KR101639842B1 - 가열로의 맥동연소 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가열로의 맥동연소 제어방법에 관한 것으로, 이는 일정 연료공급주기(Hz) 및 연료공급시간(ms)을 각각 갖고 있는 2N개의 버너를 가열로의 양측면에 설치하는 공정, 가열로의 일측면에 있는 N개의 버너를 M개의 그룹으로 구성하는 공정, 및 M개의 그룹에서 각 그룹의 제1버너는 온-오프 타이밍이 모두 동일하게 이루어지도록 제어되는 공정을 포함하여서, 복수의 버너가 설치된 가열로를 대상으로 맥동연소의 기술을 적용할 때 가열로의 안정적인 운전을 확보하고, NOx의 발생량을 감소시키며, 에너지를 절감할 수 있는 효과가 있게 된다.

Description

가열로의 맥동연소 제어방법 {Control method of oscillating combustion in heating furnace}

본 발명은 가열로의 맥동연소 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수의 직접 가열방식 버너를 장착한 가열로에서 맥동연소를 구현하는 경우에 복수의 버너에 연료 또는 산화제를 공급함에 있어서 버너들을 소정 개수로 그룹화하고 각 그룹 내 버너들의 온-오프(On-Off) 시간이 서로 마주보는 버너들과는 중첩되지 않도록 그 작동을 차등 제어함으로써, 가열로의 내부압력을 안정화시키고 화염의 충돌을 방지하며 가열로 내 온도의 균일도를 향상시키고 화염의 길이 및 폭을 제어할 수 있으며 NOx의 발생량을 감소시킴과 더불어 에너지를 절감할 수 있는 가열로의 맥동연소 제어방법에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아님을 밝혀둔다.

맥동연소(Oscillating Combustion)는 연료 또는 산화제에 주기적인 압력변동을 주어 유량변동이 이루어지는 상황에서 연료를 연소시키는 연소기술을 말한다.

유량변동의 결과로 공기과잉조건과 공기희박조건에서 연소가 반복적으로 이루어진다. 맥동 발생의 초기에는 공기과잉과 공기희박이 뚜렷이 나타나며, 하류로 진행될수록 그 정도가 점차 감소하여 목표로 하는 공기비를 얻는다.

공기과잉과 공기희박의 주기적인 반복은 최고 연소온도가 나타나는 당량비가 1.0인 영역을 피해서 연소를 제어하므로, 연소온도를 낮추어 NOx 발생을 억제하는 효과를 수반한다. 따라서 맥동가열로 발생하는 강한 유동 교란으로 대류의 열전달율 상승, 열효율 향상, 노(爐) 내 온도 균일도 향상, NOx 저감 등의 효과를 얻을 수 있다.

한편, 연료공급주기(Hz)는 단위시간당 버너의 온-오프 발생수로 정의되며, 연료공급시간(ms)은 한 주기 내 제어밸브의 개방시간 또는 개방비율(%)로 정의된다. 맥동연소에서는 유량이 적은 연료에 주기적으로 압력변동을 주어 유량변동이 이루어지게 하며, 통상 수 내지 수십 Hz의 맥동상황에서 운전되게 한다.

연료와 산화제가 혼합되어 연소될 때 전술한 바와 같이 당량비가 1.0인 영역에서 최고 연소온도를 갖지만 높은 수준의 NOx가 발생한다. 당량비가 1.0을 벗어나면 연소온도는 급격히 하락되고, NOx의 생성율은 화염온도와 산소농도에 민감하여 연료과잉 또는 연료희박 상황에서 급격히 저하된다.

따라서, 연료의 온-오프 제어를 통해 당량비가 1.0을 벗어나는 범위에서 주기적인 연소반응이 이루어지도록 유동을 제어함으로써, 연료과잉조건과 연료희박조건이 반복적으로 나타나게 된다. 이러한 기술을 적용하여 3 ~ 5%의 에너지 절감과, 30 ~ 40%의 NOx 저감의 효과를 달성할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같은 통상의 가열로(10)에서 복수의 버너(20)는 소재(30)의 진행방향에 대해 상류 및 하류의 상하부에 장착되어 있거나, 소재(30)의 진행방향의 좌우측 상하부에 장착되어 소재(30)를 가열한다. 이러한 가열로에서 연료와 산화제는 일정하게 지속적으로 공급되어 화염의 길이 및 폭은 변동이 없고, 가열로 내 압력 및 온도가 일정하게 제어된다.

복수의 버너를 가진 가열로에다 맥동연소의 기술을 적용할 경우에, 복수의 버너가 동일한 시점에 온으로 작동하게 되면 가열로 내에서의 급격한 압력변동이나 화염충돌에 따라 안정적인 가열로의 운용이 어렵게 될 수 있다.

이에 본 발명은 복수의 버너가 설치된 가열로를 대상으로 맥동연소의 기술을 적용할 때 가열로의 안정적인 운전을 확보하고, NOx의 발생량을 감소시키며, 에너지를 절감할 수 있는 가열로의 맥동연소 제어방법을 제공하는 데에 그 주된 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가열로의 맥동연소 제어방법은, 일정 연료공급주기(Hz) 및 연료공급시간(ms)을 각각 갖고 있는 2N(N은 자연수)개의 버너를 가열로의 양측면에 설치하는 공정; 상기 가열로의 일측면에 있는 N개의 버너를 M(M은 N의 약수)개의 그룹으로 구성하는 공정; 상기 가열로의 일측면에 있는 M개의 그룹에서 각 그룹의 제1버너는 온-오프 타이밍이 모두 동일하게 이루어지도록 제어되는 공정; 상기 가열로의 타측면에 있는 N개의 버너를 M(M은 N의 약수)개의 그룹으로 구성하는 공정; 및 상기 가열로의 타측면에 있는 M개의 그룹에서 각 그룹의 제1버너는 온-오프 타이밍이 모두 동일하게 이루어지도록 제어되는 공정;을 포함하고, 상기 가열로의 일측면에 있는 버너들과 상기 가열로의 타측면에 있는 버너들은 서로 시간차를 두고 온으로 작동하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 가열로 내 복수의 버너를 소정의 개수로 그룹화하고 각 그룹 내 버너들의 온-오프 시간이 서로 마주보는 버너들과는 중첩되지 않도록 그 작동을 차등 제어함으로써, 가열로의 내부압력을 안정화시키고 화염의 충돌을 방지하며 가열로 내 온도의 균일도를 향상시키고 화염의 길이 및 폭을 제어할 수 있으며 NOx의 발생량을 감소시킴과 더불어 에너지를 절감할 수 있는 효과가 있게 된다.

도 1은 가열로의 내부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 가열로 내 안정적인 맥동연소의 구현을 위한 제어방법을 나타낸 개념도이다.

이하, 본 발명의 일 실시예가 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명된다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 일 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 2는 가열로 내 안정적인 맥동연소의 구현을 위한 제어방법을 나타낸 개념도이다.

도 2를 참조로 하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가열로의 맥동연소 제어방법은, 일정 연료공급주기(Hz) 및 연료공급시간(ms)을 각각 갖고 있는 2N(N은 자연수)개의 버너(20)를 가열로(10)의 양측면에 설치하는 공정, 가열로(10)의 일측면에 있는 N개의 버너(20)를 동일한 개수로 분할하여 M(M은 N의 약수)개의 그룹으로 나누는 공정, 및 가열로(10)의 일측면에 있는 M개의 그룹에서 각 그룹의 제1버너의 온-오프 타이밍이 모두 동일하게 이루어지도록 제1버너들을 제어하는 공정을 포함한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 가열로의 맥동연소 제어방법은, 가열로(10)의 타측면에 있는 N개의 버너(20)를 동일한 개수로 분할하여 M(M은 N의 약수)개의 그룹으로 나누는 공정, 및 가열로(10)의 타측면에 있는 M개의 그룹에서 각 그룹의 제1버너의 온-오프 타이밍이 모두 동일하게 이루어지도록 제1버너들을 제어하는 공정을 포함한다.

버너(20)는 연료를 연소시켜 화염을 방출하고, 방출된 화염을 통해 가열로(10) 내부의 소재를 직접 가열하게 된다. 2N개의 버너(20)가 가열로(10)의 양측면에서 가열로(10)의 길이방향을 따라 소정의 간격을 두고 연속적으로 배치된다.

각 버너(20)는 연료라인(15)을 통해 연료를 공급받게 되는데, 연료라인(15)은 각 배관으로 분기되어 각 버너(20)에 연결되어 있다. 또한, 각 버너(20)에는 연료의 공급을 제어하는 제어밸브(미도시)가 일체로 장착되어 있다.

이러한 제어밸브는 특정한 형태나 구조에 한정되지 않는다. 연료의 유동에 인위적인 맥동을 확실히 부여하고 내구성이 충족될 수 있다면 다른 임의의 제어밸브가 적용될 수 있다. 예를 들어, 제어밸브로는 SSP(Solid State Proportioning) 밸브, 회전식 밸브, 솔레노이드 밸브 등이 사용될 수 있는데, 이들 밸브의 구성 및 작동은 공지되어 있으므로 여기서 그 자세한 설명은 생략한다.

각 버너(20)는 일정 연료공급주기(Hz) 및 연료공급시간(ms)을 갖고 있다. 전술한 바와 같이, 연료공급주기(Hz)는 단위시간당 버너(20)의 온-오프 발생수로 정의되며, 연료공급시간(ms)은 한 주기 내 제어밸브의 개방시간 또는 개방비율(%)로 정의된다. 맥동연소에서는 기본적으로 유량이 적은 연료에 주기적으로 제어밸브를 개방하여 압력변동을 부여함으로써 유량변동이 이루어지게 하며, 통상 수 내지 수십 Hz의 맥동상황에서 운전되게 한다. 제어밸브가 차단되면 기본적인 유량만 공급된다.

N개의 버너(20)가 가열로(10)의 일측면에 설치되면, 이 N개의 버너(20)를 동일한 개수의 버너를 가진 M개의 그룹으로 구성하게 된다.

가열로(10)의 일측면에서, 각 그룹 내에 있는 N/M(N은 1이 아닌 자연수이고, M은 N 자신이 아닌 N의 약수일 때)개의 버너(20)는 그 제어를 위해 순번이 지정될 수 있다. 이러한 버너(20)의 순번지정은 선택적으로 온-오프 제어를 실시하기 위함이다. 순번이 지정된 각 그룹의 버너(20)들은 M/N초의 시간차를 두고 순차적으로 온(On) 작동된다. 이때, 각 그룹의 제1버너들의 온-오프 타이밍은 모두 동일하게 이루어진다.

예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 가열로(10) 내에 1초의 연료공급주기(1Hz)를 갖도록 설정된 버너(20)가 총 16개가 운용될 경우에, 소재(30)의 진행방향 좌우로 각각 8개의 버너(20)가 배열되며, 이들 중 일측면에 있는 8개의 버너(20)를 2개의 그룹으로 나누면 동일한 그룹 내에서 각 버너(20)의 온 작동시점은 0.25 초의 간격을 갖도록 설정되는 것이다. 각 버너(20)는 일정 연료공급시간 동안 작동된 후에 오프(Off)로 된다.

이와 같이, 가열로(10)의 일측면 또는 타측면에 있는 복수의 버너(20)를 소정의 그룹으로 나누고 각 그룹 내에서 버너(20)들이 순차적으로 작동하도록 제어를 실시하면, 동일한 시점에 모든 버너들이 한꺼번에 작동함으로써 생기는 압력의 중첩 및 급격한 압력의 변동이 없게 된다. 이로 인하여, 가열로(10) 내부의 압력을 안정화시킬 수 있어 설비의 수명과 작업 환경을 향상시킬 수 있다.

더불어, 가열로(10)의 일측면에 있는 각 그룹의 제1버너들은 온-오프 타이밍이 모두 동일하다. 또, 가열로(10)의 타측면에 있는 각 그룹의 제1버너들도 온-오프 타이밍이 서로 동일하다.
이와 같이 각 그룹의 제1버너들이 갖는 온-오프 타이밍을 가열로(10)의 일측면 또는 타측면에서 각각 동일하게 제어함으로써, 버너(20)의 개수가 너무 많게 되더라도 보다 용이하게 제어가 이루어질 수 있으며, 가열로(10) 내에서 부분별로 균등한 압력분포 및 열유동이 구현될 수 있게 된다.

특히, 가열로(10)가 길게 형성된 경우에, 이와 같이 버너(20)들을 소정의 그룹으로 나누고 그 제1버너(20)들이 갖는 온-오프 타이밍을 동일하게 하면, 가열로(10)의 일측 끝부분 및 중간부분에서 동시에 가열이 이루어져, 일부 버너(20)만 국부적으로 작동시킴에도 소재(30)에 대한 지속적인 가열이 가능하게 되고, 이에 따라 소재의 품질이 향상될 수 있는 장점이 있게 되는 것이다.

다시 도 2를 참조하면, 가열로(10) 내에서 소재(30)를 사이에 두고 서로 마주보는 일측면의 버너(20)들과 타측면의 버너(20)들은 상이한 온-오프 타이밍으로 작동하는 것이 좋다. 예를 들어, 도 2에서 ⑨번 버너(20)는 ①번 버너(20)와 동시에 작동하지 않으며, ③번 또는 ④번 버너(20)와 동시에 작동한다. 이렇게 일측면의 일측 끝부분에 위치한 버너(20)가 타측면의 중간에 위치한 버너(20)와 동시에 작동하도록 제어함으로써 화염충돌이나 압력중첩을 방지할 수 있게 된다.

그러나 소재 진행방향의 좌우측 버너들이 전술한 바와 같이 항상 시간차를 두고 작동할 필요는 없으며, 가열로의 형태에 따라 동시에 작동할 수도 있는바, 예컨대 버너(20)들의 배치를 1대1로 그리고 소재의 진행방향에 대해 직각으로 마주보게 배치되는 것이 아니라, 도 2에 도시된 바와 같이 일측면에 있는 버너(20)들 사이에 타측면의 버너(20)들이 대향되도록 어긋나게 배열될 때 동시에 작동하여도 된다.

본 명세서와 도 2에서는 소재(30)를 기준으로 가열로(10)의 상부에 장착된 버너(20)들을 대상으로 하여 본 발명에 따른 제어방법을 도해하고 설명하였지만, 이러한 제어방법이 하부에 장착된 버너(20)들에도 동일하게 적용됨은 거듭 설명하지 않아도 당연하다 할 것이다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 가열로 15: 연료라인
20: 버너 30: 소재

Claims (5)

1. 일정 연료공급주기(Hz) 및 연료공급시간(ms)을 각각 갖고 있는 2N(N은 자연수)개의 버너를 가열로의 양측면에 설치하는 공정;
   상기 가열로의 일측면에 있는 N개의 버너를 M(M은 N의 약수)개의 그룹으로 구성하는 공정;
   상기 가열로의 일측면에 있는 M개의 그룹에서 각 그룹의 제1버너는 온-오프 타이밍이 모두 동일하게 이루어지도록 제어되는 공정;
   상기 가열로의 타측면에 있는 N개의 버너를 M(M은 N의 약수)개의 그룹으로 구성하는 공정; 및
   상기 가열로의 타측면에 있는 M개의 그룹에서 각 그룹의 제1버너는 온-오프 타이밍이 모두 동일하게 이루어지도록 제어되는 공정;
   을 포함하고,
   상기 가열로의 일측면에 있는 제1버너와 상기 가열로의 타측면에 있는 제1버너는 상이한 온-오프 타이밍으로 작동하며,
   상기 N은 1이 아닌 자연수이고 상기 M은 N 자신이 아닌 N의 약수일 때, 상기 각 그룹 내 N/M개의 버너는 M/N초의 시간차를 두고 순차적으로 온으로 작동하고,
   상기 가열로의 일측면에 있는 버너들과 타측면에 있는 버너들은 서로 어긋나게 배열되어,
   상기 각 그룹 내 N/M개의 버너가 M/N초의 시간차를 두고 순차적으로 온으로 작동함으로써, 상기 가열로의 전체 내부압력을 안정화시키도록 된 가열로의 맥동연소 제어방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 N은 1이 아닌 자연수일 때,
   상기 M개의 그룹은 동일한 개수의 버너를 포함하는 가열로의 맥동연소 제어방법.
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