KR20000062730A - 코크스로 및 그 조업 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 리치 가스(rich gas) 또는 린 가스(lean gas)가 연소될 때에 국부적인 고온 연소를 제거하면서 연소실 내부에서 높이 방향으로의 연소 온도를 균일하게 하고 배출 가스 중의 NOx함량을 감소시킬 수 있는 코크스로 및 이러한 코크스로의 조업 방법에 관한 것이다. 코크스로의 연소실은 이 연소실 저부(5)에 있는 탄화실과 접한 노벽(6)에 인접 위치된 리치 가스 포트(2)를 포함하며, 린 가스 포트(7)의 중심(P2)과 공기 포트(3)의 중심(P)을 연결하는 중간점(P3)은 연소실의 중심선(CL)을 중심으로 리치 가스 포트(2)의 반대쪽에 위치한다.

Description

코크스로 및 그 조업 방법{COKE OVEN AND METHOD OF OPERATING THE SAME}
본 발명은 개선된 연소실을 구비하는 코크스로(coke oven) 및 이 코크스로의 조업 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 코크스로는 연소실의 높이 방향으로 균일하게 연소될 수 있게 해주며, 그에 따라 연소의 결과로서 발생하는 배출 가스 중의 NOx(질소 산화물)를 감소시킨다.
코크스로의 요망되는 기본 성능은 양질의 코크스를 제조하고 연료 소비를 감소시키며 또 이들 목적을 적은 비용으로 달성하는 것이다. 그와 같은 기본 성능에 추가로, 최근에 요구되는 것은 배출 가스 중의 NOx함량을 낮추는 것이다.
환경 오염 방지에 대한 요구는 매년 더욱 더 엄격해져왔다. 신설되는 코크스로에 대한 법률에 명기된 NOx배출량 기준치는 기존 코크스로에 대한 법률에 비해 매우 엄중하게 규정되므로, 새로운 코크스로는 종래 기술에 기반해서는 용이하게 건설될 수 없다.
배출 가스 중의 NOx함량은 연소 온도가 증가하는데 따라 증가한다. 따라서, 코크스로의 배출 가스 중의 NOx는 연소실의 연소 온도를 감소시키면 감소될 수 있다. 하지만, 연소 온도는 코크스를 제조하기 위한 예정치보다 더 높아야하며, 또 조업 효율이 높을수록 연소 온도가 필연적으로 증가한다. 따라서, 가장 현실적인 NOx감소 방법은 연소실의 노 높이 방향으로 균일하게 연소될 수 있게 하여 이상(異常) 고온이 국부적으로 형성되지 않게 하는 것이다. 하지만, 코크스로의 각각의 연소실이 가느다랗고 홈이진 구조를 하고 있으므로(즉, 횡단면 면적에 대하여 수직 방향으로 현저히 높은 구조), 그러한 구조 때문에 균일한 연소의 달성이 어렵게 된다. 코크스로가 높으면 특히 어려움이 증가한다.
연소 온도는 예컨대 연료 가스를 배출 가스로 희석시키면서 연료 가스의 발열량을 감소시켜 불꽃 길이를 증가시키면 국부적으로 감소될 수 있다. 구체적인 방법으로는 아래의 방법들을 이용할 수 있다.
(1) 연소실 내에서 배출 가스를 재순환시켜 불꽃 길이를 증가시키고 그에 따라 불꽃 온도를 감소시키는 방법. 이러한 방법은 코퍼즈(Koppers) 순환형 코크스로에서 달성된다.
(2) 연소 공기 및 린 가스 모두 또는 연소 공기만을 부분적으로는 복수 개의 높이 방향으로 배치된 포트로부터 부분적으로 공급하여 연소를 분산(scattering)시키는 방법{일본 특허 출원 공개 공보 소61-133286호(1986), 평1-306494호(1989) 및 PCT 국제 공보의 일본 출원 공보 평4-501876호(1992) 참조}. 이러한 방법은 특히 리치 가스가 연료로 사용될 때에 연소 공기만을 위한 다단 공급 시스템으로서 칼 스틸(Carl Still)형 코크스로, 오토(Otto)형 코크스로 및 신닛테츠사(新日鐵)식 코크스로에 채용되었다. 이러한 방법은 "다단 연소 방법"으로 불린다.
본원에서, 코크스로에 사용되는 연료 가스는 리치 가스(rich gas)로 불리는 코크스로 가스 등의 고발열량 가스뿐만 아니라 린 가스(lean gas)로 불리는 가스도 역시 포함한다. 리치 가스는 발열량 범위가 14700 내지 20160kJ/Nm3(3500 내지 4800kcal/Nm3)인 연료 가스를 의미하고, 린 가스는 용광로 가스 또는 용광로 가스와 코크스 가스의 혼합 가스로서, 발열량 범위가 3360 내지 5460kJ/Nm3(800-1300kcal/Nm3)인 연료 가스를 의미한다.
따라서, (a) 리치 가스 연소 및 (b) 린 가스 연소는 코크스로 내에서 발생한다. (a) 또는 (b) 중의 하나를 취급할 수 있는 노를 단식 연소 코크스로라 하고 (a)와 (b) 모두를 취급할 수 있는 노를 복식 연소 코크스로라고 한다.
전술한 (1) 방법의 목적은, 배출 가스를 재순환시키면서 산소 함량 및 연료 가스의 발열량을 감소시켜 노 높이 방향으로의 연소 진행을 완화시키고, 그에 따라 발생된 NOx의 양을 효과적으로 제어하는 것이다. 하지만, 이러한 방법에서, 배출 가스의 양은 증가하고, 재순환된 배출 가스의 양이 증가하면 에너지 손실도 역시 증가한다. 또한, 코퍼즈식 코크스로 재순환 시스템에 기초한 배기 가스 재순환 방법에서, 순환구의 제한된 단면적 때문에 배출 가스 순환률을 대폭 증가시키는 것이 어렵다. 이러한 순환률은 최대 대략 20%까지 증가될 수 있다. 또한, 재순환된 배출 가스의 양을 요망되는 대로 변화시킬 수도 없다.
전술한 (2)의 다단 연소에 의해 NOx를 감소시키는 방법에서는, 연료 가스의 양이 크게 변화하면 코크스로의 조업 중에 노 높이 방향으로의 연소 공기 또는 린 가스의 분배비를 조절해야 한다. 하지만, 실제의 코크스로 조업에서는, 그와 같은 조절은 많은 시간을 요할 뿐만 아니라 조절될 장소도 주로 최상단의 포트 및 저부의 포트로 제한되고, 중간 포트의 구멍은 조절이 어렵게 되므로, 만족스러운 NOx감소 효과가 얻어질 수 없다.
전술한 PCT 국제 출원의 일본 출원 공보 평4-501876호(1992) 및 코크스메이킹 인터내셔널(Cokemaking International) 제4-2권, 71-83쪽(1992)에는 코크스로의 연소실의 예시적인 저부 구조체가 개시되어 있다. 도 9(a)에 도시된 바와 같이, 리치 가스 포트(2)가 코크스로의 노벽(6; oven wall)에 인접 배치되어 있으며, 린 가스 포트(7)와 공기 포트(3)가 중간에 나란히 배치되어 있다. 또한, 일본 특허 공고 공보 평5-29678호(1993)에는 린 가스 포트와 공기 포트가 연소실의 거의 중간에서 나란히 코크스 추진 방향(즉, 노 길이 방향)으로 연장된 도면이 개시되어 있다. 하지만, 노 높이 방향으로 균일한 연소 온도를 달성하고 또 배출 가스 중의 NOx를 감소시키기 위한 린 가스 포트 및 공기 포트의 배치 및 구조에 대해서는 전혀 기재되지 않았다.
본 발명의 기본적인 목적은 NOx가 더 적게 함유된 배출 가스를 형성하는 코크스로 및 이 코크스로의 조업 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 구체적인 하나의 목적은 비록 노가 높은 대형 구조를 갖더라도 노 높이 방향으로 균일한 연소를 달성하여 국부적인 고온 연소를 제거할 수 있는 연소실을 구비하는 코크스로를 제공하는 것이다.
또 하나의 구체적인 목적은, 리치 가스 또는 린 가스 중 하나가 연료로서 사용되는 단식 연소 또는 양쪽 가스가 교대로 사용되는 복식 연소와 같은 연소 유형에 관계없이, 전술한 균일한 연소를 달성할 수 있는 연소실을 구비한 코크스로를 제공하는 것이다.
또 다른 구체적인 목적은 연소실 내부에서 균일한 연소를 달성하여 배출 가스 중의 NOx가 감소될 수 있게 하는 코크스로의 조업 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 코크스로(coke oven)의 대체적인 구조를 나타내는 노의 횡단면도이고,
도 2는 본 발명의 원리를 설명하기 위한 연소실 저부에 있는 리치 가스 포트, 린 가스 포트 및 공기 포트의 배치를 나타내는 개략도이며,
도 3은 단식(單式) 단단(單段) 연소식 연소실의 일 실시예를 나타내는 개념도이고,
도 4는 복식 다단(多段) 연소형 코크스로의 연소실의 일 실시예를 나타내는 개념도이며,
도 5는 린 가스 포트의 구멍이 조절된 실시예를 나타내는 도면이고,
도 6은 연소실 저부에 있는 린 가스 포트 및 공기 포트의 배치를 나타내는 평면도이며,
도 7은 본 발명의 원리를 설명하기 위한 린 가스 포트 및 공기 포트의 배치를 나타내는 개략도이고,
도 8은 린 가스 포트 및 공기 포트의 종래의 배치를 나타내는 개략도이며,
도 9는 린 가스 포트 및 공기 포트의 종래의 배치를 나타내는 도면이고,
도 10은 본 발명에 따른 복식 단단 연소식 코크스로의 연소실 구조예를 나타내는 도면이며,
도 11은 복식 연소로 내의 연소실 저부에 있는 린 가스 포트 및 공기 포트의 배치를 나타내는 평면도이고,
도 12는 구멍 조절 부재가 연소실 저부에 있는 린 가스 포트 및 공기 포트에 장착된 상태를 나타내는 평면도이며,
도 13 내지 도 15는 실시예의 시험 결과를 나타내는 도면들이고,
도 16은 구멍 조절 부재들이 저부에 있는 린 가스 포트 및 공기 포트에 장착된 연소실의 실시예를 나타내는 도면이며,
도 17은 구멍 조절 부재가 저부에 있는 린 가스 포트 및 공기 포트에 장착된 연소실의 다른 실시예를 나타내는 도면이고,
도 18과 도 19는 실시예의 시험 결과를 나타내는 도면이다.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
2 : 리치 가스 포트
3 : 공기 포트
4 : 연도 칸막이 벽
5 : 연소실 저부
5-1, 5-2 : 연소실 구역
6 : 노벽
7 : 린 가스 포트
CL : 중심선
본 발명은 도 1에 도시된 것과 같은 코크스로에 관한 것이다. 도 1에서, 참조 번호 I, Ⅱ, Ⅲ, ‥‥은 연소실의 어레이(array)를 나타내고, i, ii, ‥‥은 탄화실을 나타낸다. 연소실의 어레이 및 탄화실은 노단(爐團; oven battery) 방향(Y 방향)으로 교대로 배치되어 있다. 각각의 연소실의 어레이는 코크스 추진 방향(X 방향)으로 연장된 다수의 연소실(1-1, 1-2, 1-3, 1-4, ‥‥)로 구성된다. 본 발명에 따라, 이들 연소실의 구조 및 그러한 연소실에 적용된 연소 방법이 개선되었다.
본원에서, 노단 방향은 다수의 연소실{구체적으로는 연도(煙道) 칸막이 벽 또는 소위 연도의 어레이에 의해 분할된 복수 개의 연소실}과 탄화실이 평행하게 교대로 연장된 방향을 의미한다. 또한, 코크스 추진(pushing) 방향은 노단 방향에 대해 직각인 방향과, 코크스로에서 압출측을 코크스 방출측에 연결하는 방향을 의미한다.
연소실 내부에서의 연소 방법은 리치 가스 또는 린 가스 모두가 연료 가스로서 연소실 저부로부터 공급되고 모든 연소 공기(이하 "공기"라고 축약한다)가 연소실 저부로부터 공급되는 단단(單段) 연소 시스템과, 공기 및/또는 린 가스의 일부가 저부로부터 공급되고 그 나머지는 노 높이 방향으로 하나 이상의 장소로부터 공급되는 다단 연소 시스템을 포함한다. 또한, 노의 유형은 리치 가스 또는 린 가스만을 연료 가스로서 공급하는 단식 연소로와, 리치 가스 및 린 가스를 교대로 공급할 수 있는 복식 연소로를 포함한다. 본 발명은 이러한 모든 유형의 연소 시스템을 수용할 수 있는 구조를 갖는 코크스로에 관한 것이다.
본 발명에 따른 코크스로는 후술하는 특유한 특징 (1)과 (2)를 갖는 연소실을 구비한다.
(1) 도 3에 도시된 바와 같이, 리치 가스 포트(2)는 탄화실에 접한 노벽(6)에 인접하여 연소실 저부(5)에 위치되어 있다.
(2) 저부(5)에 있는 공기 포트(3)의 중심(P)들을 연결하는 중간점(P1)은 연소실의 코크스 추진 방향으로 노벽(6)에 평행하게 연장된 중심선(CL)을 가로질러 리치 가스 포트(2)의 반대쪽에 있다.
또한, 복식 연소에는 후술하는 특징 (3)과 (4)를 얻는 것이 요망된다.
(3) 도 6(a)에 도시된 바와 같이, 코크스 추진 방향(X 방향)과 연소실의 노단 방향(Y 방향)으로 보면, 개구부가 연소실의 저부에 있는 린 가스 포트(7)와 공기 포트(3)는 이들 어느 방향으로도 완전히 중첩되지 않는다.
(4) 도 4에 도시된 바와 같이, 저부에 있는 린 가스 포트(7)의 중심(P2)과 공기 포트(3)의 중심(P)을 연결하는 중간점(P3)은 중심선(CL)을 가로질러 리치 가스 포트(2)의 반대쪽에 있다.
도 3(b)에 도시된 바와 같이 중심선(CL)에 의해 형성된 연소실 구역(5-1, 5-2)은 이하 제1 구역 및 제2 구역으로 각각 참조된다.
전술한 린 가스 포트(7) 및 공기 포트(3)는 도 7(b)와 도 7(c)에 도시된 바와 같이 코크스 추진 방향(X 방향) 또는 노단 방향(Y 방향)으로 보면 부분적으로 중첩될 수 있다. 이 때, 중첩된 개구부의 길이는 완전히 중첩된 길이(도 8에 L로 도시)의 80% 이하이다. 또한, 구멍 조절 부재(9)가 도 5에 도시된 바와 같이 린 가스 포트(7)와 공기 포트(3) 중의 적어도 하나에 부착되어 원래의 중첩 비율(overlapping rate)을 Y2로부터 Y21로 좁히므로, 전술한 80% 이하의 중첩 비율이 달성될 수 있다. 본원에서, 포트의 개구부는 노가 설치되었을 때부터 원래 제공된 개구부이거나, 구멍 조절 부재의 부착에 의해 좁혀진 개구부를 의미한다.
본 발명에 따른 방법은 본 발명의 전술한 코크스로의 조업 방법을 말하며, 전형적인 방법은 다음과 같다.
(1) 연소실 저부의 포트로부터 전량의 린 가스와 전량의 공기를 각각 공급함으로써 단단 연소를 달성하는 방법.
(2) 연소실 저부의 포트로부터 전량의 린 가스와 연소실 저부의 포트로부터 공기의 일부(20 내지 70용적%)를 공급하고, 또 연도 칸막이 벽에 마련된 하나 이상의 포트로부터 그 나머지 공기를 공급함으로써 다단 연소를 달성하는 방법.
(3) 연소실 저부의 포트로부터 린 가스의 일부를 공급하고, 연도 칸막이 벽에 마련된 포트로부터 나머지 린 가스를 공급하며, 또 연소실 저부의 포트로부터 전량의 공기를 공급함으로써 다단 연소를 달성하는 방법.
(4) 연소실 저부의 포트로부터 린 가스의 일부를 공급하고, 연도 칸막이 벽에 마련된 포트(들)로부터 나머지 린 가스를 공급하며, 연소실 저부의 포트로부터 공기의 일부(20 내지 70용적%)를 공급하고, 연도 칸막이 벽에 마련된 포트(들)로부터 나머지 공기를 공급함으로써 다단 연소를 달성하는 방법.
(5) 연소실 저부의 포트로부터 전량의 리치 가스와 전량의 공기를 공급함으로써 단단 연소를 달성하는 방법.
(6) 연소실 저부의 포트로부터 전량의 리치 가스를 공급하고, 또 연소실 저부의 포트로부터 공기의 일부(50용적% 이상)를 공급하고 연도 칸막이 벽에 마련된 포트(들)로부터 나머지 공기를 공급함으로써 다단 연소를 달성하는 방법.
전술한 모든 방법에서, 리치 가스 및 공기의 혼합 지점을 조절할 수 있도록, 리치 가스 포트(2)쪽으로 연장된 공기 포트(3) 및/또는 린 가스 포트(7)의 개구부에 구멍 조절 부재(9)를 장착하고, 연소실 저부의 코크스 추진 방향으로 연장된 중심선(CL)을 가로지르게 함으로써, 공기 토출 방향을 변경한다. 이러한 조절은 리치 가스 포트와 반대 방향으로 공기 토출 방향을 변경시키는 기능을 갖는다. 또한, 린 가스 연소의 경우, 80% 이하의 중첩 비율을 달성하도록 포트의 개구부에 구멍 조절 부재를 장착하고, 또한 린 가스 및 공기의 혼합 지점을 조절할 수 있도록 린 가스 토출 방향과 공기 토출 방향도 변경시키는 것이 요망된다. 본원에서, "리치 가스 또는 린 가스 및 공기의 혼합 지점"은 토출된 연료 가스와 공기와의 플럭스(flux)가 처음에 서로 충돌하는 연소실의 저부로부터 노 높이 방향으로의 위치를 의미한다.
1. 본 발명에 따른 코크스로
전술한 바와 같이, 코크스로의 연소실은 그 높이 방향으로 연장된 구조를 갖기 때문에, 그 안에서 균일한 연소를 달성하기가 어렵다. 전술한 바와 같이, 균일한 연소를 얻기 위해 다단 연소 방법 또는 배출 가스 순환 방법을 사용하지만, 그 효율은 별로 만족스럽지 못하다. 그와 같은 연소실 내에서의 연소 조건을 조사하기 위해, 본 발명자들은 모형의 연소로를 이용한 연소 시험을 수행하여 다음의 사실을 알아내었다.
(a) 연소실 저부로부터 공급된 연료 가스 및 공기는 확산되고 혼합되어, 연소되는 동안 연소실 내부에서 상승한다. 좁고 한정된 공간인 코크스로의 그러한 연소 챔버 내부에서의 연소에 있어서는, 연소는 높이 방향의 한정된 구역에서(특히, 연소실의 하부 구역에서) 촉진되는데, 그 구역에서 연료 가스는 비록 가장 높은 연소 온도가 공급된 연료 가스의 양, 그 발열량, 공기비 등에 따라 다르더라도 공기와 잘 혼합된다. 또한, 고온 구역이 그 구역에 형성되어 NOx발생률을 증가시킬 뿐만 아니라 한편 저온 구역이 다른 구역(연소실의 상부 구역)에 형성되어 실 내부의 온도 균일성을 손상시킨다.
(b) 연소실 내부의 전술한 고온 구역이 국부적으로 형성되는 것을 억제하기 위해서는, 연소실의 하부 구역의 연료와 공기 혼합비를 감소시키는 것, 즉, 연료 가스와 공기를 부분적으로 혼합시키는 것이 중요하다.
(c) 전술한 부분적인 혼합을 달성하기 위한 구체적인 수단으로서는, 연소실 저부로부터 연료 가스 및 공기를 공급하기 위한 포트의 배치를 최적으로 하므로, 국부적인 고온 구역이 더 이상 형성되지 않고 그에 따라 배출 가스 중의 NOx가 최소화될 수 있다.
(d) 리치 가스가 연료로서 사용되고 린 가스 대신에 공기가 린 가스 포트로부터 공급되는 복식 연소로의 경우, 연소실 저부의 리치 가스 포트, 린 가스 포트 및 공기 포트의 배치를 최적으로 할 필요가 있다.
(e) 리치 가스 대신 린 가스가 연료로 사용되는 경우, 린 가스 포트 및 공기 포트의 배치를 최적으로 할 필요가 있다.
본 발명은 전술한 관점에 기초하여 이루어 졌다. 이하 본 발명의 코크스로의 실시예 및 조업에 대해 기술한다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 요체는 도 1에 도시된 코크스로 연소실(1-1, 1-2, 1-3, 1-4, ‥‥)의 개선된 구조에 관한 것이다. 도 1에서, 참조 번호 2는 리치 가스 포트, 3은 공기 포트, 7은 린 가스 포트를 나타낸다. 참조 번호 8과 8-1은 연도 칸막이 벽(4)에 마련된 공기 포트 및 공기 도관을 각각 나타낸다.
도 2는 연소실 저부의 리치 가스 포트, 린 가스 포트 및 공기 포트의 예시적인 배치를 나타내는 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 리치 가스 포트(2)는 제1 구역(5-1)의 노벽(6) 가까이에 위치되어 있다. 즉, 리치 가스 포트(2)가 존재하는 구역을 "제1 구역"이라고 한다. 공기 포트(3)의 중심(P)과 린 가스 포트(7)의 중심(P2) 사이의 중간점(P3)은 제2 구역(5-2), 즉, 중심선(CL)을 가로질러 리치 가스 포트의 반대쪽에 있다.
도 2는 공기 포트(3)와 린 가스 포트(7)를 코크스 추진 방향(X 방향)과 노단 방향(Y 방향)과의 양쪽에서 보았을 때의 실시예를 나타내며, 이들은 상기 방향의 어느 쪽으로도 중첩되지 않는다.
도 3은 단식 연소 및 단단 연소 유형의 연소실의 일 실시예를 나타내는 개념도이다. 도 3(a)는 노단 방향으로 보았을 때 코크스 추진 방향으로 나란히 배치된 연소실 일부의 종단면도이며, 도 3(b)의 B-B 선을 따라 취한 단면도이다. 도 3(b)는 코크스 추진 방향으로 나란히 배치된 연소실의 일부를 나타내는 평면도로 연소실 저부의 리치 가스 포트와 공기 포트의 배치를 나타내며, 도 3(a)의 A-A 선을 따라 취한 단면도이다. 도 3(c)는 코크스 추진 방향으로 본 연소실의 저부 부분의 종단면도이며, "Z 방향"은 노 높이 방향을 의미한다.
도 4(a)는 노단 방향으로 보았을 때에 코크스 추진 방향으로 나란히 배치된 연소실 일부의 종단면도이며, 도 4(b)의 D-D 선을 따라 취한 종단면도이다. 도 4(b)는 코크스 추진 방향으로 나란히 배치된 연소실의 일부를 나타내는 평면도이며, 도 4(a)의 C-C 선을 따라 취한 횡단면도이다. 도 4(b)에 도시된 연소실의 어레이는 노벽(6)을 통해 탄화실(도시 생략) 사이에 끼워져 있다. 도 4(c)는 코크스 추진 방향으로 본 연소실 저부의 일부의 종단면도이다.
도 4에서, 연소실(1-1 내지 1-4)은 연도 칸막이 벽(4, 4-1)에 의해 그들의 인접한 연소실로부터 분리되어 있다. 두 개의 제2 공기 포트(8)가 각각의 연도 칸막이 벽(4)에 높이 방향으로 마련되어 있으며, 제2 공기 도관(8-1)으로부터 공기를 공급받는다. 저부(5)에는 린 가스 도관(7-1), 제1 공기 도관(3-1) 및 리치 가스 포트(2)가 있다. 린 가스 도관(7-1)과 제1 공기 도관(3-1)은 각각 린 가스 포트(7)와 제1 공기 포트(3)에 연결되어 있다.
도 3과 도 4는 각각 연소실(1-1, 1-2)이 세트로서 사용되는 경우를 나타낸다. 즉, 연소실 중의 하나(예컨대 1-1)에서 연소가 발생하면, 다른 연소실(1-2)은 배출 가스 방출 통로로 작용한다. 연소 방향이 역전되면 그 기능도 역전된다. 연소실(1-3, 1-4)을 구성하는 세트에 동일하게 적용된다. 연소실(1-1, 1-2)의 세트는 바람직한 실시예로서 작용하는 것으로 후술된다.
리치 가스를 사용하는 단식 연소 및 단단 연소에서, 리치 가스(g)는 도 3(a)에 도시된 저부(5)에 마련된 리치 가스 포트(2)로부터 연소실(1-1)로 공급되고 공기 포트(3)로부터 공급된 공기(1)와 혼합 연소되고 상승되며, 이에 의해 노벽(6)을 가열시킨다. 배출 가스(e)는 화살표로 도시한 바와 같이 연도 칸막이 벽(4-1)을 우회한 후 연소실(1-2) 내부에서 하강하여 공기 포트(3)로부터 축열실(도시 생략) 안으로 방출된다. 도 3(a)에서, 각각의 화살표는 가스가 흐르는 방향을 나타내며 공기(a)는 연소실 저부(5)에 마련된 도관(3-1)을 통해 공기 포트(3)로부터 연소실로 공급된다. 도 3(a)에서 연소실 저부(5)에는 두 개의 공기 포트가 마련되어 있지만 포트의 수는 하나일 수도 있다.
연소실의 저부에서, 리치 가스 포트(2)는 도 3(b)에 도시된 바와 같이 탄화실(도 1에서 i, ii)과 접한 제1 구역(5-1)의 노벽(6) 가까이에 위치되어 있다. 두 개의 공기 포트(3)의 중심(P, P)을 연결하는 중간점(P1)은 연소실의 제2 구역(5-2)에 위치되어 있다. 이렇게 배치하면, 토출된 리치 가스(g)와 공기(a)의 혼합 지점은 위쪽으로 이동한다. 즉, 연료와 공기는 연소실의 하부 구역에서 부분적으로 혼합 및 연소되며, 대부분의 연료와 공기는 높이 방향으로 차츰 혼합되면서 연소된다. 따라서, 높이 방향으로 균일한 연소 온도가 달성될 수 있으므로, 이상 고온 연소 및 NOx발생이 감소될 수 있다. 본원에서, "노벽에 인접한 위치"는 노단 방향으로 보았을 때 탄화실과 접하는 노벽(6)의 내측으로부터 노단 방향으로 보았을 때 연소실 저부의 내부 길이{노벽(6)간 거리}의 40% 이하의 거리로 지정된 어떠한 위치를 의미한다.
도 4에 도시된 바와 같이 복식 연소 및 다단 연소에서, 리치 가스(g)는 리치 가스 포트(2)로부터 연소실(1-1)로 공급되어 린 가스 포트(7)와 공기 포트(3)로부터 공급된 공기(a)와 혼합되며, 그에 따라 연소되고 상승되어 노벽(6)을 가열한다. 배출 가스(e)는 화살표로 도시된 바와 같이 칸막이 벽(4-1)을 우회하여 연소 챔버(1-2) 내부에서 하강되며, 연도 칸막이 벽(4)에 마련된 공기 포트(8)와, 연소실 저부(5)에 마련된 공기 포트(3) 및 린 가스 포트(7)로부터 축열기(도시 생략) 안으로 방출된다. 도관(8-1)은 공기 포트(8)를 축열기에 연결하기 위한 연소실의 연도 칸막이 벽(4) 내부에 마련되어 있다. 또한, 도관(3-1)은 연소 챔버 저부(5)에 마련되어 공기 포트(3)를 축열기에 연결시킨다. 도 4는 공기 포트(3)와 린 가스 포트(7)가 노단 방향으로 엇갈리게 놓인 실시예를 나타낸다.
공기(a)는 연소실 저부(5)에 마련된 공기 포트(3)와 린 가스 포트(7)로부터, 그리고 연도 칸막이 벽(4)에 마련된 공기 포트(8)로부터 연소실(1)로 공급된다. 가스는 도 3에서와 동일한 방식으로 흐른다.
도 4에 도시된 연소실 저부에서는, 리치 가스 포트(2)가 도 4(b)에 도시된 바와 같이 제1 구역(5-1)의 노벽(6) 가까이에 위치되어 있으며, 린 가스 포트(7)의 중심(P2)과 공급 포트(3)의 중심(P)을 연결하는 중간점(P3)은 제2 구역(5-2), 즉, 연소실의 코크스 추진 방향으로 연장된 중심선(CL)을 중심으로 리치 가스 포트(2)의 반대쪽에 있다. 공기(a)가 공기 포트(3)와 린 가스 포트(7)로부터 공급되는 경우, 공기 토출 중심 위치는 리치 가스 토출 중심 위치의 반대쪽에 있으므로, 리치 가스와 공기의 혼합 지점은 위쪽으로 이동한다. 그 결과, 공기의 일부가 연소실의 하부 구역에서 리치 가스와 혼합되며, 대부분의 공기는 점차적으로 리치 가스와 혼합되고, 연소가 노 높이 방향으로 점차 발생하며, 이에 의해 노 높이 방향으로 균일한 연소 온도가 달성되고 NOx발생이 감소된다.
도 4(b)에 도시된 바와 같이, 공급 포트가 엇갈리게 되어 있는 경우, 공기 포트(3) 및 린 가스 포트(7)의 양쪽 또는 한쪽의 일부가 코크스 추진 방향으로 연장된 중심선(CL)을 가로질러 리치 가스 포트에 더 가까이 위치되면, 구멍 조절 부재(9)를 예컨대 도 5에 도시된 바와 같이 포트의 일부분에 장착하여, 리치 가스 토출 방향과 반대가 되도록 공기 토출 방향을 변경하고 또 리치 가스와 공기의 혼합 지점을 위로 이동시키는 것이 요망된다.
도 5는 공기 포트의 개구부를 구멍 조절 부재로 폐쇄한 실시예를 나타내는 도면이며, 개구부의 일부는 연소실의 노단 방향으로 연장된 중심선을 가로질러 리치 가스 포트 쪽에 있다. 도 5(a)는 부분적으로 단면이 도시된 평면도이고, 도 5(b)는 그 종단면도이다. 도 5(a)에서, 공기 포트(3)와 린 가스 포트(7)는 엇갈리게 되어 있으며, 그들의 중심(P, P2)과 이들 중심(P, P2)을 연결하는 중간점(P3)은 연소실 저부의 코크스 추진 방향으로 연장된 중심선(CL)을 중심으로 리치 가스 포트(2)의 반대쪽에 있다. 하지만, 어느 포트(3, 7)의 개구부의 일부는 연소실 저부의 코크스 추진 방향으로 연장된 중심선을 가로질러 리치 가스 포트에 더 가까이 위치되어 있다. 그와 같은 경우, 구멍 조절 부재(9)는 포트의 구멍이 조절되도록 개구부의 일부에 장착되어 있다. 이렇게 배치하면, 공기는 도 5(b)의 화살표로 도시된 바와 같이 리치 가스 포트의 반대 방향으로 토출되므로, 리치 가스와 공기의 혼합점이 연소실의 하부 구역에서 위쪽으로 이동한다. 그 결과, 노 높이 방향으로 균일한 연소 온도가 달성되어 NOx발생이 감소될 수 있다.
연소실의 저부로부터 공급될 공기의 양이 전체 용량의 50용적% 이하인 경우, 리치 가스 연소가 다단 연소실에서 수행되면, 연소실 저부 구역에서의 연소는 불충분하므로 탄화실의 하부 구역에서 온도 강하가 발생하기 쉽다. 따라서, 연소실의 저부로부터 공급될 공기의 양은 전체 용량의 50용적% 이상인 것이 요망된다.
이하, 린 가스 연소에 대해 기술한다.
린 가스 연소시 NOx를 감소시키기 위해서는, 린 가스 포트와 공기 포트 사이의 위치 관계는 도 6에 도시된 바와 같은 것이 요망된다. 도 6(a)와 도 6(b)는 도 4(b)와 유사한 평면도이며, 린 가스 포트(7)와 공기 포트(3)가 상이하게 배치된 실시예를 나타낸다.
도 7은 린 가스 포트(7)와 공기 포트(3)가 도 6에 도시된 연소실 중의 하나에 어떻게 배치되는 지를 개략적으로 나타내는 도면이다. 어떠한 두 개의 인접한 연소실(즉, 도 6의 1-1과 1-2) 중의 하나의 구조도 다른 연소실의 구조가 반전된 구조이므로, 그들 중의 하나, 즉, 연소실(1-2)의 구조는 이하 이들 연소실의 구조를 대표한다.
도 7(a)는 린 가스 포트(7)와 공기 포트(3)가 코크스 추진 방향(X 방향)과 노단 방향(Y 방향) 양쪽으로 보았을 때 중첩하지 않는 실시예를 나타낸다. 즉, 포트(3, 7)는 코크스 추진 방향으로 간격(X1) 만큼, 또 노단 방향으로 간격(Y1) 만큼 분리되어 있다.
도 7(b)에서, 린 가스 포트(7)와 공기 포트(3)는 노단 방향(Y 방향)으로 보았을 때 간격(X2) 만큼 분리되어 있지만, 코크스 추진 방향(X 방향)으로 보았을 때 거리(Y2) 만큼 중첩되어 있다.
도 7(c)는 도 6(b)에 도시된 배치를 나타낸다. 즉, 린 가스 포트(7)와 공기 포트(3)는 노단 방향(Y 방향)으로 보았을 때 길이(X3) 만큼 중첩되지만, 코크스 추진 방향으로 보았을 때 간격(Y3) 만큼 분리되어 있다.
도 8은 도 9에 도시된 린 가스 포트(7)와 공기 포트(3)의 종래의 배치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8(a)는 린 가스 포트(7)와 공기 포트(3)가 노단 방향(Y 방향)으로 보았을 때 중첩되지 않지만 코크스 추진(X 방향)으로 보았을 때 완전히 중첩되어 도 9(a)에 도시된 배치에 상응하는 실시예를 나타낸다.
도 8(b)는 공기 포트(3)가 린 가스 포트(7)보다 짧아서 공기 포트(3)가 코크스 추진 방향으로 보았을 때 린 가스 포트(7)에 완전히 포함되는 실시예를 나타낸다.
도 8(c)는 린 가스 포트(7)와 공기 포트(3)가 노단 방향으로 보았을 때 상하로 배치되어 도 9(b)에 도시된 실시예에 상응하는 실시예를 나타낸다. 이 경우, 포트(7, 3)는 노단 방향(Y 방향)으로 완전히 중첩되지만, 코크스 추진 방향(X 방향)으로 보았을 때는 중첩되지 않아서 서로 완전히 분리되어 있다.
본원에서, 도 8의 길이 "L"은 완전히 중첩된 길이를 말한다. 도 8(b)와 도 8(c)에 도시된 실시예에서, 공기 포트(3)는 린 가스 포트(7)보다 짧아서 공기 포트의 길이 자체는 완전히 중첩된 길이(L)와 동일하다. 역으로 말하면, 공기 포트가 린 가스 포트보다 더 길면, 린 가스 포트의 길이는 완전히 중첩된 길이와 동일하다.
전술한 바와 같이, 코크스로의 연소실과 같은 좁은 공간에서는 연소실 저부에서 가스와 공기가 과도하게 혼합되는 것을 억제하기 위해서, 가스와 공기가 연소실 저부로부터 토출된 직후에 이들의 과도한 혼합을 억제하는 것이 중요하다. 이것을 달성하기 위해서는 린 가스 포트를 공기 포트로부터 가능한 멀리 떼어놓아야 할 필요가 있다. 이것을 달성하기 위한 구체적인 구조로서, 린 가스 포트(7)와 공기 포트(3)는 도 7에 도시된 연소실 저부에서 대각선 방향으로 배치되어 있다.
그와 같은 구조에 따라, 연소실 저부로부터 토출된 린 가스 및 공기는 연소실의 종단면에서 보았을 때 서로 단독으로 연소실 내부에서 상승한다. 따라서, 비록 린 가스와 공기가 연소실 저부에서 일부 혼합되어 부분적으로 연소되지만, 대부분의 린 가스와 공기는 혼합되지 않고 상승하며, 상승하는 린 가스는 가스가 연소실의 높이를 따라 점진적으로 모두 연소하도록 상승하는 공기와 점차 혼합된다. 따라서, 고온 연소가 국부적으로 발생하지 않으므로, 균일한 온도가 노 높이 방향으로 달성되고 발생되는 NOx의 양이 감소된다.
린 가스 포트를 공기 포트로부터 가능한 멀리 떼어놓는 견지에서는, 이들 포트가 완전히 분리된 도 7(a)에 도시된 상태가 요망된다. 하지만, 린 가스 포트가 공기 포트로부터 과도하게 떨어져 있으면, 연소실의 최하부 구역에서의 연소가 너무 많이 억제되어 연소실의 최하부 구역에서의 온도 하강을 야기한다. 따라서, 도 7에 도시된 간격(X1, Y1, X2, Y3)은 이전에 정해진 완전히 중첩된 길이(L)의 대략 40%로 유지되는 것이 요망된다. 린 가스 포트의 크기와 공기 포트의 크기는 공급된 가스와 공기가 연소실 내에서 거의 균일하게 확산될 수 있도록 적절하게 선택될 수 있음에 주목해야 한다. 또한, 린 가스 포트의 형태 및 공기 포트의 형태는 직사각형으로 한정되지 않으며 타원 등일 수도 있다.
도 7(b)와 도 7(c)에 도시된 바와 같이, 린 가스 포트(7)와 공기 포트(3)는 코크스 추진 방향(X 방향) 또는 노단 방향(Y 방향)으로 보았을 때 부분적으로 중첩될 수 있다. 이 때의 중첩된 길이(Y2또는 X3)는 완전히 중첩된 길이(L)의 80% 이하인 것이 요망된다. 이것은, 후술되는 실시예에서 알 수 있듯이, 이들 중첩된 길이가 L의 80%를 초과하면 NOx함량이 급격히 중가하기 때문이다.
코크스 추진 방향 또는 노단 방향으로 보았을 때 린 가스 포트와 공기 포트가 중첩되는 길이가 큰 경우, 린 가스는 포트 출구 부근에서(연소실의 하부 구역에서) 공기와 활발히 혼합되어 국부적인 고온 연소가 발생하기 쉽다. 그와 같은 경우, 도 16에 도시된 바와 같이, 그들 구멍을 조절하기 위한 부재가 중첩 비율을 실질적으로 감소시키도록 각각의 포트에 장착될 뿐만 아니라, 린 가스와 공기 중 한쪽 또는 양쪽이 토출되는 방향이 린 가스와 공기 사이의 접촉이 반대 방향으로 억제되는 방향으로부터 적절하게 기울어지므로, 균일한 연소와 NOx의 최소화가 더욱더 달성될 수 있다.
이에 반하여, 린 가스 포트와 공기 포트가 코크스 추진 방향과 노단 방향 모두에서 중첩하지 않거나 중첩하지만 중첩 비율이 작은 경우, 연소실의 하부 구역에서의 연소는 지연되므로 온도차는 노 높이 방향으로 증가하기 쉽다. 그와 같은 경우, 도 17에 도시된 바와 같이, 린 가스와 공기의 토출되는 방향이 기울어져 접촉이 촉진되도록, 포트 중 한쪽 또는 양쪽에 구멍 조절 부재를 부착할 수 있다. 이렇게 배치하면, 연소실 저부에서의 연소가 촉진되므로 균일한 가열이 이루어질 수 있다.
전술한 구멍 조절 부재는 본 발명이 기존의 코크스로에 적용되는 경우에도 이용될 수 있다. 즉, 내화재 등으로 제조된 조절 부재가 개구부를 일부 폐쇄하도록 린 가스 포트 또는 공기 포트 중의 적어도 하나의 단부에 부착되므로, 본 발명에 의해 특정된 치수 및 위치 관계가 이들 포트를 위해 얻어질 수 있다. 이러한 부재는 린 가스 및/또는 공기의 유동 방향을 변경시키면서 린 가스 및 공기의 혼합 조건을 최적으로 하는데 유용하다.
도 4와 도 6에 도시된 다단 연소가 가능한 노에서, 전량의 공기는 공기 포트(3)로부터 공급될 수 있지만, 공기의 일부는 다단 연소를 달성하도록 공기 포트(8)로부터 공급될 수도 있다. 이 경우, 포트(3)로부터 공급된 공기는 전체 공기의 20 내지 70용적%의 범위인 것이 요망된다.
도 10은 본 발명의 복식 연소 및 단단 연소 코크스로의 예시적 연소실을 나타내는 도면이다. 도 10(a)는 도 10(b)의 C-C 선을 따라 취한 단면의 종단면도이고, 도 10(b)는 도 10(a)의 D-D 선을 따라 취한 단면의 횡단면도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 도 4에 도시된 다단 유형으로부터 제2 공기 포트와 제2 공기 도관(8-1)이 제거되었다. 이 실시예에서, 연소실 저부(5)의 린 가스 포트(7)와 공기 포트(7)의 배치에 있어서, 노단 방향으로 보았을 때 포트(7, 3)들 사이의 중첩은 없지만, 코크스 추진 방향으로 보았을 때 일부 중첩되어 있다.
전술한 린 가스 포트(7)와 공기 포트(3)는 도 7(a)에 도시된 바와 같이 연소실의 코크스 추진 방향과 노단 방향 양쪽으로 보았을 때 완전히 분리되도록 배치될 수 있다. 또한, 도 7(b)와 도 7(c)에 도시된 바와 같이, 포트(7, 3)는 코크스 추진 방향(X 방향) 또는 노단 방향(Y 방향)으로 보았을 때 일부 중첩되도록 배치될 수 있다. 이 때, 중첩된 개구부의 길이는 완전히 중첩된 길이(도 8에 도시된 L)의 80% 이하인 것이 요망된다. 전술한 80% 이하의 중첩 비율은 린 가스 포트(7)와 공기 포트(3) 중의 적어도 하나에 구멍 조절 부재(예컨대 내화재)를 부착함으로써 달성될 수 있다.
2. 본 발명에 따른 방법
이제까지 기술한 본 발명의 코크스로를 이용하는 본 발명에 따른 방법이 후술되는 바와 같이 수행될 것이다.
리치 가스 연소 또는 린 가스 연소의 경우, 린 가스 및/또는 공기를 토출하는 방향은 연소실의 린 가스 포트와 공기 포트 중의 적어도 하나의 개구부에 구멍 조절 부재를 장착하는 것에 의해 변경될 수 있으며, 그에 따라 리치 가스 또는 린 가스 및 공기의 혼합 지점이 조절된다. 이렇게 배치하면, 연소실 내부에서 균일한 연소가 달성되어 배출 가스 중의 NOx가 감소될 수 있다. 또한, 이러한 방법에서, 린 가스 연소의 경우 전술한 중첩된 개구부의 길이가 완전히 중첩된 길이의 80% 이하인 것과, 리치 가스가 연소될 때 공기 포트의 중심, 두 개의 공기 포트를 연결하는 중간점, 또는 린 가스 포트 및 공기 포트의 중심을 연결하는 중간점이 노벽에 평행하게 연소실의 코크스 추진 방향으로 연장된 중심선을 가로질러 리치 가스 포트의 반대쪽에 있는 것이 요망된다.
공기의 일부가 저부로부터 공급되고 나머지 공기가 연도 칸막이 벽에 마련된 하나 이상의 공기 포트로부터 공급되는 다단 연소 코크스로의 조업에 있어서, 저부로부터 공급되는 연소 공기의 양은 린 가스 연소의 경우 전체의 20 내지 70용적%이고 리치 가스 연소의 경우 50용적% 이상인 것이 바람직하다.
실시예
리치 가스 연소와 린 가스 연소의 경우에 있어서 린 가스 포트와 공기 포트가 연소실 저부에 어떻게 배치되고 또 두 개의 공기 포트가 어떻게 상이하게 배치되는지의 실시예가 각각 기재될 것이다.
[실시예 1]
도 3과 도 4에 도시된 연소실이 있는 코크스로를 이용하여 연소 시험을 실시하였다. 각각의 연소실은 저부 길이가 코크스 추진 방향으로 0.35m이고, 저부 길이가 노단 방향으로 0.91m이며, 높이가 6.6m인 내부 형태를 갖는다. 연소실은 그 연도 칸막이 벽의 노 높이 방향으로 두 개의 제2 공기 포트를 구비한다. 리치 가스 포트의 직경은 77mm이다. 단단 연소가 실행될 때 연도 칸막이 벽에 마련된 제2 공기 포트를 폐쇄하였음에 주목해야 한다. 연소실의 저부에서, 탄화실에 접한 노벽 가까이에 리치 가스 포트를 배치하였으며, 린 가스 포트와 공기 포트를 표 1에 도시된 바와 같이 위치를 달리하여 배치하였다.
구분 시험번호 포트배치 포트조절 공급된 공기의 양(용적%) 배기가스순환 시험 결과
연소실의저부 연도 칸막이벽 높이(제2단,제3단) 벽온도차(℃) NOx함량(ppm)
본발명의실시예 1 나란함 아니오 100 없음 아니오 80 120
2 나란함 아니오 100 없음 예 60 100
3 엇갈림 아니오 100 없음 아니오 83 125
4 엇갈림 예 100 없음 아니오 65 100
5 엇갈림 예 100 없음 예 54 91
6 나란함 아니오 70 (10%,20%) 아니오 65 100
7 나란함 아니오 70 (10%,20%) 예 40 72
8 엇갈림 아니오 70 (10%,20%) 아니오 65 95
9 엇갈림 아니오 70 (10%,20%) 예 52 81
10 엇갈림 예 70 (10%,20%) 아니오 58 86
11 엇갈림 예 70 (10%,20%) 예 45 75
12 엇갈림 예 50 (17%,33%) 예 50 79
13 엇갈림 예 60 (13%,27%) 예 48 75
비교실시예 14 나란함 아니오 100 없음 아니오 150 225
15 나란함 아니오 100 없음 예 135 190
16 나란함 예 100 없음 예 130 186
17 엇갈림 아니오 40 (20%,40%) 예 95 162
18 엇갈림 예 40 (20%,40%) 예 81 137
19 엇갈림 아니오 100 없음 예 142 205
발열량이 19320kJ/Nm3(4600kcal/Nm3)인 리치 가스를 사용하였으며, 28Nm3/h의 유량으로 각각의 연소실에 공급하였다.
단단 연소를 위해 전량의 공기(100용적%)를 연소실의 저부로부터 공급하고 다단 연소를 위해 40 내지 70용적%의 공기를 저부로부터 공급하였으며, 대략 1/3의 공기를 제2단 공기 포트로부터 공급하고 나머지 공기를 제3단 공기 포트로부터 공급하였다.
또한, 다단 연소를 위해 연소실의 저부로부터 공급된 공기의 양을 다르게 하는 경우, 제2단 공기 포트로부터 공급된 공기와 제3단 공기 포트로부터 공급된 공기의 비는 1:2였다. 각각의 경우 연소실 당 160Nm3/h의 유량으로 공기를 공급하였다.
연소실의 노벽(도 3의 참조번호 6 참조)의 온도와 배출 가스 중의 NOx함량을 측정하여 연소 시험을 실시하였다. 이들 결과도 역시 표 1에 나타나 있다.
1, 2, 6 및 7번 시험은 린 가스 포트와 공기 포트를 도 11(a)에 도시된 바와 같이 나란히 배치하고 이들 포트의 중심(P2, P) 사이의 중간점(P3)을 연소실 저부의 제1 구역(5-1)의 리치 가스 포트로부터 떨어진 제2 구역(5-2)에 위치시킨 본 발명의 연소실을 사용한 실시예이다. 또한, 3 내지 5와 8 내지 13번 시험은 본 발명의 연소실을 이용한 실시예이며, 린 가스 포트와 공기 포트를 엇갈리게 놓고 이들 포트의 중심(P2, P) 사이의 중간점(P3)을 연소실 저부의 제1 구역(5-1) 내의 리치 가스 포트로부터 떨어진 제2 구역(5-2)에 위치시켰다.
1 내지 5번 시험은 연소실 저부로부터 공기를 공급한 단단 연소의 실시예이며, 6 내지 13번 시험은 공기를 연소실 저부와 연도 칸막이 벽으로부터 공급한 다단 연소의 실시예이다.
도 1에서 분명한 바와 같이, 1 내지 13번 시험의 본 발명에 따른 실시예는 만족스러우며, 벽 온도차가 노 높이 방향으로 40 내지 83℃의 범위에 있고 발생된 NOx양이 72 내지 125ppm의 범위에 있는 것으로 나타났다.
3과 4, 8과 10, 그리고 9와 11번 시험을 비교할 때, 연소실의 코크스 추진 방향으로 연장된 중심선(CL)을 가로질러 리치 가스 포트 쪽에 위치된 개구부에 구멍 조절 부재가 장착된 4, 10 및 11번 시험에서는, 노 높이 방향의 벽 온도차가 작고 특히 NOx가 소량 발생한 것으로 나타났다.
또한, 12와 13번 시험은 연소실의 저부로부터 공급된 공기의 양이 달라진 실시예이다. 저부로부터 공급된 공기의 양이 50용적% 이상이면 노 높이 방향으로의 벽 온도차가 작고 NOx가 소량 발생되었다.
대조적으로, 린 가스 포트의 중심(P2)과 공기 포트의 중심(P)이 도 11(b)에 도시된 바와 같이 연소실의 코크스 추진 방향으로 연장된 중심선(CL)과 일치하도록 나란히 배치된 종래의 연소실을 이용한 비교례인 14번 시험에서는, 노벽 높이 방향으로의 온도차가 150℃로서 높았고 발생된 NOx의 양은 225ppm으로 많았다. 연소실 내에서 배출 가스가 순환되는 것을 제외하고는 14번 시험과 유사한 15번 시험에서는, 노벽 높이 방향으로의 온도차가 135℃로서 높았고 발생된 NOx양은 190ppm으로서 많은 것으로 나타났다.
16번 시험에서, 린 가스 포트와 공기 포트를 나란히 배치하였으며, 그 중심(P2, P) 사이의 중간점(P3)를 P31로 나타낸 바와 같이 제2 구역(5-2) 안으로 이동시켰으며, 구멍 조절 부재를 도 12(b)에 도시된 바와 같이 개구부에 장착하였다. 이러한 비교 실시예에서, 노벽 높이 방향의 온도차는 130℃로서 높았고 발생된 NOx의 양은 186ppm으로서 적은 것으로 나타났다.
17번 시험에서, 린 가스 포트와 공기 포트를 엇갈리게 두고 중심(P2, P)들 사이의 중간점(P3)을 제2 구역(5-2)의 리치 가스 포트의 반대쪽 위치로 이동시켰으며, 구멍 조절 부재를 도 12(c)에 도시된 바와 같이 개구부에 장착하였다. 연소실의 저부로부터 공급된 공기의 양이 전체의 40용적%이므로, 노벽 높이 방향으로의 온도차는 95℃로서 높았고 발생된 NOx의 양은 162ppm으로서 많은 것으로 나타났다. 또한, 배출 가스가 연소실 내에서 재순환되는 것을 제외하고는 17번 시험과 유사한 18번 시험에서는, 노벽 높이 방향으로의 온도차가 81℃로서 높았고 발생된 NOx의 양이 137ppm으로서 많은 것으로 나타났다.
19번 시험에서, 린 가스 포트와 공기 포트를 엇갈리게 두고, 중심(P2, P)들 사이의 중간점(P3)을 리치 가스 포트 쪽, 즉, 도 12(d)에 도시된 제1 구역(5-1)에 두었다. 따라서, 노벽 높이 방향으로의 온도차는 142℃로서 높고 발생된 NOx의 양은 205ppm으로서 많은 것으로 나타났다.
[실시예 2]
도 4에 도시된 다단 연소실에서, 발열량이 4620kJ/Nm3(1100kcal/Nm3)인 린 가스만을 연료로 사용하였고, 연소 후의 배출 가스 중의 산소 함량이 1.5%가 되도록 공기를 공급하였다. 전체의 50%가 공기 포트(3)로부터 공급되고 전체의 20%가 연도 칸막이 벽에 형성된 하부 공기 포트(8)로부터 공급되며 나머지가 상부 공기 포트(8)로부터 공급되도록 공기를 공급함으로써 다단 연소를 실행하였다. 연소실의 기본 구조는 높이가 6.6m이고 저부면의 최소 내부 치수가 0.91m×0.3m임에 주목해야 한다. 이러한 기본 구조는 단단 연소를 위한 연소실의 저부면의 최소 내부 치수가 0.91m×0.35m인 것을 제외하고는 다음의 실시예에서 공통이다.
도 13은 린 가스 포트와 공기 포트가 도 7(b)에 도시된 바와 같이 배치된 코크스로인 도 4(b)의 구조를 갖는 연소실 내에서 수행된 시험 결과를 나타낸다. 린 가스 포트의 크기와 공기 포트의 크기는 아래의 표 2에 기술된 것과 같다. 코크스 추진 방향으로의 분리된 길이(X2)를 40mm로 고정하였고, 코크스 추진 방향으로 본 중첩된 길이(Y2)를 다르게 하였다.
구분 길이(mm)
린 가스 포트 노단 방향 길이(L1) 250
코크스 추진 방향 길이(폭, W1) 85
공기 포트 노단 방향 길이(L2) 250
코크스 추진 방향 길이(폭, W2) 50
도 13(a)는 코크스 추진 방향으로 본 중첩된 길이(도 7의 Y2)와 배출 가스 중의 NOx함량 사이의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 도면에서, 중첩된 길이가 소정의 네거티브값으로 되어 있는 것은 포트 사이의 중첩이 없는 것을 의미하고 그 절대치는 분리된 길이를 가리킨다. 이 도면으로부터, NOx함량은 중첩된 길이의 범위가 -100 내지 200mm일 때 낮으며 중첩된 길이가 200mm를 초과하면 급격하게 증가하는 것이 분명하다. 전술한 값 200mm는 린 가스 포트(및 가스 포트)의 노단 방향으로의 길이(L1: 250mm)의 80%이다. 따라서, 중첩된 길이(Y2)는 노단 방향으로의 길이(L1)의 80% 이하인 것이 요망된다. 이 실시예에서 완전히 중첩된 길이(L)가 L1과 동일하므로, 전술한 비율 80%는 완전히 중첩된 길이(L)의 80%와 동일하다.
도 13(b)은 전술한 중첩된 길이(Y2)가 250mm(중첩 비율은 100%), 0mm(중첩이나 분리가 없음) 및 -100mm(분리된 길이는 100mm이고 분리 비율은 40%)일 때의 노 높이 방향으로의 연소실 벽의 온도를 나타낸다. 이 도면으로부터, 하부 구역의 연소실 벽의 온도는 중첩된 길이가 250mm, 즉, 중첩 비율이 100%일 때에는 너무 높고, 이것이 도 13(a)에 도시된 NOx함량이 급격히 증가하는 원인인 것으로 인식된다. 한편, 중첩된 길이가 -100mm, 즉, 분리 비율이 40%일 때에는, 연소실 벽의 온도는 하부 구역에서 낮고 상부 구역에서 높으며, 노 높이 방향으로 비교적 불균일한 온도 분포가 나타난다.
연소실 높이 방향으로의 불균일한 온도 분포는 예컨대 연소실 저부로부터 공기 공급 비율을 조절하거나 린 가스 및/또는 공기 포트에 공기 조절 수단을 제공하여 어느 정도 제거할 수 있지만, 그 효과에는 한계가 있다. 따라서, 중첩 비율이 80% 이하로 한정되고 분리 비율이 40% 이하로 한정되는 것이 요망된다.
도 13(c)는 동일한 구조의 연소실 저부로부터 전량의 공기를 공급하여 단단 연소를 실행하였을 때에 얻어진 시험 결과(점선으로 지시함)를 나타내며, 이 결과는 도 13(a)에 추가되었다. 단단 연소에서의 NOx함량이 다단 연소에서보다 다소 높은 반면, 중첩된 길이로부터 초래된 효과는 유사한 경향을 나타낸다. 따라서, NOx함량은 중첩된 길이가 150mm 이하이었을 때(중첩 비율이 60%이었을 때)에 크게 감소된다.
도 13(d)는 배출 가스가 동일한 구조의 연소실 내에서 실행된 다단 연소에서 시스템 내부에서 재순환되었을 때 얻어진 데이터를 도 13(a)에 추가한 것을 나타낸다. 배출 가스가 시스템 내부에서 재순환되었을 때, 재순환이 실행되지 않은 경우와 유사한 경향이 나타났지만, NOx함량은 감소하였다. 즉, 본 발명의 유리한 효과는 재순환 실행 여부와 관계없이 얻어진다.
도 14는 공급된 린 가스의 양{열취득}이 동일한 구조의 연소실에서 실행된 다단 연소에서 다르게 되었을 때에, 연소실 벽의 온도에 대해 이루어진 측정 결과를 나타낸다. 이 때, 린 가스 포트 및 공기 포트 사이의 중첩된 길이(Y2)는 0mm였다. 도 14에 실선으로 된 기준은 도 13(b)에서 "중첩된 길이가 0mm인"경우에 상응한다. 도 14에 도시된 바와 같이, 온도 패턴은 입열량(input gain)의 변화에 따라 변화하지 않으므로, 입열량의 관점에서 조업 조건이 크게 변경되어도 연료 및 공기 포트의 치수를 조절할 필요가 전혀 없으며, 그에 따라 본 발명의 유리한 효과가 유지될 수 있다.
[실시예 3]
도 15는 린 가스 연소에서 도 7(c)의 배치에 기초해 실행된 시험의 결과를 나타내는 도 13(a)와 유사한 그래프이다. 린 가스 포트의 크기와 공기 포트의 크기는 다음의 표 3에 기술한 바와 같다. 노단 방향의 분리된 길이(Y3)를 40mm로 고정하였으며, 노단 방향으로 본 중첩된 길이(X3)를 다르게 하였다.
구분 길이(mm)
린 가스 포트 노단 방향 길이(L1) 250
코크스 추진 방향 길이(폭, W1) 100
공기 포트 노단 방향 길이(L2) 150
코크스 추진 방향 길이(폭, W2) 100
도 15로부터, 중첩된 길이가 -50mm(분리 비율은 50%) 내지 50mm(중첩 비율은 50%)의 범위에 있는 때 NOx함량은 150ppm 이하로 감소되었다.
[실시예 4]
전술한 실시예 2와 동일한 조건으로 구멍 조절 시험을 실행하였다. 도 4(b) 즉, 도 7(b)의 배치에 있어서, 코크스 추진 방향으로 보았을 때의 중첩된 길이(Y2)를 200mm(중첩 비율은 80%)로 설정하였으며, 린 가스 포트와 공기 포트의 개구부에 구멍 조절 부재{조절 브릭(brick)}를 부착하여 이들 개구부를 조절하였다.
도 16은 어떻게 조절 브릭(9)이 배치되었는 지를 나타낸다. 도 16(a)에 도시된 바와 같이, 50mm의 구멍 조절 부재(9)를 린 가스 포트(7)에 부착하였으며, 공기 포트(3)를 일단부에 부착하였다. 그 때, 구멍 조절 부재(9)를 도 16(b)에 도시된 바와 같이 린 가스 포트 및 공기 포트가 중첩되는 단부에 배치하였다. 이렇게 배치하여, 중첩된 재료 길이를 100mm(중첩 비율은 40%)로 감소시켰다.
조절 브릭을 부착하지 않았을 때에 양쪽 포트의 중첩된 길이(Y2)는 200mm(중첩 비율은 80%)였으며, 그 때의 NOx함량은 도 13(a)에 도시된 바와 같이 대략 160ppm이었다. 대조적으로, 조절 브릭(9)이 부착되었을 때, 실질적인 중첩 비율이 전술한 것처럼 감소되었을 뿐만 아니라, 린 가스와 연소 공기의 방향이 도 16(b)에 도시된 바와 같이 서로 분리되도록 변경되었다. 이러한 조작에 따라, NOx함량이 95ppm으로 감소되었다. 따라서, 본 발명의 유리한 효과는 포트에 수행된 그와 같은 간단한 조작으로 개선될 수 있다.
[실시예 5]
도 17은 조절 브릭이 도 6(a)에 도시된 바와 같이 배치된 린 가스 포트 및 공기 포트에 어떻게 부착되었는 지를 나타낸다. 린 가스 포트(7)의 크기와 공기 포트(3)의 크기는 실시예 2에서와 동일하였다. 코크스 추진 방향으로 보았을 때 어떠한 포트도 중첩되지 않았으며, 이들은 노단 방향으로 보았을 때 100mm 만큼 분리되었다(즉, 중첩된 길이는 -100mm이고 중첩 비율은 40%였다). 이 경우, 중첩된 길이가 마이너스이므로, 도 13(b)에 도시된 것과 같이 연소실의 하부 구역의 온도가 상부 구역의 온도보다 더 낮다.
전술한 배치에서, 50mm 길이의 구멍 조절 부재(9)를 도 17(a)와 도 17(b)에 도시된 바와 같이 각각 린 가스 포트 및 공기 포트에 부착시켰을 때, 린 가스와 공기의 유동 방향이 도 17(b)에 도시된 바와 같이 변경되었다. 이 경우, 비록 NOx함량이 조절 브릭을 부착시키기 전후에 변경되지 않았지만, 도 18에 도시된 바와 같이 노단 방향으로의 균일한 온도 분포가 달성되었으며 노 저부의 온도는 상승하고 노 하부 구역의 온도는 하강하였다. 이것은 린 가스의 흐름이 조절 브릭이 존재함으로 인해 연소 공기의 유동에 접근하고 그에 따라 분리 비율의 감소에 상응하는 효과가 얻어졌기 때문이다.
[실시예 6]
노단 방향으로 보았을 때 양쪽 포트 사이에 중첩된 길이가 없게 하면서 연소실의 저부에서 공기 포트(3)로부터 공급될 공기의 양을 전체의 10-90% 범위 내에서 변경시켜 시험을 수행하였다. 도 4(b)에 도시된 구조를 갖는 장치를 이용한 실시예 2에서와 동일한 조건하에 시험을 실행하였다. 나머지 공기를 1:1.5의 비율로 연도 칸막이 벽에 배치된 두 개의 공기 포트(8)로부터 공급하였다.
도 19(a)는 연소실의 저부{공기 포트(3)}로부터 공급될 공기량의 비율과 배출 가스 중의 NOx함량 사이의 관계를 나타내는 그래프이며, 도 19(b)는 연소실 벽 높이 방향으로의 최고 및 최저 온도 사이의 차이를 나타내는 유사한 그래프이다. 이들 도면에 도시된 바와 같이, 연소실 저부로부터 공급될 공기비가 70%를 초과하면, NOx함량이 급격히 증가할 뿐만 아니라 연소실 벽의 온도차 역시 증가한다. 이것은 연소실 저부의 연소 온도가 국부적으로 증가하기 때문이다. 한편, 공기비가 20% 미만이면, 연소실 저부의 온도는 하강하고 그에 따라 연소실 벽의 온도차가 증가한다. 이러한 결과들로부터 명백하듯이, 연소실 저부의 공기 포트(3)로부터 공급될 공기는 전체 공기의 20 내지 70% 범위이다.
린 가스 포트와 공기 포트의 배치가 본 발명에 따른 코크스로의 연소실 저부에서 최적으로 되므로, 리치 가스 연소 및 린 가스 연소 모두에서 노 높이 방향으로 균일한 연소가 달성될 수 있다. 그 결과, 국부적인 고온 연소가 감소되며 그에 따라 NOx의 발생량이 감소된다. 또한, 각각의 탄화실 내부의 가열 온도도 역시 균일하므로 양질의 코크스를 얻을 수 있다. 본 발명은 신설되는 코크스로 뿐만 아니라 구멍 조절 부재를 린 가스 포트 및/또는 공기 포트에 부착하는 간단한 방법에 의해 기존의 노에도 역시 적용될 수 있다.

Claims (12)

  1. 노벽(爐壁)에 의해 탄화실로부터 분리되고, 리치 가스 포트(rich-gas port)와, 하나 또는 두 개의 공기 포트 또는 한 쌍의 린 가스 포트(lean-gas port) 및 공기 포트를 각각 구비하는 연소실의 어레이(array)를 포함하며, 상기 포트들은 모두 이 연소실의 저부에 위치되는 코크스로(coke oven)에 있어서,
    (1) 상기 연소실은 코크스 추진(coke pushing) 방향으로 연장된 중심선에 의해 제1 구역과 제2 구역으로 형성되고, (2) 상기 리치 가스 포트는 상기 제1 구역의 노벽 가까이에 위치되며, (3) 상기 하나의 공기 포트의 중심, 또는 상기 두 개의 공기 포트의 중심을 연결하는 중간점, 또는 상기 린 가스 포트와 상기 공기 포트의 중심을 연결하는 중간점은 상기 제2 구역에 있는 것을 특징으로 하는 코크스로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 공기 포트 중의 하나 또는 양쪽이나, 상기 린 가스 포트 및 공기 포트 중의 하나 또는 양쪽에는 공기 및/또는 린 가스의 흐름을 조절하기 위한 구멍 조절 부재가 더 마련되는 것을 특징으로 하는 코크스로.
  3. 노벽에 의해 탄화실로부터 분리되고, 리치 가스 포트와, 한 쌍의 린 가스 포트 및 공기 포트를 각각 구비하는 연소실의 어레이를 포함하며, 상기 포트들은 모두 이 연소실의 저부에 위치되는 코크스로에 있어서,
    (1) 상기 연소실은 코크스 추진 방향으로 연장된 중심선에 의해 제1 구역과 제2 구역으로 형성되고, (2) 상기 리치 가스 포트는 제1 구역의 노벽 가까이에 위치되며, (3) 상기 린 가스 포트와 상기 공기 포트의 중심을 연결하는 중간점은 제2 구역에 있고, (4) 상기 린 가스 포트 및 공기 포트는 상기 연소실의 노단(爐團) 방향과 코크스 추진 방향의 양쪽에서 보았을 때 어느 방향으로도 완전히 중첩되지 않는 것을 특징으로 하는 코크스로.
  4. 제3항에 있어서, 상기 연소실의 노단 방향과 코크스 추진 방향의 양쪽에서 보았을 때 상기 공기 포트와 상기 린 가스 포트가 각각의 방향으로 중첩된 길이는 완전히 중첩된 길이의 80% 이하인 것을 특징으로 하는 코크스로.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 공기 포트와 상기 린 가스 포트 중의 적어도 하나에는 린 가스 및/또는 공기의 흐름을 조절하기 위한 구멍 조절 부재가 더 마련되는 것을 특징으로 하는 코크스로.
  6. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 따른 코크스로를 조업하는 방법에 있어서, 전량(全量)의 린 가스와 전량의 공기를 상기 연소실 저부에 각각 마련된 상기 린 가스 포트 및 상기 공기 포트로부터 공급함으로써 단단(單段) 연소를 실행하는 것을 특징으로 하는 코크스로의 조업 방법.
  7. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 따른 코크스로를 조업하는 방법에 있어서, 전량의 린 가스를 상기 연소실 저부에 마련된 상기 린 가스 포트로부터 공급하고, 공기의 20 내지 70용적%를 상기 연소실 저부에 마련된 상기 공기 포트로부터 공급하며, 나머지 공기를 상기 연소실의 연도(煙道) 칸막이 벽에 마련된 포트(들)로부터 공급함으로써 다단 연소를 실행하는 것을 특징으로 하는 코크스로의 조업 방법.
  8. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 따른 코크스로를 조업하는 방법에 있어서, 린 가스의 일부를 상기 연소실 저부에 마련된 상기 린 가스 포트로부터 공급하고, 나머지 린 가스를 상기 연소실의 상기 연도 칸막이 벽에 마련된 상기 포트(들)로부터 공급하며, 전량의 연소 공기를 상기 연소실 저부에 마련된 상기 공기 포트로부터 공급함으로써 다단 연소를 실행하는 것을 특징으로 하는 코크스로의 조업 방법.
  9. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 따른 코크스로를 조업하는 방법에 있어서, 린 가스의 일부를 상기 연소실의 저부에 마련된 상기 린 가스 포트로부터 공급하고, 나머지 린 가스를 상기 연소실의 상기 연도 칸막이 벽에 마련된 상기 포트(들)로부터 공급하며, 연소 공기의 20 내지 70용적%를 상기 연소실 저부에 마련된 공기 포트로부터 공급하고, 나머지 연소 공기를 상기 연소실의 상기 연도 칸막이 벽에 마련된 상기 포트(들)로부터 공급함으로써 다단 연소를 실행하는 것을 특징으로 하는 코크스로의 조업 방법.
  10. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 따른 코크스로를 조업하는 방법에 있어서, 전량의 리치 가스를 상기 리치 가스 포트로부터 공급하고, 전량의 공기를 상기 공기 포트 및/또는 상기 린 가스 포트로부터 공급함으로써 단단 연소를 실행하며, 상기 각각의 포트는 상기 연소실 저부에 마련되는 것을 특징으로 하는 코크스로의 조업 방법.
  11. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 따른 코크스로를 조업하는 방법에 있어서, 전량의 리치 가스를 상기 연소실 저부에 마련된 상기 리치 가스 포트로부터 공급하고, 공기의 50용적% 이상을 상기 연소실의 저부에 마련된 상기 공기 포트 및/또는 상기 린 가스 포트로부터 공급하며, 나머지 공기를 상기 연소실의 상기 연도 칸막이 벽에 마련된 상기 포트(들)로부터 공급함으로써 다단 연소를 실행하는 것을 특징으로 하는 코크스로의 조업 방법.
  12. 제6항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 따른 코크스로를 조업하는 방법에 있어서, 상기 공기 포트 및/또는 상기 린 가스 포트의 개구부에 구멍 조절 부재를 장착하여 린 가스 및/또는 공기의 토출 방향을 변경하고, 연료 가스와 공기의 혼합 지점을 조정하는 것을 특징으로 하는 코크스로의 조업 방법.
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