KR102566705B1 - 질소산화물 저감형 래들커버 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 질소산화물 저감형 래들커버는, 래들 용기본체의 상부개방부 상측에 배치된 커버바디; 및 상기 커버바디에 설치되며, 상기 용기본체의 내측으로 돌출된 버너팁을 가진 버너;를 포함한다.

Description

질소산화물 저감형 래들커버{NITROGEN OXIDE REDUCTION TYPE LADLE COVER}

본 발명은 질소산화물 저감형 래들커버로서, 래들 용기본체의 상부개구부 상측에 배치되는 질소산화물 저감형 래들커버에 관한 것이다.

제강 래들(ladle)은 고온의 쇳물을 이송하기 위한 대형 내화벽 용기로서, 커버에 설치된 버너를 통해 예열한 후 1,000 ~ 1,200°C 내외의 목표온도에 도달하면 입열량을 줄여 보온을 유지하는 과정이 진행된다.

래들에서 발생하는 질소산화물(NOx)은 제강 공장 내부에 환경오염을 일으키기 때문에 질소산화물을 줄이는 것이 필요하다.

그런데, 래들의 질소산화물 저감을 위한 기술은 극소수로서, 유럽(Mock 등)에서 질소산화물 저감을 위한 순산소/공기연소의 영향 및 열효율 개선을 위한 열교환 시스템 개선에 대해 실험과 전산해석을 통해 연구되었다. 또한 무화염연소의 도입을 통해 질소산화물 저감과 함께 온도 분포의 균일도 향상이 가능함을 보인 바 있다.

그러나, 버너가 설치된 래들에서 질소산화물의 발생을 줄일 수 있는 래들의 구조 자체에 대한 연구 및 기술은 부족한 실정이다.

대한민국 등록특허공보 제10-0817111호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 질소산화물을 줄이고 온도 분포의 균일도를 향상시키는 질소산화물 저감형 래들커버를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 질소산화물 저감형 래들커버는, 래들 용기본체의 상부개방부 상측에 배치된 커버바디; 및 상기 커버바디에 설치되며, 상기 용기본체의 내측으로 돌출된 버너팁을 가지며, 연료가스 채널과 공기 채널이 형성된 버너;를 포함하며, 상기 버너팁은 설치면인 상기 커버바디의 하면보다 하측으로 돌출배치되며, 상기 버너팁에 더하여 연소가 다단으로 이루어지도록, 상기 커버바디에 설치되며 상기 버너팁의 둘레에 배치되어 추가연료가 분사되는 추가연료노즐;을 더 포함하며, 상기 추가연료노즐은 연소가 분할되어 이루어지도록 상기 버너팁의 둘레를 따라 복수 개가 일정 간격 이격되게 배치되며, 상기 버너팁은 연료가스가 고속분사되도록 상기 커버바디의 하면에 대응되는 위치로부터 단부 측으로 갈수록 테이퍼지게 형성되며, 상기 용기본체 내부에서 연소된 배가스가 상기 버너로 유입되도록, 상기 커버바디의 하면으로부터 상기 버너까지 이어지게 형성된 배가스유입채널;을 더 포함하며, 상기 배가스유입채널은 상기 버너팁의 둘레를 따라 복수 개가 일정 간격 이격되게 배치되며, 상기 배가스유입채널은 상기 커버바디의 하면 측에 유입부가 형성되고 상기 버너 측에 연결부가 형성되며, 상기 유입부가 상기 연결부보다 확장된 단면적을 가지거나 상기 유입부 측으로 갈수록 단면적이 확장된다.

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본 발명에 따른 질소산화물 저감형 래들커버는 설치면보다 돌출된 버너팁을 가진 버너가 구성됨으로써, 용기본체의 내부에서 공기 순환율(재순환율)을 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 화염의 높은 온도가 낮아지게 되어 질소산화물의 발생을 줄일 수 있다. 나아가, 본 발명은 공기 순환율이 향상되어 공기의 유동이 많아지게 되면 용기본체 내의 평균온도가 증가하게 되며, 이에 따라 열효율을 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.

나아가, 본 발명은 분할 및 다단 연소구성과 함께 고속분사 구성을 기본적인 구성으로 하면서 이에 더하여 버너팁이 설치면보다 돌출된 구성을 취함으로써, 화염의 온도 저하효과가 더욱더 현저하면서도 확실하게 구현됨에 따라, 질소산화물의 발생을 현저하게 줄일 수 있으며, 나아가 공기 순환율 향상으로 용기본체 내의 평균온도를 증가시켜 열효율을 향상시킬 수 있는 장점을 지닌다.

한편, 본 발명은 용기본체 내부에서 연소된 배가스가 버너로 유입되도록, 커버바디의 하면으로부터 버너까지 이어지게 형성된 배가스유입채널이 구성됨으로써, 배가스를 재순환시켜서 연료가스에 혼합하는데, 이에 따라 연소 초기 영역의 산소농도를 낮춤으로써 연료의 기화를 촉진시켜 후류에서의 연소를 가스연소에 가깝도록 하여 질소산화물의 발생을 줄일 수 있으며, 나아가 버너팁을 통해 분사되는 가스의 유량을 증가시켜 화염의 길이를 길게 함으로써 열전달을 증가시킬 수 있는 이점을 가진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질소산화물 저감형 래들커버의 버너와 추가연료노즐을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 질소산화물 저감형 래들커버의 버너와 설치면을 나타낸 도면이다.
도 3은 종래기술에 따른 분할 및 다단 버너를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 분할 및 다단 버너에 의한 실험결과를 나타낸 도면이다.
도 5는 종래기술에 따른 고속분사 버너를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5의 고속분사 버너에 의한 실험결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 질소산화물 저감형 래들커버에 의한 실험결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 4, 도 6, 및 도 7의 실험결과에 따른 수치를 나타낸 표이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 질소산화물 저감형 래들커버를 나타낸 도면이다.
도 11(a)는 배가스유입채널이 없는 종래기술에 따른 실험결과를 나타낸 도면이고, 도 11(b)는 배가스유입채널이 있는 도 9 및 도 10의 질소산화물 저감형 래들커버에 의한 실험결과를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다. 또한, 본 명세서에서, '상', '상부', '상면', '하', '하부', '하면', '측면' 등의 용어는 도면을 기준으로 한 것이며, 실제로는 구성요소가 배치되는 방향에 따라 달라질 수 있을 것이다.

덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 구성요소를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질소산화물 저감형 래들커버의 버너와 설치면(100a)을 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 질소산화물 저감형 래들커버의 버너와 추가연료노즐을 나타낸 도면이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 질소산화물 저감형 래들커버(C)는 커버바디(100)와, 버너(200)를 포함한다.

상기 커버바디(도 9의 100)는 래들에서 용강이 수용되는 용기본체(도 9의 B)에 형성된 상부개방부(도 9의 Ba) 상측에 배치된다.

이러한 커버바디(100)는 용기본체(B)와는 상측으로 일정간격 이격되어 배치됨으로써 이러한 간격을 통해 버너(200) 연소 시 배기가 되도록 한다.

그리고, 상기 버너(200)는 커버바디(100)에 설치된다.

일례로서 상기 버너(200)는 커버바디(100)의 중앙부에 설치될 수 있다.

이러한 버너(200)는 상부에 연료가스가 투입되는 연료가스 투입라인이 연결되고, 하측인 용기본체(B)의 내측으로 화염을 발하도록 버너팁(210)을 구비한다.

여기에서, 상기 버너팁(210)은 용기본체(B)의 내측으로 돌출된 구조를 취한다.

구체적으로, 상기 버너팁(210)은 도면에 도시된 바와 같이 설치면(100a)보다 돌출된 구조를 취하는데, 실질적으로 커버바디(100)의 하면(설치면(100a))보다 하측으로 돌출배치된 구조를 이룬다.

이와 같이 버너팁(210)이 커버바디(100)의 하면보다 용기본체(B)의 내측으로 돌출된 구조를 취함으로써, 용기본체(B)의 내부에서 공기 순환율(재순환율)을 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 화염의 높은 온도가 낮아지게 되어 질소산화물의 발생을 줄일 수 있다. 나아가, 공기 순환율이 향상되어 공기의 유동이 많아지게 되면 용기본체(B) 내의 평균온도는 증가하게 되며, 이에 따라 열효율은 향상된다.

또한, 본 발명은 추가연료노즐(300)을 더 포함할 수 있다.

상기 추가연료노즐(300)은 커버바디(100)에 설치되며 상기 버너팁(210)의 둘레에 배치된다.

이러한 추가연료노즐(300)은 버너팁(210)의 둘레를 따라 복수 개가 일정 간격 이격되게 배치될 수 있는데, 일례로서 도면에 도시된 바와 같이 버너팁(210)의 둘레를 따라 6개가 일정 간격 이격되게 배치될 수 있다.

상기 추가연료노즐(300)에 의해 버너팁(210)의 둘레에서 추가연료가 분할되어 분사되는 경우에는 화염의 온도를 낮출 수 있다.

이와 같이 본 발명은 버너팁(210)에 더하여 추가연료노즐(300)이 구성됨으로써, 연소가 분할되어 이루어지고 아울러 다단으로 이루어짐으로써, 화염의 온도를 낮춤에 따라 질소산화물의 발생을 줄일 수 있다.

상술된 바와 같이 본 발명은 버너팁(210)이 용기본체(B)의 내측으로 돌출되도록 구성됨으로써 공기의 순환율을 향상시켜서 화염의 온도를 낮추며, 복수 개의 추가연료노즐(300)이 버너팁(210) 둘레에 배치되도록 구성됨으로써 분할 및 다단 연소에 의해 화염의 온도를 낮추게 되는데, 특히 버너팁(210)의 돌출구성과 추가연료노즐(300)의 분할 및 다단 연소구성의 조합에 의하여 화염의 온도를 낮추는 작용을 확실하게 구현할 수 있다.

즉, 본 발명은 추가연료노즐(300)에 의한 분할 및 다단 연소구성인 기본적인 구성에 더하여, 버너팁(210)의 돌출구성이 추가로 조합됨으로써, 화염의 온도 저하효과가 더욱더 현저하면서도 확실하게 구현됨에 따라, 질소산화물의 발생을 현저하게 줄일 수 있으며, 나아가 공기 순환율 향상으로 용기본체(B) 내의 평균온도를 증가시켜 열효율을 향상시킬 수 있다.

이에 더하여, 본 발명은 연료가스가 고속분사되도록 구성될 수 있다.

일례로서, 도면에 도시된 바와 같이 버너(200)의 버너팁(210)이 단부 측으로 갈수록 테이퍼지게 형성됨으로써 연료가스를 고속분사할 수 있으며, 이에 따라 공기의 순환율을 더욱 높이게 되어, 질소산화물의 감소율을 더욱 향상시키고 열효율 또한 더욱 증대시킬 수 있다.

도 3은 종래기술에 따른 분할 및 다단 버너를 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3의 분할 및 다단 버너에 의한 실험결과를 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 종래기술에 따른 분할 및 다단 버너(10)는 분할 및 다단 연소를 위해 중앙부의 버너팁(11)이 구성되고, 상기 버너팁(11)의 둘레에 배치되어 연료가스를 분사하는 추가노즐(12)이 구성된다.

이러한 분할 및 다단 버너(10)는 본 발명과 같이 분할 및 다단 연소가 이루어지는데, 본 발명과는 다르게 도 4에 도시된 바와 같이 버너팁(11)이 설치면(100a)보다 돌출된 구조를 취하지 않음으로써, 도 4(b)에 도시된 바와 같이 공기의 순환이 원활하게 이루어지지 않음에 따라, 도 4(a)에 도시된 바와 같이 화염의 온도가 높으며 이로 인하여 도 4(c)에 도시된 바와 같이 많은 질소산화물(X_NO)이 발생하게 된다.

또한, 도 5는 종래기술에 따른 고속분사 버너를 나타낸 도면이고, 도 6은 도 5의 고속분사 버너에 의한 실험결과를 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하면, 종래기술에 따른 고속분사 버너(20)는 연료의 고속분사를 위해 버너팁(21)이 단부 측으로 갈수록 테이퍼지게 구성된다.

이러한 고속분사 버너(20)는 본 발명과 같이 연료가 고속분사되면서 연소가 이루어지는데, 본 발명과는 다르게 도 6에 도시된 바와 같이 버너팁(21)이 설치면(100a)보다 돌출된 구조를 취하지 않음으로써, 도 6(b)에 도시된 바와 같이 공기의 순환이 원활하게 이루어지지 않음에 따라, 도 6(a)에 도시된 바와 같이 화염의 온도가 높으며 이로 인하여 도 6(c)에 도시된 바와 같이 많은 질소산화물이 발생하게 된다.

그리고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 질소산화물 저감형 래들커버에 의한 실험결과를 나타낸 도면이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 질소산화물 저감형 래들커버에 구성된 버너(200)는, 분할 및 다단 연소구성(추가연료노즐(300))과 함께 고속분사 구성을 기본적인 구성으로 하고, 이에 더하여 종래기술들과 다르게 버너팁(210)이 설치면(100a)보다 돌출된 구성을 취함으로써, 도 7(b)에 도시된 바와 같이 공기의 순환이 원활하게 이루어짐에 따라, 도 7(a)에 도시된 바와 같이 화염의 온도가 낮으며 이로 인하여 도 7(c)에 도시된 바와 같이 질소산화물이 발생을 저감시킬 수 있다.

도 8은 도 4, 도 6, 및 도 7의 실험결과를 나타낸 표이다.

도면의 표를 참조하면, 두 번째 줄은 종래기술의 분할 및 다단 버너의 실험결과(도 4의 실험결과)에 대한 수치를 나타낸 것으로서, 연료가스 분사를 1차에는 20%, 2차에는 80%로 하고, 공기 분사를 1차에는 70%, 2차에는 30%로 한 결과, 질소산화물이 159.69ppm이 검출되었다.

또한, 세 번째 줄은 종래기술의 고속분사 버너의 실험결과(도 6의 실험결과)에 대한 수치를 나타낸 것으로서, 연료가스 분사와 공기 분사를 각각 100%로 해서 고속분사 하였으며, 결과적으로 질소산화물이 34.44ppm이 검출되었다.

그리고, 네 번째 줄은 본 발명의 질소산화물 저감형 래들커버에 구성된 버너로서, 분할 및 다단 구성과 고속분사 구성에 더하여, 설치면보다 돌출된 구성에 의한 실험결과(도 7의 실험결과)를 수치로 나타낸 것으로서, 연료가스 분사를 1차에는 20%, 2차에는 80%로 하고, 공기 분사를 100%로 하여 실험한 결과, 질소산화물이 종래기술들에 비하여 현저하게 줄어든 10.74ppm이 검출되었다.

도 9 및 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 질소산화물 저감형 래들커버를 나타낸 도면이다. 또한 도 11(a)는 배가스유입채널이 없는 종래기술에 따른 실험결과를 나타낸 도면이고, 도 11(b)는 배가스유입채널이 있는 도 9 및 도 10의 질소산화물 저감형 래들커버에 의한 실험결과를 나타낸 도면이다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 질소산화물 저감형 래들커버(C)는 배가스유입채널(400)을 더 포함할 수 있다.

상기 배가스유입채널(400)은 용기본체(B) 내부에서 연소된 배가스가 버너(200)로 유입되도록 구성된다.

이때 도 9 및 도 11(b)에서는 버너(200)의 버너팁이 설치면보다 돌출된 구조로 도시되어 있지는 않지만, 상술된 본 발명의 일 실시예와 같이 버너팁이 설치면(커버바디의 하면)보다 돌출된 구조를 취하게 되면, 공기의 순환율이 향상됨에 따라 배가스의 유입이 더욱 원활하면서도 용이하게 유입될 수 있다.

구체적으로, 배가스유입채널(400)은 커버바디(100)의 하면으로부터 버너(200)까지 이어지게 형성된 구조를 취한다. 이때 배가스유입채널(400)은 버너(200) 내부의 연료가스 채널과 공기 채널 중 적어도 어느 하나에 연결될 수 있다.

나아가, 배가스유입채널(400)은 버너팁(210)의 둘레를 따라 복수 개가 일정 간격 이격되게 배치될 수 있다.

더욱 구체적으로, 상기 배가스유입채널(400)은 커버바디(100)의 하면 측에 유입부(410)가 형성되고 버너(200) 측에 연결부(420)가 형성되며, 상기 유입부(410)가 연결부(420)보다 확장된 단면적을 가지거나 유입부(410) 측으로 갈수록 단면적이 확장되는 구조를 취할 수 있다. 이러한 구조에 의하여 배가스의 유입을 보다 원활하면서도 용이하게 하여, 배가스의 재순환율을 증대시킬 수 있다.

이러한 배가스유입채널(400)은 별도의 동력없이 자연적으로 배가스가 유입되어 버너(200)로 유동될 수 있다. 이는 버너(200)에서의 연료가스 고속분사에 의해 고속분사되는 부분의 압력이 낮아지게 됨으로써, 도 11(b)에 도시된 바와 같이 압력이 낮아진 부분(버너(200)의 아래 공간) 측으로 배가스가 유동하면서 자연스럽게 버너(200) 둘레에 배치된 배가스유입채널(400)로 유입된다. 이에 반하여, 도 11(a)의 종래기술에서는 배가스유입채널이 없음에 따라, 배가스가 재순환되지 않고 래들의 용기본체와 래들커버 사이의 이격공간을 통해서 외부로 배기된다.

본 발명은 배가스유입채널(400)에 의하여, 배가스를 재순환시켜서 연료가스에 혼합하여 활용할 수 있다. 이에 따라 연소 초기 영역의 산소농도를 낮춤으로써 연료의 기화를 촉진시켜 후류에서의 연소를 가스연소에 가깝도록 하여 질소산화물의 발생을 줄일 수 있다.

나아가 본 발명은 배가스유입채널(400)에 의하여, 버너팁(210)을 통해 분사되는 가스의 유량을 증가시켜 도 11(b)에 도시된 바와 같이 화염의 길이를 길게 함으로써 열전달을 증가시킬 수 있다.

결과적으로, 본 발명에 따른 질소산화물 저감형 래들커버(C)는 설치면(100a)보다 돌출된 버너팁(210)을 가진 버너(200)가 구성됨으로써, 용기본체(B)의 내부에서 공기 순환율(재순환율)을 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 화염의 높은 온도가 낮아지게 되어 질소산화물의 발생을 줄일 수 있다. 나아가, 본 발명은 공기 순환율이 향상되어 공기의 유동이 많아지게 되면 용기본체(B) 내의 평균온도가 증가하게 되며, 이에 따라 열효율을 향상시킬 수 있다.

나아가, 본 발명은 분할 및 다단 연소구성과 함께 고속분사 구성을 기본적인 구성으로 하면서 이에 더하여 버너팁(210)이 설치면(100a)보다 돌출된 구성을 취함으로써, 화염의 온도 저하효과가 더욱더 현저하면서도 확실하게 구현됨에 따라, 질소산화물의 발생을 현저하게 줄일 수 있으며, 나아가 공기 순환율 향상으로 용기본체(B) 내의 평균온도를 증가시켜 열효율을 향상시킬 수 있다.

한편, 본 발명은 용기본체(B) 내부에서 연소된 배가스가 버너(200)로 유입되도록, 커버바디(100)의 하면으로부터 버너(200)까지 이어지게 형성된 배가스유입채널(400)이 구성됨으로써, 배가스를 재순환시켜서 연료가스에 혼합하는데, 이에 따라 연소 초기 영역의 산소농도를 낮춤으로써 연료의 기화를 촉진시켜 후류에서의 연소를 가스연소에 가깝도록 하여 질소산화물의 발생을 줄일 수 있으며, 나아가 버너팁(210)을 통해 분사되는 가스의 유량을 증가시켜 화염의 길이를 길게 함으로써 열전달을 증가시킬 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

B : 용기본체 C : 질소산화물 저감형 래들커버
100 : 커버바디 100a : 설치면
200 : 버너 210 : 버너팁
300 : 추가연료노즐 400 : 배가스유입채널
410 : 유입부 420 : 연결부

Claims (8)

1. 래들 용기본체의 상부개방부 상측에 배치된 커버바디; 및
   상기 커버바디에 설치되며, 상기 용기본체의 내측으로 돌출된 버너팁을 가지며, 연료가스 채널과 공기 채널이 형성된 버너;를 포함하며,
   상기 버너팁은 설치면인 상기 커버바디의 하면보다 하측으로 돌출배치되며,
   상기 버너팁에 더하여 연소가 다단으로 이루어지도록, 상기 커버바디에 설치되며 상기 버너팁의 둘레에 배치되어 추가연료가 분사되는 추가연료노즐;을 더 포함하며,
   상기 추가연료노즐은 연소가 분할되어 이루어지도록 상기 버너팁의 둘레를 따라 복수 개가 일정 간격 이격되게 배치되며,
   상기 버너팁은 연료가스가 고속분사되도록 상기 커버바디의 하면에 대응되는 위치로부터 단부 측으로 갈수록 테이퍼지게 형성되며,
   상기 용기본체 내부에서 연소된 배가스가 상기 버너로 유입되도록, 상기 커버바디의 하면으로부터 상기 버너까지 이어지게 형성된 배가스유입채널;을 더 포함하며,
   상기 배가스유입채널은 상기 버너팁의 둘레를 따라 복수 개가 일정 간격 이격되게 배치되며,
   상기 배가스유입채널은 상기 커버바디의 하면 측에 유입부가 형성되고 상기 버너 측에 연결부가 형성되며, 상기 유입부가 상기 연결부보다 확장된 단면적을 가지거나 상기 유입부 측으로 갈수록 단면적이 확장되는 질소산화물 저감형 래들커버.
   
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