KR101642816B1 - 미분탄 취입용 랜스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고로의 풍구를 통해 미분탄을 취입하는 미분탄 취입용 랜스에 관한 것으로, 상기 미분탄 취입용 랜스는 내부 파이프와 외부 파이프가 상호 중첩되는 2중관으로 구성되어 상기 내부 파이프와 외부 파이프 사이로 냉각가스를 배출하면서 상기 내부 파이프로부터 고로의 풍구를 통해 미분탄을 취입하며, 상기 내부 파이프는 상기 외부 파이프의 선단으로부터 일정길이 돌출되어 반경방향 외측으로 점차 확대되어 형성되는 확관부를 포함하여 미분탄의 분사각을 넓게 함으로써, 미분탄과 주변 열풍과의 접촉면적을 넓게 확보하여 미분탄의 연소성을 향상시키는 효과가 있다.

Description

미분탄 취입용 랜스{INJECTION LANCE OF PULVERIZED COAL}

본 발명은 미분탄 취입용 랜스에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고로에 공급되는 미분탄의 분사각을 개선하여 미분탄의 연소성을 향상시키는 미분탄 취입용 랜스에 관한 것이다.

일반적으로 쉿물을 생산하는 제선공정은 철광석과 원료탄 및 유연탄을 높이 약 100m의 고로에 넣은 뒤 1,200℃ 정도의 뜨거운 바람을 불어 넣으면, 원료탄이 타면서 나오는 열에 의해 철광석이 녹아 쇳물이 되는 과정으로 이루어진다.

즉, 원료탄이 연소되며 발생하는 일산화탄소(CO)가 철광석과 환원반응을 일으키면서 쇳물이 생산되는 것으로, 원료탄은 철광석을 녹이는 열원으로서의 역할과 동시에 산화철 상태인 철광석에서 산소와 쇳물을 분리시키는 역할을 한다.

도 1은 일반적인 고로조업의 개략도이다.

도 1을 참조하면, 상기 제선공정에서 고로조업은 이송 벨트(11)를 통하여 용광로 장입물(13)인 철광석과 코크스를 고로(10)의 상부로 장입하고, 송풍기(미도시)에 의해 발생된 고온의 열풍과 산소가 열풍관(15)으로부터 분기되는 블로우 파이프(blow pipe)(17)를 통해 고로(10) 하부의 풍구(19)를 통해 공급되면서 고로(10) 내에 장입된 코크스를 융착대(21) 하부에서 형성되는 연소대에서 연소시킨다.

이때, 고온의 열과 환원 가스가 발생되고, 이에 의해 상기 고로(10) 내의 철광석은 환원 용융되어 쇳물과 슬래그로 생성되며, 생성된 쇳물(23)과 슬래그(미도시)를 각각의 출선구(25)를 통해서 외부로 배출시킨다.

도 2는 일반적인 고로 내부에 미분탄을 취입하는 과정을 설명하기 위한 개략도이다.

도 2를 참조하면, 이러한 고로조업에서는 환경공해를 최소화시키고, 상기 코크스 제조비용을 저감하고, 용선온도 제어를 용이하게 하기 위하여 고로(10) 노정에서 장입되는 코크스와는 달리 블로우 파이프(17) 측면에 설치된 별도의 랜스(30)를 통해서 보조열원으로 미분탄(PC, Pulverized Coal)을 고로(10) 하부에서 풍량과 함께 노내로 취입한다.

즉, 상기 랜스(30)는 미분탄(PC)과 함께 냉각가스(공기 또는 산소)를 공급하도록 이중 파이프 구조로 구성되며, 풍구(19)의 선단에 약 1.0∼1.5m의 깊이로 약 220m/sec 이상의 열풍에 의해 형성되는 연소대(40)에 상기 미분탄(PC)을 취입하여 연소가 이루어지도록 한다.

상기와 같이, 노내로 취입된 미분탄(PC)은 주변의 고온의 산소와 반응하여 즉각 연소가 이루어지며, 미분탄(PC)의 취입 후 약 2 ~ 3시간 이내에 노열로 나타나 코크스 대비 쉽고 미세하게 노열을 제어할 수 있다

그런데 미분탄(PC)의 사용량이 늘어날수록 미분탄(PC)의 연소성이 떨어지기 때문에 통상적으로 용선톤당 180kg 이상 사용량을 높이는데 어려움이 있다. 즉, 미분탄(PC)을 효율적으로 사용하기 위해서는 연소성이 매우 중요한데, 미분탄(PC)이 풍구(19) 선단에서 즉시 연소되면, 미분탄(PC) 취입의 목적인 노열 제어에 효과적으로 활용될 수 있으나, 연소성이 떨어질 경우, 풍구(19) 선단에서 연소하지 못하고 미연소 상태로 연소대(40)를 빠져나가면서 오히려 노내 축적되어 통기성을 저하시키는 원인이 된다.

특히, 미분탄(PC)의 사용량을 높일수록 이러한 현상은 더욱 심화될 수 있으며, 미분탄비 변화에 따른 환원제비가 일정하게 유지되지 못하고, 미분탄비를 높일수록 고로의 환원제비가 상승하는 문제점이 있다.

도 2에서, 미설명 부호 "50"은 "미분탄 공급부"를 지칭함.

도 3은 종래 기술에 따른 미분탄 취입용 랜스를 통하여 취입된 미분탄의 연소 메커니즘을 을 설명하기 위한 개념도이다.

도 3을 참조하면, 고로(10)의 풍구(19)로 취입된 미분탄(PC)의 연소 메커니즘은 아래와 같다.

즉, 상기 랜스(30)는 2중 파이프 구조의 내부 파이프(31)를 통하여 미분탄(PC)을 분사하고, 내부 파이프(31)와 외부 파이프(33)를 사이로 냉각가스를 분사하여 랜스(30)의 선단부 냉각을 이룬다.

이때, 랜스(30)를 통하여 분사된 미분탄(PC)은 블로우 파이프(17)를 통하여 풍구(19)로 공급된 열풍에 의해 형성되는 연소대(40)에서 연소되는 과정을 거치게 된다.

도 4는 종래 기술에 따른 미분탄 취입용 랜스의 선단부에 대응하는 도 3의 A 분분의 확대도이다.

즉, 종래 기술에 따른 랜스(30)는 내부 파이프(31)와 외부 파이프(33)로 이루어지는 원형의 2중 파이프 구조로 이루어지고, 상기 풍구(19)에 대응하여 위치되는 랜스(30)의 선단부는 내부 파이프(31)와 외부 파이프(33)가 서로 평행한 직선 타입으로 선단이 서로 일치되어 구성된다.

이에 따라 미분탄(PC)이 내부 파이프(31)를 통하여 직선 타입으로 분사되어 일정거리를 통과하는 일정시간 동안은 열풍과 만나지 못하는 미연소영역(Z)이 발생된다.

즉, 연소대(40)의 길이가 1.5m 가량되고, 풍구 유속이 250m/s로 가정하면, 미분탄(PC)이 연소대(40)에서 연소할 수 있는 시간은 대략 0.006초의 짧은 시간임에도 불구하고, 상기와 같이, 일정시간 동안 미분탄(PC)이 열풍과 만나지 못하는 미연소영역(Z)은 미분탄(PC)의 연소성을 저하시키는 주요 원인이 될 수 있다.

이와 같이, 미분탄(PC)의 연소성 저하는 미분탄비를 늘일 수 없어 용선원가를 높이는 원인되며, Gas 청정설비인 집진설비의 부하를 높이는 등의 단점이 있다.

본 발명의 실시 예는 고로에 미분탄과 냉각가스를 공급하는 랜스용 내부 파이프의 선단부 형상을 확대 형성하여 미분탄(PC)의 분사각을 넓게 함으로써, 미분탄(PC)과 주변 열풍과의 접촉면적을 넓게 확보하여 미분탄의 연소성을 향상시키는 미분탄 취입용 랜스를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명의 실시 예는 랜스용 내부 파이프의 선단부 확대로 냉각가스와의 직접적인 접촉면적을 넓혀 랜스용 내부 파이프의 선단부에 대한 냉각성능을 향상시켜 변형을 최소화하는 미분탄 취입용 랜스를 제공하고자 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 내부 파이프와 외부 파이프가 상호 중첩되는 2중관으로 구성되어 상기 내부 파이프와 외부 파이프 사이로 냉각가스를 배출하면서 상기 내부 파이프로부터 고로의 풍구를 통해 미분탄을 취입하는 미분탄 취입용 랜스에 있어서, 상기 내부 파이프는 상기 외부 파이프의 선단으로부터 일정길이 돌출되어 반경방향 외측으로 점차 확대되어 형성되는 확관부를 포함하는 미분탄 취입용 랜스가 제공될 수 있다.

또한, 상기 일정길이가 15mm ~ 25mm 범위 내에서 설정되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 확관부 선단의 최대 직경이 상기 외부 파이프의 직경보다 작거나 같게 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 확관부 선단이 상기 내부 파이프의 중심으로부터 편심되어 상하방향으로 최대 직경을 갖는 타원형으로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 확관부 선단이 상기 내부 파이프의 중심으로부터 편심된 원형으로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 확관부의 선단에서, 중심선을 지나는 수직선상의 최상측이 상기 중심선에 대하여 외측으로 이루는 각이 상기 풍구 내주 전단부의 상단 내측을 향하도록 각도가 설정되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 확관부의 선단에서, 중심선을 지나는 수직선상의 최하측이 상기 중심선에 대하여 외측으로 이루는 각이 상기 풍구 내주 전단부의 하단 내측을 향하도록 각도가 설정되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시 예는 고로에 미분탄과 냉각가스를 공급하는 랜스용 내부 파이프의 선단부 형상을 확관부로 구성하여 미분탄의 분사각을 넓게 함으로써, 미분탄과 주변 열풍과의 접촉면적을 넓게 확보하여 미분탄의 연소성을 향상시킨다.

이에 따른 미분탄의 연소성 향상으로 미분탄 사용량을 늘려 용선원가를 높일 수 있으며, Gas 청정설비인 집진설비의 부하를 줄이는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 실시 예는 랜스용 내부 파이프의 확관부에 냉각가스가 직접적으로 접촉되는 면적이 넓어져 랜스용 내부 파이프의 선단부에 대한 냉각성능을 향상시켜 변형을 최소화하는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 고로조업의 개략도이다.
도 2는 일반적인 고로 내부에 미분탄을 취입하는 과정을 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 미분탄 취입용 랜스를 통하여 취입된 미분탄의 연소 메커니즘을 을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 종래 기술에 따른 미분탄 취입용 랜스의 선단부에 대응하는 도 3의 A 분분의 확대도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 미분탄 취입용 랜스의 선단부의 확대도이다.
도 6은 종래 기술과 본 발명의 실시 예에 따른 미분탄 취입용 랜스를 통하여 분사되는 미분탄의 분사각에 따른 미분탄과 열풍의 접촉면적을 비교 설명하기 위한 연소 메커니즘의 개념도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 위주로 설명하되, 종래기술에서와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 사용한다.

이러한 실시 예는 본 발명에 따른 일 실시 예로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현할 수 있으므로, 본 발명의 권리범위는 이하에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 미분탄 취입용 랜스의 선단부의 확대도이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 미분탄 취입용 랜스를 통하여 취입된 미분탄의 연소 메커니즘을 설명하기 위한 개념도이다.

도 5와 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 실시 예에서는 이중관 구조를 갖는 미분탄 취입용 랜스(30)를 제공한다.

즉, 본 발명에 따른 실시 예에 따른 미분탄 취입용 랜스(30)는 내부 파이프(31)와, 상기 내부 파이프(31)의 외측으로 중첩되는 외부 파이프(33)로 이루어지는 2중관으로 구성된다.

내부 파이프(31)는 미분탄 공급부(50, 도 2참조)로부터 공급되는 미분탄(PC)을 고로(10)의 풍구(19)를 통하여 고로(10) 내부의 연소대(40)로 취입한다.

또한, 상기 내부 파이프(31)와 외부 파이프(33)의 사이로 미량의 산소를 포함하는 냉각가스가 배출되면서 랜스(30)의 선단부를 냉각시킨다.

여기서, 본 발명의 실시 예에서는 내부 파이프(31)의 선단부가 외부 파이프(33)의 선단으로부터 일정길이 돌출되어 반경방향 외측으로 점차 확대되어 확관부(35)를 형성한다.

이때, 내부 파이프(31)의 내경(d)이 21mm인 경우, 상기 외부 파이프(33)의 선단으로부터 돌출되는 확관부(35)의 길이(L)는 20mm로 적용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 미분탄(PC)의 분사각 설정에 용이하도록 15mm ~ 25mm 범위 내에서 설정될 수 있다.

즉, 상기 확관부(35)는 외부 파이프(33)의 선단에 대응하는 내부 파이프(31)의 선단으로부터 외부 파이프(33)의 외측으로 돌출되면서 반경방향 외측으로 나팔모양과 같이 유연한 곡선을 그리며 벌어지는 형상으로 점차 확관되어 형성된다.

이때, 상기 확관부(35)의 최대 직경(D1)은 외부 파이프(33)의 직경(D)보다 작거나 같게 형성되어야 냉각가스의 흐름을 최대한 방해하지 않으나, 확관부(35)의 돌출 길이(L)가 설정범위 이상으로 긴 경우, 냉각효율을 고려하여 외부 파이프(33)의 직경(D)보다 크게 형성할 수도 있다.

즉, 상기 외부 파이프(33)의 선단으로부터 돌출되는 확관부(35)의 길이(L)가 15mm 보다 작으면, 냉각가스의 흐름을 방해하지 않으면서 미분탄(PC)의 분사각을 확보하기 어려우며, 25mm 이상이면, 확관부(35)의 냉각효율을 보장하기 어렵다.

그리고 본 발명의 실시 예에서는 상기 확관부(35)의 선단이 상하방향으로 최대 직경(D1)을 갖는 타원형으로 형성될 수 있다.

이때, 상기 타원형의 중심(S2)은 내부 파이프(31)의 중심(S1)으로부터 상부로 편심된 위치에 형성된다.

또한, 상기 확관부(35)의 선단은 중심선(SL)을 지나는 수직선(CL)상의 최상측이 상기 중심선(SL)에 대하여 외측으로 이루는 각(θ1)이 25ㅀ이내로 설정되고, 상기 중심선(SL)을 지나는 수직선(CL)상의 최하측이 상기 중심선(SL)에 대하여 외측으로 이루는 각(θ2)이 15ㅀ이내로 설정된다.

이때, 상기 확관부(35)의 선단에서, 중심선(SL)을 지나는 수직선(CL)상의 최상측과 최하측이 상기 중심선(SL)에 대하여 외측으로 이루는 각(θ1,θ2)이 상기 풍구(19) 내주 전단부의 상단 및 하단의 내측을 향하도록 각도가 설정되는 것이 중요하다.

즉, 상기 확관부(35)의 최상측과 최하측의 각(θ1,θ2)이 너무 크게 되면, 분사된 미분탄(PC)이 풍구(19)의 전단부를 지속적으로 타격하게 되며, 풍구(19)의 전단(Tip)부의 마모가 발생하기 때문에 최적의 각도를 유지하는 것이 중요하다.

이와 같이, 본 발명의 실시 예에서는 상기 확관부(35)의 선단이 타원형으로 형성되는 예를 도시하였다. 그러나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 풍구(19)의 형상이나 랜스(30)의 설치 위치 및 설치 각도 등을 고려하여 확관부(35) 선단이 원형 즉, 정원형 또는 상기 수직선(CL)을 기준으로 양측이 대칭인 다양한 원형의 모양으로 형성될 수 있다. 이때, 상기 원형의 중심(S2) 위치는 랜스(30)의 설치 각도가 열풍의 흐름방향과 동일하지 않은 이상, 열풍의 흐름을 고려하여 열풍과의 접촉면적을 최대한 넓게 확보하도록 내부 파이프(31)의 중심(S1)으로부터 편심되게 위치시키는 것이 중요하다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 미분탄 취입용 랜스(30)는 보조열원으로 미분탄(PC)을 풍구(19)를 통해 고로(10) 내부의 연소대(40)로 취입함과 동시에, 풍구(19)를 통하여 불어넣어주는 약 1,200℃의 열풍과 반응시켜 열원과 환원가스를 노내에 공급해 주게 된다. 이때, 풍구(19) 전단에서 2,200℃수준의 가스로 채워져 있는 공동인 연소대(Raceway)(40)는 그 깊이가 1.5m ~ 2m 수준으로 형성되어 노열을 형성한다.

이때, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 랜스(30)는 미분탄(PC)을 분사하는 내부 파이프(31)의 선단부를 나팔모양의 확관부(35)로 적용하여 미분탄(PC)의 분사각을 확대하였다. 물론, 미분탄(PC)의 분사각은 미분탄(PC)이 분사되면서 풍구(19)를 타격하지 않고 터지면서 연소대(40)로 취입되어 최적의 연소상태를 유지할 수 있는 각도를 의미한다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 랜스(30)는 확관부(35)를 통하여 분사각을 넓혀 연소대로 취입되는 미분탄(PC)은 확관부(35)를 통과하면서 퍼지게 되나, 미분탄(PC)의 압력이 노내 압력보다 높기 때문에 미분탄(PC)은 분사되자마자 퍼지게 되며, 이에 따라 종래 기술에 따라 직선 타입으로 분사되던 미분탄(PC)의 퍼짐영역(A2)에 비해 본 발명의 실시 예에 따른 확관부(35)을 통한 퍼짐영역(A1)이 약 5.2배 정도 증가하는 양상을 나타낸다. 이는 미분탄(PC)과 주변 열풍과의 접촉면적이 늘어나 미분탄(PC)의 연소성이 향상되는 것을 의미한다.

이와 같이, 미분탄(PC)의 연소성이 향상됨에 따라 코크스 대비 가격이 저렴한 미분탄(PC)의 취입량을 증가할 수 있고, 이로 인해 용선원가를 낮출 수 있어 원가 경쟁력을 높일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 랜스(30)는 확관부(35)가 냉각가스의 흐름에 직접적으로 접촉되는 곡면으로 이루어져 냉각성능이 우수하여 랜스(30)의 변형을 방지할 수 있다. 즉, 랜스(30)의 내부 파이프(31)와 외부 파이프(33) 사이로 배출되는 냉각가스는 직선 타입인 종래 랜스(30)의 선단부에 비하여 곡면으로 확관된 확관부(35)의 냉각효과가 우수하며, 풍구(19) 전단부의 온도가 2,200℃인 점을 고려할 때, 랜스(30)의 선단부 냉각효과는 매우 중요하다.

이에, 상기한 바와 같은 구성 및 작용을 갖는 본 발명의 실시 예에 따른 미분탄 취입용 랜스(30)를 통하여 미분탄(PC)의 연소성을 향상시켜 집진설비의 부하를 줄임과 동시에, 기존 대비 미분탄비를 10% 이상 높일 수 있다.

이러한 미분탄비의 상승으로 고로의 용선온도를 안정적으로 제어 및 유지할 수 있으며, 무엇보다 용선원가를 낮출 수 있다.

또한, 랜스(30)의 선단부에 대한 냉각성능이 개선되어 랜스(30)의 열변형을 최소화할 수 있다.

이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

10: 고로
11: 이송벨트
13: 장입물
15: 열풍관
17: 블로우 파이프
19: 풍구
21: 융착대
23: 쉿물
25: 출선구
30: 랜스
31: 내부 파이프
33: 외부 파이프
35: 확관부
PC: 미분탄
40: 연소대
50: 미분탄 공급부

Claims (7)

1. 내부 파이프와 외부 파이프가 상호 중첩되는 2중관으로 구성되어 상기 내부 파이프와 외부 파이프 사이로 냉각가스를 배출하면서 상기 내부 파이프로부터 고로의 풍구를 통해 미분탄을 취입하는 미분탄 취입용 랜스에 있어서,
   상기 내부 파이프는 상기 외부 파이프의 선단으로부터 일정길이 돌출되어 반경방향 외측으로 점차 확대되는 확관부를 형성하고, 상기 확관부 선단은 상기 내부 파이프의 중심으로부터 편심된 원형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 미분탄 취입용 랜스.
2. 제1항에 있어서,
   상기 일정길이가 15mm ~ 25mm 범위 내에서 설정되는 것을 특징으로 하는 미분탄 취입용 랜스.
3. 제1항에 있어서,
   상기 확관부 선단의 최대 직경이 상기 외부 파이프의 직경보다 작거나 같게 형성되는 것을 특징으로 하는 미분탄 취입용 랜스.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
   상기 확관부 선단이 상하방향으로 최대 직경을 갖는 타원형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 미분탄 취입용 랜스.
5. 삭제
6. 제1항 또는 제3항에 있어서,
   상기 확관부의 선단에서, 중심선을 지나는 수직선상의 최상측이 상기 중심선에 대하여 외측으로 이루는 각이 상기 풍구 내주 전단부의 상단 내측을 향하도록 각도가 설정되는 것을 특징으로 하는 미분탄 취입용 랜스.
7. 제1항 또는 제3항에 있어서,
   상기 확관부의 선단에서, 중심선을 지나는 수직선상의 최하측이 상기 중심선에 대하여 외측으로 이루는 각이 상기 풍구 내주 전단부의 하단 내측을 향하도록 각도가 설정되는 것을 특징으로 하는 미분탄 취입용 랜스.

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