KR20040056882A - Multi hole nozzle burner for ladle heating - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 철강산업에 사용되는 각종 래들(ladle)의 버너에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 연료와 연소용 공기의 유동을 이용하여 선회류를 형성한 뒤 연소가 이루어지게 하여 래들을 가열시킴으로써, 열효율을 향상시키고, 유해 연소가스의 농도를 저감시키며, 가열시간 또한 단축시켜 에너지 절감을 이룰 수 있는 래들 가열용 멀티 홀 노즐 버너에 관한 것이다.The present invention relates to burners of various ladles (ladle) used in the steel industry, and more particularly, by forming a swirl flow by using a flow of fuel and combustion air to make the combustion by heating the ladle, The present invention relates to a ladle heating multi-hole nozzle burner capable of improving energy efficiency, reducing the concentration of harmful combustion gases, and shortening the heating time to achieve energy savings.
일반적으로, 철강산업에 사용되는 래들(ladle) 가열용 버너는 연료(4)와 연소용 공기(2)를 별도로 공급하여 연소시키는 확산연소 방식이다.In general, a ladle heating burner used in the steel industry is a diffusion combustion method in which fuel 4 and combustion air 2 are separately supplied and combusted.
즉, 도 1에 나타낸 바와 같이 버너 내부의 연료노즐(5)는 연료(4)를 가스라인으로부터 공급받아 래들커버(6) 중앙부에 설치된 버너의 중앙부로부터 수직 하방의 래들(9) 하부로 연료(4)가 유출되도록 분출구가 구성되고, 공기노즐(3)은 블로어(blower)(1)로부터 공급되는 연소용 공기(2)를 전술한 연료노즐(5)을 중심에 두고 바깥쪽에서 환형으로 하여 수직하방의 래들(9) 하부로 연소용 공기(2)가 유출되도록 분출구가 구성된다.That is, as shown in FIG. 1, the fuel nozzle 5 inside the burner receives the fuel 4 from the gas line, and lowers the fuel (5) from the center of the burner installed in the center of the ladle cover 6 to the lower portion of the ladle 9. 4) The ejection port is configured to flow out, and the air nozzle 3 is vertically circulated from the outside with the combustion air 2 supplied from the blower 1 centered on the fuel nozzle 5 described above. A blowing port is configured such that the combustion air 2 flows out below the ladle 9 below.
이때, 공급되는 연료(4)와 연소용 공기(2)의 양은 래들(9)의 승온부하에 상응하도록 조절되며, 버너에서 연소가 이루어진 후, 연소용 공기(2)의 모멘텀에 의해 래들(9) 하부로 화염과 연소가스의 유동이 이루어져 그 복사, 대류 및 전도에 의해 래들(9)을 가열시키게 된다.At this time, the amount of the fuel 4 and the combustion air 2 supplied is adjusted to correspond to the elevated load of the ladle 9, and after combustion is performed in the burner, the ladle 9 is driven by the momentum of the combustion air 2. The flow of flame and combustion gas is generated at the bottom to heat the ladle 9 by its radiation, convection and conduction.
이와 같은 래들 가열용 확산연소식 버너의 경우, 연료(4)와 연소용 공기(2)의 비율을 승온패턴에 따라 조정하지만, 조업대기 상태인 보열 래들(9)인 경우에는연료(4)와 연소용 공기(2)의 비율을 공기과잉비가 1.2가 되도록 하여 운전을 행하고 있다.In the case of the diffusion combustion burner for ladle heating as described above, the ratio of the fuel 4 and the combustion air 2 is adjusted according to the temperature rising pattern, but in the case of the thermal ladle 9 in the standby state, the fuel 4 and Operation is carried out with the ratio of the combustion air 2 to the excess air ratio of 1.2.
이때, 연료(4)와 연소용 공기(2)는 미리 혼합하지 않고 따로 공급하는 확산화염의 형태로 연소가 이루어지기 때문에, 화염대내에 국소적으로 고온 연소영역과 저온 연소영역이 동시에 존재하게 된다.At this time, since the fuel 4 and the combustion air 2 are combusted in the form of a diffusion flame which is supplied separately without mixing in advance, a local high temperature combustion region and a low temperature combustion region exist simultaneously in the flame zone. .
국소적인 고온 연소영역의 존재는 결국 화염온도를 높게 하여 화학반응중 확대 젤도비치(Zeldovich) 메커니즘을 통한 질소산화물 농도의 증대를 가져오게 된다.The presence of a localized high temperature combustion zone eventually increases the flame temperature, leading to an increase in the concentration of nitrogen oxides through the enlarged Zeldovich mechanism during the chemical reaction.
그리고, 저온 연소영역의 존재는 화염대내의 반응속도를 떨어뜨려 불완전연소 및 국소적 실화를 가져와 배기가스중의 일산화탄소 및 미연소 탄화수소의 증가를 야기하게 된다.In addition, the presence of the low temperature combustion zone decreases the reaction rate in the flame zone, resulting in incomplete combustion and localized fire, leading to an increase in carbon monoxide and unburned hydrocarbons in the exhaust gas.
따라서, 대기오염 물질의 원인이 되는 질소산화물, 일산화탄소와 같은 유해 연소가스의 배출량이 증대되게 되고, 불완전 연소 및 국소적 실화로 인한 연소효율의 저하와 래들(9)로의 전열량의 감소에 따른 필요 이상의 연료 소비가 야기되게 된다.Therefore, the emissions of harmful combustion gases such as nitrogen oxides and carbon monoxide, which are causes of air pollutants, are increased, and the combustion efficiency due to incomplete combustion and localized fires and the need for reduction in heat transfer to ladle 9 are required. The above fuel consumption is caused.
또한, 확산화염의 형태로 화염에 큰 운동량을 주어 이 화염이 래들(9) 바닥에 접촉하여 래들(9)을 가열하기 때문에 래들(9)의 일정한 부분에만 화염이 닿아 온도가 상승하는 관계로, 온도 상승속도가 느리고 래들(9) 전체의 온도편차도 심한 문제점이 발생된다.In addition, since the flame imparts a large momentum to the flame in the form of a diffused flame and heats the ladle 9 by contacting the bottom of the ladle 9, the flames only reach a certain portion of the ladle 9 so that the temperature rises. Slow temperature rise rate and severe temperature deviation throughout the ladle (9) occurs.
본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 연료와 연소용 공기의 유동으로 선회연소를 실현하여 래들내 연소가스의 체류시간을 지연시키고 균일가열으로 전열효과를 극대화하고, 유해 연소가스의 배출을 저감시키며, 가열시간의 단축으로 연료절감을 이룰 수 있는 래들 가열용 멀티 홀 노즐 버너를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was devised to solve the above-mentioned problems, and realizes swirl combustion by the flow of fuel and combustion air to delay the residence time of the combustion gas in the ladle, maximize the heat transfer effect by uniform heating, and harmful combustion It is an object of the present invention to provide a multi-hole nozzle burner for ladle heating that can reduce the discharge of gas and achieve fuel savings by shortening the heating time.
도 1은 종래의 래들 가열용 버너를 보여주는 개략도,1 is a schematic view showing a conventional ladle heating burner,
도 2는 본 발명에 따른 래들 가열용 멀티 홀 노즐 버너를 보여주는 개략도,2 is a schematic view showing a multi-hole nozzle burner for ladle heating according to the present invention,
도 3은 도 2의 버너 분출구를 설명하는 도면,3 is a view for explaining the burner jet port of FIG.
도 4는 본 발명에 따른 멀티 홀 노즐의 단면도이다.4 is a cross-sectional view of a multi-hole nozzle according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1 : 블로어(blower) 2 : 연소용 공기1: blower 2: combustion air
3 : 공기노즐 4 : 연료3: air nozzle 4: fuel
5 : 연료노즐 6 : 래들 커버5: fuel nozzle 6: ladle cover
7 : 연소가스 배기구 8 : 틈새7: combustion gas exhaust port 8: gap
9 : 래들(ladle) 10 : 멀티 홀 노즐(multi hole nozzle)9 ladle 10 multi hole nozzle
11 : 파일럿 점화용 공기노즐 11a : 파일럿 점화용 공기노즐 분출구11: pilot ignition air nozzle 11a: pilot ignition air nozzle
12 : 연료노즐 12a : 연료노즐 분출구12: fuel nozzle 12a: fuel nozzle outlet
13 : 연소용 공기노즐 13a : 연소용 공기노즐 분출구13 combustion air nozzle 13a combustion air nozzle
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 래들 가열용 멀티 홀 노즐 버너는, 높이가 L이고, 직경이 D인 래들(9)의 상부 래들커버(6)의 중앙에 구비되되, 상기 래들커버(6)로부터 50~70㎜의 높이를 가지고 구비되며, 3중 환형구조로서, 단공 분출구(11a)를 가지고 정중앙에 구비되는 파일럿 점화용 공기노즐(11)과; 상기 파일럿 점화용 공기노즐(11)을 둘러싼 환 형태로 구비되며 원주방향으로 일정각도씩 이격되고 arctan(L/D)의 분출각도를 이루는 다공 분출구(12a)를 가지는 연료노즐(12)과; 상기 연료노즐(12)을 둘러싼 환 형태로 구비되며 원주방향으로 일정각도씩 이격되고 arctan(L/D)의 분출각도를 이루는 다공 분출구(12a)를 가지는 연소용 공기노즐(12); 을 일체로 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.Ladle heating multi-hole nozzle burner of the present invention for achieving the above object is provided in the center of the upper ladle cover 6 of the ladle 9 having a height of L, the diameter D, the ladle cover ( 6) having a height of 50 to 70 mm, and having a triple annular structure, the pilot ignition air nozzle 11 having a single hole ejection opening 11 a and provided in the center; A fuel nozzle 12 provided in a ring shape surrounding the pilot ignition air nozzle 11 and having a porous jet port 12a spaced at a predetermined angle in the circumferential direction and forming an ejection angle of arctan (L / D); A combustion air nozzle (12) provided in a ring shape surrounding the fuel nozzle (12) and having a porous jet port (12a) spaced at a predetermined angle in the circumferential direction and forming an ejection angle of arctan (L / D); Characterized in that configured to include integrally.
바람직하게, 상기 연료노즐(12)의 분출구(12a)와 상기 연소용 공기노즐(13)의 분출구(13a)는 각각 4개일 수 있으며, 상기 연료노즐(12)의 분출구(12a)와 상기 연소용 공기노즐(13)의 분출구(13a)가 이루는 원주방향으로의 각도는 30~45°범위일 수 있다.Preferably, the ejection openings 12a of the fuel nozzle 12 and the ejection openings 13a of the combustion air nozzle 13 may be four, respectively, and the ejection openings 12a of the fuel nozzle 12 and the combustion nozzles 12 may be provided. The angle in the circumferential direction formed by the jet port 13a of the air nozzle 13 may be in the range of 30 to 45 °.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 따른 래들 가열용 멀티 홀 노즐 버너를 보여주며, 도 3은 그 버너 분출구를, 도 4는 그 단면도이다.Figure 2 shows a multi-hole nozzle burner for ladle heating according to the present invention, Figure 3 is a burner outlet, Figure 4 is a cross-sectional view thereof.
본 발명에 따른 멀티 홀 노즐 버너(10)는 연료와 연소용 공기가 다중 분출구를 통해 분출되고, 특히 연소용 공기의 분출방향은 래들(9) 하부의 양측 가장자리를 향하고, 원주방향에 대해서는 접선방향으로 분사하여 선회연소를 가능하게 함으로써 연소에 따른 질소산화물 저감과 에너지 절감을 실현한다.In the multi-hole nozzle burner 10 according to the present invention, fuel and combustion air are blown out through the multiple blower outlets, in particular, the blowing direction of the combustion air is directed toward both edges of the bottom of the ladle 9, and tangential to the circumferential direction. It is possible to achieve combustion reduction and energy reduction by combustion by turning to combustion.
그 구조는 3중 환형구조로서, 래들커버(6)로부터 50~70㎜의 높이를 가지고 구비되며, 중앙부에 파일럿 점화용 공기노즐(11)을 구비하고, 이 파일럿 점화용 공기노즐(11)을 둘러싼 환 형태로 연료노즐(12)을 구비하며, 이 연료노즐(12)을 둘러싼 환 형태로 최외부에 연소용 공기노즐(13)을 구비한다.The structure is a triple annular structure, which has a height of 50 to 70 mm from the ladle cover 6, is provided with a pilot ignition air nozzle 11 at the center, and the pilot ignition air nozzle 11 is provided. The fuel nozzle 12 is provided in the form of an enclosed ring, and the combustion air nozzle 13 is provided in the outermost part in the form of the ring surrounding the fuel nozzle 12.
그리고, 파일럿 점화용 공기노즐(11)의 선단 분출구(11a)는 단공이고, 연료노즐(12)과 연소용 공기노즐(13)의 선단 분출구(12a, 13a)는 각각 원주방향으로 일정각도씩 이격된 4개의 다공으로 분출각도는 arctan(L/D)와 같으며, 여기서, L은 래들(9)의 높이이고, D는 그 직경이다.The tip blowing port 11a of the pilot ignition air nozzle 11 is a single hole, and the tip nozzles 12a and 13a of the fuel nozzle 12 and the combustion air nozzle 13 are respectively spaced apart by a predetermined angle in the circumferential direction. The ejection angle of the four pores is equal to arctan (L / D), where L is the height of the ladle 9 and D is its diameter.
본 발명에 따르면, 파일럿 화염은 도 3과 같이 연료노즐 분출구(12a)에서 d2정도 떨어진 곳에 확산연소를 통해 안정적인 연속화염을 형성하게 되며, 파일럿 화염영역에서 연소되지 않은 연료는 래들(9) 하부까지의 연소가스 도달을 위한 운동량의 확보와 연료와 연소용 공기의 균일혼합의 달성을 위해 4개의 분출구(12a)를 통해 최외부에서 분출되는 연소용 공기에 의해 혼합이 이루어지면서 수직축으로부터 arctan(L/D)의 각도를 이루며 경사각을 지닌 연속화염을 형성하게 된다.According to the present invention, the pilot flame forms a stable continuous flame through diffusion combustion at a distance d 2 from the fuel nozzle outlet 12a as shown in FIG. 3, and the fuel not combusted in the pilot flame region is lowered in the ladle 9. Arctan (L) from the vertical axis as mixing is performed by the combustion air ejected from the outermost through the four ejection openings 12a to secure the momentum for reaching the combustion gas up to and to achieve uniform mixing of fuel and combustion air / D) to form a continuous flame having an angle of inclination.
연소용 공기의 분출방향은 원주의 접선 방향으로, 형성된 연속화염이 접선방향 운동성분을 갖게 되어 다음 수학식 1과 같은 선회강도, S를 가지고, 래들(9) 하부에서부터 연소가스가 래들(9)과 접촉하면서 충분한 체류시간을 가지고 래들(9) 상부와 래들커버(6) 사이의 틈새(8) 및 래들커버(6)의 배기구(7)를 통해 외기로 배출되게 된다.Combustion direction of the air for combustion is the tangential direction of the circumference, the continuous flame formed has a tangential motion component, has a swirl strength, S as shown in the following equation (1), the combustion gas from the bottom of the ladle (9) ladle (9) It is discharged to the outside air through the gap 8 between the upper part of the ladle 9 and the ladle cover 6 and the exhaust port 7 of the ladle cover 6 with a sufficient residence time in contact with the gas.
여기서, u와 w는 속도의 축방향 성분과 접선방향 성분, ρ는 공기의 밀도, p는 분출구(13a) 기준 정압, r은 축중심에서 반경방향으로의 거리이다.Where u and w are the axial and tangential components of the velocity, p is the density of air, p is the static pressure relative to the jet port 13a, and r is the distance from the axis center to the radial direction.
분출구(13a)에서의 정압은 대략 1.1㎏/㎠이고, u와 w는 각각 분출직전의 속도인 uo를 각각 축방향 성분과 접선방향 성분으로 나눈 것으로, 래들(9) 높이, L을 3m로 하고 래들(9)의 직경, D를 2.6m로 하면, u와 w는 각각 0.64uo, 0.33uo가 된다.The static pressure at the jet port 13a is approximately 1.1 kg / cm 2, and u and w are divided by the axial component and the tangential component, respectively, u o , which is the speed just before the jet, respectively, and the height of the ladle 9, L is 3 m. and if the diameter, D of the ladle 9 to 2.6m, u and w are each 0.64u o, o 0.33u.
또한, 반경방향 거리, r과 연소용 공기의 분출구(13a)전 속도를 각각 1.3m와 35m/s로 하고, 공기 밀도, r을 1.225㎏/㎥으로 하면, 상기 수학식에 의해 선회강도, S는 약 0.45정도를 가지게 된다.Further, when the radial distance r and the velocity before the jet port 13a of the combustion air are 1.3 m and 35 m / s, respectively, and the air density r is 1.225 kg / m 3, the turning strength, S Is about 0.45.
이에 따라 선회류가 형성되면 연소후의 연소가스가 멀티 홀 노즐(10) 중앙부근에 재순환영역을 형성하게 되고, 이 재순환 영역의 형성은 연소의 중간생성물로서 생성된 OH기, H기, O3기와 같은 활성화학종을 미연소의 연료와 연소용 공기의 혼합기 영역으로 되돌리기 때문에 연소의 화학반응을 촉진시키는 동시에, 열용량이 큰 수증기(H2O), 이산화탄소(CO2), 질소(N2)도 연소 반응대내로 내부 재순환시켜 연소 반응대의 산소농도의 저하를 가져오게 하여 질소산화물의 저감을 가능하게 한다.Accordingly, when the swirl flow is formed, the combustion gas after combustion forms a recirculation region near the center of the multi-hole nozzle 10, and the formation of the recirculation region is performed by forming OH, H, and O 3 groups as intermediate products of combustion. The same activated grade is returned to the unmixed fuel and combustion air mixer zone, which promotes the chemical reaction of combustion and also burns water vapor (H 2 O), carbon dioxide (CO 2 ), and nitrogen (N 2 ) with high heat capacity. Internal recirculation into the reaction zone results in a decrease in the oxygen concentration of the combustion reaction zone, thereby reducing the nitrogen oxides.
또한, 선회류의 재순환 영역의 존재로 인하여 연소 반응대 주위의 공기와 연소가스의 엔트레인먼트도 증가시켜 전체적으로 연료농도를 균일하게 만들어 줌으로써 국소적 고온 영역에 의한 질소산화물의 생성과 국소적 저온영역에 의한 일산화탄소 및 미연소 탄화수소의 농도를 줄이게 된다.In addition, due to the presence of the recirculation zone of the swirl flow, the entrainment of air and combustion gas around the combustion zone is also increased to make the fuel concentration as a whole, so that the production of nitrogen oxides by the local high temperature zone and the local low temperature zone To reduce the concentration of carbon monoxide and unburned hydrocarbons.
덧붙여, 연료가 연소용 공기와 너무 급속히 혼합되어 국소적 실화로 인해 화염자체가 불안정하게 되는 것을 방지하기 위하여, 도 3과 같이 연료와 연소용 공기의 분출구(12a와 13a)의 원주방향 각도차는 30~45°정도가 바람직하다.In addition, in order to prevent the fuel from mixing too rapidly with the combustion air and causing the flame itself to become unstable due to localized fire, the circumferential angle difference between the fuel outlets 12a and 13a of the fuel and combustion air is 30 as shown in FIG. It is desirable to be about 45 °.
본 발명에 따르면, 기존 래들에 버너부만 간단히 교체하여 적용할 수 있으며, 선회연소에 의한 안정적 연소로 유해 연소가스의 농도가 저감되어 환경오염을 방지하고, 선회류를 이용해 연소가스가 래들 하부로부터 체류시간을 길게 가지고 배출되어 효과적으로 래들을 보온 및 승온시킴으로써 연료절감을 꾀할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, it is possible to simply replace the burner portion in the existing ladle and apply, and the combustion of the combustion gas from the bottom of the ladle by using the swirl flow to reduce the concentration of harmful combustion gas by the stable combustion by the rotary combustion. It is discharged with a long residence time to effectively save fuel by warming and raising the ladle.
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