KR100446683B1 - 가열로의 공급가스 열량 변동에 따른 공연비 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 판재나 선재를 제조하는 제철소의 압연공정에서 슬라브 등의 소재를 가열하여 압연 가능하도록 하는 가열로의 버너에 공급되는 연소용 공기를, 공급되는 연료의 발열량 변동에 대응하여 최적으로 공급해 주기 위한 가열로의 공급가스 열량 변동에 따른 공연비 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이와 같은 본 발명의 가열로의 공급가스 열량 변동에 따른 공연비 제어방법은 연료가스 발열량 및 연료가스 조성에 대한 데이터를 일정기간 동안 수집한 후 이를 이용하여 발열량만을 측정해도 바로 이론공연비를 계산해 내는 방식을 채용하여 적정량의 연소용 공기를 공급해 줄 수 있도록 이루어진다.

이 같은 본 발명의 가열로의 공급가스 열량 변동에 따른 공연비 제어방법에 의하여, 자주 변화되는 혼합 연료가스의 발열량 및 조성때문에 적정한 연소용 공기량을 공급하지 못해 발생하는 가열로의 문제점을 개선하므로써, 가열로에 사용되는 에너지를 절감할 수 있는 동시에 제품의 품질을 향상시킬 수 있다.

Description

가열로의 공급가스 열량 변동에 따른 공연비 제어방법{Control Method of Air-Fuel Ratio with Change of Calorific Value of Mixed Gas in a Reheating Furnace}

본 발명은 판재나 선재를 제조하는 제철소의 압연공정에서 소재(슬라브 또는 빌렛)를 가열하여 압연 가능하도록 하는 가열로의 버너에 공급되는 연소용 공기를, 공급되는 연료의 발열량 변동에 대응하여 최적으로 공급해 주기 위한 가열로의 공급가스 열량 변동에 따른 공연비 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, 가열로는 슬라브나 빌렛 등의 가열 소재를 압연이 가능하도록 균일하게 가열해 주는 설비로, 통상 예열대와 가열대 및 균열대로 이루어져 있으며, 상기 예열대와 가열대 및 균열대는 각각 소재의 추출목표온도와 노 내의 체류시간을 고려하여 분위기 온도를 설정해 주고 있다.

상기 분위기 온도는, 버너를 통해 연료가스와 연소용 공기를 주입하여 노 내에서 연소시켜, 맞추고 있다. 이때 열원으로 사용되는 상기 연료가스는 통상, 코크스 오븐에서 발생되는 COG(Coke Oven Gas)와 고로에서 발생되는 BFG(Blast Furnace Gas) 또는 LDG(Linz Donawitz Converter Gas)를 혼합하여 사용된다.

그리고 또한, 연소를 위해서는 연료량에 맞는 적정량의 공기를 공급해 주어야 한다.

가열로의 연소에 있어서 사용되는 상기 공기의 양은 일반적으로 과잉공기비로 나타내며, 이론공기량은 연소 가능한 가스(이하, "가연성 가스"라 함)를 완전연소시키는데 필요한 공기의 양을 의미하며, 과잉공기비는 실제 공급 공기량과 이론공기량의 비를 의미한다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 과잉공기비(m)는 그 비에 따라 열손실에 영향을 주는데, 일반적으로 약 1.2 정도일 때 가장 적은 열손실을 주는 것으로 알려져 있다.

그리고, 공기비가 1.2 이하일 때는 연료가스가 연소되지 않고 폐가스로 빠져나가는 부분이 많아 열손실이 크며, 1.2 이상일 때는 폐가스 손실열이 증가하여 열손실이 커진다.

따라서, 연료가스 중 가연성 가스의 연소에 이론적으로 필요한 공기의 양보다 실제 공기의 양을 약 1.2배 정도 공급하는 것이 에너지절약 측면에서 가장 효율적이다.

그러나 가열로 공정에서는 상기 공기비를 1.2에 맞추는 것이 어려운데, 그것은 우선 연료가스의 발열량 변동이 심하여 연료가스 중 가연성 가스의 조성을 알기 어렵기 때문이다.

또한, 가연성 가스의 조성을 알면 정확히 이론공기량의 1.2배에 해당하는 공기를 공급해 주면 되지만, 상기 가연성 가스의 조성이 너무 자주 변하기 때문에 가스를 샘플링하여 조성을 분석하는데 따른 인력 및 시간의 소요가 많아 상기 가연성 가스의 정확한 조성을 알기 어렵다.

상기한 문제점을 해결하기 위하여 도 2에 나타낸 바와 같이, 종래의 연소제어시스템에서는 공급되는 연료의 표준 발열량을 기준으로 하여 여기에 맞는 연소용공기를 공급하고, 연소 후 발생하는 폐가스 중 산소의 양을 측정하여 연소용 공기가 적당량 공급되었는지 확인하며, 이에 따라 연소용 공기의 공급량을 변동시키는 방법을 사용하였다.

그러나 상기 방법은 수시로 폐가스 중 산소의 양을 확인해야 하는 문제가 있으며, 수시로 공기량을 변동시켜 주어야 하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 개선하고자 안출된 것으로서, 연료가스 발열량 및 연료가스 조성에 대한 데이터를 일정기간 동안 수집한 후 이를 이용하여 발열량만을 측정해도 바로 이론공연비를 계산해 내는 방식을 채용하여 적정량의 연소용 공기를 공급해 줌으로써 가열로의 열손실을 최소화할 수 있는 가열로의 공급가스 열량 변동에 따른 공연비 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 과잉 공기비가 가열로의 열손실에 미치는 영향을 나타내는 그래프

도 2는 종래의 연소용 공기 공급량 결정 방법을 나타내는 개략도

도 3은 본 발명의 가열로의 공급가스 열량 변동에 따른 공연비 제어방법에 의한 연소용 공기 공급량 결정 방법을 나타내는 흐름도

도 4는 연료가스의 평균 발열량 및 조성을 나타내는 도표

도 5는 COG, BFG 및 LDG 성분이 혼합되어 가열로의 버너로 공급되는 연료가스의 발열량 변화상황을 나타내는 그래프

도 6은 상기 도 5와 같은 기간 중에 채취한 혼합가스의 조성을 근거로 이론공연비를 계산하여 나타내는 그래프

도 7은 도 6과 동일한 기간 중에 가열로 버너로 공급되는 혼합 연료가스의 조성 분석을 근거로 측정된 발열량과 이론공연비의 관계를 나타내는 그래프

도 8은 본 발명의 가열로의 공급가스 열량 변동에 따른 공연비 제어방법과 종래의 방법에 의한 폐가스 중의 산소농도를 나타낸 도표

상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명의 가열로의 공급가스 열량 변동에 따른 공연비 제어방법은, 연료가스 공급라인에 부착된 칼로리미터에 의해 일정기간 동안 측정된 연료가스의 발열량과 가스 크로마토그래피에 의해 측정된 연료가스의 조성을 이용하여 이론공연비를 산출하고, 측정된 연료가스 발열량과 산출된 이론공연비의 관계식을 도출하며, 도출된 관계식을 이용하여 발열량이 계속 변하면서 공급되는 연료의 연소 조건에 맞는 연소용 공기의 공급량을 산정해 주는것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 일예를 첨부된 도면을 참고로 하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 가열로의 공급가스 열량 변동에 따른 공연비 제어방법에 의한 연소용 공기 공급량 결정 방법을 나타내는 흐름도로서, 도면에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 가열로의 공급가스 열량 변동에 따른 공연비 제어방법은, 연료가스 발열량 및 연료가스의 조성을 측정하는 단계, 상기 연료가스의 조성에 근거한 이론공연비 계산 단계, 그리고 연료가스 발열량과 이론공연비 관계식을 도출하는 단계로 구성한다.

이를 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 연료가스 공급라인에 부착된 칼로리미터(Calorimeter)에 의해 일정기간 동안 측정된 연료가스의 발열량과 가스 크로마토그래피에 의해 측정된 연료가스 의 조성으로부터 각 경우에 대한 이론공연비를 계산한다.

이어서, 측정된 발열량과 조성 데이터를 이용하여 이론공연비와 발열량과의 관계식을 도출한다. 여기서 공연비라함은 연료가스 1Nm³을 연소시키는데 필요한 공기의 양을 의미한다.

도 4에 나타낸 표준 COG, BFG 및 LDG의 이론공연비는 각각 4.48, 0.6, 1.67로 계산된다. 이는 COG 1Nm³을 이론적으로 완전연소시키기 위해서는 공기가 4.48Nm³이 필요하다는 의미이다.

또한, 이때 COG 1Nm³을 연소시키기위해 4.48Nm³의 연소용 공기를 주입하였다면 공기비는 1.0이 되는 것이다.

도출된 이론공연비와 발열량과의 관계식을 이용하여 실제 공정에 이용하는 경우 우선, 연료가스의 발열량 측정은 계속적으로 측정되는 데이터를 활용하고, 측정된 연료가스의 발열량에 맞는 공연비는 위에서 구한 공연비와 발열량과의 관계식을 이용하여 산출하며, 이 값에 상당하는 연소용 공기를 공급하면 완전연소가 가능한 조건을 버너에서 만족시켜 주게 되는 것이다.

이때, 노의 효율상 가장 좋은 공기비는 1.2이기 때문에 실제 공급되는 연소용 공기량은 구해진 이론공연비에 1.2를 곱한 수치를 사용하면 된다.

위와 같이 행하는 과정을 첨부된 도면을 참고로 하여 설명하면 다음과 같다.

도 5는 COG, BFG 및 LDG 성분이 혼합되어 가열로의 버너로 공급되는 연료가스의 발열량 변화상황을 나타낸 그래프로서, 그래프에 나타낸 바와 같이, 일정기간 동안에도 버너로 공급되는 발열량의 편차가 심하게 나타나는 것을 알 수 있다.

따라서, 일정한 공연비로 조업하면 가열로 내의 연소조건 불안정으로 가열소재의 품질 및 에너지 소모에 큰 영향을 미칠 수 있다는 것을 알 수 있다.

도 6은 상기 도 5와 같은 기간 중에 채취한 혼합가스의 조성을 근거로 이론공연비를 계산하여 나타낸 그래프로서, 이론공연비는 평균 2.73이며, 변화범위는 2.62에서 2.83으로 나타나는데, 종래와 같이 2.69라는 일정한 공연비로 조업을 하면 경우에 따라서 불완전 연소나 과잉공기 공급에 의한 연료 소모량이 많을 것으로예상된다.

도 7은 도 6과 동일한 기간 중에 가열로 버너로 공급되는 혼합 연료가스의 조성 분석을 근거로 측정된 발열량과 이론공연비의 관계를 나타낸 그래프로서, 이 그래프에서 도출된 관계식은, 이론공연비(공급 연소용 공기 Nm³/공급 혼합가스 Nm³) = 0.0011272×혼합가스 발열량 - 0.441564로 표현됨을 알 수 있다.

따라서, 상기한 관계식을 이용하여 발열량이 변하면서 공급되는 혼합가스의 완전연소를 위해 공급해 주어야 할 공기 공급량을 쉽게 구할 수 있으며, 가열로의 에너지 효율을 고려하여 구해진 연소용 공기 공급량의 1.2배를 공급하면 최적의 연소 조건으로 에너지를 절약하면서 가열로의 조업을 행할 수 있게 된다.

도 8은 본 발명의 가열로의 공급가스 열량 변동에 따른 공연비 제어방법과 종래의 방법에 의한 폐가스 중의 산소농도를 나타낸 도표로서, 종래의 공연비를 일정하게 유지해서 조업할 경우와 본 발명의 발열량과 이론공연비의 관계식을 이용하여 조업하였을 경우에서, 가열로에 공급되는 혼합가스의 조성이 변하면서 공급되는 경우, 폐가스 중의 산소농도를 나타낸 것이다.

상기 도표에서 본 발명에 의한 경우는 폐가스 중의 산소농도가 일정한 관리범위(2.5-3.0%)에서 조업이 되나, 일정한 공연비를 채택한 종래의 조업에서는 산소농도의 변화가 심하여 가열로의 조업이 불안정한 상황을 보여주고 있다.

이상에서와 같이 본 발명의 가열로의 공급가스 열량 변동에 따른 공연비 제어방법에 의하여, 자주 변화되는 혼합 연료가스의 발열량 및 조성때문에 적정한 연소용 공기량을 공급하지 못해 발생하는 가열로의 문제점을 개선하므로써, 가열로에 사용되는 에너지를 절감할 수 있는 동시에 제품의 품질을 향상시킬 수 있다.

Claims (1)

1. 다종의 혼합가스를 사용하는 제철공정의 가열로에 있어서, 연료가스 공급라인에 부착된 칼로리미터에 의해측정된연료가스의 발열량과 가스 크로마토그래피에 의해 측정된 연료가스의 조성을 이용하여, 상기 측정된 연료가스 발열량과 산출된 이론공연비 간의 관계식을 도출하며, 연료의 발열량을 연속적으로 측정하면서 상기 도출된 관계식을 이용하여 발열량이 계속 변하면서 공급되는 연료의 연소 조건에 맞는 연소용 공기의 공급량을 산정해 주는 것을 특징으로 하는 가열로의 공급가스 열량 변동에 따른 공연비 제어방법.