KR101238894B1 - 분진 제거장치의 희생 노즐부 - Google Patents

분진 제거장치의 희생 노즐부 Download PDF

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Abstract

분진 제거장치의 희생 노즐부가 개시된다. 본 발명에 의한 분진 제거장치의 희생 노즐부는 환원가스를 주입하는 주입 도관, 상기 주입된 환원가스로부터 분진을 포집하기 위한 희생 노즐부를 포함하는 챔버, 및 상기 분진이 포집된 환원가스를 배출하기 위한 배출 도관을 포함하는 분진 제거장치의 희생 노즐부에 있어서, 상기 희생 노즐부는 스테인리스 강(stainless steel)으로 이루어진다. 본 발명을 적용함으로써 환원가스내에 포함된 저융점의 알칼리 염화물을 유동환원로에 취입 전에 제거함으로써 유동환원로내 분산판의 노즐 막힘을 저감하여 유동환원로의 가동율을 향상시키고 환원가스의 온도를 증가시킴으로 인하여 광석의 환원율을 증가 및 연료비를 저감시킬 수 있다.

Description

분진 제거장치의 희생 노즐부{SACRIFICING NOZZLE OF DUST REDUCING APPARATUS}
본 발명은 분진 제거장치의 희생 노즐부에 관한 것으로, 보다 상세하게는 알칼리 염화물 등에 대한 내부식성이 낮은 스테인레스 강을 사용한 분진 제거장치의 희생 노즐부에 관한 것이다.
다단의 유동로 및 용융로를 포함하며 분상 또는 괴상의 일반탄 및 분상의 철함유 광석을 직접 사용하는 용철제조장치에 있어서, 유동로에서 광석의 유동 및 환원에 사용되는 환원가스는 석탄 충진층이 형성된 용융가스화로 또는 전기로 등으로부터 발생되어 공급될 수 있다.
용융가스화로에서 배출되는 환원가스는 일산화탄소(CO)와 수소(H2)가 주요 구성성분으로 강한 환원력을 가지고 있으며 환원가스 1Nm3당 약 100~200g 정도의 분진을 포함하고 있다.
환원가스가 상기와 같이 많은 양의 분진을 포함하고 있는 원인은 용융가스화로 상부가 1000℃ 이상의 고온 조업이 이루어지는 곳이기 때문에 장입되는 석탄의 열분해 등에 의해 발생되는 분진 등에 기인한 것으로, 발생된 분진들은 대부분은 석탄 충진층 내부로 이동되지만 일부 미분은 하부에서부터 상승하는 환원가스의 상승 기류를 타고 환원가스 도관으로 유입된다.
유입된 분진은 환원가스 도관에 연결된 사이클론에서 90% 이상 포집되어 다시 용융가스화로에 취입 재사용되고, 포집되지 않은 분진은 환원가스 도관을 통하여 유동환원로로 유입된다.
그 결과 유동환원로에 유입되는 환원가스에는 1Nm3당 약 10 ~ 20 g의 양의 분진이 포함되어 있으며, 주요 성분은 주로 석탄의 열분해 잔류물(고정탄소, 재), 미립의 환원철 그리고 알칼리 화합물도 일부 포함되어 있다.
상기와 같은 분진을 함유한 고온의 환원가스가 직경이 큰 유동환원로에 균일하게 공급되어 유동과 환원이 반응기 전체에서 균일하게 유지되기 위해서, 원통형 유동환원로 반응기에 수백 개의 가스 통과용 노즐을 일정한 간격으로 배치한 분산판이 설치된다.
분진을 다량으로 포함한 환원가스가 노즐을 통과하는 과정에서 액상이나 기상으로 존재하는 알칼리 화합물 등은 노즐 표면을 부식시켜 노즐 표면을 거칠게 함으로써 노즐 표면에 부착물 형성을 증대시킬 수 있다.
또한, 알칼리 화합물 등은 고온에서 액상으로 존재하기 때문에 점착력을 가짐으로써 노즐 표면에 부착물 형성을 증대시킬 수 있다.
상기와 같이 노즐 표면에 형성된 부착물은 조업이 진행되는 과정에서 점차 성장해 나가고 최악의 경우에는 노즐을 막게 될 수 있다.
균일한 가스 흐름을 유도하는 노즐의 일부가 부착물에 의해 막힐 경우에, 가스의 흐름이 일부 영역으로 편중되고 이는 곧 반응기 내부에서 정상적으로 유동하고 있던 환원광이 가스 흐름이 형성되지 않는 영역에 집적하여 광석의 정체층을 형성할 수 있게 된다.
따라서, 노즐 막힘으로 인하여 유동환원로 내부의 가스 흐름이 불량해지고 이로 인하여 유동환원로의 역할인 유동과 환원 모두 제 기능을 수행할 수 없게 된다.
또한, 노즐 부착물의 형성을 억제하기 위하여 유동환원로의 온도를 낮게 유지하기 때문에 광석 환원율도 감소하는 결과를 가져오게 한다. 상기와 같은 문제를 해결하기 위해서는 유동환원로의 조업을 중단하고 부착물이 형성된 노즐을 교체해야 한다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 환원가스내에 포함된 알칼리 염화물 등의 분진을 희생 노즐부에 미리 부착시켜 제거함으로써 환원가스가 공급되는 유동로의 분산판에 형성된 노즐부의 막힘을 저감하여 유동로의 조업률 및 환원율을 증대할 수 있는 환원가스의 분진 제거장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 환원가스의 분진 제거장치는 환원가스를 주입하는 주입 도관, 상기 주입된 환원가스로부터 분진을 포집하기 위한 희생 노즐부를 포함하는 챔버, 및 상기 분진이 포집된 환원가스를 배출하기 위한 배출 도관을 포함한다.
상기 환원가스의 온도 범위는 600℃~850℃ 인 것을 특징으로 한다.
상기 주입 도관은 고온 가스의 흐름을 연결 또는 차단하기 위한 제1 게이트를 포함한다.
상기 희생 노즐부는 파이프 다발로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 환원가스의 분진 제거장치는 상기 희생노즐부의 입력단과 출력단에 인가되는 압력을 감지하기 위한 적어도 하나의 차압계를 더 포함한다.
상기 챔버내에 구비된 희생 노즐부는 챔버의 길이 방향으로 다단으로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 환원가스의 분진 제거장치는 상기 주입된 환원가스를 바이패스 시키기 위해 상기 챔버에 연결된 대체 유로관을 더 포함한다.
상기 대체 유로관은 고온 가스의 흐름을 연결 또는 차단하기 위한 제2 게이트를 포함한다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의한 환원가스의 분진 제거방법은 환원가스를 제공하는 단계, 상기 환원가스를 내부에 희생 노즐부가 구비된 챔버에 주입하는 단계, 및 상기 챔버로부터 환원가스를 배출하는 단계를 포함한다.
상기 환원가스의 분진 제거방법은 상기 희생 노즐부의 입력단과 출력단의 압력 차이를 측정하는 단계를 더 포함한다.
또한, 상기 환원가스의 분진 제거방법은 상기 챔버에 주입된 환원가스를 바이패스 시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 의한 분진 제거장치의 희생노즐부는 환원가스를 주입하는 주입 도관, 상기 주입된 환원가스로부터 분진을 포집하기 위한 희생 노즐부를 포함하는 챔버, 및 상기 분진이 포집된 환원가스를 배출하기 위한 배출 도관을 포함하는 분진 제거장치의 희생 노즐부에 있어서, 상기 희생 노즐부는 스테인리스 강(stainless steel)으로 이루어진다.
상기 분진 제거장치의 희생 노즐부는 고령토, 규석 및 보오크사이트 중에서 선택된 적어도 하나가 상기 스테인레스 강의 표면에 코팅된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 분진 제거장치에 환원가스에 포함된 부착 유발 물질을 사전에 제거함에 따른 효과는 다음과 같다.
유동로에서 분철광석을 환원시 유동로 하부의 분산판에 형성된 노즐에 부착물 형성을 억제함으로써 유동로에 공급되는 가스의 흐름을 균일하게 함으로써 분철광석의 유동과 환원을 원활하게 할 수 있다.
또한, 유동로내의 분산판에 형성된 노즐에 부착물의 형성을 억제함으로써 노즐 교환의 주기를 연장시킬 수 있으며 이로 인하여 유동로의 가동률을 향상시킬 수 있다.
또한, 유동로에 취입되는 환원가스의 온도를 높게 유지함으로써 광석의 환원율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 환원가스의 분진 제거장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 환원가스의 분진 제거장치의 챔버내에 형성된 희생 노즐부의 확대도 및 파이프에 알칼리 염화물이 부착되는 현상을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 챔버를 구성하는 희생 노즐부를 구성하는 테이퍼 된(tapered) 파이프 다발을 확대하여 도시한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 환원가스의 분진 제거장치에 대하여 설명하기로 한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명에 의한 환원가스의 분진 제거장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 환원가스 주입을 위한 주입 도관(10)을 통과한 환원가스는 챔버(20)내에서 분진 등이 제거된 후 배출 도관(30)을 통해서 챔버(20)에서 배출된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 분진 제거장치는 환원가스를 주입하는 주입 도관(10), 상기 주입된 환원가스로부터 분진을 포집하기 위한 희생 노즐부(25)를 포함하는 챔버(20), 및 상기 분진이 포집된 환원가스를 배출하기 위한 배출 도관(30)을 포함한다.
도 1의 환원가스의 분진 제거장치는 챔버(20)내에 희생 노즐부(25)가 2단으로 형성된 것을 도시하였으나 이는 예시적인 것이며 희생 노즐부(25)는 1단 혹은 2단 이상으로 형성될 수 있다.
상기 주입 도관(10)은 용융가스화로, 전로형 용융환원로 또는 전기로 등과 같은 환원가스 공급원과 연결되어 용융가스화로 또는 전기로 등에서 배출되는 환원가스의 유로를 제공한다.
상기 환원가스는 고정탄소, 재 등과 같은 석탄의 열분해 잔유물, 미립의 환원철 및 알칼리 화합물을 포함할 수 있다. 본원발명에서 환원가스에 포함된 분진은 상기 석탄의 열분해 잔유물, 미립의 환원철 및 알칼리 화합물을 포함하는 것으로 한다.
알칼리 염화물은 염화칼륨(KCl) 또는 염화나트륨(NaCl) 등을 포함하는 융점이 약 650℃~770℃인 저융점 화합물을 말한다.
상기 주입 도관(10)은 환원가스의 흐름을 연결 또는 차단하기 위한 제1 게이트(13)를 구비한다. 따라서, 상기 분진 제거장치가 용융가스화로 또는 전기로 등의 환원가스 공급원과 연결시 조업상황에 따라 환원가스의 흐름을 연결 또는 차단할 수 있다.
상기 주입 도관(10)을 통하여 환원가스는 희생 노즐부(25)가 구비된 챔버(20)에 취입이 되게 된다.
도 2는 본 발명에 의한 환원가스의 분진 제거장치의 챔버(20)내에 형성된 희생 노즐부(25)의 확대도 및 파이프에 알칼리 염화물이 부착되는 현상을 개념적으로 도시한 도면이다.
상기 희생 노즐부(25)는 상기 환원가스에 포함되어 있는 부착 유발 물질을 상기 챔버(20)로부터 배출되기 이전에 미리 노즐부에 부착되도록 하는 부착물 형성층을 말한다.
또한, 상기 희생 노즐부(25)는 상기 챔버(20)의 길이 방향으로 일정한 이격을 두고 다단으로 형성될 수 있어 상기 환원가스내에 포함된 분진 등을 보다 많이 부착시킬 수 있다. 즉, 상기 희생 노즐부(25)는 상기 환원가스의 흐름 방향과 평행한 방향으로 정렬시켜 형성될 수 있다.
또한, 상기 희생 노즐부(25)는 표면적이 넓고 가스를 원활하게 통과시킬 수 있는 형상의 충진물을 적층한 충진층으로 형성될 수 있다.
도 3은 본원발명의 분진 제거장치의 챔버(20)에 형성된 희생 노즐부(25)를 구성하는 테이퍼 된(tapered) 파이프 다발을 확대하여 도시한 도면이다.
상기 희생 노즐부(25)는 파이프가 다발로 이루어진 형태일 수 있으며 희생 노즐부(25)의 입력단으로부터 출력단으로의 형상이 테이퍼 된(tapered) 형태로 이루어질 수 있다. 보다 상세하게, 희생 노즐부(25)가 테이퍼 된 형상의 경우, 입력단의 직경이 넓고 출력단의 직경이 작게 된다.
상기 희생 노즐부(25)가 파이프 다발로 형성된 경우, 개개의 파이프의 직경은 10cm~15cm 의 범위를 가질 수 있으며 파이프 다발의 길이는 30cm~40cm 범위를 가질 수 있다.
상기와 같은 형상을 가짐으로써 환원가스와의 접촉 표면적을 증대시켜 보다 효과적으로 분진 등을 부착시킬 수 있다.
상기 희생 노즐부(25)를 통과하는 환원가스의 온도는 상기 희생 노즐부(25)에 부착물의 형성을 유도하기 위해 600℃~850℃ 범위로 유지될 수 있다.
상기 환원가스의 온도가 600℃ 미만인 경우는 환원가스내의 부착물 유발물질이 고체로 존재하므로 부착물 형성이 어려우며, 850℃를 초과하는 경우는 부착물 유발 물질이 대부분 기체로 존재하기 때문에 부착물 형성이 어렵기 때문이다.
상기 희생 노즐부(25)를 구성하는 소재는 상기 환원가스내에 포함된 분진 중 알칼리 염화물에 대한 내부식성이 약한 물질을 사용할 수 있으며 바람직하게는 SUS310S를 포함하는 스테인레스 강(stainless steel)이 사용될 수 있다.
또한, 상기 스테인레스 강의 표면에 고령토, 규석 및 보오크사이트등에서 선택된 적어도 하나의 물질이 코팅된 소재가 사용될 수 있다.
상기 스테인레스 강, 고령토, 규석 및 보오크사이트는 염화물과 반응이 일어날 수 있는 물질에 해당한다.
상기 챔버(20)는 상기 희생 노즐부(25)의 입력단과 출력단에 압력을 감지하기 위한 차압계(40)를 적어도 하나 포함할 수 있다. 상기 차압계(40)는 상기 환원가스가 챔버(20)내를 통과시 희생 노즐부(25)에 부착물이 형성됨으로써 상기 희생 노즐부(25)의 입력단과 출력단의 압력 차이를 측정함으로써 부착물이 형성되는 상태를 모니터링 할 수 있다.
또한, 대체 유로관(50)을 도입함으로써, 상기 희생 노즐부(25)에 부착물이 과도하게 형성되어 차압계(40)에 가해지는 차압이 일정 수준을 넘어 조업에 영향을 줄 수 있는 경우에는 상기 챔버(20)에 입력되는 환원가스를 바이패스 시켜 대체 유로로 흐르도록 함으로써 조업 안정성을 기할 수 있다.
상기 대체 유로관(50)에는 제2 게이트(53)가 배치되며 상기 차압계(40)에 가해지는 압력이 허용 범위에 있는 경우에는 제2 게이트(53)가 닫힌 상태로 유지되며 압력이 허용 범위를 초과하는 경우에는 제2 게이트(53)가 개방됨으로써 환원가스가 대체 유로관(50)을 통해 흐르도록 한다.
즉, 대체 유로관(50)은 상기 희생 노즐부(25)에 부착물이 과다하게 성장하여 정상 유로를 통하여 환원가스가 원활하게 흐르지 못할 경우를 대비하여 설치된 비상용 환원가스 유로라 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의한 환원가스의 분진 제거방법은 환원가스를 제공하는 단계, 상기 환원가스를 내부에 희생 노즐부가 구비된 챔버에 주입하는 단계, 및 상기 챔버로부터 환원가스를 배출하는 단계를 포함한다.
상기 환원가스는 용융가스화로 또는 전기로 등을 포함하는 환원가스 공급원으로부터 유입되며 고정탄소, 재 등과 같은 석탄의 열분해 잔유물, 미립의 환원철 및 알칼리 화합물을 포함할 수 있다.
상기 환원가스는 희생 노즐부(25)가 구비된 챔버(20)에 주입되며 챔버(20)내에 파이프 다발로 형성된 희생 노즐부(25)에서 환원가스의 분진등이 점착됨으로써 환원가스내의 분진등을 저감할 수 있다.
또한, 상기 희생 노즐부(25)는 파이프 다발로 형성됨으로써 환원가스와 접촉하는 표면적이 증대될 수 있다. 상기 희생 노즐부(25)는 상기 챔버(20)의 길이방향으로 다단으로 형성될 수 있다.
상기 희생 노즐부(25)를 구성하는 소재는 알칼리 염화물에 대한 내부식성이 약한 스테인레스 강재가 사용될 수 있으며 알칼리 염화물과 용이하게 화학반응을 하는 고령토, 규석 및 보오크사이트 등에서 적어도 하나 선택된 물질이 상기 스테인레스 강재의 표면에 코팅이 될 수 있다.
상기 환원가스의 분진 제거방법은 희생 노즐부(25)의 입력단과 출력단의 압력 차이를 측정하는 단계를 더 포함한다.
상기 희생 노즐부(25)의 입력단과 출력단에 차압계(40)를 형성하여 상기 희생 노즐부(25)에 부착물이 형성되는 정도를 정량적으로 모니터링 할 수 있다.
다시 말하면, 상기 희생 노즐부(25)에 부착물이 과도하게 형성되어 차압계(40)에 가해지는 압력이 일정 수준을 넘어 조업에 영향을 줄 수 있는 경우 상기 챔버(20)내에 유입되는 환원가스의 유로를 변경할 수 있다.
또한, 상기 환원가스의 분진 제거방법은 상기 챔버(20)에 주입된 환원가스를 바이패스 시키는 단계를 더 포함한다. 상기 환원가스의 바이패스는 상기 차압계(40)에 가해지는 압력이 허용되는 수준을 초과하는 경우 대체 유로관(50)의 제2 밸브를 개방함으로써 조업 안정성을 기할 수 있다.
상기 차압계(40)의 압력이 허용 기준을 초과하는 경우에는, 상기 환원가스가 상기 대체 유로관(50)으로 바이패스 하도록 함으로써 상기 챔버(20)내에 구비된 부착물이 과도하게 부착된 상기 희생 노즐부(25)를 새로운 희생 노즐부(25)로 교체할 수 있다.
본원발명은 용융가스화로, 전로형 용융환원로 또는 전기로 등의 환원가스 공급원으로부터 배출되는 환원가스에 포함된 분진 또는 알칼리 화합물이 환원로에 공급되기 전에 분진 제거장치를 이용하여 부착물 형성을 유도시켜 제거하는 기술을 제공한다.
이 방법은 상기한 바와 같이 환원가스 공급원과 환원로 사이의 환원가스 도관에 알칼리 화합물을 선택적으로 제거할 수 있는 장치를 설치하여, 알칼리 화합물을 제거하고 깨끗한 환원가스를 환원로에 공급함으로써 환원로를 구성하는 분산판에 설치된 노즐에 부착물 형성을 막을 수 있다.
또한, 유동환원로에 취입되는 환원가스의 온도를 800℃ 이상으로 증가시킴으로써 유동환원로에서 배출되는 분환원철의 환원율을 향상시킬 수 있으며 그 결과 연료비를 저감할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예 들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 주입 도관 13 : 제1 게이트
20 : 챔버 25 : 희생 노즐부
30 : 배출 도관 40 : 차압계
50 : 대체 유로관 53 : 제2 게이트

Claims (2)

  1. 환원가스를 주입하는 주입 도관, 상기 주입된 환원가스로부터 액상 또는 기상의 알칼리 염화물을 포함하는 분진을 포집하기 위한 희생 노즐부를 포함하는 챔버, 및 상기 분진이 포집된 환원가스를 배출하기 위한 배출 도관을 포함하는 분진 제거장치의 희생 노즐부에 있어서,
    상기 희생 노즐부는 스테인리스 강(stainless steel)으로 이루어지고,
    고령토, 규석 및 보오크사이트 중에서 선택된 적어도 하나가 상기 스테인리스 강의 표면에 코팅된 것을 특징으로 하는 분진 제거장치의 희생 노즐부.
  2. 제 1 항에 있에서,
    상기 희생 노즐부는 환원가스 입력단의 직경이 출력단의 직경보다 큰 테이퍼(taper) 형상인 것을 특징으로 하는 분진 제거장치의 희생 노즐부.
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