KR100817111B1

KR100817111B1 - 래들가열용 산소부화 버너

Info

Publication number: KR100817111B1
Application number: KR1020060093226A
Authority: KR
Inventors: 조한창; 조길원
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원; 주식회사 케너텍
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2006-09-26
Publication date: 2008-03-27

Abstract

본 발명은 래들가열용 산소부화 버너에 관한 것으로서, NOx 배출량 저감이 가능한 래들가열용 산소부화 버너를 제공하기 위해, 연료노즐과, 공기노즐과, 산소 또는 산소부화된 공기를 투입하는 산소분사노즐을 구비하고, 버너노즐 후단에 수축부가 있으며, 래들 커버의 버너토출구에 부착되는 래들 가열용 버너에 있어서, 상기 산소분사노즐은 연료노즐의 끝단부로부터 연료노즐 직경의 1~20배 길이로 돌출 형성된 것을 특징으로 하고, 공기노즐과 연료노즐로부터 공급된 공기와 연료의 연소반응에 의한 연료과잉의 연소배가스가 산소노즐로부터 고속으로 분사된 산소와 혼합되어 연소되므로 화염의 인장율이 높아짐은 물론 낮아진 산소농도에 의한 화염온도 저하의 효과를 얻을 수 있어 화염온도에 따라 많은 NOx가 발생한다는 열적 NOx 반응기구(thermal NOx reaction mechanism)를 통해 NOx를 저감할 수 있는 래들가열용 산소부화 버너에 관한 것이다.

버너(burner), 산소부화연소(oxygen-enriched combustion), NOx, ladle preheating

Description

래들가열용 산소부화 버너{Ladle preheating oxygen-enriched burner}

도 1은 종래의 래들가열용 버너를 도시한 개략도,

도 2는 래들가열용 산소부화 버너의 산소 혼합법을 도시한 개략도,

도 3은 본 발명에 따른 래들가열용 산소부화 버너를 도시한 개략도,

도 4는 본 발명에 따른 산소분사노즐 끝단부를 도시한 단면도,

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

120 : 수축부 320 : 공기노즐

350 : 산소분사노즐 355 : 노즐수축부

360 : 연료노즐

본 발명은 래들가열용 산소부화 버너에 관한 것으로서, 보다 상세히는 NOx 배출량 저감이 가능한 래들가열용 산소부화 버너를 제공하기 위해, 연료노즐과, 공기노즐과, 산소 또는 산소부화된 공기를 투입하는 산소분사노즐을 구비하고, 버너노즐 후단에 수축부가 있으며, 래들 커버의 버너토출구에 부착되는 래들 가열용 버 너에 있어서, 상기 산소분사노즐은 연료노즐의 끝단부로부터 연료노즐 직경의 1~20배 길이로 돌출 형성된 것을 특징으로 하고, 공기노즐과 연료노즐로부터 공급된 공기와 연료의 연소반응에 의한 연료과잉의 연소배가스가 산소노즐로부터 고속으로 분사된 산소와 혼합되어 연소되므로 화염의 인장율이 높아짐은 물론 낮아진 산소농도에 의한 화염온도 저하의 효과를 얻을 수 있어 화염온도에 따라 많은 NOx가 발생한다는 열적 NOx 반응기구(thermal NOx reaction mechanism)를 통해 NOx를 저감할 수 있는 래들가열용 산소부화 버너에 관한 것이다.

버너형상은 연료/산화제 종류, 사용하고자 하는 연소로의 구조와 운전조건 등에 따라 다양하다. 연료로는 고체, 액체, 기체연료가 통상적으로 이용되며, 각각의 열분해 특성과 연소반응률에 적합한 분사속도의 노즐을 구성하게 된다. 산화제는 통상 공기가 이용되나, 용융로와 같이 고온이 요구되는 조건에서는 산소를 첨가한 산소부화된 공기나 순산소를 산화제로 이용하게 된다. 역시 산소농도에 따라 급변하는 연소반응율에 적합한 노즐을 구성하게 된다. 사용하고자 하는 연소로의 운용패턴(장단기 사용여부, 가동/중단 빈도수), 운용온도, 공기비 등의 조건에 따라 선택하는 버너 형상을 바꾸어야 한다.

철강공정에서 용강(쇳물)을 저장하고 이송하는 역할을 하는 도가니인 래들은 내화물의 손상과 용강의 응고를 막기 위하여 고온의 용강을 담기 전에 실온상태의 래들을 1200℃이상의 고온으로 가열하게 된다. 이때 사용되는 가열시스템은 래들 커버에 부착되는 래들가열용 버너시스템이다. 래들가열용 버너는 빠른 승온을 위하여 연소배가스를 래들 하부에 도달시켜야 함은 물론 래들이 가열된 후 래들사용시 까지 래들커버를 덮어놓는 경우에 래들로부터의 복사열로부터 버너노즐이 열화되지 않도록 하기 위하여 형상계수(view factor)가 적도록 통상 작은 버너 토출구를 갖는 구조가 선호된다.

즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 래들커버(1)에 래들가열용 버너가 부착되는데, 연료(2)와 공기(3)가 노즐에서 분사되고 이후 수축부(10; contraction)와 동일 직경 부위(11)를 지나게 된다. 통상 수축부 끝단에서 화염이 시작되도록 되며 버너 토출구(12)가 적어 고속으로 연료/산화제와 연소배가스가 분사되도록 설계한다. 냉각수 공급구(4)를 통하여 공급된 냉각수는 냉각수 배출구(4')로 배출되고, 연료가 공기노즐(9)을 통하여 분사된 산화제와 혼합되어 분사되면 점화기(5; igniter)로 착화하여 연소를 일으킨다. 통상적으로 버너 중심부에는 화염 관찰창(7)이 형성되어 있어서 화염 형성여부를 육안으로 파악할 수 있도록 되어 있다.

버너노즐 후단에 수축부(10)가 있는 경우에는 연료와 산화제가 혼합되어 분사되기 때문에 화염이 매우 안정적인 장점이 있으나, 과도하게 빠른 유속으로 분사하는 경우에는 초기에 화염 착화가 불량해질 수 있다.

철강공정에서 에너지 절감은 물론 필요한 시점에 래들을 신속히 가열하여 사용함으로써 생산성을 높이고자 공기대신 산소부화(oxygen enrichment)된 공기를 이용할 수 있다. 산소를 공기에 공급함으로써 산화제내 산소농도를 높이고 질소분률을 낮추어 에너지 손실의 절반이상을 차지하는 배가스 현열(sensible heat) 손실을 감소시킬 수 있다. 산소농도 50%까지 산소부화된 공기를 이용하면, 40%의 에너지를 절감할 수 있고 30%의 래들 가열시간을 단축시킬 수 있다.

래들가열용 산소부화 버너는 산소부화율을 고정한 상태로 운용할 것인가 아니면 래들가열중 변경하면서 운용할 것인가에 따라 그 설계개념이 바뀐다. 산소부화율을 고정한 상태로 운전하는 방식을 채택한다면, 도 2의 첫번째 도면과 같이 산소(22)와 공기(23)를 혼합기(21)에서 미리 섞어 혼합하여 버너(20)에 공급하는 형태의 버너구조를 가지며, 래들 승온온도에 따라 산소부화율을 점차 상향조절하는 운전개념을 이용하는 경우에는 도 2의 두번째 도면과 같이 버너에 산소(23)를 공기(22)와 별도로 공급하는 구조가 채택된다.

래들가열용 버너와 같이 버너노즐 후단부에 수축부가 있는 경우에는 연소배가스의 유입(entrainment)에 의한 산소농도 저하를 유도함으로써 연소반응율 저하, 화염온도 저하, NOx(질소산화물) 생성량 저감으로 이루어지는 일련의 긍정적 효과를 기대할 수 없다. 즉 NOx 배출량을 억제할 수 없다. 산소부화된 공기를 이용하는 경우에는 통상의 공기연소에 비해 5~10배의 NOx 가 생성되는데, 이는 산소투입에 따라 화염온도가 상승된 분위기에서 공기내 존재하는 질소의 산화반응이 활성화되기 때문이다.

래들가열용 버너에 산소부화된 공기를 이용함으로써 얻어지는 에너지절감과 높은 화염온도에 의한 가열시간 단축 등의 장점에도 불구하고, NOx 배출량의 급격한 상승에 따른 환경규제치 미충족으로 환경규제 대상 열설비에는 산소부화 버너를 그대로 응용하기 곤란하다. 래들가열용 또는 타설비에 산소부화 버너를 적용하기 위해서는 급격히 증가되는 NOx 배출량을 억제할 필요가 있다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 NOx 배출량 저감이 가능한 래들가열용 산소부화 버너를 제공하는데 있다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위한 것으로서, 연료노즐과, 공기노즐과, 산소 또는 산소부화된 공기를 투입하는 산소분사노즐을 구비하고, 버너노즐 후단에 수축부가 있으며, 래들 커버의 버너토출구에 부착되는 래들 가열용 버너에 있어서, 상기 산소분사노즐은 연료노즐의 끝단부로부터 연료노즐 직경의 1~20배 길이로 돌출 형성된 것을 특징으로 한다.

그리고 산소분사노즐의 끝부분은 노즐수축부를 두어 직경이 더욱 작아지게 형성된 것을 특징으로 한다.

또한 산소분사노즐은 세라믹 또는 내열성 재료로 이루어진 것을 특징으로 한다.

그리고 산소분사노즐은 산소와 공기를 혼합한 것이 분사되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 래들가열용 산소부화 버너의 개략도가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이, 몸체(100)는 가장 넓은 직경을 갖도록 원통형으로 형성된 제1동일직경부(110)와, 상기 제1동일직경부에 이어지고 직경이 원추형으로 점차 작아지도록 형성된 수축부(120; contraction part)와, 상기 수축부에 이어지고 일정한 직경을 가지도록 형성된 제2동일직경부(130)로 구성된다. 상기 제2동일직경부(130)는 래들커버(1)에 천공결합된다.

상기 제1동일직경부(110)의 끝단부에는 연료가 공급되는 연료 투입구(210)와, 공기가 투입되는 공기 투입구(220)와, 냉각수를 공급, 순환시켜주는 냉각수 공급구(230)및 냉각수 배출구(240)와, 종래 화염관찰창이 있던 곳에 순산소 또는 산소부화된 공기를 투입하도록 형성된 산소투입구(250)를 구비하는 연료 공기 공급부(200)가 형성되어 있다. 상기 공기투입구(220)와 산소투입구(250)에는 각각 공기투입구 개도제어 밸브(221)와 산소투입구 개도제어밸브(미도시)가 형성되어 있다.

또한 상기 제1동일직경부(110)의 내부에는 그 직경방향으로 가로질러서 형성된 노즐판(310)과, 상기 노즐판(310)의 중심점을 기준으로 원형으로 천공형성된 공기노즐(320)과, 상기 노즐판에 천공 설치되고 버너 외부로 연결되는 화염감지기(340)와, 단부가 연료노즐(360)의 끝단부로부터 연료노즐 직경의 1~20배 거리에 도달되도록 형성된 산소분사노즐(350)과, 단부가 상기 노즐판(310)을 천공하여 형성된 연료노즐(360)과, 단부가 상기 연료분사노즐의 전면까지 도달되도록 노즐판을 천공하여 형성된 점화기(330)를 구비하는 노즐부(300)가 형성되어 있다.

공기노즐(320)의 크기 및 개수 등은 버너의 공기분사속도에 따라 결정된다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 산소분사노즐 끝단부의 단면도가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이, 상기 산소분사노즐(350)은 끝단부에 직경이 작아지는 형태로 노즐수축부(355)가 형성되어 있다. 산소분사노즐(350)은 쉽게 열화될 수 있기 때문에 내열성이 좋은 세라믹 또는 인코넬, 하스텔로이 등과 같은 내열성 높은 소재를 이용하여 구성할 수 있으며, 통상 원형으로 된 형상을 가지고, 연소로에 분사시에는 전면에 작은 구멍을 여러개 뚫어 혼합을 증진시킬 수 있다. 노즐(350)의 직경 및 돌출길이 등은 버너 용량에 따라 다양한 형상으로 제작될 수 있으며, 돌출길이는 연료노즐 직경의 1-20배정도가 적당하다.

상기와 같은 구성에 의하여 본 발명에 따른 래들가열용 산소부화 버너는 다음과 같이 작동한다.

통상 버너의 중심부는 화염 형성여부를 육안으로 파악할 수 있도록 외부는 유리창으로 되고 연소로 내부방향은 그냥 뚫린 튜브형태로 되어 있으나 본 발명에서는 종래 화염관찰창의 유리창이 없어지고 산소 투입구(250)로서 기능하도록 하였으며, 상기 산소 투입구(250)를 통해 순산소 또는 산소부화된 공기를 투입한다.

산소를 투입하지 않는 공기연소시에는 공기를 공급하여 노즐을 냉각시키고 산소를 투입하기 시작하면 산소와 공기의 혼합기를 투입한다. 산소량이 증가되는 고 산소부화시에는 산소압력이 높아지기 때문에 공기를 차단하여 산소의 역류를 방지한다.

즉, 산소 부족이나 현장여건이 산소를 사용할 수 없을 경우에도 래들을 계속 가열하여야 하는데, 산소 공급 없이 공기만을 이용하여 산소부화버너를 운용할 경우 돌출된 산소분사노즐(350)에 검댕(soot)이 부착되고 최종적으로는 열화되기 때문에 냉각재가 필요하게 되므로 본 발명에서는 그 냉각재로 공기를 이용한다.

공기와 산소를 혼합한 산소부화된 공기를 산소분사노즐(350)에 공급할 때는 주의가 요구된다. 산소부화된 공기의 산소/공기 혼합비는 각각의 공급압력에 의해 결정되는데, 압력차가 큰 경우에는 각각의 압력과 유량 변동이 심해지고 특히 압력손실이 클 수 밖에 없는 작은 분사 홀을 이용하는 경우에는 낮은 압력으로 공급되는 공기공급구쪽으로 산소가 역류할 수도 있기 때문에 이를 미리 방지하기 위해 공기를 차단하고 사용한다.

연소용 공기는 주로 연료노즐(360)의 원주방향으로 형성된 공기노즐(320)을 통하여 분사된다. 그리고, 상기 산소분사노즐(350)을 통해 공급되는 공기의 비는 연료에 맞는 연소조건인 1.05-1.1 부근의 공기비, 다시말해 산소대 공기의 비가 1:1.05~1.1이 되도록 조절된다. 이와 같이, 산소분사노즐(350)을 통해 공급되는 일부의 공기를 빼면 대부분의 공기가 공기노즐(320)를 통해 공급된다.

산소는 버너의 중심에서 산소분사노즐(350)을 통해 분사되며, 통상 수백 m/s로 분사되어도 노즐에 화염이 부착되기 때문에 도 4에 도시된 바와 같이 산소분사노즐 끝부분에 수축부(355)를 두어 더욱 좁게 만들어 큰 운동량을 갖도록 구성함으로써 화염의 탈착성을 높여 산소분사노즐 부근에 순산소화염 강도를 낮춘다. 산소분사노즐의 구경이 작아지면 화염을 쉽게 탈착시킬 수 있다. 화염이 탈착되면 화염으로부터 받는 복사열전달을 감소시켜 노즐의 열화 및 소손 가능성을 낮추게 된다. 특히 순산소화염의 경우에는 화염온도가 3000K 이상 되기 때문에 이를 장기간 극복 할 수 있는 재질은 많지 않다. 그러므로 화염을 탈착시키는 것은 매우 중요하다.

래들가열용 버너와 같이 버너노즐 후단부에 수축부(120)가 있는 경우에 산소분사노즐(350)을 연료노즐(360)의 끝단부로부터 연료노즐 직경의 1~20배 길이로 돌출시키면, 공기노즐(320)과 연료노즐(360)에서 분사된 공기와 연료에 의한 연료과잉의 부분 연소 가스가 발생하고 그 연소 가스가 수축부(120)에서 공급되는 산소분사노즐(350)을 통해 고속으로 분사된 산소에 유입되어 산소농도를 낮추게 된다. 이에 따라 화염온도가 다소 낮아지며, 열적 NOx 발생기구(thermal NOx reaction mechanism)를 통한 NOx 생성량도 감소하게 된다.

산소분사노즐(350)을 버너의 수축부(120)에 도달시킨 것은 버너내에서 수축부가 가장 빠른 운동량을 갖기 때문에 화염의 난류강도가 가장 커서 화염의 인장률(strain rate)이 크므로 연소반응이 가장 늦기 때문이다. 즉 반응률이 낮아짐으로써 화염온도를 타지점에 비해 낮출 수 있는 장점이 있기 때문이다.

산소분사노즐을 도 4와 같이 하여 노즐 끝부분을 더욱 좁게 구성하면, 압력손실이 증가되지 않은 상태로 운동량을 키움으로써 화염의 인장률을 높이고 반응률을 감소시켜 화염의 탈착성을 높여 산소분사노즐 부근의 화염강도를 낮출수 있다.

산소부화버너는 원하는 산소부화율에서 작동되도록 만든 버너이므로 하나의 산소부화율이 아닌 다양한 산소부화율에서 조절되도록 제어할 수 있어야 한다. 산소부화율이 변경되는 경우에는 공급되는 순산소의 양은 증가되고 연소용 공기의 양은 감소되도록 조절되어야 한다. 이는 별도의 공기투입구 개도제어밸브(미도시)와 산소투입구 개도제어밸브(미도시)를 통해 제어한다.

즉, 산소와 공기의 양을 원하는 산소부화율에 맞게 공급할 수 있어야 하는데, 이것은 통상 콘트롤 밸브라로 부르는 개도제어밸브를 통해 제어하게 되고, 이는 통상적으로 운전판넬에서 PID 콘트롤을 통해 제어한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 래들가열용 산소부화 버너는 화염온도가 다소 낮아지며, 열적 NOx 발생기구(thermal NOx reaction mechanism)를 통한 NOx 생성량도 감소하게 되고, 산소분사노즐의 노즐 끝부분을 더욱 좁게 구성함으로써 화염의 인장률을 높이고 반응률을 감소시켜 화염의 탈착성을 높여 산소분사노즐 부근의 화염강도를 낮출 수 있다.

Claims

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연료노즐(360)과, 공기노즐(320)과, 산소부화된 공기를 투입하는 산소분사노즐(350)을 구비하되, 상기 산소분사노즐(350)은 연료노즐(360)의 끝단으로부터 연료노즐 직경의1-20배의 길이로 돌출됨과 동시에 산소분사노즐(350)의 단부 직경이 작아지는 형태로 축소가공되어 래들커버(1)의 버너토출구(12)에 부착되는 래들 가열용 버너에 있어서,

상기 산소분사노즐(350)을 통해 분사되는 산소부화된 공기는 산소와 공기가 1:1.05~1.1의 비율로 혼합된 것인 것을 특징으로 하는 래들 가열용 산소부화 버너.