KR101746909B1 - 극미분 광석 및 부원료를 이용한 베드 버너, 상기 베드 버너를 포함하는 파이넥스 유동 환원로 및 베드 버너의 산화제 취입 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 극미분 광석 및 부원료를 이용한 베드 버너, 상기 베드 버너를 포함하는 파이넥스 유동 환원로 및 베드 버너의 산화제 취입 방법에 관한 것으로서, 중심에 배치되는 내관 및 상기 내관과의 사이에 공간부가 마련되도록 배치되는 외관으로 된 이중관 구조의 산화제 취입관을 가지고, 상기 산화제 취입관의 일 말단은 파이넥스 유동 환원로에 연결되며, 상기 외관 및 내관을 통해 산소 및 질소가 각각 분리 이송되어 상기 파이넥스 유동 환원로에 공급되되, 상기 질소와 함께 극미분 광석 및 파이넥스 유동 환원로의 부원료를 상기 파이넥스 유동 환원로 내로 공급하는 파이넥스 유동 환원로 베드 버너, 상기 베드 버너를 포함하는 파이넥스 유동 환원로를 제공하며, 나아가, 상기 베드 버너의 산화제 취입 방법을 제공한다.

Description

극미분 광석 및 부원료를 이용한 베드 버너, 상기 베드 버너를 포함하는 파이넥스 유동 환원로 및 베드 버너의 산화제 취입 방법{BED BURNNER, FINEX FLUIDIZED REDUCTION FURNACE COMPRISING THE SAME AND METHOD FOR INJECTNG OXIDANTS}

본 기술은 기존 FINEX 유동 환원로에서 광석 유동층의 온도를 올리기 위해 사용 중인 베드 버너(bed burner)에 극미분 광석과 부원료를 취입하여 베드 버너의 조업을 안정화시키는 방법 및 이에 사용되는 베드 버너에 관한 것이다. 또한, 상기 베드 버너를 포함하는 파이넥스 유동 환원로에 관한 것이다.

버너는 연료와 산화제를 반응기에 취입하여 격렬한 산화반응인 연소 반응을 일으킴으로써 이를 통해 열량을 로 내에 공급하는 장치이다. FINEX 유동 환원로의 베드 버너(bed burner)도 버너의 일종으로서, 유동 환원로에 산소와 질소를 적정 비율로 혼합하여 취입하면 유동 환원로 내부에 존재하는 일산화탄소, 수소와 같은 가연성 가스와 반응하여 열이 발생한다. 이를 식으로 나타내면, 아래의 화학 반응식과 같다.

FINEX 유동 환원로의 베드 버너로 인해 위와 같은 반응이 일어나는데, 산소와 질소 비율 제어가 잘못되어 산소가 과다하게 들어갈 경우 화염의 온도가 급격히 높아질 수 있다. 이는 위의 화학 반응식에서 표현한 단열 화염 온도로 설명할 수 있다.

즉, 베드 버너로 취입되는 산소의 농도가 높아지면 순산소 영역에서 연료인 일산화탄소 또는 수소와 반응하여 연소가 일어나는데, 이때 각각의 연료와의 반응에 따른 단열 화염온도는 각각 일산화탄소 2575℃, 수소 3200℃로 높다. 그러나, 질소의 농도가 높아져 공기 중의 질소 농도와 유사하게 되면 연료와의 반응에 따른 단열 화염 온도는 일산화탄소와 수소 모두 약 2100℃로 낮아진다.

따라서, FINEX 유동 환원로의 베드 버너에서 과다한 산소가 취입되면 화염 온도가 높아지고, 국부적인 고온 영역이 형성됨으로 인해 광석의 용융으로 인한 조대한 덩어리가 생성되는데, 이러한 조대한 덩어리는 유동 환원로 내에서의 유동이 저하되어 정체층을 유발할 수 있다. 따라서, FINEX 유동 환원로 내부에 정체층이 형성되면 이러한 고온 영역에서의 유동이 일어나지 않으며, 이로 인해 유동 환원로 하부에서 환원가스를 공급하는 노즐에 상기 덩어리가 쌓임으로써 환원가스의 공급을 저해하여 조업에 문제를 유발하게 된다.

본 발명은 FINEX 유동 환원로에서 승온을 위해 사용되고 있는 베드 버너의 조업을 안정화시키고자 하는 것으로서, 화염의 착화 위치를 FINEX 유동 환원로 벽부에서 중앙으로 이동시켜 승온 효율을 증가시키고, 화염 온도가 국부적으로 높아지는 것을 억제하여 베드 버너에 의한 정체층 형성을 방지하고자 한다.

본 발명의 일 구현예는 파이넥스 유동 환원로 베드 버너에 관한 것으로서, 중심에 배치되는 내관 및 상기 내관과의 사이에 공간부가 마련되도록 배치되는 외관으로 된 이중관 구조의 산화제 취입관을 가지고, 상기 산화제 취입관의 일 말단은 파이넥스 유동 환원로에 연결되며, 상기 외관 및 내관을 통해 산소 및 질소가 각각 분리 이송되어 상기 파이넥스 유동 환원로에 공급되되, 상기 질소와 함께 극미분 광석 및 파이넥스 유동 환원로의 부원료를 상기 파이넥스 유동 환원로 내로 공급하는 파이넥스 유동 환원로 베드 버너를 제공한다.

상기 산화제 취입관은 외관을 통해 극미분 광석 및 파이넥스 유동 환원로의 부원료가 이송되고, 상기 내관을 통해 산소가 이송되어 상기 파이넥스 유동 환원로 내로 공급하는 파이넥스 유동 환원로 베드 버너를 제공한다.

상기 산화제 취입관의 다른 말단과 연결되며, 상기 극미분 광석 및 파이넥스 유동 환원로의 부원료를 저장하여 상기 산화제 취입관의 외관 또는 내관으로 공급하는 혼합조를 포함할 수 있다.

또한, 혼합조는 극미분 광석을 저장하는 극미분 광석 저장조 및 부원료를 저장하는 부원료 저장조와 연결되며, 상기 극미분 광석 저장조 및 부원료 저장조로부터 극미분 광석 및 부원료가 공급되어 혼합될 수 있다.

나아가, 상기 극미분 광석 및 부원료는 질소에 의해 기송되어 파이넥스 유동 환원로로 공급될 수 있다.

본 발명의 다른 구현예는 파이넥스 유동 환원로를 제공하며, 상기 파이넥스 유동 환원로는 상기 파이넥스 유동 환원로 베드 버너를 1 또는 2 이상 포함한다.

나아가, 본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 파이넥스 유동 환원로의 하부 벽면에서 중심을 향해 산소와 질소를 포함하는 산화제를 베드 버너를 통해 공급하되, 상기 산소와 질소는 파이넥스 유동 환원로 내에서 혼합되고, 상기 질소는 극미분 광석 및 파이넥스 부원료와 함께 공급하여, 상기 산화제와 환원가스를 반응시키는 베드 버너의 산화제 취입 방법을 제공한다.

상기 파이넥스 유동 환원로에 공급되는 산화제는 산소가 상기 질소, 극미분 광석 및 파이넥스 부원료에 의해 둘러싸여 공급될 수 있다.

또한, 상기 산화제는 내관과 외관으로 구분된 이중관 구조를 갖는 베드 버너를 통해 공급되되, 상기 외관을 통해 극미분 광석 및 파이넥스 유동 환원로의 부원료가 질소에 의해 기송되며, 상기 내관을 통해 산소가 공급되는 것이 바람직하다.

상기 극미분 광석은 평균 입도가 10㎛ 이하이고, 파이넥스 부원료는 평균입도가 10mm 이하일 수 있으며, 상기 파이넥스 부원료는 돌로마이트, 라임스톤 또는 이들의 혼합물일 수 있다.

한편, 상기 극미분 광석 및 파이넥스 부원료는 질소에 의해 기송될 수 있다.

상기 극미분 광석 및 파이넥스 유동 환원로의 부원료는 파이넥스 유동 환원로 내의 조업 조건에 따라 혼합비를 조절할 수 있다.

본 발명에 따르면, 베드 버너에 가연성 가스와 함께 극미분 광석을 장입함으로써 극미분 광석이 화염 형성을 억제하여 화염의 길이가 길어지고 넓어져 유동로 내부의 온도를 더욱 효율적으로 승온시킬 수 있으며, 또한, 부원료를 함께 장입함으로써 탄산염 계열의 화합물의 소염효과로 인해 화염 온도 및 화염 전파속도를 낮추어 정체층 형성을 억제할 수 있다.

이를 통해 베드 버너의 조업 안정성을 높일 수 있으며, 궁극적으로 FINEX 유동 환원로의 가동률을 높일 수 있어, FINEX 유동 환원로 조업 경쟁력을 향상 및 FINEX 경쟁력을 향상시킬 수 있다.

도 1은 기존의 FINEX 유동 환원로 베드 버너의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 극미분 광석과 부원료를 장입하는 베드 버너의 산화제 취입관의 단면을 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 FINEX 유동 환원로 베드 버너의 구조를 나타내는 도면이다.

이하, 본 고안의 구체적인 예를 첨부도면에 의하여 상세히 설명하면 아래와 같다.

도 1은 FINEX 유동 환원로에 일반적으로 설치되어 있는 가스 취입용 베드 버너의 개략도이다. 상기 베드 버너는 유동 환원로(1)의 온도 하락 시 열원을 공급하기 위한 용도로 사용하는 장치로서, 로 내부의 철광석이 유동 환원로(1)의 하부로부터 공급된 환원가스에 의해 유동되고 있을 때 FINEX 유동 환원로(1) 하부 벽면에서 산소 및 질소를 포함하는 산화제를 산화제 취입관(3)을 통해 취입하여 환원가스 중에 포함되어 있는 일산화탄소 및 수소와 반응하여 다음과 같은 반응식 1 및 2의 반응이 일어난다.

[반응식 1]

[반응식 2]

상기 두 반응은 모두 발열 반응이기 때문에 베드 버너를 가동하면 유동 환원로(1) 내부 온도는 상승한다. 베드 버너는 FINEX 유동 환원로 내부에 원 중심 방향으로 여러 개 설치되어 있으며 필요에 따라 가스 유량을 조절하여 조업한다.

도 2는 본 발명에 따른 산화제를 파이넥스 유동 환원로에 공급하는 산화제 취입관의 단면 구조를 나타내는 단면도이다. 또한, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 베드 버너를 설치한 유동 환원로를 개략적으로 나타낸 도면으로서, 극미분 광석과 부원료를 장입할 수 있는 베드 버너를 포함하는 파이넥스 유동환원로를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명은 파이넥스 유동 환원로(1)에 산화제와 함께 극미분 광석 및 파이넥스 유동 환원로의 부원료를 산화제 취입관(3)을 통해 공급함으로써, 도 1과 관련하여 설명한 바와 같이, 산화제와 환원가스간의 반응을 도모함에 있어서, 화염의 착화 위치를 FINEX 유동 환원로 벽부에서 중앙으로 이동시키고, 화염의 길이가 길고 넓게 형성하도록 함으로써 유동 환원로(1) 내부의 온도를 더욱 효율적으로 승온시키며, 또, 소염효과로 인한 화염 온도 및 화염 전파속도를 낮추어 정체층 형성을 억제하고자 한다.

본 발명의 베드 버너는 도 2에 나타낸 바와 같이, 중심에 배치되는 내관(33) 및 상기 내관과의 사이에 공간부가 마련되도록 배치되는 외관(31)으로 된 이중관 구조를 가지며, 상기 이중관의 일 말단은 파이넥스 유동 환원로에 연결된 산화제 취입관(3)을 포함한다.

상기와 같은 산화제 취입관(3)을 통해, 산화제로서 산소와 질소가 공급되되, 상기 산소와 질소는 각각 이중관의 내관(33) 및 외관(31)을 통해 분리 공급된다. 이때, 상기 산소와 질소의 공급은 분리 공급되는 것이면 충분한 것으로서, 내관(33) 및 외관(31) 중 어느 곳을 통하더라도 무방하다.

다만, 상기 질소가 공급됨에 있어서는 극미분 광석 및 파이넥스 유동 환원로의 부원료와 함께 공급하는 것이 바람직하다.

상기 극미분 광석이라 함은 제철 공정 중에 발생하는 분진을 건식 집진 설비에 의해 포집한 더스트 또는 습식 집진 설비에 의해 포집된 슬러지를 건조한 것으로서, 그 종류는 특별히 한정하지 않는다.

산화제와 함께 극미분 광석을 파이넥스 유동 환원로(1)에 공급하는 경우, 산화제가 공급되는 산화제 취입관(3)의 출구 부근인 유동 환원로(1)의 벽면에서 환원가스와 반응하여 발화하는 것을 억제할 수 있다. 이로 인해 산화제가 보다 유동 환원로(1)의 중심부로 이동할 수 있으며, 따라서 화염의 길이를 길게 하고, 또 넓게 형성할 수 있다.

이와 같이, 파이넥스 유동 환원로(1)에 극미분 광석을 장입하는 경우, 화염의 온도는 통상 1800℃ 이상으로 형성할 수 있으며, 철광석의 상압에서 용융 온도가 1535℃이기 때문에 광석 표면에서 일부 용융을 일으킬 수 있다. 광석이 격렬하게 운동하는 FINEX 유동 환원로(1) 내부에서 상기 융융된 광석을 중심으로 극미분 광석들간의 마찰 또는 기 장입되어 있던 분광석들과의 마찰에 의해 괴성화가 일어난다. 이로 인해 장입된 극미분 광석은 입도가 커져 FINEX 유동 환원로(1)에 장입 시 비산되지 않고 사용할 수 있는 효과도 도모할 수 있다.

이와 같은 극미분 광석은 상기 산화제 취입관(3)을 통해 공급되는 질소를 캐리어 가스로 하여 기송 공급되는 것으로서, 그 입도가 작을수록 바람직하나, 예를 들어, 상기 극미분 광석의 입경은 특별히 한정하지 않으나, 10㎛ 이하의 입경을 갖는 것을 사용할 수 있다. 통상 집진 설비에 의해 포집되는 더스트는 수마이크로미터의 입경을 갖는 극미분 광석으로서, 본 발명에 적합하게 적용할 수 있다.

또한, 상기 파이넥스 유동 환원로의 부원료(이하, 단순히, '부원료 '라고도 한다.)로는 예를 들어, 돌로마이트 또는 라임스톤 등의 탄산염계 화합물을 포함하는 광물을 들 수 있다. 이러한 탄산염계 화합물은 CO₃를 포함하므로, 아래 반응식 3과 같은 반응이 일어나 탄산염계 화합물에 의한 소염 효과를 얻을 수 있다.

[반응식 3]

부원료 중에 포함된 CaCO₃는 840℃에서 열분해 반응이 일어나 CaO와 CO₂로 분해되며, 이에 의해 발생한 CO₂에 의해 화염 생성이 억제되어 온도를 낮출 수 있다. 이러한 부원료를 산화제와 함께 파이넥스 유동 환원로(1)에 공급하는 경우, 상기와 같은 소염 효과로 인해 화염 온도 및 화염 전파 속도를 낮출 수 있으며, 이로 인해 유동 환원로(1) 내부의 국부적인 정체층 형성을 억제할 수 있다.

상기 부원료 역시 산화제 취입관(3)을 통해 공급되는 질소를 캐리어 가스로 하여 기송 공급되는 것으로서, 그 입도가 작을수록 바람직하다. 그러나, 유동 환원로(1)에 공급하는 산화제의 공급속도는 산화제 공급량, 산화제 취입관(3)의 직경 등의 제반 조건에 따라 변경될 수 있는 것으로, 특별히 한정하지 않으나, 통상적인 파이넥스 유동 환원로(1)의 산화제 취입 조건을 고려할 때, 8mm 이하의 입경을 갖는 것이 바람직하다.

상기 극미분 광석 및 부원료는 질소와 함께, 상기 산화제 취입관(3)의 외관(31) 및 내관(33) 중 어느 하나의 관을 통해 공급될 수 있는 것으로서 특별히 한정하지 않는다. 다만, 상기 극미분 광석 및 부원료는 질소와 함께 외관(31)을 통해 공급되는 것이 보다 바람직하다. 상기 극미분 광석 및 부원료가 질소와 함께 외관(31)을 통해 공급되는 경우, 내관(33)을 통해 공급되는 산소를 포위하게 되어, 파이넥스 유동 환원로(1)의 벽면에서 산소와 환원가스의 반응에 의해 발화하는 것을 보다 억제할 수 있다.

이와 같이, 산화제와 함께 극미분 광석 및 부원료를 함께 공급함으로써 극미분 광석이 화염 형성을 억제하여 화염의 길이가 길어지고 넓어져 유동로 내부의 온도를 더욱 효율적으로 승온시킬 수 있고, 부원료로 사용하고 있는 탄산염 계열의 화합물은 상기 반응식 3의 열분해 반응에 의해 생성되는 이산화탄소에 의한 소염효과로 화염 온도 및 화염 전파속도를 낮추어 온도 상승을 억제하고 결과적으로 정체층 형성을 방지할 수 있다. 이로 인해, 베드 버너의 조업 안정성을 높일 수 있으며, 궁극적으로 FINEX 유동 환원로의 가동률을 높일 수 있어, FINEX 유동 환원로 조업 경쟁력을 향상 및 FINEX 경쟁력을 향상시킬 수 있다.

상기와 같은 극미분 광석 및 부원료의 특성을 이용함으로써 베드 버너의 조업효율을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 극미분 광석의 혼합비율은 조업 조건에 따라 승온이 목적인 경우에는 극미분 광석량을 증가시켜 유동 환원로 전체에서 산화제와 환원가스의 반응에 의한 발화를 도모함으로써 유동 환원로 전반에 걸쳐 온도 상승을 도모할 수 있다. 또한, 베드 버너 조업 도중 정체층 형성이 우려될 때에는 부원료의 장입량을 늘림으로써 소염 효과에 의한 국부적인 온도 상승을 억제하여 정체층 형성을 방지할 수 있어, 베드 버너의 조업효율을 증가시킬 수 있다.

상기와 같은 산화제 취입관(3)을 포함하는 베드 버너는 도 3에 나타낸 바와 같이, 일 말단이 상기 파이넥스 유동 환원로(1)와 연결되며, 다른 말단은 혼합조(9)에 연결된다. 상기 혼합조(9)는 극미분 광석 및 파이넥스 유동 환원로의 부원료를 혼합 저장하여 공급하는 저장조로서, 조업 조건에 따라 환원로(1)에 상기 극미분 광석 및 부원료를 적당량 공급한다. 이때, 질소가 외관(31) 또는 내관(33) 중 공급되는 위치에 따라 상기 베드 버너의 외관(31) 또는 내관(33)에 상기 혼합조(9)가 연결될 수 있다.

한편, 상기 혼합조(9)는 필요에 따라 극미분 광석 저장조(5) 및 부원료 저장조(7)와 연결되어 상기 극미분 광석 및 부원료를 혼합조(9)에 공급한다. 이때, 조업 조건에 따라 혼합조(9)에 공급되는 극미분 광석 및 부원료의 혼합비를 조절하여 공급할 수 있다.

상기와 같은 베드 버너는 유동 환원로(1)에 1 또는 2 이상 설치될 수 있는 것으로서, 특별히 한정하지 않는다. 2 이상의 복수 개의 베드 버너가 설치되는 경우에는 유동 환원로(1)의 원 중심을 향하여 배치될 수 있다.

1 파이넥스 유동 환원로
3 산화제 취입관
5 극미분 광석 저장조
7 부원료 저장조
9 혼합조
31 외관
33 내관

Claims (12)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 파이넥스 유동 환원로의 하부 벽면에서 중심을 향해 산소와 질소를 포함하는 산화제를 내관과 외관으로 구분된 이중관 구조를 갖는 베드 버너를 통해 공급하되, 상기 산소와 질소는 파이넥스 유동 환원로 내에서 혼합되며, 상기 내관을 통해 산소가 공급되고, 상기 외관을 통해 상기 질소가 극미분 광석 및 돌로마이트, 라임스톤 또는 이들의 혼합물인 파이넥스 부원료와 함께 공급되어, 상기 산화제와 환원가스의 반응을 수행하며,
   CaCO₃를 포함하는 부원료의 장입량을 증가시켜 상기 CaCO₃의 열분해 생성물인 CO₂에 의한 소염을 도모하여 정체층 형성을 방지하는 베드 버너의 산화제 취입 방법.
   
8. 제 7항에 있어서, 상기 파이넥스 유동 환원로에 공급되는 산화제는 상기 산소가 상기 질소, 극미분 광석 및 파이넥스 부원료에 의해 둘러싸여 공급되는 것인 베드 버너의 산화제 취입 방법.
   
9. 삭제
10. 제 7항에 있어서, 상기 극미분 광석은 평균 입도가 10㎛ 이하이고, 파이넥스 부원료는 평균입도가 10mm 이하인 베드 버너의 산화제 취입 방법.
    
11. 삭제
12. 삭제

Images