트는 다른 측벽에 위치되며, 공기-연료 버너가 상기 축열기 포트들 중 어느 하나와 후방 벽 사이에 위치되지 않거나, 또는 (ii) 상기 제1 및 제2 축열기 포트들은 후방 벽에 위치됨 -; 그 동안
    (B) 존재하는 상기 버너들에서 상기 노 내의 연료를 연소시키는 단계; 및
    (C) 제1 및 제2 축열기들로부터의 합성 가스(syngas)의 노 내에서의 연소가 공급 구역 내에서의 천장의 온도를 공급 구역 외부의 노 내에서의 천장의 최고 온도로부터 100 C 범위 이내로 유지하는 조건 하에서,
    교대로,
    (1) 노로부터 기체 연소 생성물들을 냉각된 제1 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 제1 축열기를 가열하고 상기 기체 연소 생성물들을 냉각시키고, 상기 제1 축열기로부터의 상기 냉각된 기체 연소 생성물들의 제1 부분 및 연료를 가열된 제2 축열기 내로 통과시키고, 제2 축열기에서, 기체 연소 생성물들과 연료를 흡열 반응으로 반응시켜 수소 및 CO를 포함하는 합성 가스를 형성하고, 상기 합성 가스를 제2 축열기로부터 공급 구역 내로 통과시키고 이를 공급 구역 내에서 연소시키는 단계, 및
    (2) 노로부터 기체 연소 생성물들을 냉각된 제2 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 제2 축열기를 가열하고 상기 기체 연소 생성물들을 냉각시키고, 상기 제2 축열기로부터의 상기 냉각된 기체 연소 생성물들의 제1 부분 및 연료를 가열된 제1 축열기 내로 통과시키고, 제1 축열기에서, 기체 연소 생성물들과 연료를 흡열 반응으로 반응시켜 수소 및 CO를 포함하는 합성 가스를 형성하고, 상기 합성 가스를 제1 축열기로부터 공급 구역 내로 통과시키고 이를 공급 구역 내에서 연소시키는 단계
    를 포함하는, 용융 유리의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 축열기들로부터의 합성 가스의 노 내에서의 연소는 공급 구역 내에서의 천장의 온도를 공급 구역 외부의 노 내에서의 천장의 최고 온도로부터 75 C 범위 이내로 유지하는 조건 하에서 수행되는, 용융 유리의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 축열기들로부터의 합성 가스의 노 내에서의 연소는 공급 구역 내에서의 천장의 온도를 공급 구역 외부의 노 내에서의 천장의 최고 온도로부터 50 C 범위 이내로 유지하는 조건 하에서 수행되는, 용융 유리의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 축열기들의 포트들은 후방 벽에 위치되고, 가시적 화염 길이는 후방 벽으로부터 전방 벽까지의 노의 종방향 길이의 2/3 미만인, 용융 유리의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 축열기들의 포트들은 후방 벽에 위치되고, 가시적 화염 길이는 후방 벽으로부터 전방 벽까지의 노의 종방향 길이의 1/2 미만인, 용융 유리의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서, 적어도 한 쌍의 공기-연료 축열기 포트들 및 버너들이 각각의 측벽에 위치되며, 상기 제1 축열기의 포트는 한 측벽에 위치되고 상기 제2 축열기의 포트는 다른 측벽에 위치되는, 용융 유리의 제조 방법.
  7. 용융 유리의 제조 방법으로서,
    (A) 후방 벽, 전방 벽, 및 서로 대면하고 각각 후방 벽으로부터 전방 벽까지 연장되는 한 쌍의 측벽들, 그리고 천장을 갖는 유리 용융 노 내로 유리 제조 재료를 공급하는 단계 - 여기서, 유리 제조 재료는 후방 벽으로부터 전방 벽으로 향하는 노의 길이의 최대 30%까지 후방 벽으로부터 연장되는 공급 구역 내로 공급되고,
    버너들이 측벽들에 위치되지 않거나 또는 적어도 하나의 산소-연료 또는 공기-연료 버너가 각각의 측벽에 위치되어 각각의 상기 버너에서 연소에 의해 노 내의 유리 제조 재료에 열을 제공하고,
    상기 노는 상기 공급 구역 내로 개방된 포트를 각각 갖는 제1 축열기 및 제2 축열기를 포함하고, (i) 상기 제1 축열기 포트는 한 측벽에 위치되고 상기 제2 축열기 포트는 다른 측벽에 위치되며, 산소-연료 버너 또는 공기-연료 버너가 상기 축열기 포트들 중 어느 하나와 후방 벽 사이에 위치되지 않거나, 또는 (ii) 상기 제1 및 제2 축열기 포트들은 후방 벽에 위치됨 -; 그 동안
    (B) 존재하는 상기 버너들에서 상기 노 내의 연료를 연소시키는 단계; 및
    (C) 제1 및 제2 축열기들로부터의 합성 가스의 노 내에서의 연소가 공급 구역 내에서의 천장의 온도를 공급 구역 외부의 노 내에서의 천장의 최고 온도로부터 100 C 범위 이내로 유지하는 조건 하에서,
    교대로,
    (1) 노로부터 기체 연소 생성물들을 냉각된 제1 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 제1 축열기를 가열하고 상기 기체 연소 생성물들을 냉각시키고, 상기 제1 축열기로부터의 상기 냉각된 기체 연소 생성물들의 제1 부분 및 연료를 가열된 제2 축열기 내로 통과시키고, 제2 축열기에서, 기체 연소 생성물들과 연료를 흡열 반응으로 반응시켜 수소 및 CO를 포함하는 합성 가스를 형성하고, 상기 합성 가스를 제2 축열기로부터 공급 구역 내로 통과시키고 이를 공급 구역 내에서 연소시키는 단계, 및
    (2) 노로부터 기체 연소 생성물들을 냉각된 제2 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 제2 축열기를 가열하고 상기 기체 연소 생성물들을 냉각시키고, 상기 제2 축열기로부터의 상기 냉각된 기체 연소 생성물들의 제1 부분 및 연료를 가열된 제1 축열기 내로 통과시키고, 제1 축열기에서, 기체 연소 생성물들과 연료를 흡열 반응으로 반응시켜 수소 및 CO를 포함하는 합성 가스를 형성하고, 상기 합성 가스를 제1 축열기로부터 공급 구역 내로 통과시키고 이를 공급 구역 내에서 연소시키는 단계
    를 포함하는, 용융 유리의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 제1 및 제2 축열기들로부터의 합성 가스의 노 내에서의 연소는 공급 구역 내에서의 천장의 온도를 공급 구역 외부의 노 내에서의 천장의 최고 온도로부터 75 C 범위 이내로 유지하는 조건 하에서 수행되는, 용융 유리의 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서, 제1 및 제2 축열기들로부터의 합성 가스의 노 내에서의 연소는 공급 구역 내에서의 천장의 온도를 공급 구역 외부의 노 내에서의 천장의 최고 온도로부터 50 C 범위 이내로 유지하는 조건 하에서 수행되는, 용융 유리의 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서, 제1 및 제2 축열기들의 포트들은 후방 벽에 위치되고, 가시적 화염 길이는 후방 벽으로부터 전방 벽까지의 노의 종방향 길이의 2/3 미만인, 용융 유리의 제조 방법.
  11. 제7항에 있어서, 제1 및 제2 축열기들의 포트들은 후방 벽에 위치되고, 가시적 화염 길이는 후방 벽으로부터 전방 벽까지의 노의 종방향 길이의 1/2 미만인, 용융 유리의 제조 방법.
  12. 제7항에 있어서, 적어도 한 쌍의 공기-연료 축열기 포트들 및 버너들이 각각의 측벽에 위치되며, 상기 제1 축열기의 포트는 한 측벽에 위치되고 상기 제2 축열기의 포트는 다른 측벽에 위치되는, 용융 유리의 제조 방법.
  13. 용융 유리의 제조 방법으로서,
    (A) 후방 벽, 전방 벽, 및 서로 대면하고 각각 후방 벽으로부터 전방 벽까지 연장되는 한 쌍의 측벽들, 그리고 천장을 갖는 유리 용융 노 내로 유리 제조 재료를 공급하는 단계 - 여기서, 유리 제조 재료는 후방 벽으로부터 전방 벽으로 향하는 노의 길이의 최대 30%까지 후방 벽으로부터 연장되는 공급 구역 내로 공급되고,
    버너들이 측벽들에 위치되지 않거나 또는 적어도 하나의 산소-연료 또는 공기-연료 버너가 각각의 측벽에 위치되어 각각의 상기 버너에서 연소에 의해 노 내의 유리 제조 재료에 열을 제공하고,
    상기 노는 상기 공급 구역 내로 개방된 포트를 각각 갖는 제1 축열기 및 제2 축열기를 포함하고, (i) 상기 제1 축열기 포트는 한 측벽에 위치되고 상기 제2 축열기 포트는 다른 측벽에 위치되며, 공기-연료 버너가 상기 축열기 포트들 중 어느 하나와 후방 벽 사이에 위치되지 않거나, 또는 (ii) 상기 제1 및 제2 축열기 포트들은 후방 벽에 위치됨 -; 그 동안
    (B) 존재하는 상기 버너들에서 상기 노 내의 연료를 연소시키는 단계; 및
    (C) 제1 및 제2 축열기들로부터의 합성 가스의 노 내에서의 연소가 공급 구역 내에서의 천장의 온도를 공급 구역 외부의 노 내에서의 천장의 최고 온도로부터 100 C 범위 이내로 유지하는 조건 하에서,
    교대로,
    (1) 노로부터 기체 연소 생성물들을 냉각된 제1 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 제1 축열기를 가열하고 상기 기체 연소 생성물들을 냉각시키고, 기체 개질 반응물(gaseous reforming reactant)들을 가열된 제2 축열기 내로 통과시키고, 제2 축열기에서, 기체 개질 반응물들과 연료를 흡열 반응으로 반응시켜 수소 및 CO를 포함하는 합성 가스를 형성하고, 상기 합성 가스를 제2 축열기로부터 공급 구역 내로 통과시키고 이를 공급 구역 내에서 연소시키는 단계, 및
    (2) 노로부터 기체 연소 생성물들을 냉각된 제2 축열기 내로 그리고 이를 통과시켜 제2 축열기를 가열하고 상기 기체 연소 생성물들을 냉각시키고, 기체 개질 반응물들을 가열된 제1 축열기 내로 통과시키고, 제1 축열기에서, 기체 개질 반응물들과 연료를 흡열 반응으로 반응시켜 수소 및 CO를 포함하는 합성 가스를 형성하고, 상기 합성 가스를 제1 축열기로부터 공급 구역 내로 통과시키고 이를 공급 구역 내에서 연소시키는 단계
    를 포함하는, 용융 유리의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서, 제1 및 제2 축열기들로부터의 합성 가스의 노 내에서의 연소는 공급 구역 내에서의 천장의 온도를 공급 구역 외부의 노 내에서의 천장의 최고 온도로부터 75 C 범위 이내로 유지하는 조건 하에서 수행되는, 용융 유리의 제조 방법.
  15. 제13항에 있어서, 제1 및 제2 축열기들로부터의 합성 가스의 노 내에서의 연소는 공급 구역 내에서의 천장의 온도를 공급 구역 외부의 노 내에서의 천장의 최고 온도로부터 50 C 범위 이내로 유지하는 조건 하에서 수행되는, 용융 유리의 제조 방법.
  16. 제13항에 있어서, 제1 및 제2 축열기들의 포트들은 후방 벽에 위치되고, 가시적 화염 길이는 후방 벽으로부터 전방 벽까지의 노의 종방향 길이의 2/3 미만인, 용융 유리의 제조 방법.
  17. 제13항에 있어서, 제1 및 제2 축열기들의 포트들은 후방 벽에 위치되고, 가시적 화염 길이는 후방 벽으로부터 전방 벽까지의 노의 종방향 길이의 1/2 미만인, 용융 유리의 제조 방법.
  18. 제13항에 있어서, 적어도 하나의 공기-연료 버너가 각각의 측벽에 위치되며, 상기 제1 축열기의 포트는 한 측벽에 위치되고 상기 제2 축열기의 포트는 다른 측벽에 위치되는, 용융 유리의 제조 방법.
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