KR20090060941A

KR20090060941A - 버너를 위한 방법 및 버너 장치

Info

Publication number: KR20090060941A
Application number: KR1020080122990A
Authority: KR
Inventors: 토마스 에크만; 안데르스 루그네트
Original assignee: 아게아 악티에볼라크
Priority date: 2007-12-10
Filing date: 2008-12-05
Publication date: 2009-06-15
Also published as: EP2071236A3; BRPI0805691A2; RU2008148668A; US8899970B2; US9341369B2; CN101457930B; CN101457930A; US20140193758A1; SE532339C2; US20090148799A1; JP2009139086A; EP2071236A2; SE0702741L

Abstract

산업용 노(1)의 버너 장치(2)는 연료용 채널(3), 제1 산화제용 채널(4), 배연 가스용 출구 도관(9), 제어 장치(10) 및 열 버퍼(7)를 포함하며, 제1 산화제 및 배연 가스가 번갈아가면서 열 버퍼(7)를 통해 안내된다.

본 발명은 별도의 랜싱 장치(lancing device)(6)가 제2 산화제를 버너 장치(2)에 공급하도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

산업용 노, 버너 장치, 열 버퍼, 배연 가스, 산화제, 랜스

Description

버너를 위한 방법 및 버너 장치{METHOD FOR BURNER AND BURNER DEVICE}

본 발명은, 산업용 노의 가열 시에 효율을 상승시키는 방법 및 버너 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 연소 효율이 개선된 소위 축열식 버너에 관한 것이다.

본 명세서에 있어서, "축열식 버너 장치(regenerative burner device)"란 표현은, 저온의 산화제와 고온의 배연 가스를 번갈아가면서 열 버퍼(heat buffer)를 통해 안내하여 배연 가스의 열을 산화제의 예열에 이용하는 버너 장치에 사용되고 있다. 이는 연소 중에 효율을 향상시킨다.

예를 들면, 열 버퍼는 세라믹 또는 금속 재료로 제조된 볼 또는 허니컴 구조체와 같은 흡열재로 부분적으로 채워진 파이프로 이루어질 수 있다. 통상적으로 이용되는 작동 계획에 따르면, 약 30초 동안 고온의 배연 가스를 버퍼를 통해 삼투시키고 이어서 약 30초 동안 상온의 산화제를 삼투시키는 것을 수반하며, 이에 따라 산화제는 흡열재에 의해 가열된다. 2개 이상의 버너들 간에 교대로 연소가 이루어져, 다른 버너들로부터의 고온 배연 가스가 노로부터 한번에 하나의 버너의 산화제 채널 및 열 버퍼를 통과하도록 안내되거나, 혹은 하나의 버너에 다수의 산화 제 채널을 마련하고 이들 채널이 번갈아가면서 버너에 산화제를 공급하고 노로부터의 배연 가스를 운반하도록 이용될 수도 있다.

그러한 축열식 버너 장치는 통상 특정한 높은 출력에 최적화된다. 이는 연속 가열에 잘 작동하지만, 배치식 가열(batchwise heating)에는 문제가 있다. 즉, 금속 재료의 배치식 가열은 흔히 두 단계에 걸쳐, 즉 노 및 금속의 표면을 미리 정해진 최종 온도로 가열하는 하는 것을 목표로 하는 본 명세서에서 "가열 단계"로 지칭하는 시작시의 고출력 단계와, 전체 금속 재료가 가열 도관에 걸쳐 미리 정해진 균질 온도 프로파일을 나타내도록 하는 것을 목표로 하는 본 명세서에서 "온도 균질화 단계"라 지칭하는 최종의 저출력 단계에 걸쳐 발생한다.

가열 단계는 요구 조건에 따라 예를 들면 2 내지 10시간 지속될 수 있고, 그 동안에 하나 또는 복수의 버너가 최적의 고출력으로 또는 그 고출력에 근사하게 작동한다. 이에 상응하게 온도 균질화 단계는 1 내지 40시간 지속될 수 있고 상당히 낮은 버너 출력을 수반한다.

가열 단계 중 일부 동안에는 버너가 최대 효율을 발휘하기 위해 필요로 하는 온도로 열 버퍼 내의 흡열재가 가열될 수 없기 때문에 노의 온도는 원하는 처리 온도보다 본질적으로 낮다.

게다가, 가열 단계에 적합한 치수로 어루어진 축열식 버너는 동시에 온도 균질화 단계에 대해서는 과도한 치수로 되는 데, 이는 버너의 출력이 온도 균질화 단계 동안에는 보다 낮게 조절되어야 하기 때문이다. 이러한 조절은 예를 들면, 버너를 번갈아가면서 주기적으로 온-오프 시키는 소위 온/오프 과정을 통해 행해질 수 있다. 이는 무엇보다도 오프 상태의 시간 동안에는 열 버퍼의 온도를 감소시키게 되어 버너의 효율을 실질적으로 감소시키게 된다.

최적의 연소 출력의 선택과 관련하여 전술한 점으로 인해, 축열식 버너는 흔히 가열 단계 중에 필요로 하는 것에 근사한 최대 출력으로 갖도록 설계된다. 따라서, 추후에 몇몇 이유로 훨씬 더 높은 출력이 필요하게 되면 상당한 비용 및/또는 구조 변경이 수반되는 데, 이는 축열식 버너의 구조가 비교적 대형으로 부피가 클 뿐만 아니라, 각각의 그러한 버너에서는 통상 열 버퍼를 통한 가스의 운반을 위해 정확하게 치수 설정된 팬 장치를 필요로 하여 팬 역시 변경할 필요가 있기 때문이다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하였다.

따라서, 본 발명은, 연료용 채널, 제1 산화제용 채널, 배연 가스용 출구 도관, 제어 장치 및 가열 버퍼를 포함하며, 제1 산화제 및 배연 가스가 번갈아가면서 열 버퍼를 통해 안내되는, 산업용 노의 버너 장치로서, 별도의 랜싱 장치(lancing device)가 제2 산화제를 버너 장치에 공급하도록 마련되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은, 청구항 10에 기재한 바와 같은 형태 및 특징을 주로 갖는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 출력 범위를 비교적 저렴한 방식으로 확장시키면서 그 출력 범위에 걸쳐 연소 효율을 높게 유지할 수 있는 동시에, 기존의 연소 장치의 최 대 출력을 증가시킬 수 있다.

이하에서, 본 발명은 본 발명의 예시적인 실시예 및 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명할 것이다.

금속 재료를 배치식으로 가열하는 산업용 노(1)에 축열식 버너 장치(2)가 배치된다. 실제 용례에 따라 산업용 노(1) 내에는 2개 이상의 버너 장치가 배치될 수도 있다. 특히, 버너 장치는 산업용 노(1) 내에 쌍으로 배치되어, 이러한 버너의 쌍이 번갈아가면서 작동할 수 있다.

버너 장치(2)는 연료용 채널(3) 및 제1 산화제용 채널(4)을 구비한다. 연료는 프로판 또는 천연 가스와 같은 임의의 적절한 가스상 연료일 수 있다. 제1 산화제는 예를 들면 공기이지만, 산소 함량이 적어도 80중량%인 산소 부화 공기 또는 산소 가스일 수 있다. 버너 장치(2)는 노 공간 내로 보내져 노 공간을 가열하는 화염(도시 생략)을 발생시킨다. 게다가, 버너 장치(2)는 직화 충돌(Direct Flame Impingement : DFI)식 및/또는 시각적인 화염이 없는 소위 무화염식이 일 수 있다.

또한, 버너 장치(2)는 연료용 공급 도관(5) 및 제1 산화제용 공급 도관(8)을 구비한다. 제1 산화제는 공급 도관(8)을 통해 전술한 바와 같은 흡열재를 수용한 열 버퍼(7) 내로 공급되고, 그 후에 채널(4)로 보내진다.

또한, 배연 가스용 출구 도관(9)이 열 버퍼(7)로부터 연장한다.

연료용 공급 도관(5), 제1 산화제용 공급 도관(8) 및 배연 가스용 출구 도관(9)은 버너 장치(2)의 작동을 제어하는 제어 장치(10)에 모두 연결된다.

제어 장치(10)는 버너 장치(2)를 연소 모드나 재열 모드(reheating mode)로 작동하도록 제어한다. 연소 모드에서, 연료 및 제1 산화제는 공급 도관(5) 및 공급 도관(8)을 통해 각각 공급되며, 이들의 혼합물이 연소하여 노 공간을 가열한다. 재열 모드에서, 연료나 제1 산화제는 공급되지 않고, 배연 가스가 노 공간으로부터 제1 산화제용 채널(4)을 통해 열 버퍼(7)로 운반되고, 이어서 출구 도관(9)을 통해 배출되어 제거된다. 따라서, 재열 모드로 작동 중에 열 버퍼(7) 내의 흡열재가 고온의 배연 가스에 의해 가열되며, 이러한 열 버퍼(7) 내의 흡열재에 의해 연소 모드로 작동 중에 상온의 제1 산화제가 예열된다.

제어 장치(10)는 예를 들면 밸브 구성(도시 생략) 및/또는 적절한 공지의 팬(도시 생략)을 이용하여 적절한 방식으로 유입 가스 흐름 및 유출 가스 흐름을 제어한다.

또한, 버너 장치(2)는 노 공간에서부터 열 버퍼(7) 내로 연장하는 별도로 마련된 배연 가스용 출구 도관을 포함할 수도 있다.

작동 중에, 제어 장치(10)는 버너 장치(2)를 연소 모드와 재열 모드 간에 번갈아가면서 작동시킴으로써 배연 가스 내의 열 에너지를 제1 산화제의 가열을 위해 회수하여 연소 효율의 증가를 달성한다. 단일의 버너 장치를 이용하거나, 다수의 버너 장치를 조합하여 이용될 수 있으며, 단일의 버너 장치를 이용하는 경우 버너 장치는 연소 모드로 작동하는 경우에만 노 공간을 가열하게 된다. 다수의 버너 장치를 이용하는 경우에는 하나 또는 복수의 버너 장치가 연소 모드로 작동하고 나머지 버너 장치는 재열 모드로 작동하여, 노 공간이 중단 없이 항시 가열되게 한다. 바람직한 실시예에 따르면, 전체 버너들 중 하나를 제외한 모든 버너가 연소 모드로 작동하고, 바로 전 버너가 재열 모드로 작동한다.

또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 버너 장치는 쌍으로 작동되어, 제1 버너 장치가 연소 모드로 작동하는 것과 동시에 제2 버너 장치가 재열 모드로 작동하고 그 후에는 그 역할을 바꾸는 등이 이루어지게 된다.

다수의 버너들은 동일한 열 버퍼(7)를 공유할 수 있다. 이 경우, 적절한 공지의 밸브 구성이, 열 버퍼(7)에서의 제1 채널을 통해 제1 산화제를 가열 모드로 작동되고 있는 버너 장치로 운반하는 동시에, 배연 가스를 재열 모드로 작동하는 버너 장치로부터 운반하여 열 버퍼(7)에서의 별도의 제2 채널을 지나 출구 도관(9)을 통해 배출시키는 데에 이용된다. 이 경우, 제1 채널과 제2 채널은 예를 들면 공용 벽 등과 같은 형태의 동일 흡열재를 공유함으로써 열적으로 연결된다.

제1 산화제용 채널(4)에는 제2 산화제가 공급되는 랜스(6)가 마련된다. 제2 산화제는 바람직하게는 적어도 80중량%의 산소, 보다 바람직하게는 적어도 95중량%의 산소를 포함한다. 이러한 제2 산화제 내의 높은 산소 농도는 무엇보다도 특히 연소 효율을 높이게 된다.

랜스(6)는 또한 제어 장치(10)에 의해 연결되어 제어된다.

축열식 버너 장치에서, 최대 연소 출력을 제한하는 중요한 인자는, 단위 시간당 산화제용 채널(4)을 통해 안내될 수 있는 예열 산화제의 양이다. 이는 열 버퍼(7)의 용량에 좌우될 뿐만 아니라, 가열된 산화제가 보다 낮은 온도의 산화제보다 밀도가 낮다는 점에 좌우되는 데, 낮은 밀도는 동일한 중량이 되기 위해서는 더 많은 부피의 산화제를 필요로 하게 된다. 이와 달리, 연료의 공급량을 증가시키기는 비교적 용이하다.

제2 산화제가 랜스(6)를 통해 공급되기 때문에, 버너 장치(2)의 구성 요소들의 치수를 증가시켜 온도 균질화 단계 동안에는 과도한 치수로 되는 전술한 문제점을 유발하는 일 없이도 최대 연소 출력을 증가시킬 수 있다.

게다가, 제2 산화제는 고속으로, 바람직하게는 약 200m/s의 속도로, 보다 바람직하게는 적어도 음속에 이르는 속도로 공급된다. 이로 인해 열 버퍼(7) 하류의 압력을 감소시키는 이젝터 효과(ejector effect)가 생성되어, 예열된 산화제의 유량을 증가시키고 이에 의해 효율을 증가시킨다. 이와 동시에, 공급되는 제2 산화제도 물론 연소 반응에 가담하여, 연소 출력을 높이게 된다.

랜스(6)를 통해 공급되는 제2 산화제의 양은 랜스(6)의 오리피스의 크기를 조절하거나, 랜스(6)를 통해 공급되는 제2 산화제의 압력을 조절함으로써 제어될 수 있으며, 실제 용례의 목적에 따라 예를 들면 연소 출력, 원하는 산소 부화도 및 NOx 가스와 같은 각종 연소 생성물의 제한량을 고려하여 선택될 수 있다. 그러한 제어는 랜스(6) 상류의 압력의 연속적인 변경에 의하거나 온/오프 과정에 의해 작동 중에 연속적으로 이루어지거나, 특정 작동 단계의 개시 전에 1회 이루어질 수 있다.

그러한 제어를 통해, 공지의 축열식 버너 장치와 달리 버너 장치(2)의 출력을 넓은 출력 범위에 걸쳐 제어하되, 그러한 범위 내의 소정 출력에서 효율 저하를 본질적으로 초래하지 않으면서 제어할 수 있다.

따라서, 축열식 버너 장치(2)는 출력 수요가 비교적 낮은 온도 균질화 단계 중에도 작동을 위해 최적화될 수 있어, 이러한 최적화를 통해 효율을 높일 수 있다. 따라서, 온도 균질화 단계 동안에는 랜스(6)를 통해 제2 산화제가 거의 공급되지 않거나 전혀 공급되지 않는다. 이 때에는 버너 장치(2)의 출력이 낮기 때문에, 온도 균질화 단계 동안에 출력을 추가적으로 감소시키기 위해 온/오프 과정을 이용할 필요성이 감소되거나 전혀 없어진다.

한편, 온도 균질화 단계 전에 버너 장치(2)에 출력 요구가 높은 가열 단계 동안에는, 제2 산화제가 랜스(6)를 통해 비교적 많이 공급된다. 이는 연소 출력을 실질적으로 증가시키지만, 효율을 유지한다. 사실을 말하면, 고속으로 공급되는 추가적인 제2 산화제는 버너 장치(2)의 가열 출력을 종래의 축열식 버너 장치(2)에 비해 향상시켜 가열 단계의 완료에 필요한 시간을 감소시킨다.

버너 장치(2)에서 랜스를 통해 공급되는 제2 산화제의 양은 전술한 것과 같은 다양한 방식으로 제어될 수 있지만, 단위 시간당 제2 산화제의 평균 공급량이 가열 단계 동안보다는 온도 균질화 단계 동안이 더 적다.

또한, 본 발명은 기존의 버너 장치에 추가적인 산화제를 위한 랜스를 설치하는 것을 제외하면 수많은 기존의 버너 장치에 큰 변경 없이 적용될 수 있다. 구체적으로, 기존의 팬 장치 및 기타 주변 장치는 통상 교체할 필요 없다. 따라서, 본 발명은 출력 범위를 비교적 저렴한 방식으로 확장시키면서 그 출력 범위에 걸쳐 연소 효율을 높게 유지할 수 있는 동시에, 기존의 연소 장치의 최대 출력을 증가시킬 수 있다.

앞서, 바람직한 실시예에 대해 설명하였다. 하지만, 당업자들에게는 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않고 수많은 변형이 전술한 실시예에 이루어질 수 있다는 점은 자명할 것이다.

예를 들면, 버너 장치(2)에 제1 산화제를 위해 다수의 채널을 마련할 수 있다. 이 경우, 제1 산화제를 위한 그러한 채널 각각에 제2 산화제를 위한 랜스를 배치하는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 의해, 버너 장치로부터 얻어지는 화염에 대한 양호한 제어를 달성할 수 있고, 버너 장치의 출력도 증가시킬 수 있다. 또한, 제1 산화제를 위한 채널들 중 단지 하나에 또는 일부에만 제2 산화제를 위한 랜스를 배치할 수도 있다.

따라서, 본 발명은 전술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 청구의 범위 내에서 변형될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 버너 장치를 대체로 나타내고 있는 개략적 측면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 산업용 노

2 : 버너 장치

3 : 연료용 채널

4 : 제1 산화제용 채널

5 : 연료용 공급 도관

6 : 랜스

7 : 열 버퍼

8 : 제1 산화제용 공급 도관

9 : 배연 가스용 출구 도관

10 : 제어 장치

Claims

연료용 채널(3), 제1 산화제용 채널(4), 배연 가스용 출구 도관(9), 제어 장치(10) 및 열 버퍼(7)를 포함하며, 제1 산화제 및 배연 가스가 번갈아가면서 열 버퍼(7)를 통해 안내되는, 산업용 노(1)의 버너 장치(2)에 있어서,

별도의 랜싱 장치(lancing device)(6)가 제2 산화제를 버너 장치(2)에 공급하도록 마련되는 것을 특징으로 하는 버너 장치.
제1항에 있어서, 상기 버너 장치(2)는 산업용 노(1)에서 금속 재료를 배치(batch)식으로 가열하도록 마련되는 것을 특징으로 하는 버너 장치.
제1항에 있어서, 랜스(6)는 제1 산화제용 채널(4)을 통해 제2 산화제를 공급하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 버너 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 산화제는 공기인 것을 특징으로 하는 버너 장치.
제1항에 있어서, 상기 제2 산화제는 적어도 80중량%의 산소, 보다 바람직하게는 적어도 95중량%의 산소를 포함하는 것을 특징으로 하는 버너 장치.
제1항에 있어서, 상기 제어 장치(10)는 작동 중에 제2 산화제의 공급을 연속 적으로 제어하도록 마련되는 것을 특징으로 하는 버너 장치.
제1항에 있어서, 상기 제어 장치(10)는 제2 산화제의 공급을 온/오프 과정을 이용하여 제어하도록 마련되는 것을 특징으로 하는 버너 장치.
제1항에 있어서, 랜스(6)는 200m/s 이상의 속도로 제2 산화제를 공급하도록 마련되는 것을 특징으로 하는 버너 장치.
제1항에 있어서, 랜스(6)는 제2 산화제를 적어도 음속의 속도로 공급하도록 마련되는 것을 특징으로 하는 버너 장치.
연료용 채널(3), 제1 산화제용 채널(4), 배연 가스용 출구 도관(9), 및 열 버퍼(7)를 포함하는 한편, 제1 산화제 및 배연 가스가 번갈아가면서 열 버퍼(7)를 통해 안내되는 버너 장치(2)를 이용하여 산업용 노(1)를 가열할 시에 효율을 향상시키는 방법에 있어서,

랜싱 장치(6)에 의해 버너 장치(2)로 제2 산화제를 공급하는 것을 특징으로 하는 산업용 노의 가열 시의 효율 향상 방법.
제10항에 있어서, 상기 가열은 산업용 노(1)에서 금속 재료를 배치식으로 가열하는 것인 것을 특징으로 하는 산업용 노의 가열 시의 효율 향상 방법.
제10항에 있어서, 상기 제1 산화제는 공기인 것을 특징으로 하는 산업용 노의 가열 시의 효율 향상 방법.
제10항에 있어서, 상기 제2 산화제는 적어도 80중량%의 산소를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 노의 가열 시의 효율 향상 방법.
제10항에 있어서, 산업용 노(1)에서 금속 재료를 가열하는 동안에, 상기 제2 산화제는 제1의 가열 단계 중에 공급되고, 그 후에 제2의 온도 균질화 단계 중에는 제2 산화제의 단위 시간당 평균 공급량이 완전히 또는 부분적으로 감소되는 것을 특징으로 하는 산업용 노의 가열 시의 효율 향상 방법.
제10항에 있어서, 상기 제2 산화제는 200m/s의 속도로, 바람직하게는 적어도 음속의 속도로 공급되는 것을 특징으로 하는 산업용 노의 가열 시의 효율 향상 방법.