KR102161598B1

KR102161598B1 - 고로용 열풍로

Info

Publication number: KR102161598B1
Application number: KR1020180101441A
Authority: KR
Inventors: 이동조
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2018-08-28
Filing date: 2018-08-28
Publication date: 2020-10-05
Also published as: KR20200024585A; WO2020045755A1

Abstract

고로용 열풍로는 연소실, 축열실, 버너, 및 플라즈마 점화기를 포함한다. 축열실은 연결관을 통해 연소실과 통해 있으며, 내화벽돌이 설치되어 있다. 버너는 연소실의 하부에 설치되며, 분출구를 통해 연소실 내부로 연료가스와 연소공기를 혼합 분사한다. 플라즈마 점화기는 버너에 설치되며, 버너에서 연료가스와 연소공기가 충돌하며 섞이는 혼합 영역에 플라즈마 제트를 분출하여 점화한다.

Description

고로용 열풍로 {HOT STOVE FOR BLAST FURNACE}

본 발명은 고로용 열풍로에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연소 효율을 증대시키기 위한 고로용 열풍로에 관한 것이다.

고로 조업은 고로 상부로 철광석과 코크스를 장입하고, 고로 하부의 풍구를 통해 약 1,100℃ 내지 1,250℃의 열풍을 공급하는 과정으로 이루어진다. 열풍은 코크스를 연소시켜 CO 가스를 생성하고, CO 가스는 하강하는 장입물 층을 통과 후 상승하면서 철광석을 가열, 환원, 용해시켜 철광석의 불순물과 산소를 제거한다. 이러한 과정으로 용선이 연속적으로 생산된다.

열풍로는 열풍을 제조하여 고로에 공급하는 설비로서, 크게 연소실과 축열실로 구성된다. 연소실에 공급된 연료가스와 연소공기는 수직 상승하며 혼합 및 연소되고, 고온의 연소 후 가스가 축열실에 설치된 내화벽돌에 열을 축적시킨 후 대기로 방출된다. 이후 상온의 대기가 축열실 내부로 송풍되어 승온되며, 승온된 고온의 공기가 연소실을 거쳐 고로에 열풍으로 공급된다.

일반적으로 열풍로는 연소실 하부에 설치된 버너를 통해 연료가스와 연소공기를 공급받는다. 상온의 연료가스와 연소공기는 버너 내부에서 서로 충돌 후 연소실 방면으로 상승하여 점화장치 없이 연소실 벽면의 현열에 의해 자연 점화된다.

그런데 점화장치 없이 자연 점화하는 방식은 연소 시작점이 늦어져 불완전 연소를 야기할 수 있고, 축열실로 수송되는 열이 고르게 퍼지지 못하고 한 곳에 집중되어 축열 효율을 저하시킬 수 있다. 이러한 연소 효율 저하는 고로의 조업 효율 저하와 용선의 원가 상승을 야기한다. 또한, 열풍로의 CO₂ 배출 비중은 약 33%로서, CO₂ 배출량 저감을 위한 연소 효율 개선이 요구되고 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 열풍로 연소실의 연소 효율을 증대시킴으로써 축열실의 축열 효율과 고로의 조업 효율을 높이며, CO₂ 배출량을 저감시킬 수 있는 고로용 열풍로를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고로용 열풍로는 연소실, 축열실, 버너, 및 플라즈마 점화기를 포함한다. 축열실은 연결관을 통해 연소실과 통해 있으며, 내화벽돌이 설치되어 있다. 버너는 연소실의 하부에 설치되며, 분출구를 통해 연소실 내부로 연료가스와 연소공기를 혼합 분사한다. 플라즈마 점화기는 버너에 설치되며, 버너에서 연료가스와 연소공기가 충돌하며 섞이는 혼합 영역에 플라즈마 제트를 분출하여 점화한다.

버너는, 양 측면에 연료가스 공급을 위한 제1 주입관 및 연소공기 공급을 위한 제2 주입관이 접속된 버너 본체와, 연소실과 버너 본체를 연결하는 확장부를 포함할 수 있다. 버너 본체의 하판은 위를 향해 볼록한 한 쌍의 제1 경사면을 구비하여 버너 본체의 내부를 연료가스 영역과 연소공기 영역으로 구획할 수 있다.

버너 본체의 상판은 아래를 향해 볼록한 한 쌍의 제2 경사면을 구비할 수 있고, 분출구는 한 쌍의 제2 경사면 사이에서 슬릿 모양으로 위치할 수 있다. 혼합 영역은 연료가스 영역과 연소공기 영역 사이에서 분출구 바로 아래에 위치할 수 있다.

플라즈마 점화기는 버너 본체의 측벽 중 혼합 영역에 대응하는 위치에서 제1 주입관 및 제2 주입관과 90° 간격을 두고 한 쌍으로 설치될 수 있다. 플라즈마 점화기는 직류 고전압을 이용하여 플라즈마 제트를 발생시키는 아크 방전식 플라즈마 장치로 구성될 수 있다.

플라즈마 점화기는, 버너의 내부와 통하는 반응 공간을 가지며 버너에 결합된 접지 전극과, 반응 공간에 노출된 뾰족한 단부를 구비하며 고전압 전원에 연결된 구동 전극과, 접지 전극과 구동 전극 사이에 설치된 절연체를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 플라즈마 점화기를 이용하여 연료가스와 연소공기의 연소 반응을 촉진시키고, 연료가스의 미연소 현상을 방지할 수 있으며, 안정적인 화염 형성을 유도할 수 있다. 그러한 결과로, 미연소 연료가스에 의한 안전 사고를 예방할 수 있고, 에너지 사용량을 저감하여 용선 제조 원가를 낮출 수 있으며, 연소 후 가스 중 CO와 CO₂ 배출량을 낮출 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고로용 열풍로의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 버너와 플라즈마 점화기의 확대도이다.
도 3은 도 2에 도시한 버너와 플라즈마 점화기의 단면도이다.
도 4는 도 2에 도시한 플라즈마 점화기의 예시를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 1에 도시한 열풍로에서 연료가스와 연소공기의 흐름을 시뮬레이션하여 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5의 부분 확대도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고로용 열풍로의 사시도이다.

도 1을 참고하면, 고로용 열풍로(100)는 수직 방향으로 설치된 연소실(10) 및 축열실(20)과, 연소실(10)의 상부와 축열실(20)의 상부에 결합된 연결관(30)과, 연소실(10)의 하부에 설치된 버너(40)와, 버너(40)에 설치된 플라즈마 점화기(50)를 포함한다.

축열실(20)은 연소실(10)보다 큰 체적을 가지며, 하부가 막힌 관형으로 이루어진다. 축열실(20) 내부에는 축열을 위한 내화벽돌(도시하지 않음)이 설치되어 있다. 연결관(30)은 수평 방향으로 설치되며, 양측 단부가 연소실(10)의 상부와 축열실(20)의 상부에 결합되어 연소실(10)과 축열실(20)을 서로 통하게 한다.

버너(40)는 연소실(10) 내부로 연료가스와 연소공기를 고속으로 분출하며, 분출된 연료가스와 연소공기는 연소실(10) 내부에서 혼합 연소된다. 연료가스는 고로 배가스(blast furnace gas, BFG)와 코크스 오븐 가스(coke oven gas, COG)의 혼합 가스일 수 있으며, 예를 들어 95%의 고로 배가스와 5%의 코크스 오븐 가스를 포함할 수 있다.

연소실(10)에서 연료가스와 연소공기의 혼합 연소에 의해 발생한 고온의 연소 후 가스(exhaust gas)는 연결관(30)을 통해 축열실(20)로 이동하고, 축열실(20)의 내화벽돌에 열을 축적시킨 후 대기로 방출된다. 그리고 상온의 대기가 축열실(20) 내부로 송풍되고, 내화벽돌로부터 열을 빼앗아 승온된다.

승온된 고온의 공기는 연소실(10)을 거쳐 고로에 공급된다. 도 1에서 부호 60은 연소실(10)에 연결 설치되어 고로에 열풍을 공급하는 열풍 배출관을 나타낸다. 그리고 열풍로(100)는 축열실(20)에서 연소 후 가스가 배출되는 경로에 설치된 CO 농도 측정기(70)를 포함한다. CO 농도 측정기(70)는 대기로 방출되는 연소 후 가스의 CO 농도를 측정하여 연료가스의 미연소 현상을 감지한다.

도 2는 도 1에 도시한 버너와 플라즈마 점화기의 확대도이고, 도 3은 도 2에 도시한 버너와 플라즈마 점화기의 단면도이다.

도 2와 도 3을 참고하면, 버너(40)는 수평 방향으로 마주하는 양 측면에서 연료가스와 연소공기를 공급받아 충돌시킨 후 연소실(10)이 위치하는 상측으로 분사하는 구조를 가진다. 구체적으로, 버너(40)는 버너 본체(41)와, 버너 본체(41)의 양 측면에 접속된 제1 주입관(42) 및 제2 주입관(43)과, 버너 본체(41)의 상측에 접속된 확장부(44)를 포함한다.

버너 본체(41)는 대략적으로 상판(411)과 하판(412) 및 측벽(413)으로 구성되며, 세 개의 개구(홀)를 가진다. 세 개의 개구는 연료가스 주입구(OP1)와 연소공기 주입구(OP2) 및 분출구(OP3)를 포함한다.

연료가스 주입구(OP1)와 연소공기 주입구(OP2)는 측벽(413)에서 수평 방향으로 마주하도록 위치하며, 제1 주입관(42)과 제2 주입관(43)이 연료가스 주입구(OP1) 및 연소공기 주입구(OP2)에 각각 접속된다. 제1 주입관(42)은 버너 본체(41)로 연료가스를 공급하고, 제2 주입관(43)은 버너 본체(41)로 연소공기를 공급한다.

버너 본체(41)의 하판(412)은 위를 향해 볼록한 한 쌍의 제1 경사면(45)을 포함할 수 있고, 버너 본체(41)의 상판(411)은 아래를 향해 볼록한 한 쌍의 제2 경사면(46)을 포함할 수 있다. 한 쌍의 제1 및 제2 경사면(45, 46)은 수평 방향을 따라 제1 주입관(42)과 제2 주입관(43) 사이에 위치한다.

분출구(OP3)는 한 쌍의 제2 경사면(46) 사이에 위치하는 슬릿형 개구이며, 확장부(44)의 하단이 분출구(OP3)에 접속된다. 확장부(44)는 위를 향할수록 직경이 커지는 깔때기 형상으로 이루어지고, 확장부(44)의 상단이 연소실(10)의 하단에 결합된다.

도 5는 도 1에 도시한 열풍로에서 연료가스와 연소공기의 흐름을 시뮬레이션하여 나타낸 도면이고, 도 6은 도 5의 부분 확대도이다.

도 5와 도 6을 참고하면, 제1 주입관(42)을 통해 공급된 연료가스와 제2 주입관(43)을 통해 공급된 연소공기는 버너 본체(41) 내부에서 바로 섞이지 않고 상판(411)과 하판(412)의 경사 구조에 의해 독립된 흐름을 보이다가 분출구(OP3)(도 3 참조) 바로 아래에서 서로 충돌하며 섞인다. 연료가스와 연소공기는 확장부(44)를 통해 연소실(10)로 상승하고, 연소실(10)에서 혼합 및 연소된다.

다시 도 3을 참고하면, 버너 본체(41)의 내부 공간은 전술한 상판(411)과 하판(412)의 경사 구조에 의해 대략적으로 연료가스 영역(S1)과 연소공기 영역(S2) 및 혼합 영역(S3)으로 구획된다.

연료가스 영역(S1)은 제1 주입관(42)과 통하는 버너 본체(41)의 일측 공간이고, 연소공기 영역(S2)은 제2 주입관(43)과 통하는 버너 본체(41)의 타측 공간이다. 혼합 영역(S3)은 연료가스 영역(S1)과 연소공기 영역(S2) 사이에 위치하며, 분출구(OP3)를 통해 확장부(44)와 통하는 공간이다.

혼합 영역(S3)은 연료가스 영역(S1) 및 연소공기 영역(S2)보다 작은 체적을 가지며, 버너 본체(41) 중 가장 높은 압력을 가진다.

도 1과 도 2를 참고하면, 연소실(10) 운전은 연료가스 중 고로 배가스(BFG)와 코크스 오븐 가스(COG)의 열량을 간헐적으로 측정하여 연료가스의 공급량을 제어하고, 공연비(공기와 연료의 비율) 1.07을 계산하여 연소공기의 공급량을 제어하는 과정으로 이루어진다. 연소 과정에서 공연비를 맞추지 못하면 안정적인 연소가 이루어질 수 없다.

그러나 연료가스의 95%를 차지하는 고로 배가스(BFG)의 열량은 고로 내부에서 CO 가스가 광석 환원에 이용되는 정도(고로 가스 이용률)에 따라 지속적으로 변동한다. 이러한 변동으로 공연비 불균형이 발생하는데, 공연비 불균형은 크게 연료 과잉과 공기 과잉으로 구분될 수 있다.

연료 과잉에 의한 공연비 불균형은 연료의 불완전 연소를 야기하며, 잔류 연료가스의 폭발 등 안전사고를 일으킬 수 있다. 반면, 공기 과잉에 의한 공연비 불균형은 불이 꺼지는 실화 현상이나 화염 불안정을 야기하며, 공기 승온을 위한 추가 열이 필요하게 되어 열풍로 효율을 크게 저하시킨다.

플라즈마 점화기(50)는 버너 본체(41)에 설치되며, 버너 본체(41)의 내부 공간으로 플라즈마 제트를 분출하여 점화시킨다. 플라즈마 점화기(50)는 버너 본체(41)의 내부 공간 중 연료가스와 연소공기가 충돌하며 섞이는 혼합 영역(S3)에 플라즈마 제트를 분출할 수 있다. 이를 위해 한 쌍의 플라즈마 점화기(50)가 혼합 영역(S3)의 양측에 설치될 수 있다.

한 쌍의 플라즈마 점화기(50)는 버너 본체(41)의 측벽(413)에서 제1 및 제2 주입관(42, 43)과 90° 간격을 두고 위치할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 주입관(42, 43)이 버너 본체(41)의 좌측과 우측에 접속될 때, 한 쌍의 플라즈마 점화기(50)는 버너 본체(41)의 전방측과 후방측에 접속될 수 있다.

플라즈마 점화기(50)가 혼합 영역(S3)의 양측에서 서로 충돌하는 연료가스와 연소공기를 향해 플라즈마 제트를 분출할 때, 연료가스와 연소공기의 연소 반응을 효과적으로 촉진 및 확산시킬 수 있다.

플라즈마는 기체 상태의 분자에 높은 에너지가 공급될 때 발생하며, 전자와 이온이 같은 밀도로 공간 중에 존재하는 이온화된 기체의 일종이다. 열역학적인 관점에서 플라즈마의 전자와 이온 및 중성기체의 에너지는 기체 상태의 분자 에너지보다 수십 내지 수백 배 높으며, 산업용 플라즈마 장치에서 생성되는 기체의 온도는 10,000K 내지 100,000K에 해당하는 고온이다.

플라즈마 점화기(50)가 분출하는 플라즈마 제트의 온도는 수천K 수준이며, 고온의 플라즈마는 열화학 반응에 필요한 열은 물론 저온 조건에서도 점화 반응을 진행시킬 수 있는 화학적 활성종(chemically active speicies, 전자, 이온, 라디칼, 여기된 분자 등)을 발생시킨다. 따라서 플라즈마는 점화를 일으킬 뿐만 아니라 화염의 가연한계를 확장시키는 기능을 한다.

도 4는 도 2에 도시한 플라즈마 점화기의 예시를 나타낸 단면도이다. 도 4를 참고하면, 플라즈마 점화기(50)는 직류 고전압을 이용하여 플라즈마 제트를 발생시키는 아크 방전식 플라즈마 장치일 수 있다.

플라즈마 점화기(50)는, 버너(40)의 내부와 통하는 반응 공간을 형성하며 버너 본체(41)에 결합된 접지 전극(51)과, 반응 공간에 노출된 뾰족한 단부(52)를 구비하며 고전압 전원(54)에 연결된 구동 전극(53)과, 접지 전극(51)과 구동 전극(53)을 절연시키는 절연체(55)를 포함할 수 있다. 접지 전극(51)은 버너 본체(41)와 함께 접지될 수 있다.

구동 전극(53)이 고전압 전원(54)으로부터 직류 고전압을 인가받으면, 접지 전극(51)과 구동 전극(53)간 전위 차에 의해 반응 공간에 아크 플라즈마가 생성된다. 그리고 버너 본체(41)의 혼합 영역(S3)으로 플라즈마 제트가 분사되며, 플라즈마 제트의 고온에 의해 연료가스와 연소공기의 점화가 이루어진다.

다시 도 1을 참고하면, 연소실(10)에서 화염 시작 위치(P1)는 버너(40)와 접하는 연소실(10)의 최하단에 해당한다. 반면, 플라즈마 점화기가 없는 비교예의 열풍로에서 화염 시작 위치(P2)는 버너(40)로부터 일정 거리 이격된 연소실(10)의 중앙부에 해당한다. 비교예의 경우, 불완전 연소를 야기할 수 있고, 축열실(20)로 수송되는 열이 고르게 퍼지지 못하여 축열 효율을 저하시킬 수 있다.

본 실시예의 열풍로(100)는 플라즈마 점화기(50)를 이용하여 연료가스와 연소공기의 연소 반응을 촉진시키고, 연료가스의 미연소 현상을 방지할 수 있으며, 안정적인 화염 형성을 유도할 수 있다. 그러한 결과로, 미연소 연료가스에 의한 안전 사고를 예방할 수 있고, 에너지 사용량을 저감하여 용선 제조 원가를 낮출 수 있으며, 연소 후 가스 중 CO와 CO₂ 배출량을 낮출 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

100: 열풍로 10: 연소실
20: 연결관 30: 축열실
40: 버너 41: 버너 본체
42: 제1 주입관 43: 제2 주입관
44: 확장부 S1: 연료가스 영역
S2: 연소공기 영역 S3: 혼합 영역
50: 플라즈마 점화기

Claims

연소실;
연결관을 통해 상기 연소실과 통해 있으며, 내화벽돌이 설치된 축열실;
상기 연소실의 하부에 위치하며, 양 측면에 연료가스 공급을 위한 제1 주입관과 연소공기 공급을 위한 제2 주입관이 서로 마주하도록 접속되어 내부에서 연료가스와 연소공기가 서로 정면 충돌하며 섞이는 혼합 영역을 구비하며, 상기 혼합 영역의 상측에 분출구가 위치하는 버너 본체와, 상기 연소실과 상기 분출구를 연결하여 상기 연소실 내부로 연료가스와 연소공기를 혼합 분사하는 확장부를 포함하는 버너; 및
상기 버너 본체의 측벽 중 상기 혼합 영역에 대응하는 위치에 설치되며, 상기 혼합 영역에 플라즈마 제트를 분출하여 점화하는 플라즈마 점화기를 포함하는 고로용 열풍로.
제1항에 있어서,
상기 버너 본체의 하판은 위를 향해 볼록한 한 쌍의 제1 경사면을 구비하여 상기 버너 본체의 내부를 연료가스 영역과 연소공기 영역으로 구획하며,
상기 한 쌍의 제1 경사면의 경계는 상기 분출구의 중앙에 대응하는 고로용 열풍로.
제2항에 있어서,
상기 버너 본체의 상판은 아래를 향해 볼록한 한 쌍의 제2 경사면을 구비하고, 상기 분출구는 한 쌍의 제2 경사면 사이에서 슬릿 모양으로 위치하며,
상기 혼합 영역은 상기 연료가스 영역과 상기 연소공기 영역 사이에서 상기 분출구 바로 아래에 위치하는 고로용 열풍로.
제3항에 있어서,
상기 플라즈마 점화기는 상기 버너 본체의 측벽에서 상기 제1 주입관 및 상기 제2 주입관과 90° 간격을 두고 한 쌍으로 설치되는 고로용 열풍로.
제4항에 있어서,
상기 플라즈마 점화기는 직류 고전압을 이용하여 플라즈마 제트를 발생시키는 아크 방전식 플라즈마 장치로 구성되는 고로용 열풍로.
제5항에 있어서,
상기 플라즈마 점화기는, 상기 버너의 내부와 통하는 반응 공간을 가지며 상기 버너에 결합된 접지 전극과, 상기 반응 공간에 노출된 뾰족한 단부를 구비하며 고전압 전원에 연결된 구동 전극과, 상기 접지 전극과 상기 구동 전극 사이에 설치된 절연체를 포함하는 고로용 열풍로.