KR100891835B1 - 래들 가열용 멀티 홀 노즐 버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철강산업에 사용되는 각종 래들(ladle)의 버너에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 연료와 연소용 공기의 유동을 이용하여 선회류를 형성한 뒤 연소가 이루어지게 하여 래들을 가열시킴으로써, 열효율을 향상시키고, 유해 연소가스의 농도를 저감시키며, 가열시간 또한 단축시켜 에너지 절감을 이룰 수 있는 래들 가열용 멀티 홀 노즐 버너에 관한 것이다.

래들, 버너, 철강

Description

래들 가열용 멀티 홀 노즐 버너{Multi hole nozzle burner for ladle heating}

도 1은 종래의 래들 가열용 버너를 보여주는 개략도,

도 2는 본 발명에 따른 래들 가열용 멀티 홀 노즐 버너를 보여주는 개략도,

도 3은 도 2의 버너 분출구를 설명하는 도면,

도 4는 본 발명에 따른 멀티 홀 노즐의 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 블로어(blower) 2 : 연소용 공기

3 : 공기노즐 4 : 연료

5 : 연료노즐 6 : 래들 커버

7 : 연소가스 배기구 8 : 틈새

9 : 래들(ladle) 10 : 멀티 홀 노즐(multi hole nozzle)

11 : 파일럿 점화용 공기노즐 11a : 파일럿 점화용 공기노즐 분출구

12 : 연료노즐 12a : 연료노즐 분출구

13 : 연소용 공기노즐 13a : 연소용 공기노즐 분출구

본 발명은 철강산업에 사용되는 각종 래들(ladle)의 버너에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 연료와 연소용 공기의 유동을 이용하여 선회류를 형성한 뒤 연소가 이루어지게 하여 래들을 가열시킴으로써, 열효율을 향상시키고, 유해 연소가스의 농도를 저감시키며, 가열시간 또한 단축시켜 에너지 절감을 이룰 수 있는 래들 가열용 멀티 홀 노즐 버너에 관한 것이다.

일반적으로, 철강산업에 사용되는 래들(ladle) 가열용 버너는 연료(4)와 연소용 공기(2)를 별도로 공급하여 연소시키는 확산연소 방식이다.

즉, 도 1에 나타낸 바와 같이 버너 내부의 연료노즐(5)는 연료(4)를 가스라인으로부터 공급받아 래들커버(6) 중앙부에 설치된 버너의 중앙부로부터 수직 하방의 래들(9) 하부로 연료(4)가 유출되도록 분출구가 구성되고, 공기노즐(3)은 블로어(blower)(1)로부터 공급되는 연소용 공기(2)를 전술한 연료노즐(5)을 중심에 두고 바깥쪽에서 환형으로 하여 수직하방의 래들(9) 하부로 연소용 공기(2)가 유출되도록 분출구가 구성된다.

이때, 공급되는 연료(4)와 연소용 공기(2)의 양은 래들(9)의 승온부하에 상응하도록 조절되며, 버너에서 연소가 이루어진 후, 연소용 공기(2)의 모멘텀에 의해 래들(9) 하부로 화염과 연소가스의 유동이 이루어져 그 복사, 대류 및 전도에 의해 래들(9)을 가열시키게 된다.

이와 같은 래들 가열용 확산연소식 버너의 경우, 연료(4)와 연소용 공기(2)의 비율을 승온패턴에 따라 조정하지만, 조업대기 상태인 보열 래들(9)인 경우에는 연료(4)와 연소용 공기(2)의 비율을 공기과잉비가 1.2가 되도록 하여 운전을 행하고 있다.

이때, 연료(4)와 연소용 공기(2)는 미리 혼합하지 않고 따로 공급하는 확산화염의 형태로 연소가 이루어지기 때문에, 화염대내에 국소적으로 고온 연소영역과 저온 연소영역이 동시에 존재하게 된다.

국소적인 고온 연소영역의 존재는 결국 화염온도를 높게 하여 화학반응중 확대 젤도비치(Zeldovich) 메커니즘을 통한 질소산화물 농도의 증대를 가져오게 된다.

그리고, 저온 연소영역의 존재는 화염대내의 반응속도를 떨어뜨려 불완전연소 및 국소적 실화를 가져와 배기가스중의 일산화탄소 및 미연소 탄화수소의 증가를 야기하게 된다.

따라서, 대기오염 물질의 원인이 되는 질소산화물, 일산화탄소와 같은 유해 연소가스의 배출량이 증대되게 되고, 불완전 연소 및 국소적 실화로 인한 연소효율의 저하와 래들(9)로의 전열량의 감소에 따른 필요 이상의 연료 소비가 야기되게 된다.

또한, 확산화염의 형태로 화염에 큰 운동량을 주어 이 화염이 래들(9) 바닥에 접촉하여 래들(9)을 가열하기 때문에 래들(9)의 일정한 부분에만 화염이 닿아 온도가 상승하는 관계로, 온도 상승속도가 느리고 래들(9) 전체의 온도편차도 심한 문제점이 발생된다.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 연료와 연소용 공기의 유동으로 선회연소를 실현하여 래들내 연소가스의 체류시간을 지연시키고 균일가열으로 전열효과를 극대화하고, 유해 연소가스의 배출을 저감시키며, 가열시간의 단축으로 연료절감을 이룰 수 있는 래들 가열용 멀티 홀 노즐 버너를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 래들 가열용 멀티 홀 노즐 버너는, 높이가 L이고, 직경이 D인 래들(9)의 상부 래들커버(6)의 중앙에 구비되되, 상기 래들커버(6)로부터 50~70㎜의 높이를 가지고 구비되며, 3중 환형구조로서, 단공 분출구(11a)를 가지고 정중앙에 구비되는 파일럿 점화용 공기노즐(11)과; 상기 파일럿 점화용 공기노즐(11)을 둘러싼 환 형태로 구비되며 원주방향으로 일정각도씩 이격되고 arctan(L/D)의 분출각도를 이루는 다공 분출구(12a)를 가지는 연료노즐(12)과; 상기 연료노즐(12)을 둘러싼 환 형태로 구비되며 원주방향으로 일정각도씩 이격되고 arctan(L/D)의 분출각도를 이루는 다공 분출구(12a)를 가지는 연소용 공기노즐(12); 을 일체로 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 연료노즐(12)의 분출구(12a)와 상기 연소용 공기노즐(13)의 분출구(13a)는 각각 4개일 수 있으며, 상기 연료노즐(12)의 분출구(12a)와 상기 연소용 공기노즐(13)의 분출구(13a)가 이루는 원주방향으로의 각도는 30~45°범위일 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 래들 가열용 멀티 홀 노즐 버너를 보여주며, 도 3은 그 버너 분출구를, 도 4는 그 단면도이다.

본 발명에 따른 멀티 홀 노즐 버너(10)는 연료와 연소용 공기가 다중 분출구를 통해 분출되고, 특히 연소용 공기의 분출방향은 래들(9) 하부의 양측 가장자리를 향하고, 원주방향에 대해서는 접선방향으로 분사하여 선회연소를 가능하게 함으로써 연소에 따른 질소산화물 저감과 에너지 절감을 실현한다.

그 구조는 3중 환형구조로서, 래들커버(6)로부터 50~70㎜의 높이를 가지고 구비되며, 중앙부에 파일럿 점화용 공기노즐(11)을 구비하고, 이 파일럿 점화용 공기노즐(11)을 둘러싼 환 형태로 연료노즐(12)을 구비하며, 이 연료노즐(12)을 둘러싼 환 형태로 최외부에 연소용 공기노즐(13)을 구비한다.

그리고, 파일럿 점화용 공기노즐(11)의 선단 분출구(11a)는 단공이고, 연료노즐(12)과 연소용 공기노즐(13)의 선단 분출구(12a, 13a)는 각각 원주방향으로 일정각도씩 이격된 4개의 다공으로 분출각도는 arctan(L/D)와 같으며, 여기서, L은 래들(9)의 높이이고, D는 그 직경이다.

본 발명에 따르면, 파일럿 화염은 도 3과 같이 연료노즐 분출구(12a)에서 d₂정도 떨어진 곳에 확산연소를 통해 안정적인 연속화염을 형성하게 되며, 파일럿 화염영역에서 연소되지 않은 연료는 래들(9) 하부까지의 연소가스 도달을 위한 운동량의 확보와 연료와 연소용 공기의 균일혼합의 달성을 위해 4개의 분출구(12a)를 통해 최외부에서 분출되는 연소용 공기에 의해 혼합이 이루어지면서 수직축으로부 터 arctan(L/D)의 각도를 이루며 경사각을 지닌 연속화염을 형성하게 된다.

연소용 공기의 분출방향은 원주의 접선 방향으로, 형성된 연속화염이 접선방향 운동성분을 갖게 되어 다음 수학식 1과 같은 선회강도, S를 가지고, 래들(9) 하부에서부터 연소가스가 래들(9)과 접촉하면서 충분한 체류시간을 가지고 래들(9) 상부와 래들커버(6) 사이의 틈새(8) 및 래들커버(6)의 배기구(7)를 통해 외기로 배출되게 된다.

여기서, u와 w는 속도의 축방향 성분과 접선방향 성분, ρ는 공기의 밀도, p는 분출구(13a) 기준 정압, r은 축중심에서 반경방향으로의 거리이다.

분출구(13a)에서의 정압은 대략 1.1㎏/㎠이고, u와 w는 각각 분출직전의 속도인 u_o를 각각 축방향 성분과 접선방향 성분으로 나눈 것으로, 래들(9) 높이, L을 3m로 하고 래들(9)의 직경, D를 2.6m로 하면, u와 w는 각각 0.64u_o, 0.33u_o가 된다.

또한, 반경방향 거리, r과 연소용 공기의 분출구(13a)전 속도를 각각 1.3m와 35m/s로 하고, 공기 밀도, r을 1.225㎏/㎥으로 하면, 상기 수학식에 의해 선회강도, S는 약 0.45정도를 가지게 된다.

이에 따라 선회류가 형성되면 연소후의 연소가스가 멀티 홀 노즐(10) 중앙부근에 재순환영역을 형성하게 되고, 이 재순환 영역의 형성은 연소의 중간생성물로 서 생성된 OH기, H기, O₃기와 같은 활성화학종을 미연소의 연료와 연소용 공기의 혼합기 영역으로 되돌리기 때문에 연소의 화학반응을 촉진시키는 동시에, 열용량이 큰 수증기(H₂O), 이산화탄소(CO₂), 질소(N₂)도 연소 반응대내로 내부 재순환시켜 연소 반응대의 산소농도의 저하를 가져오게 하여 질소산화물의 저감을 가능하게 한다.

또한, 선회류의 재순환 영역의 존재로 인하여 연소 반응대 주위의 공기와 연소가스의 엔트레인먼트도 증가시켜 전체적으로 연료농도를 균일하게 만들어 줌으로써 국소적 고온 영역에 의한 질소산화물의 생성과 국소적 저온영역에 의한 일산화탄소 및 미연소 탄화수소의 농도를 줄이게 된다.

덧붙여, 연료가 연소용 공기와 너무 급속히 혼합되어 국소적 실화로 인해 화염자체가 불안정하게 되는 것을 방지하기 위하여, 도 3과 같이 연료와 연소용 공기의 분출구(12a와 13a)의 원주방향 각도차는 30~45°정도가 바람직하다.

본 발명에 따르면, 기존 래들에 버너부만 간단히 교체하여 적용할 수 있으며, 선회연소에 의한 안정적 연소로 유해 연소가스의 농도가 저감되어 환경오염을 방지하고, 선회류를 이용해 연소가스가 래들 하부로부터 체류시간을 길게 가지고 배출되어 효과적으로 래들을 보온 및 승온시킴으로써 연료절감을 꾀할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 높이가 L이고, 직경이 D인 래들(9)의 상부 래들커버(6)의 중앙에 구비되되,

   상기 래들커버(6)로부터 50~70㎜의 높이를 가지고 구비되며, 3중 환형구조로서,

   단공 분출구(11a)를 가지고 정중앙에 구비되는 파일럿 점화용 공기노즐(11)과;

   상기 파일럿 점화용 공기노즐(11)을 둘러싼 환 형태로 구비되며 원주방향으로 일정각도씩 이격되고 arctan(L/D)의 분출각도를 이루는 다공 분출구(12a)를 가지는 연료노즐(12)과;

   상기 연료노즐(12)을 둘러싼 환 형태로 구비되며 원주방향으로 일정각도씩 이격되고 arctan(L/D)의 분출각도를 이루는 다공 분출구(13a)를 가지는 연소용 공기노즐(13); 을 일체로 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 래들 가열용 멀티 홀 노즐 버너.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 연료노즐(12)의 분출구(12a)와 상기 연소용 공기노즐(13)의 분출구(13a)는 각각 4개인 것을 특징으로 하는 래들 가열용 멀티 홀 노즐 버너.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 연료노즐(12)의 분출구(12a)와 상기 연소용 공기노즐(13)의 분출구(13a)가 이루는 원주방향으로의 각도는 30~45°범위인 것을 특징으로 하는 래들 가열용 멀티 홀 노즐 버너.

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