KR101597419B1 - 산소랜싱 연소장치 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

산소랜싱 연소장치 및 그 제어방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료를 가열로 내로 분사하는 연료공급부, 연료공급부의 외곽에 형성되어 연료의 연소를 위한 공기를 가열로 내로 분사하는 공기공급부, 및 공기공급부의 외곽에 형성되어 가열로 내로 산소를 분사하되, 연료와 공기가 만나 연소되어 형성되는 화염과 접촉하는 위치가 상이하도록 산소를 분사하는 분사각도가 조정되는 산소공급부를 포함하는 산소랜싱 연소장치가 제공된다.

Description

산소랜싱 연소장치 및 그 제어방법{OXYGEN LANCING COMBUSTION APPARAUTS AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}

본 발명은 산소랜싱 연소장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.

제철소의 압연공장 및 단조공장 등에 있어서 소재(슬라브, 블룸, 빌렛 등)를 가열하는 설비인 가열로를 승온시키는 장치는 버너, 연소제어 기기 등이 있다. 가열로는 설계 사양에 의해 생산 및 가열 능력이 한정되어 있다. 그러나, 생산량 증대 및 연료 성질의 변화로 인하여 기존 가열로 설비로서 한계에 도달하여 대규모 설비투자 개선을 하고 있다. 또한, 에너지절감 차원에서는 연소방식을 기존 공기연소에서 산소를 활용한 산소부화를 이용하여 가열로의 효율을 향상시킴으로써 연소 효율을 증대하는 것이 현재의 기술이다.

관련한 기술로는 대한민국 특허공개공보 제2011-0101725호(2011.09.16 공개, 산소 랜싱장치)가 있다.

본 발명의 실시예들은 산소랜서의 분사각도를 조절 가능하여 연료의 부하 변동에 따라 탄력적으로 대응함으로써 가열로 내 스키드 내화물의 열화를 방지할 수 있으며 에너지 절감 및 생산성 향상에 기여할 수 있는 산소랜싱 연소장치 및 그 제어방법을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료를 가열로 내로 분사하는 연료공급부; 상기 연료공급부의 외곽에 형성되어 상기 연료의 연소를 위한 공기를 상기 가열로 내로 분사하는 공기공급부; 및 상기 공기공급부의 외곽에 형성되어 상기 가열로 내로 산소를 분사하되, 상기 연료와 상기 공기가 만나 연소되어 형성되는 화염과 접촉하는 위치가 상이하도록 상기 산소를 분사하는 분사각도가 조정되는 산소공급부를 포함하는 산소랜싱 연소장치가 제공된다.

상기 산소공급부는 상기 화염과 접촉하는 위치가 가변될 수 있도록 회전축을 중심으로 회전될 수 있다.

상기 산소공급부는, 상기 가열로 내로 산소를 분사하는 산소랜서; 및 상기 산소랜서의 분사각도가 가변되도록 상기 회전축을 중심으로 상기 산소랜서를 회전시키는 구동부를 포함할 수 있다.

상기 산소랜싱 연소장치는, 상기 가열로 내에 설치된 스키드(skid)에 설치되어 상기 스키드의 온도 변동을 감지하는 온도감지부를 더 포함할 수 있다.

상기 산소랜싱 연소장치는, 상기 가열로 내측에 설치되어 상기 화염의 길이 변동을 감지하는 화염감지부를 더 포함할 수 있다.

상기 산소랜싱 연소장치는, 상기 스키드 표면의 온도 변동에 따라 또는 상기 가열로 내로 분사되는 상기 연료의 부하 변동에 따라 상기 산소공급부의 분사각도를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 산소랜싱 연소장치를 이용하여 산소랜싱을 수행하는 단계; 가열로 내측에 설치된 스키드의 표면온도를 모니터링하는 단계; 상기 스키드의 표면온도가 기 설정된 기준온도를 초과하는지를 판단하는 단계; 및 상기 표면온도가 상기 기준온도를 초과할 경우, 상기 산소랜싱 연소장치의 산소공급부의 분사각도를 변동시키는 단계를 포함하는 산소랜싱 연소장치의 제어방법이 제공된다.

상기 산소공급부는, 상기 가열로 내로 산소를 분사하는 산소랜서; 및 상기 산소랜서의 분사각도가 가변되도록 상기 회전축을 중심으로 상기 산소랜서를 회전시키는 구동부를 포함할 수 있으며, 상기 산소랜서의 분사각도는 상기 산소가 화염과 접촉하는 위치가 상기 화염의 단부에 위치되도록 가상의 X축에 근접하게 상방향으로 조정될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 산소랜서의 분사각도를 조절 가능하여 연료의 부하 변동에 따라 탄력적으로 대응함으로써 가열로 내 스키드 내화물의 열화를 방지할 수 있으며 에너지 절감 및 생산성 향상에 기여할 수 있다.

도 1은 압연공정의 가열로를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 도 1에 도시된 가열로의 가열대를 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 산소랜싱 연소장치를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 산소랜싱 연소장치의 산소공급부를 도시한 부분확대도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 산소랜싱 연소장치의 제어방법을 도시한 순서도.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 산소랜싱 연소장치 및 그 제어방법의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략한다.

도 1은 압연공정의 가열로를 개략적으로 도시한 도면이며, 도 2는 도 1에 도시된 가열로의 가열대를 개략적으로 도시한 도면이다. 그리고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 산소랜싱 연소장치를 도시한 도면이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 산소랜싱 연소장치의 산소공급부를 도시한 부분확대도이다.

산소랜싱 연소방법은 기존 버너를 그대로 유지하면서 버너 원주방향으로 산소랜서를 설치하여 산소를 공급하는 방식이다. 이때, 산소랜서에 의하여 공급되는 산소의 분사위치는 고정되어 있어, 공급되는 연료부하에 따른 화염길이 변화에는 탄력적으로 대응을 할 수가 없었다.

이를 해결하고자, 본 발명의 실시예들에 따르면, 산소랜싱 연소장치(1000)는 화염을 형성하는 연료의 부하 변동에 따라, 즉 연료부하에 따른 화염길이 변화에 따라 산소를 공급하는 산소공급부(300)의 분사각도를 변동시킴으로써, 에너지 절감 및 생산성 향상에 기여할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 산소랜싱 연소장치(1000)는 가열로(F) 내측에 설치된 스키드(skid, 60)의 표면 온도 변동에 따라 산소공급부(300)의 분사각도를 변동시킴으로써, 가열로(F) 내 스키드(60)의 표면을 보호하는 내화물의 열화를 방지할 수 있어, 그 결과 설비의 수명을 연장할 수 있고 조업의 안정성을 높일 수 있다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 산소랜싱 연소장치(1000)는 연료공급부(100), 공기공급부(200), 및 산소공급부(300)를 포함한다.

연료공급부(100)는 가열로(F) 내로 연료를 분사하고, 분사된 연료는 공기 또는 산소와 만나 화염을 형성하게 된다. 형성된 화염은 가열로(F) 내부를 승온시키는 역할을 하게 된다. 이때, 연료공급부(100)에 의하여 공급되는 연료의 양은 가열로(F) 내부의 승온조건에 따라 달라질 수 있고, 이러한 연료량의 차이에 따라 연료와 산소 또는 공기가 만나 형성되는 화염의 길이는 달라질 수 있다.

공기공급부(200)는 연료공급부(100)의 외곽에 형성되어 연료의 연소를 위한 공기를 가열로(F) 내로 분사하게 된다. 공기공급부(200)에 의하여 공급된 공기와 연료공급부(100)에 의하여 공급된 연료가 만나 연소되어 화염을 형성하게 된다. 상술한 바와 마찬가지로 연료공급부(100)에 의하여 공급된 연료의 양에 따라 화염의 길이는 달라지게 된다.

산소공급부(300)는 공기공급부(200)의 외곽에 형성되어 가열로(F) 내로 산소를 분사한다. 이때, 도 3에 도시된 바와 같이, 산소공급부(300)는 연료와 공기에 의하여 형성된 화염의 진행경로를 향하여 산소를 분사한다.

본 실시예에 따르면, 산소공급부(300)는 화염과 접촉하는 위치가 가변될 수 있도록 산소공급부(300)의 결합각도가 조절될 수 있다. 즉, 산소공급부(300)는 분사되는 연료 또는 연료와 공기가 만나 연소되어 형성되는 화염과 접촉하는 위치가 상이하도록(즉, 다양하도록) 산소를 분사하는 분사구(미도시)의 분사각도를 가변시킬 수 있다.

이를 위해, 산소공급부(300)는 도 4에 도시된 바와 같이 회전축(320)을 중심으로 상하로 회전될 수 있으며, 그 결과 산소공급부(300)에서 분사되는 산소가 화염과 접촉하는 위치가 다양하게 가변될 수 있다.

즉, 회전축(320)을 중심으로 산소공급부(300)가 기울어지는 기울기 정도에 따라 도 3에 도시된 바와 같이 산소공급부(300)에서 분사되는 산소가 스키드(60)의 상면에 평행한 방향으로 진행하는 화염과 접촉하는 위치가 달라질 수 있다.

구체적으로, 산소공급부(300)는 가열로(F) 내로 산소를 분사하는 산소랜서(310), 및 이러한 산소랜서(310)의 분사각도가 가변되도록 회전축(320)을 중심으로 산소랜서(310)를 회전시키는 구동부(330)를 포함할 수 있다.

본 실시예에서는 도 4에 도시된 바와 같이 구동부(330)가 유압 또는 공압식 액츄에이터인 경우를 도시하고 있으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 구동부(330)는 회전축(320)에 연결되어 회전력을 제공하는 모터일 수도 있다.

구동부(330)는 후술할 제어부(400)에 의해 작동이 제어될 수 있다.

비록 구체적으로 도시되지는 않았으나, 산소공급부(300)는 연료공급부(100)를 중심으로 좌우대칭으로 한 쌍으로 형성될 수 있다. 이 경우, 연료공급부(100)을 중심으로 산소공급부(300)가 좌우대칭 한 쌍으로 형성되어 가열로(F) 내부 일측으로 화염의 진행을 방지하여 화염에 의한 가열로(F) 내측 손상을 방지할 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 산소랜싱 연소장치(1000)는 도 3에 도시된 바와 같이 온도감지부(500)를 더 포함할 수 있다.

온도감지부(500)는 스키드(60)의 표면온도 변동을 감지하는 장치로서, 가열로(F) 내부에 설치된 스키드(60)의 내화물(미도시) 내측에 설치될 수 있다.

여기서, 온도감지부(500)로는 고온에 견딜 수 있는 열전대(thermo couple)가 사용될 수 있다.

온도감지부(500)에서 측정된 스키드(60)의 표면온도는 후술할 제어부(400)로 실시간으로 제공될 수 있으며, 제어부(400)는 스키드(60)의 표면온도가 기 설정된 기준온도(본 실시예의 경우는 섭씨 1300도)를 초과하는 경우 산소공급부(300)의 산소랜서(310)의 분사각도(θ)를 변동시킬 수 있다.

즉, 스키드(60)의 표면온도가 기 설정된 기준온도를 초과하여 스키드(60)가 과열된 경우 스키드(60)의 표면을 보호하는 내화물의 열화를 방지할 수 있도록, 제어부(400)가 구동부(330)를 제어하여 산소랜서(310)의 분사각도(θ)를 상방향으로 변동시킬 수 있다.

즉, 산소공급부(300)에서 분사되는 산소가 화염의 단부에까지 닿을 수 있도록(즉, 산소와 화염이 접촉하는 위치가 연료공급부(100)에서 멀어질 수 있도록), 산소공급부(300)의 분사각도(θ)가 도 4의 X축(가상의 축)에 근접하게 상방향으로 조정될 수 있다.

이와 같이, 산소랜싱 연소장치(1000)는 스키드(60)의 표면 온도 변동에 따라 산소공급부(300)의 분사각도를 변동시킴으로써, 스키드(60)의 표면을 보호하는 내화물의 열화를 방지할 수 있으며, 그 결과 설비의 수명을 연장할 수 있고 조업의 안정성을 높일 수 있다.

연료부하(%)	기준온도(℃)	산소랜서의 분사각도(°, θ)
100	1400	8
80	1300	10
60	1200	12
40	1150	15

표 1은 기준온도 또는 연료부하의 변동에 따른 산소랜서(310)의 분사각도(θ)를 나타낸 표이다.

여기서, 상기 기 설정된 기준온도는 예를 들어 섭씨 1300도일 수 있으며, 이 경우 산소랜서(310)의 분사각도(θ)는 10도로 조정될 수 있다(도 4 참조).

한편, 본 실시예에 따른 산소랜싱 연소장치(1000)는 화염감지부(600)를 더 포함할 수 있다.

화염감지부(600)는 가열로(F)의 내측에 설치되어 산소랜싱 연소장치(1000)에 의해 생성되는 화염의 길이 변동을 감지할 수 있다. 즉, 화염감지부(600)는, 연료공급부(100)에 의하여 공급되는 연료의 양이 적어(즉, 연료부하가 낮아) 화염의 길이가 짧은 경우와, 연료공급부(100)에 의하여 공급되는 연료의 양이 상대적으로 많아(즉, 연료부하가 높아) 화염의 길이가 길어지는 경우를 측정할 수 있다.

여기서, 화염감지부(600)로는 고온에 견딜 수 있는 UV 센서가 사용될 수 있다.

화염감지부(600)에 의해 측정된 화염의 길이 변화는 제어부(400)로 실시간으로 제공될 수 있으며, 제어부(400)는 가열로(F) 내로 분사되는 연료의 부하 변동에 따라 산소공급부(300)의 분사각도(θ)를 제어할 수 있다.

표 1을 참조하면, 연료부하가 100%인 경우 산소랜서(310)의 분사각도(θ)는 8도로 조정될 수 있다(도 4 참조).

이와 같이 본 실시예에 따르면, 연료공급부(100)에 의하여 공급되는 연료의 양이 적어(즉, 연료부하가 낮아) 화염의 길이가 짧을 때는 산소랜서(310)의 분사각도(θ)가 도 4의 X축에서 멀어지도록 하방향으로 조정되며, 연료공급부(100)에 의하여 공급되는 연료의 양이 상대적으로 많아(즉, 연료부하가 높아) 화염의 길이가 길어질 때는 반대로 산소랜서(310)의 분사각도(θ)가 도 4의 X축에 근접하게 상방향으로 조정될 수 있다.

즉, 연료공급부(100)에 의하여 공급되는 연료가 고부하여서 형성되는 화염의 길이가 긴 경우, 산소공급부(300)에서 분사되는 산소가 화염의 단부에까지 닿을 수 있도록 산소공급부(300)의 결합각을 상방향으로 조절하거나, 연료공급부(100)에 의하여 공급되는 연료가 저부하여서 형성되는 화염의 길이가 짧은 경우, 산소공급부(300)의 결합각을 하방향으로 변경함으로써, 산소공급부(300)에서 공급되는 산소가 화염의 단부에 닿게 조절할 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 산소랜싱 연소장치의 제어방법을 도시한 순서도이다.

도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 산소랜싱 연소장치의 제어방법은, 산소랜싱 연소장치(1000)를 이용하여 산소랜싱을 수행하는 단계(S100); 가열로(F) 내측에 설치된 스키드(60)의 표면온도를 모니터링하는 단계(S200); 스키드(60)의 표면온도가 기 설정된 기준온도를 초과하는지를 판단하는 단계(S300); 및 상기 표면온도가 상기 기준온도를 초과할 경우, 산소랜싱 연소장치(1000)의 산소공급부(300)의 분사각도(θ)를 변동시키는 단계(S400)를 포함한다.

산소랜싱을 수행하는 단계(S100)에서는 앞서 설명한 산소랜싱 연소장치(1000)가 사용될 수 있다.

스키드(60)의 표면온도를 모니터링하는 단계(S200)에서는 스키드(60)의 내화물 내측에 설치된 복수개의 온도감지부(500)가 사용될 수 있다.

스키드(60)의 표면온도가 기 설정된 기준온도를 초과하는지를 판단하는 단계(S300)에서는, 스키드(60)의 표면온도가 기준온도 이하일 때는 계속하여 스키드(60) 표면의 온도 변화를 모니터링할 수 있다. 그러나, 스키드(60)의 표면온도가 기준온도를 초과할 때는 제어부(400)에 의해 산소공급부(300)의 분사각도(θ)가 변동될 수 있다(S400).

이 경우, 산소랜서(310)의 분사각도(θ)는 앞서도 설명된 바와 같이 산소가 화염과 접촉하는 위치가 상기 화염의 단부에 위치되도록 도 4의 X축(가상의 축)에 근접하게 상방향으로 조정될 수 있다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

F: 가열로
10: 예열대(preheating zone)
20: 제1 가열대(first heating zone)
30: 제2 가열대
40: 제3 가열대
50: 균열대
60: 스키드
1000: 산소랜싱 연소장치
100: 연료공급부
200: 공기공급부
300: 산소공급부
310: 산소랜서
320: 회전축
330: 구동부
400: 제어부
500: 온도감지부
600: 화염감지부

Claims (8)

1. 연료를 가열로 내로 분사하는 연료공급부;
   상기 연료공급부의 외곽에 형성되어 상기 연료의 연소를 위한 공기를 상기 가열로 내로 분사하는 공기공급부; 및
   상기 공기공급부의 외곽에 형성되어 상기 가열로 내로 산소를 분사하되, 상기 연료와 상기 공기가 만나 연소되어 형성되는 화염과 접촉하는 위치가 상이하도록 상기 산소를 분사하는 분사각도가 조정되는 산소공급부를 포함하고,
   상기 산소공급부는 상기 화염과 접촉하는 위치가 가변될 수 있도록 회전축을 중심으로 회전되며, 상기 가열로에 좌우대칭되게 배치되는 것을 특징으로 하는 산소랜싱 연소장치.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 산소공급부는,
   상기 가열로 내로 산소를 분사하는 산소랜서; 및
   상기 산소랜서의 분사각도가 가변되도록 상기 회전축을 중심으로 상기 산소랜서를 회전시키는 구동부를 포함하는 산소랜싱 연소장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 가열로 내에 설치된 스키드(skid)에 설치되어 상기 스키드의 온도 변동을 감지하는 온도감지부를 더 포함하는 산소랜싱 연소장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 가열로 내측에 설치되어 상기 화염의 길이 변동을 감지하는 화염감지부를 더 포함하는 산소랜싱 연소장치.
   
6. 제4항에 있어서,
   상기 스키드의 온도 변동에 따라 상기 산소공급부의 분사각도를 제어하는 제어부를 더 포함하는 산소랜싱 연소장치.
   
7. 산소랜싱 연소장치를 이용하여 산소랜싱을 수행하는 단계;
   가열로 내측에 설치된 스키드의 표면온도를 모니터링하는 단계;
   상기 스키드의 표면온도가 기 설정된 기준온도를 초과하는지를 판단하는 단계; 및
   상기 표면온도가 상기 기준온도를 초과할 경우, 상기 산소랜싱 연소장치의 산소공급부의 분사각도를 변동시키는 단계를 포함하고,
   상기 산소공급부는 상기 가열로 내에서 화염과 접촉하는 위치가 가변될 수 있도록 회전축을 중심으로 회전되며, 상기 가열로에 좌우대칭되게 형성되는 것을 특징으로 하는 산소랜싱 연소장치의 제어방법.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 산소공급부는
   상기 가열로 내로 산소를 분사하는 산소랜서; 및
   상기 산소랜서의 분사각도가 가변되도록 회전축을 중심으로 상기 산소랜서를 회전시키는 구동부를 포함하며,
   상기 산소랜서의 분사각도는 상기 산소가 화염과 접촉하는 위치가 상기 화염의 단부에 위치되도록 가상의 X축에 근접하게 상방향으로 조정되는 것을 특징으로 하는 산소랜싱 연소장치의 제어방법.

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