KR19990037405A - 분사 스트림을 용광로 내에 제공하기 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

분사 스트림을 용광로 내에 제공하는 방법으로서, 연료 및 고온의 산소가 분사 공기 내에 제공되며, 고온의 산소는 분사 공기의 온도 및 속도보다 더 큰 온도 및 속도를 가지며, 이러한 연료 및 고온의 산소는 분사 스트림내에서 용광로 내부로 통과하기 이전에 연소를 개시한다.

Description

분사 스트림을 용광로 내에 제공하기 위한 방법
본 발명은 용광로(blast furnnace)의 작업에 관한 것이며, 특히 분사 공기 스트림(blast air stream)에 산소가 부가되는 용광로의 작업에 관한 것이다.
용광로는 강 제조를 위한 고순도 철의 주 공급원이다. 고순도의 철은 강으로부터 화학적으로 제거하기 어려운 구리와 같은 유해 요소가 최저 수치를 갖는 최고 품질의 강 제조를 위해 요구된다. 용광로는 망간철 및 납과 같은 다른 금속의 제조시에 또한 사용된다.
일반적으로, 금속 코우크스(metallurgical coke)가 용광로 공정 내에서 소모되는 주 연료이며 환원 가스 공급원이다. 철 광석과 같은 코우크스, 용제(flux), 및 광석은 로의 상단에서 층을 이루어 장입되며, 고온의 공기 분사는 로의 바닥 내부로 발생한다. 공기는 코우크스와 반응하여 공정용 열을 발생하며 코크스, 용제, 및 광석을 예열시키는 환원 가스를 발생하며, 공기가 로를 통해 흐름에 따라 철광석이 철로 전환된다. 가스는 로의 상층으로 배출되며 공기 분사를 예열시키기 위한 연료로 일부 사용된다.
금속 코우크스는 공기 부재시 석탄을 가열하여, 석탄의 휘발성 성분을 없앰으로써 형성된다. 이러한 휘발성 성분의 다수는 환경 및 인체에 유해하며, 최근 몇 년간의 코우크스 제조는 점차 규제가 강화되고 있다. 이러한 규정에 따르는 비용은 코우크스 제조시 작업 비용을 상승시키고 신규 코우크스 제조 설비에 요구되는 자본은 증가된다. 그 결과, 코크스의 공급은 줄어들며 가격은 상승한다. 이러한 요인들은 용광로 작업자들이 코우크스의 양을 감소시키며 대체물로 로 내에 대안의 다량의 화석 연료를 고온 연료 분사 공급원에 분사시키도록 초래한다. 분사되는 대부분의 화석 연료는 미분탄(pulverized coal), 입상 석탄, 및 천연 가스이다. 경제적인 이유로 미분탄 및 입상 석탄이 바람직하다.
환원 가스가 로 내부를 흐름에 따라 코우크스는 환원 가스에 의해 예열된다. 반대로, 대안의 화석 연료는 주위 온도에서 분사된다. 따라서, 용광로 공급원 내부로의 이러한 화석 연료의 부가는 연료로서 코우크스만이 사용될 때 발생하지 않는 로에 열 하중을 부가시킨다. 용광로의 작업자는 분사 공기에 산소를 부가함으로써 이러한 문제점을 해결하였으며, 이는 다소 잇점을 갖는 것으로 나타났다. 그러나, 산소를 부가할 때에도, 보다 많은 화석 연료 분사시 용광로 작업은 분사된 화석 연료의 불포화 또는 불완전 연소와 관련된 용광로의 작업 문제로 인해 달성될 수 없다.
따라서, 본 발명은 목적은 용광로의 개선된 작업을 가능케하는 용광로 내부에 연료 및 산소가 연속적으로 통과하는 분사 공기를 제공하는 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 방법이 수행되는 시스템를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 용광로의 상류인 용광로 스트림 내부로 연료 및 산소의 공급을 위한 바람직한 시스템을 횡단면으로 도시한 상세도.
도 3 내지 도 5는 본 발명에서 얻어진 결과와 종래의 실시예에서 얻어진 결과를 비교 목적으로 그래프로 도시한 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 주위 공기 2 : 히터
3 : 분사 공기 스트림 4 : 연료
7 : 송풍구 8 :연료 랜스
분사 스트림을 용광로 내부로 제공하기 위한 방법은
(A) 분사 공기 속도 및 분사 공기 온도를 갖는 분사 공기 스트림을 발생시키는 단계와,
(B) 연료를 분사 공기 스트림에 통과시키는 단계와,
(C) 분사 공기 속도를 초과하는 속도와 분사 공기 온도를 초과하는 온도를 갖는 산소 제트(oxygen jet)를 분사 공기 스트림 내부로 분사시키는 단계와,
(D) 고온의 분사 스트림을 발생하기 위해 분사 공기 스트림 내의 산소를 연료와 연소시키는 단계와, 그리고
(E) 고온의 분사 스트림을 용광로 내부로 통과시키는 단계를 포함한다.
본 명세서에 사용되는 용어 "산소"는 적어도 50 몰%의 산소 농도를 갖는 유체를 의미한다.
본 명세서에 사용되는 용어 "용광로"는 용융 금속에서 산화물을 감소시키기 위해 사용되는 도가니 로(crucible-like hearth)위에 놓여진 수직 충전물을 갖는 기다란 축 형상의 로를 의미한다.
본 발명은 분사 공기 스트림 내에 고온 및 고 산소 농도의 영역을 발생시킴으로써 연료의 개선된 점화 및 연소 조건을 제공하는 것이다. 본 발명은 도면을 참조하여 보다 상세히 기술되어질 것이다.
도 1을 참조하면, 주위 공기(1)는 히터(2)를 통과함으로써 가열되며, 히터로부터 125 내지 275 mps(미터/분) 범위내의 속도와 870 내지 1320 ℃ 범위내의 온도를 갖는 분사 공기 스트림(3)으로 방출한다. 분사 공기 스트림은 용광로의 측벽 내에서 송풍구(tuyere)와 연통하는 취관(blowpipe) 내에서 이동한다.
연료(4)는 취관 또는 송풍구 내에서 분사 공기 스트림 내부로 부가된다. 연료는 산소와 연소하는 임의의 유효 연료이다. 이러한 연료들은 미분, 입상, 또는 분말 석탄, 천연 가스 및 코우크스 오븐 가스와 같은 석탄으로 불려질 수 있다. 바람직한 연료는 미분탄, 입상 석탄 또는 분말 석탄이다.
산소 제트(5)는 취관 또는 송풍구 내에서 분사 공기 스트림 내부로 분사된다. 산소 제트는 적어도 50 몰%의 산소 농도를 가지며 85 몰% 이상의 산소 농도를 가질 수 있다. 산소 제트는 분사 공기 스트림(3)의 속도를 초과하고 바람직하게 분사 공기 스트림의 적어도 1.5배의 속도를 갖는다. 일반적으로, 산소 제트는 350 내지 850 mps의 속도를 갖는다. 바람직하게, 산소 제트 속도는 음속의 절반이다. 예를 들어, 음속은 1370℃에서 780mps 이며, 1650℃에서 850mps 이다. 산소 제트는 분사 공기 스트림(3)의 온도를 초과하며 대략 1200 내지 1650℃의 범위를 갖는다. 본 발명의 제한된 고온 산소 제트를 발생시키기 위한 방법이 안델슨(Anderson)에 의한 미국 특허 제 5266024호에 기술되어 있다.
도 2는 분사 공기 스트림 내부로 연료 및 고온 산소의 제공을 보다 상세히 도시하고 있다. 도 2를 참조하면, 분사 공기 스트림(3)은 용광로의 측벽내의 송풍구(7)와 연통하는 취관(6) 내부로 흐른다. 실질적으로, 용광로의 외주부 둘레로 다수의 송풍구가 있으며 이러한 경우 하나 이상의 송풍구는 용광로를 통해 본 발명의 실시예에 의해 발생된 분사 스트림을 통과시킨다. 미분, 분말, 또는 입상 석탄 등의 연료는 연료 랜스(8)를 통해 취관(6) 내의 분사 공기 스트림 내부로 제공되며, 고온의 산소는 고온의 산소 랜스(9)를 통해 취관(6) 내의 분사 공기 스트림(3) 내부로 제공된다.
고속 및 고온의 산소 제트의 높은 운동량은 연료를 제트 내부로 혼합하거나 동반하는 강력한 혼합 작용을 발생한다. 더욱이, 고온의 산소 제트는 연료가 휘발성 물질을 함유하고 있을 때 휘발분을 제거시킨다. 고온의 산소 제트로 인해, 연료와 연소를 개시하기 위해 필요한 분사 공기 스트림과의 부가적인 혼합은 없다. 반대로, 산소 제트가 주위 온도 또는 준-주위 온도(near-ambient)에서 분사된다면, 연료를 점화시키기 위한 충분한 열을 제공하기 위해 분사 공기와의 혼합이 필요하다. 분사 공기와의 혼합은 점화 및 연소에 유해한 산소 제트에 보다 낮은 산소 농도를 갖는다. 따라서, 본 발명은 점화가 보다 많은 산소 상태에서 발생할 수 있는 조건을 발생시킴으로써 강화된 연소를 위해 분사된 산소를 효과적으로 이용한다. 본 발명의 방법은 종래의 용광로 작업에서 화석 연료 분사물을 제한하는 분사된 연료의 불포화 연소 또는 불완전 연소와 관련된 작동 문제점을 경감시킨다.
바람직하게, 고온의 산소 랜스는 연료 랜스와 동일하거나 유사한 각도에서 취관의 벽을 통해 관통하며, 고온의 산소 랜스의 첨두 부분은 실질적으로 연료 랜스의 첨두 부분과 밀접한 산소 제트가 분사된 연료 스트림을 교차하도록 위치되어 있다. 두 개의 랜스의 첨두 부분 사이의 거리는 산소 제트의 초기 직경을 한정하는 고온 산소 출구 노즐 직경의 대략 5배 내지 50배 사이에서 변화한다. 보다 근접한 거리는 연료 랜스의 과열을 초래하는 혼합용 고 운동량 전달을 제공한다. 보다 떨어진 거리는 공기 분사에 의한 과다한 희석 및 고온 산소 스트림의 냉각을 초래한다. 그러나, 거리 범위 내에서, 고온의 산소 랜스 첨두 부분은 취관 벽과 동일한 높이에 위치될 수 있으며, 공기 분사에 대한 보호 및 랜스 수명의 연장을 제공한다. 고속 및 고 운동량으로 인해, 고온의 산소 제트는 분사 공기 스트림을 가로질러 통과할 수 있으며 분사된 연료와 혼합될 수 있다.
분사 공기 스트림 내에 고온 산소와 연료의 연소는 고온의 분사 스트림(10)을 발생한다. 도 1를 다시 참조하면, 고온의 분사 스트림(10)은 용광로(11) 내부로 통과하여 용광로 내에서 열과 환원 가스를 발생시키는데 사용된다. 배출 가스는 배기 스트림(12)내의 용광로(11)로부터 제거된다.
본 발명에 따른 잇점을 비교 설명하기 위해 하기의 실시예가 제공되어 있다. 이는 본 발명을 제한하려는 것이 아니다.
도 3 및 도 4는 시험 크기의(pilot-scale) 취관 내에서 연구되어진 4가지의 경우에 대한 총괄 연소(burnout), 휘발성 물질 제거(VM), 고정된 탄소 연소(FC)의 결과를 그래프로 도시하고 있다. (1) 기준치, 분사 공기 스트림에 산소가 제공되지 않는다. (2) 부화, 분사 공기 히터의 상류부문의 주위 온도에서 산소가 제공된다. (3) 냉각 분사, 주위 온도에서 도 2에 도시되어진 것과 유사하게 분사 공기 스트림 내부로 산소가 제공된다. (4) 고온 분사, 이에 따른 방법은 도 2에 도시되어진 것과 유사한 방식으로 사용된다. 각각의 경우, 분사 공기 스트림은 160 mps의 분사 공기 속도와 900℃의 분사 공기 온도를 갖는다. 연료는 상업상 용광로 작업에서 사용되는 종류의 고 휘발성 분쇄 석탄이며 도포 1에 분석표가 나타나 있다. 연료는 두 개의 흐름 속도, 도 3에 도시되어진 결과 7.5 kg/hr(Kilogram per hour), 및 도 4에 도시되어진 결과 9.5 kg/hr에서 분사 공기 스트림 내부로 제공된다.
도표.1 석탄 분석
근사 분석 중량(%) 최종 분석 중량(%)
수분 1.19 탄소 77.5
재 7.13 수소 5.1
휘발성 물질 34.94 질소 1.4
고정 탄소 56.75 황 1.0
산소 6.7
숯(char)은 석탄 분사점의 0.75m 하류부분에서 물로 냉각시킴으로써 수집된다. 총괄 석탄 연소 분율(T)은 원 석탄의 회분 함량 (A0)과, 수집된 숯의 회분 함량 (A1)의 화학 분석에 의해 결정된다.
관련식은,
휘발성 물질의 방출(R), 및 고정 탄소(c)의 연소는 회분, 휘발성 물질(V0),및 석탄 내의 고정 탄소(F0)의 화학적 분석,그리고 회분, 휘발성 물질(V0),및 숯 내의 고정 탄소(F1)의 화학적 분석에 의해 결정되며, 관련식은
산소가 사용될 때, 3.7 Nm3/hr의 공기 흐름은 산소로 대체된다. 부화 시험에서, 공기 및 산소는 주위 온도에서 혼합되며, 혼합물은 900℃에서 가열되어, 총괄 가스 흐름율, 속도, 및 온도는 기본 경우에서와 같이 동일하며, 산소 부가물이 가열되지 않았으므로 온도는 더욱 낮다. 주위 산소의 노즐 속도는 60 mps, 또는 분사 공기 속도의 0.375배이다. 주위 분사 시험용 산소는 대략 99.99%의 순도를 갖는다. 고온의 분사 시험에 있어서, 미국 특허 제 5,266,024호에 기술되어진 방법을 이용하여 산소가 발생하는 것과 대략 375 mps의 속도, 또는 분사 공기 속도의 2.34배에서 1565 ℃의 고온의 산소를 제공하기 위해 고온의 산소 랜스로부터 분사 공기 스트림 내부로 통과하는 것을 제외하고는 동일한 조건이다. 이러한 경우, 산소는 대략 80 몰 %의 산소 농도를 갖는다.
도 3 및 도 4는 각각 7.5 kg/hr 및 9.5 kg/hr의 석탄 분사 속도에 대한 각각의 경우 총괄 연소, 휘발성 물질 방출, 및 고정 탄소 연소를 비교하고 있다. 도 3 및 도 4에 나타난 결과로부터 도시되어진 것과 같이, 고온의 산소 사용은 각각의 범주에서 고도의 성능을 나타낸다. 사실상, 고온의 산소의 사용으로 보다 높은 석탄을 분사하는 능력을 나타내고 있는 고온의 산소로 대략 9.5 kg/hr의 총괄 연소는 7.5 kg/hr에서 다른 경우에서보다 더 높다.
취관/송풍관 내에서 연소되지 않는 임의의 숯은 로 내에 유입되며 코우크스와 경쟁하여 연소된다. 숯이 충분하게 반응하지 못하면, 광석/코우크스 층을 접속하기 위해 로 위로 상승한다. 로 조건 하에서 반응력을 정량화시키기 위해 부가적인 시험이 수집된 숯 상에서 처리된다. 숯 샘플은 2%의 산소와 5%의 산소를 함유하는 대기 하에서 중량 측정 분석기 내에서 대략 1700 ℃에서 반응한다. 반응력은 숯의 중량 손실율에 의해 측정된다. 도 5는 각각의 경우와 용광로 송풍구 코우크스 샘플에서 테스트로부터 수집된 숯에 대한 결과를 도시하고 있다. 모든 숯 샘플은 코크스에 우세하게 연소하며 그 결과 벗어날 수 없거나 플러깅(plugging)을 초래함을 나타내는 송풍구 코우크스보다 높은 반응력을 갖는다. 고온의 산소 사용으로 발생된 숯은 가장 큰 반응성을 가지며, 용광로 작업에서 종래의 산소 사용보다 본 발명에 따른 고온의 산소 사용으로 더 큰 잇점을 갖는다.
본문의 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 본 기술 분야의 숙련된 당업자들은 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 의해 용광로 내부에 연료 및 산소가 연속적으로 통과하는 분사 공기를 제공함으로써 용광로의 개선된 작업을 가능케 한다.

Claims (6)

  1. 분사 스트림을 용광로 내에 제공하기 위한 방법에 있어서,
    (A) 분사 공기 속도 및 분사 공기 온도를 갖는 분사 공기 스트림을 발생시키는 단계와,
    (B) 연료를 상기 분사 공기 스트림에 통과시키는 단계와,
    (C) 상기 분사 공기 속도를 초과하는 속도와 상기 분사 공기 온도를 초과하는 온도를 갖는 산소 제트를 분사 공기 스트림 내부로 분사시키는 단계와,
    (D) 고온의 분사 스트림을 발생하기 위해 상기 분사 공기 스트림 내의 산소를 연료와 연소시키는 단계와, 그리고
    (E) 상기 고온의 분사 스트림을 용광로 내부로 통과시키는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 연료는 석탄을 포함하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 분사 공기 스트림 내부로 분사된 상기 산소의 온도는 대략 1200 내지 1650℃의 범위인 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 분사 공기 스트림 내부로 분사된 상기 산소의 속도는 적어도 음속의 절반인 방법.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 분사 공기 스트림 내부로 분사된 상기 산소의 속도는 상기 분사 공기 속도의 적어도 1.5배인 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 산소 제트는 상기 분사 공기 스트림 내부로 분사될 때 초기 직경을 가지며, 상기 산소 제트는 상기 분사 공기 스트림 내부로 연료가 통과하는 상기 초기 직경의 5 내지 50배의 범위 내의 거리에서 상기 분사 공기 스트림 내부로 분사되는 방법.
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