KR20020036711A - 유리제조용 노의 축열실 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수의 채널을 형성하는 내화물 부재의 몇개의 열로 이루어진 스택을 포함하는 유리제조용 노의 축열실에 관한 것이고, 상기 스택은 고온 가스가 흐르는 방향으로, 고온 가스 입구부에서 고온 가스를 빨리 냉각시키는 제1구역, 분진을 쉽게 생성하는 화학종을 응축 및 트랩핑하는 제2구역 또는 중앙 구역 및 냉각된 가스 출구부에서 응축물을 배출하는 제3구역을 포함하고, 적어도 2개의 인접한 열을 포함하는 상기 중앙 영역을 구성하는 열로 이루어진 스택킹된 내화물 부재의 채널은 제1과 제3구역의 채널의 돌출된 표면적보다 적어도 20% 적은 돌출된 표면적을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

유리제조용 노의 축열실{A GLASSMAKING FURNACE REGENERATOR}

본 발명은 분진의 방출을 감소시키기 위해서 가스 배출물 내에 있는 불순물을 트랩핑하는 장치를 동시에 제공하는 유리제조용 노의 축열실에 관한 것이다.

흔히, 화염식 유리제조용 노(flame glassmaking furnaces)라 불려지고, 에너지 원으로 가스 및 오일 버너를 갖는 이들 노에는 축열실이 갖추어져 있다. 축열실은 스택(stack)을 형성하고 주기적으로 열을 회수 및 반송하는 세라믹 부재를 갖춘 일련의 챔버를 포함한다. 운전중의 노로부터 나오는 고온 가스 또는 연도 가스는 일반적으로 축열실의 최상부에서 스택으로 들어가고 스택 내부에 열 에너지를 전달한다. 이 시간 동안에, 열 에너지를 회수하기 위해서 바로 전의 사이클동안에 가열된 다른 스택의 저부로 찬 공기가 공급된다; 공급된 공기는 그것이 스택의 최상부를 떠날 때에는 뜨거워지고, 가능한 가장 좋은 상태하에서 연료의 연소를 확실하게 하기 위해서 스택으로부터 노의 버너로 보내진다.

유리 용해로는 다량의 가스상의 배출물을 생성한다. 축열실의 입구와 출구 사이에서 가스 배출물이 냉각될 때 이들 배출물에서 분진이 형성된다. "분진" 이라는 용어는 미립자 방출, 즉, (크기의 제한이 없는)고체형 또는 (작은 방울 모양의) 액체형의 유기물 또는 무기물을 일컫는다.

본질적으로 분진은 제조시 유리 욕(bath)에 존재하는 물질이 증발 및 재결합으로 인한 화학종(species)의 응축으로부터 발생한다. 분진은 연료내에 들어있는 불순물에 의해서도 발생된다. 또한, 더 적은 정도이지만, 고체 형태의 비산 원재료로부터 분진이 발생한다.

당업자는, 노의 운전 조건에 따라 더 많아지거나 또는 적어지기는 하지만 축열실 입구에 상당한 양의 분진이 퇴적된다는 것을 알고 있다. 이러한 퇴적은 연도 가스 및 공기용 통로를 블록킹하는 경향이 있다. 지금까지, 설계자들은 줄곧 이러한 블록킹 현상을 제한하는 스택을 설계하기 위해서 노력해왔다.

FR-A-2756820 에서는 분진의 퇴적으로 블록킹된 부분을 해제시키기 위해서 종래의 스택을 선택적으로 가열하는 방법을 제안한다.

현재, 많은 국가에서 적용될 수 있는 표준은 미립자 방출물을 규제하고 더욱 엄격하게 감소시키는 것을 목표로 하고 있다.

따라서, 유리 제조업체들은 유리 용해용 노로부터의 미립자 방출물을 줄이기 위한 새로운 방법을 연구하게 되었다.

현재, 몇몇 해결책이 이용되고 있다.

가장 널리 사용되는 것이 전기 집진기이다. 이 형식의 장치는 대다수의 미립자 배출물을 수집하지만 심각한 결점을 갖는다. 이러한 장비의 투자 및 운전 비용은 매우 높다. 또한, 상기 장비가 산성 가스에 의해 빠르게 손상되기 때문에 이들 가스가 필터로 들어가기 전에 상기 가스를 처리하는 것이 권장되며, 이것은 부가적인 제약을 의미한다.

백필터 및 더욱 일반적으로는, 멤브레인 필터가 또한 사용된다. 이들 역시 대다수의 미립자 방출물을 모으지만 상술된 장치와 동일한 결점을 갖는다. 게다가, 이러한 형태의 필터는 저온에서 운전되기 때문에, 필터에서 연도 가스를 처리하기 전에 상기 가스를 냉각시킬 필요가 있다. 종국적으로, 보조 필터 시스템을 부가하는 것은 수두 손실을 가져오기 때문에, 노의 운전을 제어하는데에 문제를 가져오게 된다.

따라서, 기존 시스템의 결점을 갖지 않고 효율적인 유리제조용 노로부터 연도 가스에 방출되는 분진을 감소시키는 장치가 요구된다.

본 발명은 유리제조용 노로부터 생성되는 가스 배출물에 남아 있는 불순물을 잡아내는 장치로 작용하는 동시에 분진 형성과 보조 필터 시스템의 의존성을 제한하는 축열실을 제안함으로서 상기 필요 조건을 만족시킨다.

상기 요건은 자체에 열교환 기능을 명백히 보유하는 스택을 구성하는 내화물 부품의 표면 상에 분진을 생성하는 종의 응축을 촉진하고, 최적화하며, 제어하는 배치를 갖는 축열실 스택에 의해 충족된다.

좀 더 정확히 말하자면, 본 발명은 복수의 채널을 형성하는 수 개 열의 내화물 부재의 스택을 포함하는 유리제조용 노의 축열실을 제공하고, 상기 스택은 고온 가스의 유동으로 보아, 고온 가스 입구에서의 고온 가스를 빠르게 냉각시키기 위한 제1구역, 분진을 생성하기 쉬운 화학 종을 응축시키거나 잡아내는 제2구역 또는 중앙 구역 및 냉각된 가스의 출구에서의 응축물을 배출하는 제3구역을 포함하고, 적어도 2개의 인접한 열을 포함하는 상기 중앙 구역을 구성하는 스택된 내화물 부재의 열의 채널은 제1 및 제3구역의 채널보다 적어도 20% 적은 돌출된 표면적을 갖는다.

"채널의 돌출된 표면적" 이라는 표현은 평면도에 나타난 바와 같이 내화물 벽에 의해 경계가 결정된 최대 표면적을 의미한다. 예를 들어, 상기 채널이 크기를 감소시키거나 또는 2개의 연속되는 열에 걸쳐 채널을 어긋나게 하는 채널의 돌출된 표면적을 감소시킨다. 뚜렷한 효과를 얻기 위하여는, 돌출된 표면적의 감소율은 적어도 20%가 되어야 한다.

"열" 은 스택 부재의 계층 또는 층을 의미한다.

전기 용융된 십자형 스택킹 가능한 부재에 의해 적어도 부분적으로는 이러한 축열실의 스택이 유리하게 형성된다.

연구를 목적으로, 산업 현장의 연도 가스내에 함유된 분진의 양을 평가하는 장치가 개발되어 있다. 이 장치는 수냉각 스테인레스강 샘플링 파이프를 포함한다. 이 장치는 제어된 샘플링 조건 통제하에서 스택내에 흐르는 연도 가스의 대표적인 샘플을 등속 방식으로 추출한다. 고체 입자가 필터에 수집되고 가스 흐름은 적절한 흡수 용액을 포함하여 일련의 세척 플라스크를 통과한다. 여과액과 세정액의 분석은 이미 형성된 분진 농도와 분진을 생성하기 쉬운 증기 형태에서의 종의 농도를 정량화한다. 따라서, 축열실 챔버의 상부와 하부 사이의 변화를 감시하기 위해서, 본 장치는 스택 내에서 마주치는 모든 온도와 속도의 범위에서 사용될 수 있다.

필터에 수집된 분진에 대한 연구는 유리제조용 노에서 발생된 분진이 매우 작은 입자(1마이크로미터 미만 크기인)를 포함하고 이 중 가장 큰 부분은 황산나트륨 (특히 제조되고 있는 유리가 알칼리-라임 유리라면)으로 구성되는 것을 입증하고 있다. 황산나트륨은(원료의 베드로부터 유리 자체의 욕 위까지 종의 증발에서 기인하는) 증기 상태에서의 Na₂O 와 연료 및 원료로부터의 SO₂사이의 반응 결과로 생성된다. 이것은 대략 1100°C 이하의 온도에서 응축되고 연도 가스가 대략 900°C 아래로 냉각될때 응고된다. 이러한 단계는 축열실 내에서 연도 가스가 냉각되는 동안 발생한다.

상기 SO₂와 산화나트륨은 스택 입구에서는 기체 상태로 있다. 스택의 순환작업으로 인해, 내화물의 온도는 연도가스의 온도보다 낮아진다. 따라서, 채널 중심에서의 연도 가스와 내화물 벽과 접촉하는 연도 가스 사이에서 온도 구배가 형성된다. 스택 부재의 온도가 황산나트륨을 응축시키는 온도 미만으로 떨어지자 마자, 내화물 부재 표면상에 응축이 시작된다. 그 후, 연도 가스의 온도가 실질적으로 황산나트륨이 응축되는 온도와 같아질 때, 황산나트륨은 채널 중심에서 안개의 형태를 이루며 자연적으로 응축된다. 안개를 구성하는 대부분의 작은 방울은 내화물 벽상에서 퇴적된다. 연도 가스의 온도가 황산나트륨이 응고되는 온도 미만으로 떨어질때, 작은 방울은 액체 상태에서 고체 상태로 변화한다.

여러가지 공업 노에서의 측정은 상술된 분진 형성 메카니즘에 대한 연구와 입증을 가능하게 한다.

결과적으로, 황산나트륨 분진에 대해 본질적인 관심을 갖게 된다; 현저하게 상이한 온도에서 이긴 하지만, 상기 입증된 현상은 기타 종(황산염, 염화물, 알칼리 붕산염, 알칼리성-토류 금속)에서도 발생한다.

축열기 스택을 사용할때 배출되는 분진의 양을 감소시키기 위해서, 분진을 생성하기 쉬운 화학종의 스택으로 구성된 내화물상에서 상기 스택은 응축을 최대화 할 수 있어야 한다.

본 발명의 목적은 이러한 목적을 달성할 수 있는 상이한 해결책을 제공하는 것이다. 스택 전체가 오로지 열 전달을 위한 것이었던 종래의 축열실과 달리, 본 발명에 따른 스택은 모두 세 구역으로 나눠지고, 그것의 각각은 고유한 역할을 갖는다. 연도 가스를 마주치는 제1구역은 중앙 구역의 효율을 최대로 할 수 있도록 연도 가스를 조절하는 것을 목표로 하는 구역이다. 그러므로, 수증기 형태로 분진을 생성하고 종을 유지하고 이들 종을 응축시키는 온도에 가깝지만, 그 보다는 더 높은 연도 가스 온도를 갖도록 하는 것이 특히 문제가 된다. 이러한 빠른 열 컨디셔닝은 실제로 트랩핑 현상이 발생하는 중앙 구역을 위한 더 많은 공간을 남겨야 한다. 중앙 구역에 대한 여러가지 가능한 구성은 응축 및 스택 부재 표면 상의 작은 방울의 퇴적을 강화시키기 위한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 축열실 스택의 수직단면에서의 다이어그램도,

도 2는 도 1의 I-I라인을 따라 자른 단면에서 본 발명에 따른 축열실 스택의 중앙 구역의 일부를 나타내는 도면,

도 3은 도 2와 유사하지만 본 발명에 축열실 스택의 따른 상이한 실시예를 나타내는 도면,

도 4는 본 발명에 따른 스택의 다른 실시예의 중앙 구역을 나타내는 수직 단면에서의 다이어그램도,

도 5는 본 발명에 따른 스택의 또 다른 실시예의 중앙 구역을 나타내는 수직 단에서의 다이어그램도,

모든 도면은 채널의 너비가 고려된 동일한 축척을 갖는다.

제3의 최종 구역은 바로 앞의 구역으로부터 중력에 의해 흐르는 응축물 및 기타 퇴적물의 자연적인 또는 강제적인 배출을 촉진하도록 설계된다.

본 발명의 스택은 종래에 사용되던 모든 형식의 소결 또는 용융된 내화물 부재로 만들어 질 수 있다. 본 응용에 주어진 예시는에 의해 제조 및 판매되는 축열실 챔버를 채우는 다양한 십자형 전기 용융된 부재를 참조로 한다. 이들 제품이 연도 가스 내에 포함된 알칼리성 증기와 비교하여 매우 낮은 반응성을 나타내고 축열실의 운전에 의하여 부과되는 고온과 열사이클에 매우 낮은 저항을 갖기 때문에 이들 제품은 이러한 응용에 완전히 적합하다. 또한, 이들 부재의 열교환 비 표면적이 크고, 매우 높은 축열 효율을 이룰 수 있다. 또한, SEPR로 부터 십자형 부재를 구성하는 전기 용융된 내화물은 열처리에 의해 스택을 클리닝하는데 특히 잘 견딜수 있다.

도 1은 세 구역 A,B,C를 갖는 스택을 도시한 도면이다.

연도 가스에 의해 마주치는 제1구역, 즉, 고온의 A 구역에서, EP-B-354844 에 기술된 것과 같은 장애 또는 골(2)을 특징으로 하는 십자형 내화물 부재(1)가 사용된다. 십자형 내화물 부재의 열 효율은 매우 높다. 연도 가스와 내화물 벽 사이에 큰 온도 차이가 있다. 따라서, 이 구역은 연도 가스의 온도를 응축하기 시작하는 온도로 급격히 감소시킨다. 이 구역을 위해서는, 매우 높은 열 효율을 갖는 부분 또는 그 부분들의 배치가 적합하다. 또한, 기존의 스택에서, 공격적인 화학종으로 채워진 대기와 매우 높은 온도에 높은 저항성을 갖는 부분이 필요하다. A구역의 높이는 노가 운전되는(통풍, 과잉 공기 등)방법, 특히 연도 가스가 스택에 도달하는 온도 및 유속에 따라 달라진다.

SEPR 형(3) 및 형(6)의 평활한 십자형 부재(3)가 중앙 구역(B)에 사용된다. 많은 변이 영역을 생성하기 위해서, 열을 이루는 부재의 다양한 배치가 이러한 부분에 두루 사용된다. 변이는 부재의 형태 내에서의 변화(형3과 형6 사이의 변화), 동일한 형태를 갖는 부재의 어긋남, 또는 내화물 부재의 벽상에 있는 장애물에 의해 발생할 수 있다. B구역의 많은 부분들이 이러한 가능성을 설명한다. 연도 가스의 흐름은 이들 변이에 의해 방해를 받고, 연도 가스와 스택부 사이에서 분진 덩어리의 이동을 강화시킨다. 중앙 구역(B)의 도입부는 채널의 전체적으로 돌출된(즉 2개의 연속적인 열을 허용하는)표면적이 고온 구역(A)의 돌출된 표면적과 비교하여 감소된 2개의 연속적인 열을 구성한다. 중앙 구역의 말단부는 전체적으로 돌출된 표면적이 고온부의 돌출된 표면적과 같거나 더 큰 2개의 연속적인 열에 의해 표시된다. 중앙 구역내에서는, 고온부에서와 같은 너비를 갖는 채널이 주기적으로 사용될 수 있거나 이러한 변이 효과를 유리하게 하기 위해서 전혀 사용되지 않을 수도 있다. 따라서, 중앙 구역을 구성하는 열 전체에 걸쳐, 돌출된 표면적이 고온 구역의 돌출된 표면적 보다 작지만, 1개의 열에서는 돌출된 표면적이 고온 구역의 돌출된 표면적과 같아질 수 있다. 중앙 구역 채널의 크기에서의 최소한 국부적인 감소는 본 발명에 따른 축열실의 스택에 대한 특징을 나타낸다. 절반 이상의 열이 중앙 구역의 전체 돌출된 표면적을 감소시키는데 기여한다는 것은 바람직하다. 이들 "액티브" 열은 상당한 효과를 얻기 위해서 1 미터의 누적 높이를 가져야 한다. 분진을 생성하는 종의 벽으로의 이동 메카니즘을 증대시킬 수 있는 기타 배치, 특히, 분진 덩어리의 이동을 촉진시키기 위해서 변이 영역을 생성하는 기타 배치는 중앙 구역(B)(골이 진부분, 채널의 어긋남, 장애물의 제공 등)에 동일하게 적합할 수 있다.

중앙 구역(B)에서와 같이 냉각 구역(C)에서도 같은 부재가 사용되지만, 채널은 응축물의 흐름을 촉진시키기 위해서 더 넓다. 이것으로 고정된 응축물의 축적으로 인한 블로킹을 피할 수 있다. 자연적인 흐름에 의해 응축물의 배출을 가능하게 하는 기타 부재 또는 부재의 배치는 동일하게 적합할 수 있다.

본 발명의 제1실시예에서, 냉각 구역(C)은 특히, (그 형상 및 배치에 관계없이)열 사이클 및 열 충격에 저항력이 있는 부분으로 구성될 수 있다. 본 실시예에서, 당업자에게 알려진 기술을 이용하여 스택을 가열시킴으로써, 응축물이 배출될 수 있다. 응축물 또는 분진의 축적이 연도 가스의 흐름을 방해할 만큼 충분하게 될때, 규칙적인 제어를 통해서, 열적 언블록킹을 일으킬 수 있다. 물론, 화학적 또는 기계적 언블록킹은 열적 언블록킹을 대치할 수 있다.

자연적 흐름 및 열적 언블록킹을 촉진시키는 설계가 물론 결합되어 사용될 수 있다.

도 2는 도 1의(A)부분의 채널들보다 더 작은 채널을 갖는 스택을 도시한다. 도 2의 음영 부분(4)은 채널의 돌출된 표면적을 나타낸다. 더 작은 채널을 갖는 것은 연도 가스와 스택 부재사이에서 열교환의 표면적을 매우 현저하게 증가시키기 때문에 유리하다. 이는 이중 십자형 부재(11) 즉, 그들의 한쪽 가지 끝에 2개의 단순한 십자형 부재를 결합시켜 얻어진 부재와 열을 이루는 이들 이중 십자형 부재의 새로운 배치를 사용하여 만들 수 있고, 하나의 열에 있는 이들 이중 십자형 부재의 새로운 배열은, 그것에 의해 주어진 열내에서 2개의 인접한 라인의 절반 길이를 어긋나게 한다. 이중 십자형 부재의 사용은 또한 다른 장점을 갖는다: 즉, 스택을 더 안정시키고 다양한 구역들 사이에서 그 변이를 촉진시킨다.

도 3은 십자형 부재(21)가 다른 2개의 가지보다 더 짧은 2개의 대향하는 가지를 구비하여 사용되기 때문에 채널(4')이 직사각형인 실시예를 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같은 정방형 단면 채널과 비교할 때, 이는 연도 가스와 스택 부재 사이에서 열교환의 표면적을 증가시키고, 응축을 강화시킨다. 분진을 생성하기 쉬운 종이 퇴적되는 표면적을 증가시키는 기타 부재 또는 부재들의 배치가 중앙 구역(B)의 필요 요건을 만족시키고, 또한 본 발명의 범위내에 있다.

도 4는 1열부터 다음열까지 채널(14)이 주기적으로 어긋나는 또다른 실시예를 도시한다. 채널의 어긋남으로 인해, 이러한 형태의 해결책은 연도 가스와 내화물 사이의 온도 차를 최대화 시킨다. 온도 차를 증가시키는 벽으로 종의 운반을 촉진시키고, 따라서 분진을 생성하는 종의 퇴적을 강화시킨다. 또한, 이러한 어긋남 배치는 난류의 정도를 증가시키고, 퇴적도 강화시킨다.

도 5는 채널이 열교환의 흐름 방향(15)에 의해 나타나는 불연속적인 프로파일을 특징으로 하는 스택을 도시한다. 가지들중 2개가 경사진 십자형 부재는 상기 불연속을 얻기 위하여 사용될 수 있다. 상기 가지의 경사 각도 및 스택내의 틈에 따라 연도 가스와 스택 부재 사이의 열교환 표면적은 4%에서 13%(45°각도에서)로 증가될 수 있다. 열교환 표면적에서의 상기 증가는 벽 위에 응축을 증가시킨다. 이러한 형태의 설계, 특히 채널의 단절된 표면은 연도 가스의 흐름을 방해하는 장점을 갖고, 연도 가스와 스택 부재 사이에서 분진 덩어리의 더 큰 이동을 촉진시킨다.

상술된 실시예는 스택을 구성하는 부재의 벽상에 화학종의 퇴적을 강화시키기 위한 관점으로, 분진을 생성하기 쉬운 화학종의 내화물 벽으로의 이동을 최대화 하는 다양한 원리를 나타낸다. 또한, 상기 실시예들은 블록킹의 위험을 최소화하고, 양호한 열 효율을 유지한다. 이러한 스택들은 열처리에 의해서 클리닝될 수도 있다.

본 발명은 상술된 특정 예시에 한정되지 않는다; 예시 또는 기타 부분들에 의해 기술된 실시예의 조합도 본 발명의 범위 내에 포함된다.

본 발명에 따른 유리제조용 노의 축열실을 사용하여 분진의 방출을 감소시키고 가스 배출물 내에 있는 불순물을 트랩핑할 수 있다.

Claims (9)

1. 복수의 채널을 형성하는 내화물 부재의 몇 개의 열로 이루어진 스택(stack)을 포함하는 유리제조용 노의 축열실에 있어서,

   상기 스택은,

   고온 가스가 흐르는 방향으로, 고온 가스 입구부에서 고온 가스를 빨리 냉각시키는 제1구역;

   분진을 생성하기 쉬운 화학종을 응축 및 트랩핑하는 제2구역 또는 중앙 구역; 및

   냉각된 가스 출구부에서 응축물을 배출하는 제3구역을 포함하고,

   적어도 2개의 인접한 열을 포함하며 상기 중앙 구역을 구성하는 열로 이루어지는 스택킹된 내화물 부재로 된 열의 채널은 제1과 제3구역의 채널의 돌출된 표면 적보다 20% 더 적은 돌출된 표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 유리제조용 노의 축열실.
2. 제1항에 있어서,

   제1구역을 구성하는 상기 스택킹된 내화물 부재는 장애물의 특징을 이루는 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 유리제조용 노의 축열실.
3. 제1항에 있어서,

   중앙 구역은, 가스의 흐름을 방해하기 위해서 하나의 열부터 다음열까지 내화물 부재가 어긋나 있는 열로 구성되는 것을 특징으로 하는 유리제조용 노의 축열실.
4. 제1항에 있어서,

   중앙 구역의 절반을 초과하는 열이 중앙 구역의 전체 돌출된 표면적을 감소시키는데 기여하는 것을 특징으로 하는 유리제조용 노의 축열실.
5. 제1항에 있어서,

   상기 중앙 구역의 채널은 방향의 변화를 적어도 한번 갖는 것을 특징으로 하는 유리제조용 노의 축열실.
6. 제1항에 있어서,

   제3구역의 채널은 적어도 중앙 구역의 채널만큼 큰 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 유리제조용 노의 축열실.
7. 제1항에 있어서,

   중앙 구역의 열을 구성하고 평활한 연도 가스와 접촉되도록 되어 있는 내화물 부재의 표면은 실질적으로 평활한 것을 특징으로 하는 유리제조용 노의 축열실.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 스택킹된 내화물 부재는 십자형 부재인 것을 특징으로 하는 유리제조 용 노의 축열실.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 스택킹된 내화물 부재는 전기 용융된 내화물로 만들어진 것을 특징으로 하는 유리제조용 노의 축열실.