KR101005992B1

KR101005992B1 - 산소분리기를 갖춘 래들가열 시스템

Info

Publication number: KR101005992B1
Application number: KR1020050127184A
Authority: KR
Inventors: 조한창; 조길원
Original assignee: 주식회사 케너텍; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2005-12-21
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2011-01-05
Also published as: KR20070066248A

Abstract

본 발명은 래들 가열기에 관한 것으로서, 특히 래들의 상부를 덮고 버너와 같은 래들 가열기를 갖춘 래들 커버에 외부로 배출되는 고온 배가스의 배열을 충분히 이용하여 공기로부터 분리된 순수한 산소를 예열하여 래들 가열기로 공급하는 산소분리기를 갖춤으로써 래들 가열기의 열효율을 효과적으로 증대시켜 래들가열시간을 단축시키고, 연료를 저감하는 효과를 갖는다.

래들, 가열기, 산소, 분리기, 예열, 배가스, 커버

Description

산소분리기를 갖춘 래들가열 시스템{LADLE PREHEATING SYSTEM WITH A OXYGEN SEPARATING DEVICE}

도 1은 통상의 래들 가열 시스템.

도 2는 본 발명에 의한 래들가열 시스템.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 래들(Ladle) 20: 래들커버

30: 래들 가열기(Ladle preheater) 40: 연료

50: 공기 60: 고온 배가스

70: 산소분리기 70a: 세라믹 막(Oxygen Transport Membrane)

80: 저온 배가스 90: 순 산소

100: 산소저감된 공기 110: 산소제어밸브

120: 흡입휀 130: 강압휀

본 발명은 래들 가열 시스템에 관한 것으로서, 특히 연소 배가스의 배열회수가 이루어지지 않는 래들가열과정에서 발생하는 고온 연소 배가스를 이용하여 세라 믹 막을 고온 분위기로 만들고 이 막을 통해 공기가 순수한 산소로 분리되어 예열된 순순한 산소가 래들 가열기로 공급되게 하여 연소용 산화제로 이용하여 연소효율이 상승되고 연료가 저감되는 산소분리기를 갖춘 래들 가열 시스템에 관한 것이다.

래들(ladle)은 도 1에 도시된 바와 같이, 철강 또는 비철금속을 생산하는 공정에서 쇳물(용강)을 담는 도가니로서 쇳물을 담는 용기로서, 쇳물을 담기 전에 고온으로 미리 가열하게 된다. 예를 들어 철강공정에서는 8-30시간에 걸쳐 1200^oC로 가열한다.

그러나, 래들은 고온의 쇳물을 담는 것이므로 래들 내의 내화물이 자주 파손되어 내화물의 수리, 보수가 잦으며 내화물 양생과 가열을 동시에 하는 경우가 많이 있어 가열시간을 무작정 단축하는 것이 곤란하였다.

일반적으로 래들(1)은 래들커버(3)에 부착된 버너와 같은 래들 가열기(3)를 통해 가열되고, 래들(1)이 소정 온도로 완전히 가열되면 래들커버(2)가 래들(1)에서 탈착되어 제거된다. 이에 따라 래들(1)과 래들커버(3)를 완전히 밀착시키지 못하고 래들(1) 내의 압력제어를 위해 래들(1)과 래들커버(3)와의 간격을 조정하여 연소가스(6)의 원활한 통풍을 유지시킨다.

통상적으로 래들 가열 시스템에서 연소 배가스의 현열을 회수하지 않고 있어 낮은 열효율을 갖고 있으며, 최근에는 배열을 회수하는 재생기(recuperator)를 부착하여 배열을 회수하는 시스템 도입이 증가하고 있다. 또한 축열연소시스템이나 산소부화 연소시스템을 도입하여 높을 열효율을 갖는 래들가열 시스템이 도입되고 있다.

산소부화 연소는 공기에 산소를 첨가하여 산화제 내의 산소농도를 공기보다 높게 유지시켜 높은 화염온도를 유도하고 전열효과를 극대화하기 위한 연소방식으로서 50%(부피%)의 산소농도에서 통상 연소방식대비 30-40%의 연료절감이 가능하다고 알려져 있다. 따라서, 높은 산소제조 또는 구매단가에 의해 순산소 연소보다 경제성을 갖고 열효율 및 성능은 차이가 없어 선호되고 있다.

산소제조방식은 심냉법(cryogenic), 진공흡착법(VPSA, Vacuum Pressure Swing Adsoption), 세라믹 막(ceramic membrane or OTM(Oxygen Transport Membrane)) 등이 있다.

심냉법은 대단위 설비에 유용하고, 진공흡착법은 소규모 설비에 경쟁력을 갖고 있다. 그리고 세라믹 막은 400~1000^oC의 분위기에서 산소이온의 산화물질에 대한 선택적 통과율(전달률)이 높아지는 특성을 이용하여 산소분자를 분리시킨다. 산소의 분압차에 의해 세라믹 막을 통과하는 산소량이 결정된다. 즉 공기의 공급압력이 높을수록 높은 압력의 산소를 얻을 수 있다. 보일러 등에 세라믹 막을 이용한 산소부화 연소에 대한 개념도가 있다. 이들은 순산소를 얻어 개념적으로 연소시키는 방법을 제안하고 있다.

본 발명은 연소 배가스의 배열회수가 이루어지지 않는 래들가열과정에서 고온 연소배가스를 이용하여 세라믹 막을 고온 분위기로 만들어 산소를 분리, 연소용 산화제로 이용하는 방안에 대한 것이다.

본 발명은 래들가열과정에서 발생하는 고온 연소배가스를 세라믹 막을 이용하여 산소를 분리, 공기와 함께 산화제로 이용함으로써 버너와 같은 래들 가열기의 열효율을 향상시키고, 래들 가열시간을 단축시켜 연료를 저감하기 위한 방안에 대한 것이다.

본 발명은 도 2와 같이 래들(10)과 래들커버(20)로 구성된다. 래들커버(20)는 버너와 같은 래들 가열기(30)와, 세라믹 막이 들어 있는 산소분리기(70)가 래들의 양쪽에 1개씩 부착된다. 연료(40)는 래들 가열기(30)로 공급되고 강압휀(draft fan)(130)으로 가압된 공기(50)는 각각의 산소분리기(70)로 분리되어 공급된다. 또한 공기의 일부는 버너와 같은 래들 가열기(30)로 직접 공급될 수 있도록 제어밸브(control valve)(110)가 장착되어 있다. 래들 가열기(30)로 공급된 연료(40)와 공기가 연소되는 한편, 연소배가스(60)는 흡입휀(induction fan)(120)으로 산소분리기(70)에 흡입되어 산소분리기(70)에 공급된 공기를 예열함은 물론 그곳에 적재된 세라믹 막(70a)을 가열시킴으로써 산소 통과율을 증대시키게 된다. 이에 따라 연소 배가스(80)는 저온화되어 산소분리기(70)에서 배출되고, 분리된 산소(90)는 버너와 같은 래들 가열기(30)로 공급되어 연소용 산화제로 사용된다. 그리고, 산소가 없는 공기(100)는 산소분리기(70)에서 외기로 배출된다.

산소분리기(70)가 저온인 경우에는 강압휀(130)으로 공급되는 공기의 압력이 낮기 때문에 산소분리기(70)에서 분리된 산소(90)는 연료(40)를 연소시키기에 충분한 양이 되지 못한다. 이러한 경우를 대비하여 산소(90)의 유량을 측정하고 그 부족한 산소는 제어밸브(110)의 개도를 조절하여 공기(50)를 투입함으로써 공연비를 제어할 수 있도록 한다.

분리 공급되는 산소(90)는 래들 가열기(30) 내의 공기노즐(도시되지 않음)을 같이 사용하지 않고 별도의 노즐(도시되지 않음)을 통해 고속으로 분사할 수 있도록 구축한다.

산소분리기(70)는 전형적인 쉘 튜브(shell & tube)형으로 구성되는데, 중심부에 세라믹 막(70a)이 설치되고 여러 개의 배플(baffle)(도시되지 않음)이 설치될 수 있다. 산소분리기(70)에 튜브(도시되지 않음)를 통해 연소배가스(120)가 공급되도록 하고 산소분리기(70)에 다수의 휜(fin)(도시되지 않음)을 부착하여 산소분리기(70)내의 열전달을 촉진시키도록 한다. 산소분리기(70)로 공급되는 공기는 산소분리기(70)의 본체(71)측 상단으로 공급되고 여러 개의 배플(도시되지 않음)을 구성함으로써 산소투과시간이 충분하도록 한다. 세라믹 막(70a)을 투과한 산소는 산소분리기(70) 하단에 저장되고 이곳에서 버너와 같은 래들 가열기(30)로 가압되어 공급된다.

래들 연소배가스의 열원을 이용하여 세라믹 막을 가열하여 사용함으로써 산소제조 비용을 저감할 수 있다. 또한 분리된 산소가 고온으로 예열되어 버너와 같은 래들 가열기로 공급됨으로써 연소배가스의 배열을 충분히 이용하여 산소를 가열 하여 래들 가열기의 열효율을 충분히 높일 수 있다.

대기의 저온부터 1200^oC의 고온으로 가열함으로써 가열과정이 종결되는 래들의 경우에 저온시 공기를 그대로 산화제로 이용하게 되고 래들이 가열되어 고온화되는 과정에서 산소분리기가 점점 더 효율화됨으로써 산화제내 산소부화율을 높일 수 있다. 즉 점차 높은 화염온도를 얻을 수 있어 가열시간을 효율적으로 단축시킬 수 있는 효과를 갖는다.

Claims

래들을 가열하기 위해 버너와 같은 래들 가열기가 설치된 래들커버를 갖는 래들가열 시스템에 있어서,

래들커버에 세라믹 막(ceramic membrane or oxygen transport membrane)을 갖춘 산소분리기를 설치하고,

래들 가열기로 가열시 발생되는 연소배가스를 산소분리기로 흡입하여 산소분리기 내의 세라믹 막을 예열시키고, 산소분리기로 공급된 공기가 예열된 세라믹 막을 통과하여 순수한 산소로 분리되고, 분리된 산소는 래들 가열기로 공급되는 것을 특징으로 하는 산소분리기를 갖춘 래들 가열 시스템.
제 1항에 있어서,

산소분리기에서 래들 가열기로 공급되는 산소량을 측정하고, 산소량에 따라 제어밸브의 개도를 조절하여 공기를 투입함으로써 공연비를 제어하는 것을 특징으로 하는 산소분리기를 갖춘 래들 가열 시스템.