KR100804230B1

KR100804230B1 - 고로 열풍로 연소제어방법

Info

Publication number: KR100804230B1
Application number: KR1020010067686A
Authority: KR
Inventors: 김종민; 김갑열; 우재태
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2001-10-31
Filing date: 2001-10-31
Publication date: 2008-02-18
Also published as: KR20030035576A

Abstract

본 발명은 고로 열풍로 연소제어방법에 관한 것으로서,

제철소 고로(高爐) 공정에서 고로 풍구에 고온의 기체(공기)를 공급하는 열풍로 설비의 조업을 위한 연소제어를 함에 있어서, 프로세스 컴퓨터를 이용하여, 가스량 계산시에 축열실의 잔축열을 고려한 자동보정을 하고, 연소에 필요한 가스량 및 공연비의 계산설정을 자동으로 연산할 수 있도록 한 것을 특징으로 하며,

불필요한 가스와 과잉공기의 공급을 감소시켜, 열효율 향상에 따른 에너지 절감 효과를 제공하며, SCC(Stress Corrosion Crack)에 의한 열풍로 외철피 용접선부의 잔류응력 균열을 방지하여 설비의 장수명화를 가져오는 효과를 제공한다.

고로, 열풍로, 연소 제어, 가스량, 공연비

Description

고로 열풍로 연소제어방법{COMBUSTION CONTROL METHOD FOR HOT STOVE OF BLAST FURNACE}

도 1은 일반적인 열풍로 설비의 구성을 나타낸 개략도,

도 2는 종래의 열풍로 설비에 있어서 DCS(Direct Control System)를 이용한 연소제어방법을 나타낸 개념도,

도 3은 열풍로 연소 중의 정상적인 제어과정을 나타낸 그래프,

도 4는 본 발명의 연소제어방법이 적용된 고로 열풍로 설비의 전체 구성도,

도 5는 본 발명의 연소제어방법이 적용된 열풍로 축열실을 나타낸 단면 구성도,

도 6은 본 발명의 연소제어방법에서의 풍온 콘트롤을 위한 냉풍 제어밸브의 밸브 개도 상태를 나타낸 그래프,

도 7은 본 발명의 고로 열풍로 연소제어방법을 나타낸 개념도,

도 8은 본 발명의 고로 열풍로 연소제어방법에 있어서 연소시의 투입 에어(Air)량 제어과정을 나타낸 프로그램 회로도,

도 9는 본 발명의 고로 열풍로 연소제어방법의 전체 제어 흐름도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10: 프로세스 컴퓨터

20: 연소실 버너용 가스 제어밸브(Burner GCV(Gas Control Valve))

30: 연소실 버너용 에어 제어밸브(Burner ACV(Air Control Valve))

40: 고로 가스(BFG: Blast Furnace Gas) 성분분석기

50: 냉풍 제어밸브(CBMCV: Cold Blast Mixing Control Valve)

60: 코크 오븐 가스(COG: Coke Oven Gas) 성분분석기

70: 축열실 체커(Checker) 연와 잔열측정부

100: 열풍로 설비 101: 축열실

102: 연소실 103: 혼냉실

104: 송풍기 105: 가스 혼합기(COG, BFG 혼합용)

106: 가스 칼로리메타 110: 고로

121: 서모 커플(thermocouple) 122: 철피

123: 단열 연와 124: 실리카 연와

125: 축열실 내부 체커 연와 130: 체커 연와공으로의 배가스 흐름

140: 연소 에어 라인 150: 연소 가스 라인

160: 열풍 본관 170: 송풍 본관

본 발명은 고로 열풍로 연소제어방법에 관한 것으로서, 제철소 고로(高爐) 공정에서 고로 풍구에 고온의 기체(공기)를 공급하는 열풍로 설비의 조업을 위한 연소제어를 함에 있어서, 프로세스 컴퓨터를 이용하여, 가스량 계산시에 축열실의 잔축열을 고려한 자동보정을 하고, 연소에 필요한 가스량 및 공연비의 계산설정을 자동으로 연산할 수 있도록 함으로써, 불필요한 가스와 과잉공기의 공급을 감소시켜, 열효율 향상에 따른 에너지 절감 효과를 제공하며, SCC(Stress Corrosion Crack)에 의한 열풍로 외철피 용접선부의 잔류응력 균열을 방지하여 설비의 장수명화를 가져오는 고로 열풍로 연소제어방법에 관한 것이다.

도 1은 일반적인 열풍로 설비의 구성을 나타낸 개략도, 도 2는 종래의 열풍로 설비에 있어서 DCS(Direct Control System)를 이용한 연소제어방법을 나타낸 개념도이다.

고로(110) 설비에 있어서 필수적인 열풍로 설비(100)는, 제철소 고로(110) 공정에서 고로 풍구에 고온의 기체(공기)를 공급하기 위하여 사용되는데, 이러한 고온의 공기를 공급하기 위하여 연소실(102)이 연결 설치되는 축열실(101)이 구비된다.

연소 가스와 연소 에어(air)가 연소실(102) 버너에서 연소되고, 이때 발생된 고온의 배가스는 축열실(101)을 지나는 동안 축열(Checker) 연와(125)에 고온의 열을 축적시키고 연돌로 배출되게 된다.

그 후, 예를 들어 50분의 연소시간이 경과되어 연소가 완료되면 고로 송풍으로 전환하기 위하여 10여분 동안 노체가 이루어지며, 그 후 60분 동안 고로 송풍이 행해지게 되는 방식으로, 열풍로 연소 및 노체, 송풍을 1 사이클(Cycle)로 운용하며, 본 예의 경우 1 사이클에 총 120분이 소요되게 된다.

이러한 열풍로 설비는 본 발명자의 근무 현장을 예를 들면, 고로당 총 4기로 구성되어, 상시 조업중에 2기는 연소, 2기는 송풍을 하는 방식으로 조업이 이루어 지고 있다. 즉, 30분 간격으로 송풍에서 연소로 로 노체가 되기 때문에, 2기중 1기는 연소 초기가 되고, 1기는 연소 말기가 되어 송풍을 준비하게 되며, 연소가 완료된 로와 송풍이 완료된 로 간에 노체가 이루어지게 된다.

그런데, 이러한 열풍로 4기의 사이클 반복 과정으로 열풍로에서 고로로 고온의 기체를 공급하고 있으나, 종래의 열풍로 조업에서는 열풍로에 투여하는 열량원단위에 비하여 고로에서 받는 열량이 낮다는 문제점이 있었다.

즉, 종래의 열풍로 조업에서는 송풍 또는 연소 어느 쪽에서도 열효율 향상을 위한 시스템을 갖추지 못하고 있었다. 열풍로 운전자의 경험과 판단에 의한 정성적인 조업방법이 행해지므로, 조업에 필요한 운전 자료들에 대한 정확한 데이터화가 이루어져 있지 않았고, 변화하는 고로 조업 상황을 열풍로 조업에 제대로 반영하지 못하여 열손실을 초래하고 있었다.

보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

현재 열풍로 연소시에는, 운전자의 경험적 판단에 의한 가스 설정과 연소용 공기의 공연비 설정을 하고, 연소시 약 1500℃ 정도에 이르는 화염(Flame) 온도로부터 열풍로의 내부 연와를 보호하기 위하여 과잉공기를 투입하는 돔(Dome) 온도 제어를 하여 필요한 온도설정을 한다.

또한, 연소초기의 불완전 연소를 방지하기 위한 배가스 산소제어를 하기 위하여 제어량 설정을 하는데, 현재 배가스 검출기의 잦은 고장 및 계측기의 정도가 떨어지는 문제로 인하여 현실적으로는 사용에서 배제하고 있으며, 연소에 필요한 실 공연비를 수동으로 제어하는 연소작업을 하고 있다.

도 3은 열풍로 연소 중의 정상적인 제어과정을 나타낸 그래프로서, 정상적인 DCS(Direct Control System)에서의 조업방법을 나타낸 그래프인데, 현재 배가스 산소제어 계측기의 불량과 운전자에 의한 가스와 에어(Air)의 공연비 설정 및 가스 칼로리 메터(Gas Calorie Meter :106)의 불량 등으로 인해 실제 조업상 무시하고 있는 실정이다. 참고로 도면에 도시된 용어를 설명하면, D.T(Dome Temperature)는 돔 온도, SV(Set Volume)는 설정 볼륨, W.T(Waste gas Temperature)는 배가스 온도를 각각 의미한다.

이러한 실제 조업상의 문제점을 해결하기 위하여 다음과 같은 점이 고려되어야 한다.

첫째, 송풍 말기시 열풍로 노내의 잔축열이 얼마나 존재하는지의 상태를 감지하여 다음 연소시 보정하는 것이다. 송풍 후 열풍로의 잔열상태를 파악하여 다음 연소시 가스량을 설정하여야 함에도 불구하고, 현재의 조업방법은 이러한 방식을 채택하지 못하고 있다.

둘째, 현재 가스 칼로리메타(106)에 의한 가스의 열량 정보를 받아, 연소시 필요한 열량(1030 ~ 1060 Kcal/N㎥)을 맞추기 위하여 고열량(4300 Kcal/N㎥)을 갖는 COG(Coke Oven Gas)의 사용비율을 제어하고 있으나, 가스 칼로리메타(106)의 자체고장 및 계측기 정도의 신뢰저하로 인하여, 실제 사용에서는 제외하고 임의로 COG 사용비율을 결정하여 연소관리를 하고 있다. 따라서 불필요한 열량을 투입하여 연소시 열손실을 초래하고, 연소용 공기가 추가로 투입되어 과잉공기에 의해 열효율을 저하시키는 요인이 되고 있다.

셋째, 고로에 공급하는 풍량, 풍온에 따라 필요한 열량을 계산하여, 연소시 요구되는 투입열량을 제어해야 하나, 얼마가 필요한지를 운전자가 임의로 설정하여 연소관리를 하고 있어 기회손실에 의한 에너지 손실이 발생하고 있다.

넷째, 열효율을 향상하기 위하여 연소시 최대한 과잉공기를 억제하여야 하나 현재의 연소방법으로는 과잉공기를 억제할 수 없다.

다섯째, 연소시 모든 설정을 운전자 임의로 설정하여 연소관리를 하고 있다.

그러므로, 이러한 문제점들이 고려된, 보다 효율이 향상된 열풍로 연소제어방법이 요구되는 실정이었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 제철소 고로(高爐) 공정에서 고로 풍구에 고온의 기체(공기)를 공급하는 열풍로 설비의 조업을 위한 연소제어를 함에 있어서, 프로세스 컴퓨터를 이용하여, 가스량 계산시에 축열실의 잔축열을 고려한 자동보정을 하고, 연소에 필요한 가스량 및 공연비의 계산설정을 자동으로 연산할 수 있도록 함으로써, 불필요한 가스와 과잉공기의 공급을 감소시켜, 열효율 향상에 따른 에너지 절감 효과를 제공하며, SCC(Stress Corrosion Crack)에 의한 열풍로 외철피 용접선부의 잔류응력 균열을 방지하여 설비의 장수명화를 가져오는 고로 열풍로 연소제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 축열실(101) 및 연소실(102), 혼냉실(103)을 구비하고, 고로 가스와 코크 오븐 가스의 혼합가스를 연소시켜 열을 얻으며, 디시에스(DCS)의해 제어되어, 유입된 공기에 연소시 축적된 열을 전달한 후 고로(110) 풍구에 공급하는 통상의 열풍로 설비(100)에 있어서,

프로세스 컴퓨터(10)에서 입력 설정된 고로 조업 조건 및 하기의 수학식 1에 의해 혼합가스량을 구하고 그 값을 기준가스량으로서 설정하는 단계,

열풍로 열효율 = [풍량×((송풍온도×열풍비열) - (냉풍온도×냉풍비열))×송풍시간] ÷ [혼합가스 열량×혼합가스량×연소시간];

상기 축열실(101)의 체커 연와(125)에 삽입 설치된 서모 커플(121)에서 측정된 송풍 말기의 온도값을 프로세스 컴퓨터(10)가 온라인으로 입력받아, 소정의 기준값보다 온도값이 높을 경우에는 그 높은 정도에 비례하여 음(-)의 보정 가감량을 적용하고, 낮은 경우에는 그 낮은 정도에 비례하여 양(+)의 보정 가감량을 적용하여, 혼합가스 기준 가스량의 보정값을 구하는 단계;

상기 혼냉실(103)로 냉풍을 조절 공급하는 냉풍 제어밸브(50)의 송풍시의 개도를 프로세스 컴퓨터(10)가 온라인으로 입력받아, 소정의 기준값보다 송풍 말기의 개도가 큰 경우에는 그 큰 정도에 비례하여 음(-)의 보정 가감량을 적용하고, 송풍 말기의 개도가 상기 소정의 기준값 이하의 값을 갖는 경우에는 그 값에 도달한 시간과 송풍 말기와의 시간차에 비례하여 양(+)의 보정 가감량을 적용하여, 혼합가스 기준 가스량의 보정값을 구하는 단계;

상기와 같이 구해진 두 보정값의 평균을 내어 그 평균값에 의해 상기 기준 가스량을 보정하고, 보정된 기준 가스량을 상기 디시에스로 전송하여 차기 연소시의 가스 콘트롤러 설정값으로 적용하는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 축열실(101) 및 연소실(102), 혼냉실(103)을 구비하고, 고로 가스와 코크 오븐 가스의 혼합가스를 연소시켜 열을 얻으며, 디시에스(DCS)의해 제어되어, 유입된 공기에 연소시 축적된 열을 전달한 후 고로(110) 풍구에 공급하는 통상의 열풍로 설비(100)에 있어서,

상기 고로(110)의 가스 배출관에 설치된 고로 가스 성분분석기(40)와, 코크 오븐 가스의 공급을 제어하는 에너지 센터에 설치된 코크 오븐 가스 성분분석기(60)로부터 각 가스의 성분값을 프로세스 컴퓨터(10)가 온라인으로 입력받는 단계;

상기 프로세스 컴퓨터(10)에 미리 입력된 각 성분별 열량값에 의해 고로 가스와 코크 오븐 가스의 열량값을 연산하는 단계;

조업조건에 의해 요구되는 혼합가스 열량을 얻을 수 있도록, 고로 조업 조건을 상기의 수학식 1에 대입하여 구해진 혼합가스량과 상기와 같이 구해진 고로 가스 및 코크 오븐 가스의 열량값에 의해 프로세스 컴퓨터(10)에서 코크 오븐 가스량 및 고로 가스량을 구하는 단계;

상기와 같이 구해진 코크 오븐 가스량 및 고로 가스량을 상기 디시에스로 전송하여 연소실(102) 버너로 가스를 혼합 공급하는 가스 혼합기(105)를 제어하는 단 계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

프로세스 컴퓨터(10)에서 입력 설정된 고로 조업 조건 및 상기의 수학식 1에 의해 혼합가스량을 구하고 그 값을 기준가스량으로서 설정하는 단계;

상기 혼냉실(103)로 냉풍을 조절 공급하는 냉풍 제어밸브(50)의 송풍시의 개도를 프로세스 컴퓨터(10)가 온라인으로 입력받아, 소정의 기준값보다 송풍 말기의 개도가 큰 경우에는 그 큰 정도에 비례하여 음(-)의 보정 가감량을 적용하고, 송풍 말기의 개도가 상기 소정의 기준값 이하의 값을 갖는 경우에는 상기 소정의 기준값 이하의 값에 도달한 시간과 송풍 말기와의 시간차에 비례하여 양(+)의 보정 가감량을 적용하여, 혼합가스 기준 가스량의 보정값을 구하는 단계;

상기와 같이 구해진 두 보정값의 평균을 내어 그 평균값에 의해 상기 기준 가스량을 보정하는 단계;

차기 연소시, 상기 고로(110)의 가스 배출관에 설치된 고로 가스 성분분석기(40)와, 코크 오븐 가스의 공급을 제어하는 에너지 센터에 설치된 코크 오븐 가스 성분분석기(60)로부터 각 가스의 성분값을 프로세스 컴퓨터(10)가 온라인으로 입력받는 단계;

이전 사이클의 송풍 말기 조건에 의해 상기와 같이 보정된 기준 가스량과 상기와 같이 구해진 고로 가스 및 코크 오븐 가스의 열량값에 의해 프로세스 컴퓨터(10)에서 코크 오븐 가스량 및 고로 가스량을 구하는 단계;

상기와 같이 구해진 코크 오븐 가스량 및 고로 가스량을 상기 디시에스로 전송하여 연소실(102) 버너로 가스를 혼합 공급하는 가스 혼합기(105)를 제어하는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 상기와 같이 구해진 고로 가스 및 코크 오븐 가스의 성분값과, 혼합가스량, 고로 가스 및 코크 오븐 가스의 혼소율(혼합비율)을 이용하여 프로세스 컴퓨터(10)에서 고로 가스 및 코크 오븐 가스에 대한 각각의 이론공연비를 구하는 단계;

상기와 같이 구해진 각각의 이론공연비를 이용하여 혼합가스의 이론공연비를 구한 후, 조업 조건에 의해 설정된 과잉공기비를 적용하여 실공연비를 구하는 단계;

상기와 같이 구해진 실공연비를 디시에스로 전송하여 연소를 제어하는 단계 를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

통상적인 열풍로 설비(100)는 상술한 바와 같이, 유입 공기의 통과시 축열실(101) 내부의 체커 연와(125)에 축적된 열을 전달하여 고온의 공기로 형성한 후 고로(110) 풍구에 공급하는 역할을 한다.

상기 축열실(101)의 후단에는, 고로(110)에서 배출되는 고로 가스와 에너지 센터를 거쳐 공급되는 코크 오븐 가스의 혼합가스를 연소시키고 그 배가스를 통과시켜 상기 체커 연와(125)에 열을 축적시키는 연소실(102)과, 냉풍 제어밸브(50)로 냉풍을 조절 공급하여 상기 고온의 공기의 온도를 조절하는 혼냉실(103)이 순차적으로 연결설치된다.

상기 축열실(101)과 연소실(102), 혼냉실(103)은 디시에스(DCS: Direct Control System)에 의해 제어되어 연소 및 노체, 송풍을 1 사이클로 하여 전체 열풍로 조업이 이뤄지도록 구성된다.

이하, 본 발명의 구성을 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 연소제어방법이 적용된 고로 열풍로 설비의 전체 구성도, 도 5는 본 발명의 연소제어방법이 적용된 열풍로 축열실을 나타낸 단면 구성도, 도 6은 본 발명의 연소제어방법에서의 풍온 콘트롤을 위한 냉풍 제어밸브의 밸브 개도 상태를 나타낸 그래프, 도 7은 본 발명의 고로 열풍로 연소제어방법을 나타낸 개념도, 도 8은 본 발명의 고로 열풍로 연소제어방법에 있어서 연소시의 투입 에어(Air)량 제어과정을 나타낸 프로그램 회로도, 도 9는 본 발명의 고로 열풍로 연소제어방법의 전체 제어 흐름도이다.

고로 가스 성분분석기(40)의 데이터를 온라인으로 전송받을 수 있도록 고로 가스 성분분석기(40)와 고로 프로세스 컴퓨터(10)간의 인터페이스(interface)가 이뤄지도록 하고, 프로세스 컴퓨터(10)에서 전송받은 데이터를 이용하여 연산한 후, 일정 시간분의 고로 가스 성분 평균값을 저장하도록 한다.

또한, 열풍로 조업에 있어서 연료로 사용되는 혼합가스(BFG+COG) 중 보다 높은 열량을 갖는 COG의 비율을 조정함으로써 혼합가스가 고로 조업에 요구되는 소정의 열량값(1000~1050 Kcal/N㎥)을 갖도록 조정하는데, 이를 위한 COG의 성분값은 에너지 센터의 COG 성분분석기(60)와 온라인으로 접속되어 인터페이스가 이뤄진 프로세스 컴퓨터(10)에서 전송받도록 한다.

이렇게 전송받은 BFG와 COG의 성분값과 미리 설정 입력된 각 성분별 열량값을 토대로 프로세스 컴퓨터(10)는 연료로 사용될 각 가스의 열량을 구하게 된다.

그 후, 구해진 각 열량을 토대로 프로세스 컴퓨터(10)가 재연산하여 필요 열량을 COG의 유량으로 환산하여, 그 환산된 유량 설정값을 가스 혼합기(105)로 보내 COG의 유량을 콘트롤 하도록 한다.

한편, 송풍 말기에 축열실(101)에 설치된 체커 연와 잔열측정부(70)에 의해 잔축열에 의한 온도를 측정하고, 측정된 온도를 이용하여 프로세스 컴퓨터(10)가 열풍로 조업에 공급되는 혼합가스량을 보정하도록 하는데, 이때, 경험적으로 얻어진 하기 표 1과 같은 열풍로 잔축열 측정 데이터에 의한 연소 보정표를 프로세스 컴퓨터(10) 내에 입력하여, 상기와 같이 구해진 송풍 말기의 계측된 온도를 이용하여 입력된 표에 따라 혼합가스량을 보정하도록 한다.

또한, 같은 시간대에서의 동일한 열풍로의 혼냉실(103)에서 냉풍 제어밸브(CBMCV: 50)의 종 개도값을 구하여 이에 따라 프로세스 컴퓨터(10)가 열풍로 조업에 공급되는 혼합가스량을 보정하도록 하는데, 이때에도 경험적으로 얻어진 하기 표 2와 같은 송풍시 풍온 콘트롤에 의한 잔축열 연소 보정표를 프로세스 컴퓨터(10) 내에 입력하여, 냉풍 제어밸브(50)의 종 개도값에 의해서도 혼합가스량의 보정이 이뤄지도록 한다.

이때, 이러한 2 가지 방식의 보정량을 실제적으로 적용하는 것은, 상기 2 가지 방식에 의해 구해진 혼합가스량에 대한 각 보정량의 평균값을 구하여 그 평균값에 의한 보정을 하는 방식으로 하는데, 이러한 방식을 통해 1 가지 방식에 의해서만 보정을 하는 것보다 정확한 보정을 할 수 있게 되는 장점이 있게 된다.

상기와 같이 구해진 혼합가스량에 대한 보정량은 차기 연소시 도 7에 도시된 로직을 따라 DCS의 가스 콘트롤러 설정값으로 입력되어 적용되게 된다.

하기의 표 1은 본 발명의 열풍로 잔축열 측정 데이터에 의한 연소 보정표이고, 표 2는 본 발명의 송풍시 풍온 콘트롤에 의한 잔축열 연소 보정표인데, 이러한 보정표는 본 발명자의 근무 현장에서 경험적으로 얻어진 것으로서, 조업설비 및 조건에 따라 그 구체적인 보정 가감량에는 다소의 변동이 있을 수도 있고, 하기의 표에 기재된 수치로 반드시 한정되는 것은 아니다.

송풍 종료시 체커 연와 온도(℃)	기준 가스량 대비 가감 PC 입력 수치	기준 가스량 대비 보정 가감량
1000	-5	기준 가스량 × 0.875
990	-4	기준 가스량 × 0.9
980	-3	기준 가스량 × 0.925
970	-2	기준 가스량 × 0.95
960	-1	기준 가스량 × 0.975
950	0	기준 가스량 × 1
940	+1	기준 가스량 × 1.025
930	+2	기준 가스량 × 1.05
920	+3	기준 가스량 × 1.075
910	+4	기준 가스량 × 1.1
900	+5	기준 가스량 × 1.125

송풍 종료 직전 냉풍 제어밸브 종 개도(도)	기준 가스량 대비 가감 PC 입력 수치	기준 가스량 대비 보정 가감량
30	-5	기준 가스량 × 0.875
25	-4	기준 가스량 × 0.9
20	-3	기준 가스량 × 0.925
15	-2	기준 가스량 × 0.95
10	-1	기준 가스량 × 0.975
5 이하	0	기준 가스량 × 1
송풍 57분 경과 5 이하	+1	기준 가스량 × 1.025
송풍 54분 경과 5 이하	+2	기준 가스량 × 1.05
송풍 51분 경과 5 이하	+3	기준 가스량 × 1.075
송풍 48분 경과 5 이하	+4	기준 가스량 × 1.1
송풍 45분 경과 5 이하	+5	기준 가스량 × 1.125

한편, 고로조업 변화(송풍량, 풍온 등)에 따른 연소시 필요 열량에 대한 기준 가스량(기본적인 조업 조건에 의한 혼합가스량) 설정은, 하기의 수학식 1로 표시된 열풍로 열효율 공식을 통해 도출하여 프로세스 컴퓨터(10)가 연산하도록 하며, 그 결과값을 1분 간격으로 출력시켜 DCS의 가스 콘트롤러의 풀 레인지(Full Range)를 100%화하고 퍼센테이지로 콘트롤러 세팅값이 변화하도록 구성한다.

하기의 수학식 1은 열풍로 열효율 공식으로서 기준 가스량을 구하는데 이용되는데, 기준 가스량으로서 구하고자 하는 것은 공식중의 우변에 기재된 '혼합가스량'이며, 우변의 나머지 변수들은 고로 조업 조건에 의해 도출되는 것이고, 좌변의 열풍로 열효율은 경험적으로 각 조업 조건에 의해 최적의 열효율로 얻어진 값을 대입하게 된다. 참고로 본 발명자가 근무하는 현장에 설치된 열풍로 설비의 경우, 설계 기준으로 76~85% 범위의 열효율을 갖는다.

열풍로 열효율 = [풍량×((송풍온도×열풍비열) - (냉풍온도×냉풍비열))×송풍시간] ÷ [((COG 열량×사용비율) + (BFG 열량×사용비율))×혼합가스량×연소시간] ....(1-1)

= [풍량×((송풍온도×열풍비열) - (냉풍온도×냉풍비열))×송풍시간] ÷ [혼합가스 열량×혼합가스량×연소시간] ....(1-2)

한편, 상기 수학식 1 중 식 1-1의 우변의 '((COG 열량×사용비율) + (BFG 열량×사용비율))'은 COG와 BFG의 '혼합가스 열량'과 같은 의미하므로, 상기 식 1-1은 식 1-2와 같이 표시될 수 도 있다.

가스량에 대한 공기의 공연비는 도 8에 도시된 바와 같은 로직에 의하여 제어되는데, 연소시 투입되는 공기량 제어는 프로세스 컴퓨터(10)가 도 7의 ①단계에서 구해진 가스량 및 가스의 성분값을 연소반응에 관한 화학반응식에 대입 연산하여, 이론 공연비를 구하고, 이 값에 실제 조업 상황을 고려한 과잉공기비를 적용하 여, 그 결과값에 의해 DCS 에어 컨트롤러가 제어 동작을 하도록 구성한다.

이상과 같은 열풍로 연소에 필요한 모든 가스량과 공기량을 실시간으로 프로세스 컴퓨터(10)에서 연산하고, 그 출력을 연소실(102)에 연결 설치된 연소실 버너용 가스 제어밸브(20)와 연소실 버너용 에어 제어밸브(30)로 순시적으로 전송하여, 고로 조업의 변화 및 축열실의 잔축열 상태에 자동으로 대응하여, 열량손실을 최소화하고, 운전자의 무인화를 이룰 수 있도록 한다.

다음으로 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.

축열실(101)의 체커 연와 잔열측정부(70)는 도 5에 도시된 바와 같이 구성되는데, 연소 및 송풍시 고온의 가스류가 체커 연와(125)의 구멍을 통하여 흐를 때 그 온도를 측정할 수 있는 서모 커플(thermocouple: 121)을 축열실(101) 외부로부터 내부 체커 연와(125) 속으로 삽입 설치하여 송풍 말기의 연와온도를 측정할 수 있도록 한다.

체커 연와(125)는 연소시 배가스의 열을 흡수한 후, 송풍시 송풍기(104)의 공기가 내부 구멍을 통과하면서 열을 재흡수하여 고로에 공급되도록 하기 때문에, 60분의 송풍을 하는 동안 서서히 온도가 떨어지게 되는데, 상기한 것과 같은 체커 연와 잔열측정부(70)에 의해 송풍 말기의 내부 잔열을 알 수 있게 된다.

고로에 열풍을 공급할 때에 열풍로의 송풍 말기의 내부 잔열이 많으면 요구되는 온도보다 높은 온도의 열풍이 공급되고, 반대의 경우 요구되는 온도보다 낮은 온도의 열풍이 공급되므로, 이를 방지하기 위하여 상술한 표 1에 기재된 것과 같은 기준 가스량의 보정을 행하여 다음 연소시 공급되는 기준 가스량을 가감시켜주는 것이다.

한편, 열풍로 4기가 30분 간격으로 노체되어 송풍 운전을 하기 때문에, 상시 30분동안 선행 송풍로와 후행 송풍로로 구성되어 송풍이 이루어지는데, 이때 축열실(101)을 통과한 열풍의 풍온을 적절한 온도로 조절해주기 위하여 냉풍을 일정량 혼합시켜 주게 되고, 이러한 방식의 풍온 콘트롤은 후행 송풍로의 냉풍 제어밸브(50)에 의해 이뤄지게 된다.

도 6은 이러한 풍온 콘트롤을 위한 냉풍 제어밸브의 밸브 개도 상태를 나타낸 그래프인데, 노내 잔축열이 많으면 냉풍 제어밸브(50)의 개도율이 높아지게 되고 잔축열이 부족하면 냉풍유입을 차단해야 하기 때문에 개도율이 낮아지게 되는데, 이러한 상태가 그래프 상의 송풍 말기(60분인 지점)에서의 밸브 개도인 종 개도에 반영되게 된다.

따라서 이러한 종 개도 상태로서 역으로 축열실의 잔축열 상태를 추정하여 기준 가스량의 보정에 반영할 수 있으며, 이를 위하여 상기한 표 2에 기재된 것과 같은 기준 가스량의 보정을 행하여 다음 연소시 공급되는 기준 가스량을 가감시켜, 과잉 가스량이 투입되지 않도록 하는 것이다.

프로세스 컴퓨터(10)에 의한 DCS에서의 가스량 제어, 에어 공연비 제어의 자동설정은 먼저 BFG 성분분석기(40)와 COG 성분분석기(60)로부터 각 가스의 성분값을 전송받아 각 가스의 열량을 계산하고, 열풍로 연소시 요구되는 혼합 열량(본 실시예에서는 1050Kcal/N㎥ 설정)으로 조정하기 위하여, 설정된 혼합 열량을 얻기 위해 산출된 COG 사용비율을 프로세스 컴퓨터(10)로부터 가스 혼합기(105)로 전송하 여 전송된 사용비율이 되도록 콘트롤하며, 기준 가스량을 상기의 수학식 1로 표현된 열효율 공식으로부터 도출하고, 연소개시 전 상기와 같이 구해진 기준 가스량에 대하여 상기와 같이 구해진 축열실내 잔열 측정치 및 냉풍 제어밸브(50)의 종 개도에 의한 가감 보정을 하여 연소작업을 실시한다.

연소가 개시되면 기존의 DCS에 의해 콘트롤되어 배가스 산소제어 및 돔온도제어를 하면서 50분간 연소를 하고, 송풍로로 전환되기 위하여 충압을 실시하고 송풍을 시작한다.

송풍 개시 후 60분이 경과되면 시간설정에 의하여 다시 연소로 진행하게 되는데, 그 사이클 과정 중, 송풍 약 50분 경과 시점부터 노내 잔축열을 반영하는 체커 연와 온도와 냉풍 제어밸브(50)의 개도값에 대한 데이터가 온라인으로 프로세스 컴퓨터(10)에 전송되며, 내부에 입력 저장된 프로그램에 의하여 고로 조업 조건에 의한 기준 가스량이 계산되고, 이 계산된 기준 가스량값에 잔축열 체커 연와 온도와 냉풍 제어밸브의 종 개도 데이터에 의한 보정값이 연산되어, 최종적인 가스량값이 DCS의 가스량 제어 콘트롤러에 자동 설정되게 된다.

이러한 제어 과정은 열풍로의 사이클 진행에 따라 반복적으로 이뤄지게 되는데, 프로세스 컴퓨터(10)로 고로 가스(BFG) 성분과 코크 오븐 가스(COG)의 성분이 온라인으로 자동 전송되고, 축열실 잔축열량과 냉풍 제어밸브의 개도 정보도 자동으로 전송되어, 고로 조업 조건과 전송된 정보들에 의하여 적절한 값으로 보정된 가스량값이 자동으로 연산되고 출력되어, 연소실에 투입되는 가스량을 제어할 수 있게 된다.

이하에서는 참고적으로 프로세스 컴퓨터(10)에서 검출 전송된 COG와 BFG의 성분에 의해 COG와 BFG의 사용량을 자동연산 처리하는 프로그램의 내용에 대하여 예시적으로 기재하였다. 상기한 잔축열 보정은, 고로 조업 조건에 의한 기준 가스량에 대하여, 송풍 말기의 잔축열 체커 연와 온도와 냉풍 제어밸브 개도의 데이터 값을 반영하고, 상기 표 1 및 표 2와 같은 보정표를 적용하여, '해당 보정표의 가스량 보정가감값 × 기준 가스량 × 열량 = 최종값 출력'의 내용으로 DCS에 설정되도록 한다.

< COG 사용량 >

COG 사용량 = (혼합가스량×24000.0×혼합가스비/100.0) × (COG 발열량/1000.0)

1) 혼합가스량 [Nm³/day]

- ON GAS 열풍로만 계산

2) 혼합가스비 [%]

- 계산조건 : BFG 유량/( BFG 유량 + COG 유량 ) > 0.75

- 혼합가스비 : ( COG유량/( BFG 유량 + COG 유량 )) × 100.0

3) COG 발열량 [kcal/Nm³]

- 계산조건 : 3500 < COG CV < 5000 .AND. 1.0 ≤ COG 온도 ≤ 100.0

- COG 발열량 : COG CV × ( 1.0 - H2OPERC(COG 온도)/100.0 )

< BFG 사용량 >

BFG 사용량 = (혼합가스량×24000.0 - COG 사용량) × (BFG 발열량/1000.0)

1) BFG 발열량 [kcal/Nm³]

- 계산조건 : 15 < BFG CO 분석(%) < 30 .AND. 0.1 < BFG H2 분석(%) < 5.0 .AND. 1.0 < BFG 온도 < 100.0

- BFG 발열량 = ( 1.0 - H2OPERC(BFG온도)/100.0 )×( BFG CO 분석/100.0 )×3020.0 + ( 1.0 - H2OPERC(BFG온도)/100.0 )×( BFG H2 분석/100.0 )×2580.0

상기 수식중 'H2OPERC( )'는 온도에 따른 테이블 값을 구하는 함수를 의미하는데, '( )'안의 값에 따라 0~100 범위의 값을 갖는다.

한편, 연소용 공기 사용비도 사용량을 가스성분에 의하여 프로세스 컴퓨터(10)가 자동 계산하도록 하며, 연소 개시 후의 실공연비와 배가스 산소 제어, 돔 (Dome)온도제어는 열풍로 DCS에서 콘트롤할 수 있도록 한다. 따라서 최종 연소제어 프로그램에 자동으로 인터페이스 함으로써 최적의 가스와 공기비를 설정 연소시킬 수 있게 된다. 그리고, 송풍중에는 잔축열 관리를 위하여 냉풍 제어밸브(50)의 종 개도 데이터와 축열실 체커 연와 잔열측정부(70)의 온도 데이터에 의한 보정치가 반영되도록 한다.

도 8은 본 발명에 의한 연소제어에 있어서, 투입 에어(Air)량 제어시 프로세스 컴퓨터(10)가 가스량 대비 공기비를 결정하는 프로그램의 회로도를 나타내는데, 이론공연비는 화학적 반응에 의한 필요 공연비로서 연소에 관한 화학 반응식의 적용을 통해 결정하고, 미연소 방지를 위하여 적용되는 과잉공기비는 이론공연비에 대하여 최소한 1.05의 값으로 적용하여 보정에 반영하는 것이 바람직하다.

이하에서는 참고적으로 공연비 제어를 위하여 프로세스 컴퓨터(10)의 프로그램에 적용되어 자동연산 처리가 이뤄지도록 하는 이론공연비와 실공연비를 구하는 방법에 대하여 대하여 예시적으로 기재하였는데, 과잉공기비를 1.1로 적용하여 실공연비를 구하였다. 기재된 COG와 BFG의 성분 및 기타 조건들은 공연비를 구하는 방법을 설명하기 위하여 예시적으로 적용된 값들이다.

< 혼합가스 성분조성 >

- 혼합가스량 : 100,000 (N㎥/ Hr)

- COG 혼소율 : 5%

- COG 성분

성분	조성(%)
CO	7.8
CH₄	25.0
N₂	2.8
H₂	58
O₂	0.5
C₂H₄	3.0

- BFG 성분

성분	조성(%)
CO₂	27.8
CO	20
N₂	49.5
H₂	5
O₂	0.5

< 이론공연비(Ao: 돔 온도 제어시 공연비 적용) >

1) COG Ao = 1/0.21×(0.5 H₂ + 0.5 CO + 2 CH₄ + 3 CmHn - O₂)

= 1/0.21×(0.5×0.58+0.5×0.078+2×0.25+3×0.03-0.005)

= 4.352(N㎥/ N㎥)×100,000(혼합가스량)×0.05(COG 혼소율)

= 21760 (N㎥/N㎥)

2) BFG Ao = 1/0.21×(0.5 H₂ + 0.5 CO + 2 CH₄ + 3 CmHn - O₂)

= 1/0.21×(0.5×0.05+0.5×0.2-0.005)

= 0.571(N㎥/N㎥)×100,000(혼합가스량)×0.95(BFG 혼소율)

= 54245 (N㎥/N㎥)

3) 혼합가스 Ao = 21760 + 54245

= 76005 (N㎥/ N㎥)

< 실공연비(A: O₂ 제어시 공연비 적용) >

1) 혼합가스 A = mAo (단, m = 1.1: 과잉공기비)

= 1.1×76005 (N㎥/ N㎥)

= 83606 (N㎥/ N㎥)

한편, 실 공기비 및 배가스 산소제어, 돔(Dome) 온도 제어는 종래부터 열풍로 연소 제어에 사용되어왔던 열풍로 DCS에서 제어가 이루어지며, 연소중 프로세스 컴퓨터에서 열풍로 DCS으로 자동으로 절환되도록 구성한다.

도 9는 본 발명의 고로 열풍로 연소제어방법의 전체 제어 흐름도로서, 연소작업 및 송풍작업시 프로세스 컴퓨터와 DCS간에 상호 인터페이스되어 작동되는 제 어 루프를 나타내고 있다.

도 7에 도시된 바와 같이 프로세스 컴퓨터에 입력 설정된 기준 가스량 프로그램과 잔축열 보정 프로그램, 공연비 설정 프로그램, 열량 계산 프로그램 등에 의한 제어는 도 9의 A부분에 해당되는 본 발명에 의한 열풍로 연소제어 프로세스에 의해 이뤄지며, 여기에서 만들어지거나 출력된 정보가 도 9의 B부분에 해당되는 종래의 열풍로 연소제어용 DCS에 전송되어 현장의 기기들의 작동을 제어하게 된다.

그 후, 연소가 완료되고 송풍이 개시된 후 송풍 말기의 노내 잔축열 보정 데이터 및 재연소를 위한 투입열량을 전송받아 설정 입력된 프로그램에 의하여 연산한 프로세스 컴퓨터는 가스량과 공기량을 출력하여 열풍로 DCS로 출력하여 다음 연소를 위한 제어를 하는 방식으로 제어 루프가 이뤄지게 된다.

이와 같은 본 발명 고로 열풍로 연소제어방법은, 열풍로 조업에 있어서 프로세스 컴퓨터를 이용하여, 가스량 계산시에 축열실의 잔축열을 고려한 자동보정을 하고, 연소에 필요한 가스량 및 공연비의 계산설정을 자동으로 연산할 수 있도록 함으로써, 불필요한 가스와 과잉공기의 공급을 감소시켜, 열효율 향상에 따른 에너지 절감 효과를 제공하며, SCC(Stress Corrosion Crack)에 의한 열풍로 외철피 용접선부의 잔류응력 균열을 방지하여 설비의 장수명화를 가져오는 효과를 제공한다.

Claims

축열실(101) 및 연소실(102), 혼냉실(103)을 구비하고, 고로 가스와 코크 오븐 가스의 혼합가스를 연소시켜 열을 얻으며, 디시에스(DCS)의해 제어되어, 유입된 공기에 연소시 축적된 열을 전달한 후 고로(110) 풍구에 공급하는 열풍로 설비(100)에 있어서,

프로세스 컴퓨터(10)에서 입력 설정된 고로 조업 조건 및 하기의 수학식 1에 의해 혼합가스량을 구하고 그 값을 기준가스량으로서 설정하는 단계,

[수학식 1]

열풍로 열효율 = [풍량×((송풍온도×열풍비열) - (냉풍온도×냉풍비열))×송풍시간] ÷ [혼합가스 열량×혼합가스량×연소시간];

상기 축열실(101)의 체커 연와(125)에 삽입 설치된 서모 커플(121)에서 측정된 송풍 말기의 온도값을 프로세스 컴퓨터(10)가 온라인으로 입력받아, 기준값보다 온도값이 높을 경우에는 그 높은 정도에 비례하여 음(-)의 보정 가감량을 적용하고, 낮은 경우에는 그 낮은 정도에 비례하여 양(+)의 보정 가감량을 적용하여, 혼합가스 기준 가스량의 보정값을 구하는 단계;

상기 혼냉실(103)로 냉풍을 조절 공급하는 냉풍 제어밸브(50)의 송풍시의 개도를 프로세스 컴퓨터(10)가 온라인으로 입력받아, 기준값보다 송풍 말기의 개도가 큰 경우에는 그 큰 정도에 비례하여 음(-)의 보정 가감량을 적용하고, 송풍 말기의 개도가 상기 기준값 이하의 값을 갖는 경우에는 그 값에 도달한 시간과 송풍 말기와의 시간차에 비례하여 양(+)의 보정 가감량을 적용하여, 혼합가스 기준 가스량의 보정값을 구하는 단계;

상기와 같이 구해진 두 보정값의 평균을 내어 그 평균값에 의해 상기 기준 가스량을 보정하고, 보정된 기준 가스량을 상기 디시에스로 전송하여 차기 연소시의 가스 콘트롤러 설정값으로 적용하는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고로 열풍로 연소제어방법.
축열실(101) 및 연소실(102), 혼냉실(103)을 구비하고, 고로 가스와 코크 오븐 가스의 혼합가스를 연소시켜 열을 얻으며, 디시에스(DCS)의해 제어되어, 유입된 공기에 연소시 축적된 열을 전달한 후 고로(110) 풍구에 공급하는 열풍로 설비(100)에 있어서,

상기 고로(110)의 가스 배출관에 설치된 고로 가스 성분분석기(40)와, 코크 오븐 가스의 공급을 제어하는 에너지 센터에 설치된 코크 오븐 가스 성분분석기(60)로부터 각 가스의 성분값을 프로세스 컴퓨터(10)가 온라인으로 입력받는 단계;

상기 프로세스 컴퓨터(10)에 미리 입력된 각 성분별 열량값에 의해 고로 가스와 코크 오븐 가스의 열량값을 연산하는 단계;

조업조건에 의해 요구되는 혼합가스 열량을 얻을 수 있도록, 고로 조업 조건을 하기의 수학식 1에 대입하여 구해진 혼합가스량과 상기와 같이 구해진 고로 가스 및 코크 오븐 가스의 열량값에 의해 프로세스 컴퓨터(10)에서 코크 오븐 가스량 및 고로 가스량을 구하는 단계,

[수학식 1]

열풍로 열효율 = [풍량×((송풍온도×열풍비열) - (냉풍온도×냉풍비열))×송풍시간] ÷ [혼합가스 열량×혼합가스 유량×연소시간];

상기와 같이 구해진 코크 오븐 가스량 및 고로 가스량을 상기 디시에스로 전송하여 연소실(102) 버너로 가스를 혼합 공급하는 가스 혼합기(105)를 제어하는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고로 열풍로 연소제어방법.
축열실(101) 및 연소실(102), 혼냉실(103)을 구비하고, 고로 가스와 코크 오븐 가스의 혼합가스를 연소시켜 열을 얻으며, 디시에스(DCS)의해 제어되어, 유입된 공기에 연소시 축적된 열을 전달한 후 고로(110) 풍구에 공급하는 열풍로 설비(100)에 있어서,

프로세스 컴퓨터(10)에서 입력 설정된 고로 조업 조건 및 하기의 수학식 1에 의해 혼합가스량을 구하고 그 값을 기준가스량으로서 설정하는 단계,

[수학식 1]

열풍로 열효율 = [풍량×((송풍온도×열풍비열) - (냉풍온도×냉풍비열))×송풍시간] ÷ [혼합가스 열량×혼합가스량×연소시간];

상기 축열실(101)의 체커 연와(125)에 삽입 설치된 서모 커플(121)에서 측정된 송풍 말기의 온도값을 프로세스 컴퓨터(10)가 온라인으로 입력받아, 기준값보다 온도값이 높을 경우에는 그 높은 정도에 비례하여 음(-)의 보정 가감량을 적용하고, 낮은 경우에는 그 낮은 정도에 비례하여 양(+)의 보정 가감량을 적용하여, 혼합가스 기준 가스량의 보정값을 구하는 단계;

상기 혼냉실(103)로 냉풍을 조절 공급하는 냉풍 제어밸브(50)의 송풍시의 개도를 프로세스 컴퓨터(10)가 온라인으로 입력받아, 기준값보다 송풍 말기의 개도가 큰 경우에는 그 큰 정도에 비례하여 음(-)의 보정 가감량을 적용하고, 송풍 말기의 개도가 상기 기준값 이하의 값을 갖는 경우에는 상기 기준값 이하의 값에 도달한 시간과 송풍 말기와의 시간차에 비례하여 양(+)의 보정 가감량을 적용하여, 혼합가스 기준 가스량의 보정값을 구하는 단계;

상기와 같이 구해진 두 보정값의 평균을 내어 그 평균값에 의해 상기 기준 가스량을 보정하는 단계;

차기 연소시, 상기 고로(110)의 가스 배출관에 설치된 고로 가스 성분분석기(40)와, 코크 오븐 가스의 공급을 제어하는 에너지 센터에 설치된 코크 오븐 가스 성분분석기(60)로부터 각 가스의 성분값을 프로세스 컴퓨터(10)가 온라인으로 입력받는 단계;

상기 프로세스 컴퓨터(10)에 미리 입력된 각 성분별 열량값에 의해 고로 가스와 코크 오븐 가스의 열량값을 연산하는 단계;

이전 사이클의 송풍 말기 조건에 의해 상기와 같이 보정된 기준 가스량과 상기와 같이 구해진 고로 가스 및 코크 오븐 가스의 열량값에 의해 프로세스 컴퓨터(10)에서 코크 오븐 가스량 및 고로 가스량을 구하는 단계;

상기와 같이 구해진 코크 오븐 가스량 및 고로 가스량을 상기 디시에스로 전송하여 연소실(102) 버너로 가스를 혼합 공급하는 가스 혼합기(105)를 제어하는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고로 열풍로 연소제어방법.
제2항 또는 제3항에 있어서,

상기와 같이 구해진 고로 가스 및 코크 오븐 가스의 성분값과, 혼합가스량, 고로 가스 및 코크 오븐 가스의 혼소율(혼합비율)을 이용하여 프로세스 컴퓨터(10)에서 고로 가스 및 코크 오븐 가스에 대한 각각의 이론공연비를 구하는 단계;

상기와 같이 구해진 각각의 이론공연비를 이용하여 혼합가스의 이론공연비를 구한 후, 조업 조건에 의해 설정된 과잉공기비를 적용하여 실공연비를 구하는 단계;

상기와 같이 구해진 실공연비를 상기 디시에스로 전송하여 연소를 제어하는 단계를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고로 열풍로 연소제어방법.