KR100380747B1 - 이중관을 이용한 미분탄 취입장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고로의 제선공정에서 고가의 코크스를 대체하기 위하여 미분탄을 취입하는 경우, 산소를 사용하여 미분탄의 연소성을 향상시키기 위한 이중관을 이용한 미분탄 취입장치에 관한 것이다.

본 발명은 원통형의 내부관과 상기 내부관을 둘러싼 원통형의 외부관을 구비하고, 상기 내부관의 표면에는 나선형의 유도띠가 형성되며, 상기 내부관의 내측으로는 미분탄이 취입되고, 상기 내부관과 외부관의 사이에는 산소가 취입되어 고로의 풍구내에 미분탄을 취입하는 장치에 있어서, 상기 내부관의 선단표면 일부에는 홈이 형성되고, 상기 홈의 깊이를 D, 홈의 너비를 W라 하였을 때, W/D = 0.5 내지 4로 이루어짐을 특징으로 하는 이중관을 이용한 미분탄 취입장치를 제공한다.

본 발명에 의하면, 미분탄의 연소성을 높일 수 있는 산소부화방법을 제공함으로서 연소성의 향상에 따른 연료비의 절감과 미연소분의 축적방지에 따라서 노황안정을 이룰 수 있는 것이다.

Description

이중관을 이용한 미분탄 취입장치{A PULVERIZED COAL INJECTION APPARATUS UTILIZING DUPLEX PIPE}

본 발명은 고로의 제선공정에서 고가의 코크스를 대체하기 위하여 미분탄을 취입하는 경우, 산소를 사용하여 미분탄의 연소성을 향상시키기 위한 이중관을 이용한 미분탄 취입장치에 관한 것이다.

통상의 고로 제선공정에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 원료인 철광석(100)과 연료인 코크스(110)를 상부에 장입하고, 고로(112)의 하부에 위치한 풍구(120)를 통해 고온의 열풍을 불어 넣어 코크스(110)를 연소대에서 연소시킴으로서 용선 (130)및 슬래그(132)를 생산한다.

이러한 고로의 제선공정에서 기술의 발달과 더불어 현재에는 고가의 코크스(110)를 대체할 목적으로 랜스(140)를 이용하여 풍구(120)의 송풍지관(136)에 미분탄을 취입하는 방식을 사용하고 있다. 이러한 미분탄 취입방식에 의한 고로(112) 조업의 경우, 코크스(110)를 미분탄으로 무한히 대체할 수 없으며, 노내의 일정한 량의 코크스(110)가 존재하여야 가스통로의 구실을 하게 되는 것이다. 그리고, 코크스(110)를 대체한 미분탄은 전량 완전연소가 되어야 코크스(110)와 1 : 1의 치환율을 가지게 되는 것이다.

그러나, 경우에 따라서 미연소된 미분탄은 고로(112)내 코크스(110)층 사이를 통과하여 일부는 노외로 배출되고, 일부는 코크스(110)층내에서 가스속도가 상대적으로 떨어지는 부분에 축적하게 됨으로서 이러한 버드 네스트(bird nest)라는 부분의 크기를 증대시킨다. 이와 같이 노중심에 축적된 미연소 미분탄은 가스흐름을 변화시키며, 노중심 온도를 감소시킬 뿐만이 아니라 통기저항을 증가시켜 연소대의 크기를 감소시키는 것으로 나타났다. 이러한 미분탄의 연소성의 감소는 미분탄 취입량이 증가할수록 심화되어 용선 원가상승의 문제점을 가져왔다.

이러한 문제를 감소시키기 위한 일반적인 기술로는 고로(112)에 사용되어지는 열풍중에 단순히 순산소를 부화하여 미분탄의 연소성을 향상시키는 방법이 있다. 이러한 방법은 고로(112)의 풍구(120)를 통하여 순산소를 부화함으로서 열풍중의 산소농도를 높게 하고 미분탄의 연소를 촉진하는 것이다.

그러나, 이러한 방법은 열풍의 유량이 크기 때문에 아주 많은 산소를 부화한다고 할지라도 열풍중의 산소농도는 수 %의 증가에 그치게 되므로 그 효과는 미미한 것이다. 또한 산소공급을 증대시키는 데 많은 비용이 소요되고, 그리고 과잉의 산소를 부화하는 경우, 직접 환원량의 증가로 인하여 고로(112) 조업에 악영향을 미칠 수 있다.

또한, 노내 온도 분포를 변화시켜 노황을 불안정하게 한다고 보고된 바 있다. 이러한 문제들을 해결할 수 있는 방법중의 하나가 이중관 랜스(140)를 사용하여 순산소를 미분탄 취입관 주위에 취입하는 것이다.

이와 같이 산소부화의 방법으로서 여러 가지 이중관을 사용한 미분탄 취입랜스(140)가 개발되고 있다. 그중 하나는 도 2에 도시된 바와 같이, 미분탄 취입랜스(140)를 이중관 형태로 만들고, 내부관(142)에는 미분탄을, 외부관(145)에는 순산소를 부화하여 미분탄 유로에 국부적으로 산소농도를 높여서 연소성을 향상시키는 것이다.

그러나, 이 방법은 단순히 열풍중에 산소를 부화하는 것보다는 연소성이 향상되었으나, 외부산소가 미분탄 유로의 내부로 침투하지 못하고, 겉에서만 연소하는 단점이 있다.

다른 예로서는 이중관의 사이에 나선형의 산소흐름 유로(148)와 선단부에 산소흐름 통로를 넓게 가지는 랜스(140)를 설치하여 미분탄 유로(150) 중심에 소용돌이를 형성시키고자 하는 것이다. 그러나, 이러한 나선형의 유로(148)의 설치는 이미 잘 알려진 바와 같이, 얼마나 버너구조에 적당한 형태를 설정하는가가 문제로된다. 바꾸어 말하면, 상기 나선형 유로(148)의 각도를 너무 깊게 하면, 미분탄의 내부보다는 외부로 산소가 향하게 되므로 연소성이 떨어지게 된다.

반면에, 각도가 너무 얕으면 보통의 이중관 랜스(140)와 다를 바가 없는 것이다.

그리고, 다른 예로서는 단일관의 직경을 충분히 확대하여 랜스(140) 선단의 미분탄 유로(150)에서 난류를 일으키도록 하는 단일관 확대 랜스(140)를 개발하고 있다. 그러나, 이것은 부대 설비의 대대적인 개선이 필요하고, 그리고 풍구(120)내에 확대 랜스(140)가 설치되면, 풍구(120)의 단면적을 감소시켜 열풍의 고로(112)내 유입을 방해함으로서 생산성 저하를 초래하는 다른 문제를 발생시키게 된다.

이와는 다른 구조로서 2개의 단일관을 사용한 편심 이중랜스(140)로서 연소성을 높이려는 시도가 있다. 그러나, 미분탄 취입랜스(140)를 하나의 풍구(120)내에서 이중으로 설치하는 경우, 앞의 경우와 마찬가지로 풍구(120)내의 단면적을 감소시킴으로서 생산성의 감소 및 노황 안정에 악영향을 미칠 뿐 만 아니라, 취입랜스(140)의 개수가 두배로 늘어남에 따라서 관리가 번거롭다는 문제가 있다.

이외에도 미분탄 유로(150)내에 산소를 강제로 섞기 위하여 산소의 투입각도를 변경하는 방법도 시도되었으나, 이 경우 연소성은 향상되나 화염폭이 크게 되어 주위 풍구(120)에 손상을 주게 되는 문제가 있으며, 각도를 주기 위해서 약간 튀어 나온 외부관(145)의 선단은 미분탄의 충돌로 인하여 마모되어 없어지는 단점이 있다.

본 발명자는 이러한 단점을 해결하기 위하여 내부관(142)의 표면에 홈을 가지는 랜스(140)에 관하여 실용신안 등록출원 98-15221호에 개시한 바 있다. 그러나, 상기 내부관(142)에 형성된 홈은 그 형상에 따라서 효과가 매우 다르게 나타나는 문제점이 발생하였다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 그 목적으로 하는 것은 내부관의 표면에 홈을 가지는 이중관을 사용하여 산소를 부화하는 방법중에서 연소성이 가장 좋은 홈의 형상을 가지는 이중관을 이용한 미분탄 취입장치를 제공하고자 하는 것이다.

도 1은 고로내에서 고체 및 기체의 일반적인 거동을 설명하기 위한 설명도;

도 2는 종래의 기술에 따른 산소취입방식을 설명한 도면으로서,

가)도는 이중관 선단의 측단면도,

나)도는 가)도의 A-A선을 따른 단면도,

다)도는 이중관에 형성된 산소 유로의 구성을 도시한 일부 측단면도;

도 3은 본 발명에 따른 미분탄 취입장치를 상세히 도시한 구성도;

도 4는 본 발명에 따른 미분탄 취입장치에 형성될 수 있는 홈의 여러 가지 단면구조를 도시한 설명도;

도 5의 가)는 홈의 깊이를 D, 홈의 너비를 W라 하였을 때, W/D의 값이 4인 경우, 2인 경우, 1인 경우에서 랜스의 외부관과 내부관사이에 산소를 부화한 경우에 대해 연소상태를 비교한 결과를 도시한 그래프도,

나)는 W/D의 값이 2인 경우에서, 랜스표면에 홈과 홈사이의 거리인 L=0인 경우와, 홈과 홈사이의 거리가 L = 배부관 외경의 1/4인 경우의 산소부화방법을 비교한 결과를 도시한 그래프도,

다)도는 이중관의 선단부분을 2mm 깍아 내어 출구를 넓게 하고, 산소를 부화하는 방법과, 2mm 깊이의 홈을 내어 산소를 부화하는 방법을 비교한 결과를 도시한 그래프도;

도 6은 종래의 방법과 본 발명의 W/D의 값이 0.5 내지 4의 홈을 가진 경우의 랜스를 현장 적용하여 연소대를 측정한 결과를 도시한 그래프도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10..... 홈 100..... 소결광

110.... 코크스 112..... 고로

120.... 풍구 130..... 용선

132.... 슬래그 136..... 송풍지관

140.... 미분탄 취입랜스 142..... 내부관

145.... 외부관 148..... 산소 유로

150.... 미분탄 유로

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

원통형의 내부관과 상기 내부관을 둘러싼 원통형의 외부관을 구비하고, 상기 내부관의 표면에는 나선형의 유도띠가 형성되며, 상기 내부관의 내측으로는 미분탄이 취입되고, 상기 내부관과 외부관의 사이에는 산소가 취입되어 고로의 풍구내에 미분탄을 취입하는 장치에 있어서, 상기 내부관의 선단표면 일부에는 홈이 형성되고, 상기 홈의 깊이를 D, 홈의 너비를 W라 하였을 때, W/D = 0.5 내지 4로 이루어짐을 특징으로 하는 이중관을 이용한 미분탄취입장치를 마련함에 의한다.

이하, 본 발명을 도면에 따라서 보다 상세히 설명한다.

본 발명의 이중관을 이용한 미분탄 취입장치(1)에서 상기 내부관(142)에 형성되어지는 홈(10)들은 내부관(142)의 선단으로부터 100mm의 이내에 해당되는 위치에서 내부관(142)의 표면에 형성됨이 바람직하다

상기 홈(10)이 유체흐름을 변화시켜 랜스(140) 선단에서 발생하는 소용돌이에 의한 혼합성을 개선하기 위하여는 다음과 같은 유체흐름특성을 가져야 한다.

즉, 유체의 흐르는 상태를 나타내기 위하여 유체의 난류정도를 나타내는 데에는 레이놀수를 사용한다.

레이놀수 = 관경 X 속도 X 유체밀도 / 유체점도

상기 레이놀수가 2000이하에서는 층류를, 2000이상에서는 난류형태로 흐르는 것으로 알려졌다. 레이놀수가 2000이상의 난류층 관의 표면형태에 따라서 저항이 특이하게 달라지는 구역이 있다. 이는 관내를 흐르는 유체의 레이놀수가 40,000에서 400,000 사이에 있는 경우, 관내에서의 유체흐름에 홈(10)이 영향을 주게 되어 관 선단부에서 유체의 혼합성을 증대시킨다.

현재 사용중인 산소부화량은 약 20 내지 400Nm³/hr로서 외부관(145)의 내경 41mm과, 내부관(142)의 외경 31mm사이를 통과하는데 레이놀수가 60,000 내지 200,000의 크기가 된다. 따라서, 내부관(142) 표면에 홈(10)을 내는 경우, 내부관(142)을 흐르는 연료와 내부관(142)과 외부관(145)사이를 흐르는 유체의 혼합성이 증대되나 형상에 따른 효과는 다음과 같은 여러 가지 형태를 가지는 홈(10)을 사용하여 산소부화에 따른 연소성 시험을 통하여 효과를 구한 것이다.

상기 홈(10)의 형상은 도 4에 도시된 바와 같이, 홈(10)의 깊이를 D, 홈(10)의 너비를 W라 하였을 때, 홈(10)의 깊이 및 너비에 따라서 구분되어지며, 홈(10) 밑면의 길이와 윗면의 길이가 다른 경우, 같은 경우 및 밑면이 작은 경우 와 반구형의 형태등을 나타냈다.

제 5도의 (가)는 W/D의 값이 4인 경우, 2인 경우, 1인 경우에서 랜스(140)의 외부관(145)과 내부관(142)사이에 산소를 부화한 경우에 대해 연소상태를 비교한 결과, 2인의 경우가 가장 우수한 것으로 나타났다. 즉, 너비대 깊이의 비 W/D가 2인 경우, 선단에서 첫 번째 지점의 온도가 매우 높았다. 2번째 지점에 나타난 최고점의 온도도 높게 나타났으며, 잔류 연료를 태우는 후반부 세 번째, 네 번째, 다섯 번째의 온도가 다른 경우의 것보다 낮게 나타나는 것으로 보아서 홈(10)의 너비대 깊이비 W/D가 2근처인 경우가 연소성이 가장 우수한 것으로 평가되었다.

도 5의 나)는 W/D의 값이 2인 경우에서, 랜스(140)표면에 홈(10)과 홈(10)사이의 거리인 L=0인 경우와, 홈(10)과 홈(10)사이의 거리가 L = 배부관 외경의 1/4인 경우의 산소부화방법을 비교한 결과, 홈(10)과 홈(10)사이의 거리가 L = 0, 즉 홈(10)이 지그재그 형태로 배치된 경우가 연소성이 높은 것으로 나타났다. 이것은 홈(10)의 개수를 나타내는 것으로, 홈(10)의 개수가 많으면 많을수록 연소성이 향상되어짐을 알 수 있다. 앞서의 경우와 마찬가지로 홈(10)의 개수가 많으면 초기 및 최고점의 온도가 높고, 후반부의 온도가 낮은 것을 알 수 있다.

도 5의 (다)도는 도 2에 도시된 종래의 방법과 같이, 선단부분을 2mm 깍아 내어 출구를 넓게 하고, 산소를 부화하는 방법과, 2mm 깊이의 홈(10)을 내어 산소를 부화하는 방법을 비교한 결과, 홈(10)의 효과에 의해서 연소성이 대폭으로 향상하는 것을 알 수 있다. 종래의 방법의 경우, 후반부에서 잔류연료의 연소로 인하여 온도가 매우 높게 나타남을 알 수 있다.

한편, 도 4와 같이 여러 가지 홈(10)의 형상에 따라서는 거의 비슷한 연소성을 나타냈다. 도 4의 가)에는 홈(10)의 깊이를 D, 홈(10)의 너비를 W라 하였을 때, W/D의 값이 4인 경우의 상기 홈(10)의 단면을 도시한 것이고, 도 4의 다)에서는 홈(10)의 깊이를 D, 홈(10)의 너비를 W라 하였을 때, W/D의 값이 0.5인 경우의 상기 홈(10)의 단면을 도시한 것이다. 이러한 범위의 홈(10)의 단면형상도 모두 종래에 비하여 우수한 연소특성을 나타내었으며, 도 6은 도 2의 종래의 방법과 본 발명의 가장 우수한 산소부화 방법인 W/D의 값이 0.5 내지 4의 홈(10)을 가진 경우의 랜스(140)를 현장 적용하여 연소대를 측정한 결과를 그래프도로서 도시한 것이다.

여기에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 종래의 방법보다 50℃이상 온도가 증가되어짐을 알 수 있었다.

상기에서와 같이 본 발명에 의하면, 미분탄의 연소성을 높일 수 있는 산소부화방법을 제공함으로서 연소성의 향상에 따른 연료비의 절감과 미연소분의 축적방지에 따라서 노황 안정을 이룰 수 있는 것이다.

Claims (3)

1. 원통형의 내부관(142)과 상기 내부관(142)을 둘러싼 원통형의 외부관(145)을 구비하고, 상기 내부관(142)의 표면에는 나선형의 유로(148)가 형성되며, 상기 내부관(142)의 내측으로는 미분탄이 취입되고, 상기 내부관(142)과 외부관(145)의 사이에는 산소가 취입되어 고로(112)의 풍구(120)내에 미분탄을 취입하는 장치에 있어서, 상기 내부관(142)의 선단표면 일부에는 홈(10)이 형성되고, 상기 홈(10)의 깊이를 D, 홈(10)의 너비를 W라 하였을 때, W/D = 0.5 내지 4로 이루어짐을 특징으로 하는 이중관을 이용한 미분탄 취입장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 W/D의 값이 2임을 특징으로 하는 이중관을 이용한 미분탄취입장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 홈(10)과 홈(10)사이의 거리 L = 0임을 특징으로 하는 이중관을 이용한 미분탄 취입장치.