KR20070043690A - 금속 가공 공장에서 ｆｔｉｒ 분광법을 이용한 비접촉식배출가스 측정 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

예컨대 전로에서와 같은 시스템 구성 부분에서 금속 가공 공정을 실행할 시에, 시간에 따른 배출 가스 조성의 정보 파악은 공정 진척에 관한 정보를 제공하는데 중요한 도움을 준다. 공지된 분석 방법으로는, 배출 가스 흐름(7)으로부터 일정한 용적을 채취한 다음, 이러한 배출 가스 시료를 분석하는 방법이 있다. 이와 같이 시료 채취에 기초하는 분석 방법의 바람직하지 못한 점은, 시료 채취 후에 분석 결과를 최초로 얻을 수 있기까지 시간이 지연되는 점에 있다. 그러므로 본 발명에 따라, FTIR 분광법을 이용하여 시간 지연 없이 비접촉식 배출 가스 분석을 실행할 수 있되, FTIR 분광계(2)로부터 획득된 스펙트럼들은 사전에 결정된 수학적 모델을 이용하여 배출 가스 조성을 계산하기 위해 이용된다.

금속 가공 시스템, 전로, 배출 가스관, 측정 빔, 배경면, FTIR-분광계, CCD-카메라, 비접촉식 배출 가스 측정 장치.

Description

금속 가공 공장에서 ＦＴＩＲ 분광법을 이용한 비접촉식 배출가스 측정 방법 및 장치{NON-CONTACT EXHAUST GAS MEASUREMENT BY MEANS OF FTIR SPECTROSCOPY ON METALLURGICAL PLANTS}

본 발명은 고온이면서 오염된 주변 공기 속의 금속 가공 공장 또는 시스템에서, 더욱 상세하게는 전로(converter)에서, 이 금속 가공 시스템에 이격되어 설치된 FTIR-분광계(FTIR = 푸리에 변환 적외선)를 이용하여 비접촉식으로 배출 가스를 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르는 상기 FTIR-분광계의 측정 빔은, 측정 지점인, 배출 가스관의 적합한 개구에서 배출 가스 내로 배향되고, 이때 배출 가스 내의 측정 빔 길이에 상응하게 배출 가스 용적 부분이 상기 측정 빔 길이의 원통형 형태로 검출되며, 그에 따라 FTIR 분광계로부터 획득한 측정값들이 배출 가스 조성에 따른 스펙트럼들에 표시된다. 그런 다음 상기 스펙트럼들은 배출 가스 온도;와 온도에 따른 에너지 균형의 형태로 사전에 결정된 수학적 모델;을 포함하여 시간 지연 없이 배출 가스 조성의 계산을 가능케 한다.

예컨대 전로와 같은 시스템 구성 부분에서 금속 가공 공정을 실행할 시에 시간에 따른 배출 가스 조성의 정보 파악은 공정 진척에 대한 정보를 제공하고 그런 다음 상기 공정 진척을 그에 상응하게 제어할 수 있게 하는데 중요한 도움을 준다. 공지된 방법들 중 가능한 분석 방법으로는 배출 가스 흐름으로부터 일정한 용적을 채취하고, 그런 다음 이 채취된 배출 가스 시료를 예컨대 분광법을 이용하여 분석하는 것에 있다. 이와 같은 점은, 예컨대 산소 전로 내에서의 정련 공정을 위한 종료점의 결정과 결부되는 독일 공보 DE 42 17 933 C2에 기술되어 있다.

시료 채취에 기초한 분석 방법의 경우, 시료 채취 후에 분석 결과를 획득하는데 시간 지연이 발생하는 단점이 있다. 왜냐하면 그에 앞서 고온의 배출 가스를 냉각하고, 경우에 따라 분석을 위해 순화하여야 하기 때문이다. 또한, 단점으로서, 채취 시스템(랜스(lance), 배관)을 (배출 가스가 오염되어 있기 때문에) 청소 하여야 하며, 그럼으로써 중단되고, 그와 동시에 분석 결과를 획득할 때까지 시간 지연이 이루어진다. 궁극적으로 오로지 배출 가스를 흐름과 동시에 정확하게 채취할 시에만, 정확한 분석 결과를 달성할 수 있다. 그러므로 이와 같은 분석 결과는 극미한 시료 용적을 바탕으로 절대적으로 표본으로서 간주할 수 없다.

전술한 단점들을 회피하기 위해, 2003년 09월 25-26일 Aachen 강(steel) 연구 회의의 강연 내용으로, 아헨 소재 Tagungsband Verlag Mainz 출판사에 의해 출판된 O. Jannasch, H.-W.Gudenau, K. Mavrommatis, D. Senk의 출판물, "FTIR 배출 가스 분석을 통한 전기 아크로 내에서의 후연소(after-burning)의 결정"에는 상당한 시간 지연 없이 비접촉식 배출 가스 분석을 실행하는데 이용될 수 있는 방법이 소개되었다.

비접촉식 배출 가스 분석을 실행하기 위해, 전기 아크로를 향해 측면으로 이격시켜 플랫폼상에 FTIR-분광계가 설치된다. 이 분광계의 측정 빔(레이저 빔)은 배출 가스 엘보우의 틈새 내로 배향된다. 온도에 따른 스펙트럼의 형태로 제공되는 측정 결과들;과 비교를 목적으로 통상의 가스 분석기를 이용하여 시료 채취를 기초로 하여 획득한 배출 가스 성분들;로부터 전기로 제강 공장의 조건에 부합되는 수학적 모델이 에너지 균형의 형태로 전개된다. 그런 다음 이어서 FTIR 분광법의 실제 값들과 상기와 같이 전개되는 모델을 조합함으로써, 신속하면서도 비접촉식인 배출 가스 분석 방법이 제공된다. 이러한 분석 방법은 전기 아크로 내에서의 후연소를 제어하기 위해 이용될 수 있으며, 그로 인해 배출 가스 내에서 포함된 에너지를 효율적으로 활용할 수 있다고 하였다.

본 발명은, 전술한 종래 기술의 단점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 전기 아크로 용으로 개발된 비접촉식 배출 가스 분석법을, 무엇보다 전로와 같이, 고온이면서 오염된 주변 공기에 위치한 추가의 금속 가공 시스템에 적응시키고, 이에 적합한 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 목적은, 본원의 방법과 관련하여 청구항 제1항의 특징부에 따라, 우선적으로 배출 가스 조성의 계산의 기초가 되는 수학적 모델이, 측점 빔에 의해 동시에 함께 검출되는 고온이면서 오염된 주변 공기;와 대응하는 금속 가공 시스템의 특정 온도 및 배출 가스 조성, 더욱 상세하게는 전로의 특정 온도 및 배출 가스 조성;에 적응되며, 그에 상응하게 상기 수학적 모델이 새로이 작성되되, 보정을 통해 기준 스펙트럼들이 생성되며, 그리고 분광법을 이용하여 배출 가스 조성을 검출하는 것에 추가로 배출 가스의 흐름 특성들(층류 및 난류 성분) 역시 함께 검출되어 모델 구성 시 계산을 보조하기 위해 함께 이용됨으로써 달성된다.

상기와 같은 비접촉식 배출 가스 분석 방법을 실행하기 위한 장치는 청구항 제6항의 특징부를 특징으로 한다. 본 발명의 바람직한 실시예들은 종속항들에 제시되어 있다.

FTIR-분광계의 측정 빔용 측정 지점은, 배출 가스관의 적합한 위치에서, 측정 빔이 배출 가스관의 전방 개구로부터 자유 통로에서 배출 가스를 통과하고, 그런 다음 배출 가스관의 후방의 제2 개구를 통과하여 배출 가스관 외부에 위치하는 후방의 저온의 배경면(background)에 충돌할 수 있는 방식으로 선택된다. 이때 분광법에 따라 배출 가스 검출을 위해 기준점으로서 요구되는 저온의 배경면은 가능한 한 배출 가스관의 후방 근처에 배치되어야 한다. 이러한 점에서 배출 가스관의 개구들을 통과하는 FTIR-분광계의 측정 빔과 관련하여, 가능한 한 정확한 측정을 위해 필요한 상기 측정 빔의 정확한 정렬은 선택적으로 반사 시스템을 통해 실행될 수 있다. 모델 구성을 보조하는 것에 추가로 실행되는, 배출 가스의 흐름 특성들의 검출은, 본 발명에 따라 CCD-카메라를 이용하여 실행된다. 이 CCD-카메라는 FTIR-분광계의 측정 지점에 설치되거나 혹은 상기 측정 지점의 바로 근처에 설치된다.

FTIR-분광계뿐 아니라 CCD-카메라는 측정할 금속 가공 시스템 근처의 고온인 지점에 위치하기 때문에, 절대적으로, 민감하면서도 값비싼 상기 두 장치들을 그에 상응하게 보호하고, 무엇보다 예를 들어 액체 질소를 이용하여 냉각하여야 한다.

배출 가스관으로부터 FTIR-분광계 및 저온의 배경면의 공간상 간격에 의해, 분광 측정을 실행할 시에 배출 가스의 성분이 검출될 뿐 아니라, 배출 가스관과 FTIR-분광계 또는 저온의 배경면 사이에 위치하는 오염된 주변 공기 역시 동일한 방식으로 검출된다. 수학적 모델의 설정 시에 배출 가스에 속하지 않는 성분들도 고려하여야 하며, 그리고 이후에 측정 결과들의 잘못된 해석을 야기하지 않도록 하기 위해 상기 성분들은 그에 상응하게 제거하여야 한다.

저온의 배경면은 분광계를 보정하기 위해 필요하다. 저온의 배경면은 적외선을 방사하지 않으며, 그런 이유에서, 측정될 고온의 배출 가스의 스펙트럼들을 기록할 수 있기 위해 분광계는 계속해서 기준(reference)을 유지한다.

측정 지점과 분광계 사이의 이격 간격은 바람직하게는 15m와 30m 사이일 수 있다. 이격 간격이 더욱 멀어질 시에 증폭기가 요구된다. 측정 지점과 분광계 위치 사이의 직접적인 시각적 접촉이 가능하지 못한 측정 위치에서, 반사 시스템은 경우에 따라 증폭기와 연결되어 설치될 수 있다. 이와 같은 구성은 신호 품질의 악화를 초래한다. 상기 이격 간격의 상한을 결정하기는 어렵다. 이는 실험으로 산출하여야 하며, 그리고 배출 가스 품질;과 측정 지점과 분광계 위치 사이의 오염된 공기에 의한 신호들의 흡수;에 따라 강력하게 달라진다.

상기 수학적 모델이 필요한 이유는, 각각의 가스 분자가 온도에 따라 스펙트럼들 내에서 강한 차이(파동수 및 형태)를 나타내기 때문이다. 스펙트럼의 세기(방사율의 최대값)는 전체 배출 가스에서 상기와 같은 분자들의 성분에 대한 정보를 제공한다. 수학적 모델은 정확한 상호 관계를 실현한다.

적외선 분광법의 경우 2가지 작동 모드가 있다: 액티브 모드와 패시브 모드. 오로지 액티브 모드에서만 유효한 측정 빔이 존재한다. 이 경우 측정할 가스가 여기(exciting) 된다; 그에 따라 이와 같은 모드에서 저온의 배경면은 모든 에너지를 흡수할 수도 있으며, 그리고 어느 것도 반사되지 않는다. 패시브 모드에서의 작동 방법은 고온의 배출 가스 내에 저장된 에너지를 활용한다. 에너지는 병진 운동 및 회동 운동을 하도록 배출 가스의 분자들을 여기한다. 이러한 운동은 분광계에 의해 기록된다. 저온의 배경면은 상기와 같은 활동성을 나타내지 않는다. 이를 이른바 "제로 활동성(zero activity)"라고 하며, 분광계를 위한 기준으로서 이용될 수 있다.

고온이면서 오염된 주변 공기 내에서의 상기와 같은 비접촉식 배출 가스 측정을 실행하기 위한 장치는, 배출 가스관 내의 개구들을 갖는 적합한 측정 지점을 통해 측정 빔이 배출 가스를 통과하여 후방의 저온의 배경면 상으로 배향될 수 있는 방식으로 금속 가공 시스템 근처의 플랫폼상에 위치 결정되어 이 플랫폼상에 요동 없이 장착되는 FTIR-분광계와, 그리고 동시에 혹은 오로지 극미한 시간 지연만이 이루어지면서, 배출 가스 조성의 분광법식 검출을 위해 배출 가스의 흐름 특성들이 기록되는 방식으로 정렬되어 설치된 CCD-카메라가 제공되어 있는 것을 특징으로 한다.

측정을 위해 FTIR-분광계는 배출 가스관 근처에 설치되고, 그에 따라 고온의 오염된 주변 공기 내에 위치하며, 그리고 예컨대 트랜스포머로부터 발생하는 전자기장에 대향하여 매우 민감하기 때문에, 상기 FTIR-분광계는 주변 공기의 오염으로부터 보호될 수 있도록 박판 케이스 내에 내포된다. 이러한 박판 케이스는 경우에 따라 발생하는 전자기장을 차폐하기 위해 뮤-메탈(mu-metal)로 피복되어 있다. 이러한 박판 케이스 내에는 필요에 따라 CCD-카메라 역시 동시에 내장될 수 있다.

주변 공기의 고온으로부터 보호하기 위해, FTIR-분광계 또는 검출기 및/또는 박판 케이스는 예컨대 액체 질소를 공급받는 냉각 장치와 연결되어 있다.

상기 FTIR-분광계 및 상기 CCD-카메라는 대응하는 라인들을 통해, 혹은 무선을 통해서도 측정 컴퓨터와 연결된다. 상기 측정 컴퓨터는 예컨대 금속 가공 시스템의 측정 스테이션 내에 설치되며, 그로 인해 온화하면서도 청결한 장소에서 측정 결과들의 평가를 가능케 한다.

본 발명의 추가의 상세 내용, 특징들 및 장점들은 다음에서 개략적 도들에 도시된 실시예에 따라 더욱 상세하게 설명된다.

첨부한 도 1은 예컨대 전로와 같은 금속 가공 시스템을 개략적으로 도시한 사시도이다.

<도면의 주요부분에 대한 설명>

1: 전로 2: FTIR-분광계

3: 측정 빔 4: 전방 측정 개구

5: 후방 측정 개구 6: 배출 가스관

7: 배출 가스 8: 주변 공기

9: 측정 컴퓨터 10: 저온의 배경면

11: 연결 라인

도면에는 통상의 구조를 갖는 전로(1)가 도시되어 있다. 그러므로 본원에서는 구조상의 상세 내용의 설명은 지양하였다. 이와 같은 전로(1)의 상부 밀폐부는 배출 가스관(6)에 의해 형성되며, 이 배출 가스관(6)을 통해 고온의 배출 가스(7)가 전로(1)로부터 배출된다. 상기 전로(1)에 대해 공간상 이격된 위치에는 전로 크기와 비교하여 확대된 도식으로 분광법식 배출 가스 분석을 위한 측정 장치가 도시되어 있되, 이러한 측정 장치는 FTIR-분광계(2), 저온의 배경면(10) 및 측정 컴퓨터(9)로 구성된다. 상기 측정 컴퓨터(9)는 연결 라인(11)을 통해 상기 FTIR-분광계(2)와 연결된다. 둘러싸는 박판 케이스를 나타내는 검정색 케이스로서 도시된 상기 FTIR-분광계(2)는 (미도시된) 플랫폼상에 설치되되, 그 설치 높이는 상기 FTIR-분광계(2)의 측정 빔(3)이 수평의 방향으로 상기 전로(1)의 배출 가스 가이드 부분에 충돌하는 방식으로 설정된다.

상기 FTIR-분광계(2)의 설치 위치에 대한 기준으로는, 배출 가스관(6) 내에 적합한 측정 개구들(4, 5)이 존재하거나 제공되어야 하며, 그리고 또한 상기 배출 가스관(6)의 후방에서 측정 빔(3)의 높이에 저온의 배경면(10)이 위치해 있어야 한다. 이와 관련하여 상기 측정 개구들(4, 5)은 자신들 표면에 존재하는 침입 공기가 가능한 한 소량만이 배출 가스(7) 내로 유입되게 한다.

도시한 실시예에 따라, FTIR-분광계(2)로부터 출력된 측정 빔(3)은 우선적으로 전로(1)의 상부 또는 배출 가스관(6)의 하부에 위치하는 전방 측정 개구(4) 내로 유입되며, 그런 다음 수평 방향으로 배출 가스(7)를 통과하고, 최종적으로 후방 측정 개구(5)를 통해 상기 배출 가스관(6)을 벗어난 후에 전로(1)로부터 이격되어 배치된 저온의 배경면(10) 상에 충돌한다. 상기 측정 빔(3)은 FTIR-분광계(2)로부터 저온의 배경면(10)에 이르는 자신의 경로에서 두 측정 개구들(4, 5)의 상호 간 간격에 상응하는 길이 내에 있는 배출 가스를 통과할 뿐만 아니라, 동시에 상기 전로(1)의 고온의 오염된 주변 공기(8) 역시 통과한다. 이러한 점에서 곤란한 부분으로, 상기와 같은 주변 공기(8)는 자체 조성 및 온도가 일정하지 않게 변동될 수 있으며, 그에 따라 상기 전로(1)의 전방과 후방에 위치하는 주변 공기(8)가 서로 상이할 수 있다. 그러므로 수학적 모델로 처리되는 기준 스펙트럼들을 작성할 시에, 광범위한 부분에서 배출 가스 조성과 무관한 값들을 대응하는 사전 실험 및 보정을 통해 고려하여 작성할 수학적 모델에 포함시켜야 한다.

Claims (9)

1. 고온의 오염된 주변 공기(8) 내에 위치하는 금속 가공 시스템, 더욱 상세하게는 전로(1)에서 비접촉식으로 배출 가스를 측정하기 위한 방법으로서, 더욱 상세하게는 상기 금속 가공 시스템으로부터 이격되어 설치된 FTIR-분광계(2)를 이용하되, 이러한 FTIR-분광계(2)의 측정 빔은, 측정 지점인, 배출 가스관(6)의 적합한 개구(4)에서 배출 가스(7) 내로 배향되며, 이때 배출 가스(7) 내 측정 빔 길이에 상응하게 이러한 측정 빔 길이의 원통형 형태로 배출 가스 용적 부분이 측정 기술에 따라 검출되며, 이와 관련하여 FTIR-분광계(2)로부터 획득된 측정값들은 배출 가스 조성에 따르는 스펙트럼들에 표시되며, 그런 다음 상기 스펙트럼들은, 배출 가스 온도;와 온도에 따른 에너지 균형의 형태로 앞서 결정된 수학적 모델;을 포함하여, 시간 지연 없이 배출 가스 조성의 계산을 가능케 하는 상기 비접촉식 배출 가스 측정 방법에 있어서,

   a) 우선적으로 상기 배출 가스 조성의 계산의 기초가 되는 수학적 모델이, 측정 빔(3)에 의해 동시에 함께 검출되는 고온의 오염된 주변 공기(8);와 대응하는 금속 가공 공장의 특정 온도 및 배출 가스 조성에, 더욱 상세하게는 전로(1)의 특정 온도 및 배출 가스 조성;에 적응되고, 그에 상응하게 상기 수학적 모델이 새로이 작성되되, 보정을 통해 기준 스펙트럼들이 생성되며, 그리고

   b) 상기 배출 가스 조성의 분광법식 검출에 추가로, 상기 배출 가스(7)의 흐름 특성들(층류 또는 난류 성분)이 함께 검출되고, 모델 구성 시 계산의 보조를 위 해 함께 이용되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 배출 가스 측정 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 배출 가스(7)의 흐름 특성들을 검출하기 위해 상기 FTIR-분광계(2)의 측정 지점(4)이나 혹은 이 측정 지점(4)의 바로 근처에서, 설치된 CCD-카메라가 이용되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 배출 가스 측정 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 FTIR-분광계(2)를 위한 측정 지점(4)은, FTIR-분광계(2)로부터 출력되는 직선의 측정 빔(3)이 상기 배출 가스관(6)의 전방의 제1 측정 개구(4)를 통과하며, 그런 다음 자유 통로에서 배출 가스(7)를 통과하고, 최종적으로 상기 배출 가스관(6)의 후방의 제2 측정 개구(5)를 통과하여 상기 배출 가스관(6) 외부에 위치하는 후방의 저온의 배경면(10) 상으로 안내될 수 있는 방식으로 선택되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 배출 가스 측정 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 FTIR-분광계(2)의 측정 빔(3)과 관련하여, 상기 측정 지점에서 배출 가스관(6)의 측정 개구들(4, 5)을 통과하는 상기 측정 빔의 정확한 정렬은 반사 시스템을 통해 실행되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 배출 가스 측정 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 FTIR-분광계(2)와 필요에 따라 상기 CCD-카메라는 냉각되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 배출 가스 측정 방 법.
6. 고온의 오염된 주변 공기(8) 내에 위치하는 금속 가공 시스템에서, 더욱 상세하게는 전로(1)에서, 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따라 비접촉식 배출 가스 측정을 실행하기 위한 장치에 있어서,

   a) 배출 가스관(6) 내의 개구들(4, 5)을 갖는 적합한 측정 지점을 통해 측정 빔(3)이 배출 가스(7)를 통과하여 후방의 저온의 배경면(10)을 향해 배향될 수 있는 방식으로 상기 금속 가공 시스템 근처의 플랫폼상에 위치 결정되어 이 플랫폼상에 요동 없이 장착되는 FTIR-분광계(2)와; 그리고

   b) 동시에 혹은 오로지 극미한 시간 지연만이 이루어지면서 배출 가스 조성의 분광법식 검출을 위해 배출 가스(7)의 흐름 특성들이 이용될 수 있는 방식으로 정렬되어 설치되는 CCD-카메라;

   가 제공되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 배출 가스 측정 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 FTIR-분광계(2)는 오염과 발생하는 전자기장으로부터 보호될 수 있도록 뮤-메탈로써 피복된 박판 케이스 내에 내포되어 있는 것을 특징으로 하는 비접촉식 배출 가스 측정 장치.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 FTIR-분광계(2)(검출기) 및/또는 상기 박판 케이스뿐 아니라 필요에 따라 상기 CCD-카메라는 예컨대 액체 질소를 공급받는 냉각 장치와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 비접촉식 배출 가스 측정 장치.
9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 FTIR-분광계(2)와 상기 CCD-카메라는 측정 컴퓨터(9)와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 비접촉식 배출 가스 측정 장치.

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