편집부(외신) Praxair는 유리 퍼니스에 대한 3차원 연소 공간 모델을 개발하였다. 이 모델은 Heye Glas용 oxy-fuel 퍼니스의 디자인에 적용되었다. 이 글은 Heye Glas의 tall-크라운 컨터이너-유리 퍼니스에 관한 경험에 대한 글이다. 모델 예측과 다른 공학적 고려사항에 따라, 용융 수석(隧石) 컨테이너-유리용 tall 크라운(crown)을 가진 새로운 350 미터톤/d 퍼니스가 1996년 독일의 Heye Glas에 의해 만들어졌다. 알칼리-증기 물질과 미립자 방출 측정결과 알칼리-증기 농도가 상당히 감소했음이 밝혀졌다. 8년 이상의 작동 후에도 퍼니스 내의 실리카 크라운은 훌륭한 컨디션을 유지하고 있는 것으로 미루어보아 실리카 크라운은 10년 이상 견딜 수 있는 것으로 예상하고 있다. 실리카 크라운의 원래 두께는 375mm였다. Heye는 녹색 유리용 두 번째 tall-크라운 oxy-fuel 퍼니스를 1998년 네덜란드로부터 주문을 받았다. 호박-유리를 녹이는데 사용할 세 번째 tall-크라운 oxy-fuel 퍼니스를 2000년 Obernkirchen로부터 주문 받았다. Heye가 oxy-fuel 기술을 수용하기로 결정한 것은 특별한 이유가 있다. 첫 번째 이유는 2차 탈NOx 측정을 위한 장비 설치를 피하여 새로 설치되는 NOx 의 방출량이 500mg/(가스 m3) 이하가 되어야 한다는 규제 사항을 만족시켜야 할 필요를 없애기 위해서이다. 두 번째 이유는 용융 비용을 줄이고 제한된 공간의 기존 구조물 속에 더 많은 양을 용융시킬 수 있을 것이라는 기대 때문이다. 새 퍼니스 제작에 있어 Heye는 예전부터 가지고 있던 경험이 있었기 때문에 증기 발생을 통한 열 회복 방식의 연속 가열 회복 퍼니스의 디자인과 작동을 어렵지 않게 해낼 수 있었다. Heye는 증기 발생 열 재생 기술을 oxy-fuel 퍼니스에도 적용할 수 있다고 보고, Heye oxy-fuel 퍼니스와 같이 열 보일러를 장착한 퍼니스를 만들었다. 새로운 oxy-fuel 공정을 적용시키는 일은 집중적으로 모니터링 되었고 디자인 변수와 기술적인 해결책들은 신중하게 선택되었다. 새로운 퍼니스의 디자인에 실수가 없도록 Heye는 시장에서 이미 증명된바 있는 기존의 air-fuel 퍼니스 oxy-gas 버너에 대해 몇 가지 테스트를 시행보기도 하였고, 퍼니스 벽 온도, 버너 근처의 크라운 온도를 검사하고 자외선 카메라를 이용하여 불꽃 발생을 검시하였다. 이 테스트의 주된 목적은 박공 벽과 크라운이 과도한 고온에 노출되거나 불꽃의 불균일한 분배로 인해 과열 되는 것을 방지하는 것이다. Heye는 Praxair JL 버너를 이 테스트 결과 채택하였다. Heye 디자인 변수에 근거한 퍼니스 모델링이 Pra xair에 의해 수행되어 선택한 퍼니스의 규격, 버너 위치, 파이프의 위치를 정하였다. 퍼니스 제작에 관한 Heye의 경험은 모델링과정의 중요한 질문이 연소 챔버의 규격에 있다는 것을 알게 해주었다. 1430℃이하의 온도를 피하는 것이 디자인의 가장 중요한 요소였다. 이것은 기존 air-fuel 퍼니스의 질소로 희석된 가스에서보다 나트륨과 물이 NaOH로 존재하는 양이 더 많아 발생하는 인규석의 형성을 막기 위해 필요한 것이다. 이 저온 영역을 피하는 것은 실리카 크라운의 신뢰성을 보장하는데 있어서 가장 중요한 조건이다. 가스 배관 시스템의 신뢰성에도 많은 관심이 요구되었다. 실제 oxy-가스 퍼니스에서의 SOx의 농도와 비슷하도록 해주는 황(sulfur)의 양이 많은 연료를 사용하여 퍼니스의 산소 농도를 높이는 실험 결과 외부 공기의 침투가 가스 배기관이 퍼니스 뒤에 있는 시스템에서 관이 막히거나 부식되는 것과 같은 장애의 가장 큰 원인이었다. 이러한 문제들을 피할 수 있는 최적의 시스템은 1400℃에서 200℃까지의 모든 측정 가능한 온도 범위에 모두 민감한 증기 보일러에 열을 내보내 외부 공기가 들어가지 않게 하는 것이라 판단하였다. 유사한 시스템에 대한 장기간의 경험을 토대로 새로운 열 보일러를 자동 세척 장치와 함께 디자인하였다. 에너지 소비(가스-이 경우에는 산소-와 전기) 차원에서는 최적의 결과를 달성하기 위해, NOx 방출과 용융 특성, 기술과 부품의 자세한 선택이 필요했다. 모든 퍼니스의 입구들은 새로 디자인된 배치 차저(charger)와 peep-hole 플랩(flap)으로 밀봉되었다. 독립적인 버너의 컨트롤이 가능하도록 각 버너마다 정확한 모터 밸브로 조절할 수 있게 하였다. 작업 데이터 수석 유리를 녹이는 퍼니스는 두 개의 IS 20-섹션 DG 형성 기계와 연결되어 있어 1L와 0.33L 들이의 미네랄 물통을 생산해낸다. 시작에서부터 퍼니스는 원하는 양의 수석 유리를 뛰어난 품질로 용융시킬 수 있다. 씨드(seed)의 수는 평균적으로 온스 당 20 개 이하(그램당 1개 이하)이다. 두 개의 성형 기계는 평균적으로 24시간당 330 미터톤을 끌어당긴다. 퍼니스는 Heye 컬렛(cullet)-분쇄 공장에서부터 가져온 외부 유리부스러기의 60%를 처리한다. 유리내에 포함되어있는 결함이 거의 발견되지 않았으며 작동 기간 전체를 통틀어 불만을 제기한 고객도 없었다. 기존 oxy-fuel 연소에서부터 변화시켰지만 유리의 물리적 특성에는 큰 변화가 없었다. 퍼니스 내에 높은 물 함량의 영향을 매우 조심스럽게 실시하였지만 작업성이나 특정 결함들이 감소하는 경향은 발견되지 않았다. 연소 과정동안 정제에 사용되는 황산염의 양을 air-fuel 용융의 경우보다 감소시킬 수 있었다. 에너지 소비 결과는 기대 이상이었다. 앞에 언급했던 변수들을 고려해 보았을 때, 평균 에너지 소비는 3.35mJ/(유리의 kg)(800kcal/kg)으로, 용융에 필요한 비용이 다른 퍼니스 작업에 필요한 비용보다 적었다. 작업 처리 용량과 에너지 소지가 전기 부스팅(boos ting)없이도 3미터톤/m2의 값을 얻을 수 있었다. 방출 데이터, 특히 NOx에 관련된 모든 기대들 역시 만족스러웠다. 비록 일반 퍼니스가 NOx의 법적 방출 값을 NOx/m3당 500mg을 방출하던데 반해 이번 경우 NOx/m3당 0.7kg을 방출하기는 했지만, 결과는 이들 규제 허용치들을 만족시키고 있었다. 약 11% 질소를 포함하고 있는 천연 가스를 사용하여 측정된 결과 0.5에서 0.35NOx/m3 사이 값을 나타냄을 알 수 있었다. 다른 방출 물질들, 특히 SOx, HCl과 HF와 같이 용융의 결과 방출되는 물질들은 실험 결과 큰 변화를 발견할 수 없었다. 사실, 같은 작업 조건에서 이들 방출의 흐름이 기존 air-fuel퍼니스에서 측정되던 값과 거의 같았다. 이 높은 방출 밀도는 기대했던 것과 같이 특별한 작업 조건임을 알 수 있게 해주었다. - 크라운 재료를 지나가는 가스의 부식성과 온도의 영향이 기대했던 것만큼 강하다. 모델링 계산 결과가 정확했음이 밝혀졌고 모든 위험 요소가 통제되고 있음을 알 수 있었다. - 가스 배관 시스템이 막힐 것으로 예상된다. 보일러 가열 표면의 디자인에서 고려했던 것이 충분하였고 자동 세척 시스템이 만족스럽게 작동하고 있었다. 수동 세척 요구사항을 계속해서 제한 사항 내에서 유지할 수 있어야 한다. - 시스템 뒤에 위치한 백 필터는 허용된 제한 사항 내에서 모든 방출 들을 유지할 수 있어야 한다. 열 재생 보일러 증기 보일러의 작동은 부드러운 편이다. 증기 제품은 전형적으로 1시간당 5.5톤에서 5.8톤이기 때문에 기존 퍼니스와 비교했을 때 증기 발생이 조금 다르다. 보일러의 작동은 상당히 안정함이 증명되었다. 퍼니스는 정부의 허가를 받은 안전 컨셉에 의해 설계된 열 보일러와 함께 작동을 하게 되어 있다. 보일러는 30bar(3MPa)의 압력과 430℃ 정도의 온도를 갖는 증기를 발생시킨다. 모든 감지 잠금장치는 모니터링 시스템과 작동 시스템에 연결되어 있어 장비의 시스템 상태를 언제나 한 눈에 볼 수 있도록 하였다. 이러한 기능에 의하여, 퍼니스의 자동 시작, 모든 안전 인터락이 설치되어 있다. 보일러로부터 나오는 증기는 증기 터빈으로 지나가 발전을 하게 되는데 이 증기터빈으로부터 약 990 kW에서 1040kW의 전기가 발생하여 극저온 산소 장비와 다른 장비 전등과 장치에 필요한 전력을 공급하게 된다. 각 장비는 퍼니스와 컨트롤 장비와 호환이 된다. 성능 목표 최적화된 TCF oxy-fuel-화염 컨테이너-유리 퍼니스의 목표 특성이 결정되었는데, 이 특성은 첨단 oxy -fuel-화염 컨터이너-유리 퍼니스를 실제 측정하여 배치/컬렛 사전가열/필터 시스템의 효과를 고려하여 추정한 것이다. 최첨단 oxy-fuel 퍼니스를 뛰어넘는 향상된 특성들은 배치/컬렛 사전가열과 직,간접적으로 관련이 있는 것으로 보인다. 최고 30%의 연료와 산소가 직접적으로 연소된 oxy-fuel 퍼니스로부터 나오는 완전히 재생된 열에 의해 절약되었다. 배치/컬렛 사전 가열이 열 전도 필요성을 줄여주기 때문에, 배치/컬렛 사전 가열 장치가 달린 air-fired 퍼니스에서 보인바와 같이 높은 생산율을 얻을 수 있었다. 전기 부스팅과 유사한 배치/컬렛 사전가열은 동일한 제품 생산율에서 유리 표면 온도를 줄여 준다. 가열율을 감소시킴으로써 연소 가스 부피와 퍼니스 내에서의 평균 가스 속도도 비례하여 줄어들었다. 낮은 가스 표면 온도와 낮은 가스 속도는 유리 용융과 배치에서부터 알칼리 물질의 휘발을 줄이는데 도움이 된다. 그렇기 때문에, 미립자 방출이 줄어들고 실리카 크라운 부식의 가능성이 줄어들게 되는 것이다. 사전 가열을 함으로써 얻는 알짜 경제 이익은 사전 가열 장비에 필요한 자본 투자와 설치 비용에 따라 달라질 수 있다. 경제학적 연구에 따르면 배치/컬렛 사전 가열기/ 필터 시스템을 갖춘 oxy-fuel 퍼니스 총 자본 비용은 기존 재생 air-fired 퍼니스보다 훨씬 낮다고 한다. TCF oxy-fuel-화염 컨테이너-유리 퍼니스는 전기 부스터 없이도 높은 열 전달율과 3.5미터톤/(d·m2) (2.8톤/dㆍft2)뛰어난 에너지 효율을 보였으며 60% 컬렛으로 수석 유리를 만들때 약 815kcal/kg (3.3 MMbtu/톤)의 에너지 소비를 보였다. 열 회복 시스템과 결합하면 훨씬 향상된 특성을 보일 것으로 기대된다. 실제 실험 결과와 모델링 예측을 통하여 열 재생 장치를 장착한 새로 개발된 차세대 TCF 디자인 oxy-fuel-화염 컨테이너-유리 퍼니스의 특성을 예측해 보았다. (Ceramic Bulletin)