KR20110022304A - 가열로의 연료가스 연소성 변동에 따른 공연비 제어방법 - Google Patents

가열로의 연료가스 연소성 변동에 따른 공연비 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가열로의 연료가스 연소성 변동에 따른 공연비 제어방법에 관한 것으로, 특히, 본 발명은 가열로에 공급되는 연료가스의 발열량 변동에 대응하여 가열로의 버너에 연소용 공기를 최적으로 공급해 주기 위한 가열로의 연료가스 연소성 변동에 따른 공연비 제어방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 가열로의 연료가스 연소성 변동에 따른 공연비 제어방법은 가열로 버너에 공급될 연료가스를 사전 연소시켜 발열량을 측정하는 연소 단계; 연료가스의 발열량에 근거한 Wobbe index 비를 연산하는 연산 단계; Wobbe index 비를 근거로 버너에 공급될 공연비 목표치를 판정하는 판정 단계; 및 공연비 목표치에 따라 가열로의 공연비를 제어하는 제어 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
가열로, 공연비, WI,

Description

가열로의 연료가스 연소성 변동에 따른 공연비 제어방법{Method for Controlling Air-Fuel Ratio with Change of Combustibility of Mixed Gas in a Reheating Furnace}
본 발명은 가열로의 연료가스 연소성 변동에 따른 공연비 제어방법에 관한 것으로, 특히, 본 발명은 가열로에 공급되는 연료가스의 발열량 변동에 대응하여 가열로의 버너에 연소용 공기를 최적으로 공급해 주기 위한 가열로의 연료가스 연소성 변동에 따른 공연비 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 가열로는 가열 소재를 균일하게 가열해 주는 설비이다. 가열로는 내부에 장입된 소재의 가열을 진행하는 영역별로 예열대, 가열대 및 균열대로 구분되게 된다. 이러한 가열로의 예열대, 가열대 및 균열대에서는 각각 소재의 추출목표온도와 노 내의 체류시간을 고려하여 분위기 온도를 설정해 주고 있다.
이러한 가열로의 각 영역별 분위기 온도는 내부에 구성된 버너로 연료가스와 연소용 공기를 주입하여 연소함으로써 조절하게 된다. 통상, 열원으로 사용되는 연료가스로는 코크스 오븐에서 발생되는 COG(Coke Oven Gas), 고로에서 발생되는 BFG(Blast Furnace Gas) 또는 LDG(Linz Donawitz Converter Gas) 등을 하나 이상혼 합하여 이용하게 된다.
그리고 연료가스의 연소를 위해서는 연료량에 맞는 적정량의 공기를 버너로 공급해 주어야 한다. 가열로의 연소에 있어서 사용되는 공기의 양은 일반적으로 과잉공기비로 나타낸다. 과잉공기비는 실제 공급 공기량과 이론공기량의 비를 의미한다. 이론공기량은 연소 가능한 가스(이하, '가연성 가스'라 함)를 완전 연소시키는데 필요한 공기의 양을 의미한다.
통상, 과잉공기비(m)는 그 비에 따라 열손실에 영향을 주는데, 일반적으로 약 1.2 정도일 때 가장 적은 열손실을 주는 것으로 알려져 있다. 그리고, 공기비가 1.2 이하일 때는 연료가스가 연소되지 않고 폐가스로 빠져나가는 부분이 많아 열손실이 크며, 1.2 이상일 때는 폐가스 손실열이 증가하여 열손실이 커진다.
따라서, 연료가스 중 가연성 가스의 연소에 이론적으로 필요한 공기의 양보다 실제 공기의 양을 약 1.2배 정도 공급하는 것이 에너지절약 측면에서 가장 효율적이다.
그러나 가열로 공정에서는 공기비를 1.2에 맞추는 것이 어려운데, 그것은 우선 연료가스의 발열량 변동이 심하여 연료가스 중 가연성 가스의 조성을 알기 어렵기 때문이다.
또한, 가연성 가스의 조성을 알면 정확히 이론공기량의 1.2배에 해당하는 공기를 공급해 주면 되지만, 가연성 가스의 조성이 너무 자주 변하기 때문에 가스를 샘플링하여 조성을 분석하는데 따른 인력 및 시간의 소요가 많아 가연성 가스의 정확한 조성을 알기 어려운 문제점이 있었다.
상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된, 본 발명의 목적은 가열로에 공급되는 연료가스를 사전 연소시켜 측정된 열량에 따른 Wobbe index 비를 이용하여 버너의 공연비를 제어하는 가열로의 연료가스 연소성 변동에 따른 공연비 제어방법을 제공함에 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가열로의 연료가스 연소성 변동에 따른 공연비 제어방법은 가열로 버너에 공급될 연료가스를 사전 연소시켜 발열량을 측정하는 연소 단계; 연료가스의 발열량에 근거한 Wobbe index 비를 연산하는 연산 단계; Wobbe index 비를 근거로 버너에 공급될 공연비 목표치를 판정하는 판정 단계; 및 공연비 목표치에 따라 가열로의 공연비를 제어하는 제어 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 연산 단계는, 연료가스의 발열량에 근거한 현재 WI(Wobbe index 값)를 계산하는 WI 연산 단계; 및 WI와 기준 공연비에 따른 기준 WI(Wobbe index 값)와 비를 연산 하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
또, 판정 단계는, WI(Wobbe index 값)와 기준 공연비에 따른 기준 WI(Wobbe index 값)와 비로부터 현재 공연비를 산출하는 단계; 및 현재 공연비를 근거로 버너에 공급될 공연비 목표치를 판정하는 판정 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
또, 제어 단계는, 공연비 목표치를 근거로 기준 공연비와 현재 공연비의 차 이가 감소되도록 가열로의 공기 공급량을 제어하는 것이 바람직하다.
또, 연산 단계의 Wobbe index 비의 연산은,
수식(1)
WI = LHV / (sp. gr.)^0.5
[여기서, WI = 웨버지수(Wobbe index)
LHV : 저위발열량
sp. gr = 가스밀도/공기밀도 임]
수식(2)
φ= 공기/연료
[여기서, φ ; 공연비임]
수식(3)
φ2 = φ1*(WI2/WI1)
[여기서, WI1 = 기준 웨버 인덱스
WI2 = 현재 웨버 인덱스
φ1 = 기준 공연비
φ2 = 현재 공연비임]
상기 수식(1), 수식(2) 및 수식(3)를 이용하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 가열로의 연료가스 연소성 변동에 따른 공연비 제어방법은 가열로 버너에 공급될 연료가스의 발열량에 근거한 Wobbe index 비를 근거로 가열로의 공연비를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 가열로 버너에 공급되는 연료가스를 사전 연소시켜 측정된 열량에 따른 Wobbe index 비를 이용하여 버너의 공연비를 제어함으로써, 공급되는 연료의 연소특성변화에 실시간으로 대응할 수 있어 공연비 계산 오차부분을 줄일 수 있고 연속적으로 연료특성 변화를 측정할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 가열로 버너에 공급되는 연료가스 및 공기에 대한 공연비를 최적화함 으로써 연료를 절감(최소 3% 이상 절감 가능)할 수 있을 뿐만 아니라 연료가스인 COG에 대한 조성 변화에 따른 제어 실패로 인한 CO, NOx 발생 문제를 예방할 수 있다.
이와 같이 이루어진 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 목표 공연비 설정 방식을 예시한 도면이고, 도 2는 연료가스(COG) 발열량 변화 및 그에 따른 버너에서의 공연비 변화를 예시한 도면이고,도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가열로의 연료가스 연소성 변동에 따른 공연비 제어방법의 순서를 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가열로의 연료가스 연소성 변동에 따른 공연비 제어설비를 예시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 목표 공연비(목표 공기비)는 통상 1.1~1.2 사이로 조업조건에 따라 제어하게 된다. 통상 가열로의 버너에 연료가스(COG)의 연소를 위하여 연료량에 맞는 적정량의 공기를 공급해 주게 된다. 이 경우 연소되지 않는 연료가 없는 충분한 양의 공기가 주입되도록 과잉공기를 주입하게 된다. 과잉공기 가열에 의한 에너지 손실을 막기 위하여 상술한 목표 공연비를 적용하게 된다. 이때, 에너지 손실열 최소점, 즉 총 손실열(③)의 최소점은 미연가스 손실열(①)과 배기가스 손실열(②)의 합이 최소일 때이고, 이때의 공기비(m)은 통상 1.1 ~ 1.2의 비를 갖는다. 여기서, 과잉공기비는 연료의 연소를 위하여 이론적으로 필요한 공기량에 대한 실제 주입 공기비를 의미한다.
도 2를 참조하면, 본 발명에서 연료가스(COG)의 발열량 변화(도 2(a)) 및 그 에 따른 버너에서의 공연비 변화(도 2(b))는 서로 반비례하는 것을 알 수 있다. 즉, 연료가스(COG)의 경우 코크스오븐의 운전상태 및 사용되는 석탄의 질, 성분 등에 따라 열량이 변하게 된다.
이러한 경우 종래에 따른 공연비 제어 방식은 고정되어 연료의 변화에 따라 대응하지 못하여 연료 과다 사용뿐만 아니라 미연분 발생으로 인한 CO 발생, 국부적 과잉연소에 의한 NOx문제 등이 발생한다.
본 발명에 따른 가열로의 연료가스 연소성 변동에 따른 공연비 제어방법에 대한 일 비교예로서 버너 유입전 연료가스(COG) 특성을 직접적으로 분석하여 공기비 정보를 버너제어에 사용하는 방법을 이용할 수 있으나 이 방법의 경우 공연비를 계산하기 위하여 연료가스의 조성을 GC로 분석하고 이를 근거로 연소에 필요한 공기비를 설정한다. 그러나 이 방법의 경우 COG에 적용하기에 아래와 같은 단점이 있다. 일반적으로 COG의 조성을 GC로 분석하는 경우 CO/CH4/C2H4/H2 등의 가스를 주요발열성분으로 분석하게 된다. 그러나 COG 성분 중 조성은 미미하나 발열량을 영향을 주는 성분은 C2H6, C3H8, n-C4H10, i-C4H10 등이고 또한 GC로 측정하기 힘든 성분을 포함하고 있다. 현실적으로 여러 대의 GC를 연결하여 측정하기에는 인력과 시간의 낭비가 있으며 또한 측정하기 불가능한 성분에 있어서의 오차는 피할 수 없다.
따라서, 본 발명에서는 이러한 문제를 해소하기 위해서 연료가스(COG)의 열량 변화에 따라 실시간으로 가열로의 공연비를 제어하는 방법을 제공한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 가열로의 연료가스 연소성 변동에 따른 공연비 제어방법은 연료가스가 인입되면(S100), 가열로 버너에 공급될 연료가스를 사전 연소시켜 발열량을 측정하고, 연료가스의 발열량에 근거한 Wobbe index 비를 연산한다(S110). 이어, Wobbe index 비를 근거로 버너에 공급될 공연비 목표치를 판정한다(S120). 이어, 공연비 목표치에 따라 가열로의 공연비를 제어하게 된다(S130) 이후, 가열로의 공기비를 측정하여 다음 공정에 이용하게 된다(S140).
예컨데, 통상 가열로에서 공연비 제어를 위하여 비례제어 방식과 유량제어방식을 사용하고 있다. 비례제어 방식은 연료와 공기라인의 밸브를 비율로써 제어하는 방식이지만 공연비 제어에 다소 어려움이 있다. 유량제어 방식은 배기가스에 산소센서를 이용하여 적정 산소 범위로 제어하도록 과잉공기를 보정하여 버너를 제어하는 방식이다. 이 경우, 공급되는 연료의 표준 발열량을 기준으로 하여 여기에 맞는 연소용 공기를 공급하고, 연소 후 발생하는 폐가스 중 산소의 양을 측정하여 연소용 공기가 적당량 공급되었는지 확인한다. 이에 따라 연소용 공기의 공급량을 변동시키는 방법이다. 이는 연료의 열량이 일정한 시스템에서 유효하다. 특히 LNG와 같은 연료의 경우, 공급처에서 열량이 가격에 영향을 주므로 열량을 세밀하게 조정하여 공급하게 되므로 연료의 열량변동이 매우 적어서 이러한 방식이 유효하다.
보다 상세히 설명하면, 도 4에 도시된 바와 같이, 연료가스를 공급받게 되면(S10), 연료가스의 발열량에 근거한 현재 WI(Wobbe index 값)를 계산하고, WI와 기준 공연비에 따른 기준 WI(Wobbe index 값)와 비를 연산한다(S20).
다음, WI(Wobbe index 값)와 기준 공연비에 따른 기준 WI(Wobbe index 값)와 비로부터 현재 공연비를 산출하고, 현재 공연비를 근거로 버너에 공급될 공연비 목표치를 판정한다(S30)
마지막으로, 공연비 목표치를 근거로 기준 공연비와 현재 공연비의 차이가 감소되도록 가열로의 공기 공급량을 제어한다(S40)
상기 연산 단계의 Wobbe index 비의 연산은 하기 수식(1), 수식(2) 및 수식(3)를 이용하게 된다.
수식(1)
WI = LHV / (sp. gr.)^0.5
[여기서, WI = 웨버지수(Wobbe index)
LHV : 저위발열량
sp. gr = 가스밀도/공기밀도 임]
수식(2)
φ= 공기/연료
[여기서, φ ; 공연비임]
수식(3)
φ2 = φ1*(WI2/WI1)
[여기서, WI1 = 기준 웨버 인덱스
WI2 = 현재 웨버 인덱스
φ1 = 기준 공연비
φ2 = 현재 공연비임]
이하, 본 발명이 적용되는 설비를 예로 상세히 설명하도록 한다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 가열로의 연료가스 연소성 변동에 따른 공연비 제어방법이 적용되는 설비는 가열로의 버너(50)에 공급될 연료 가스를 공급하도록 배설된 배관 등을 포함하는 연료가스 공급부(10), 연료가스와 함게 가열로에 공급하도록 배설된 배관 등을 포함하는 연소용 공기 공급부(20), 가열로(60)에 공급된 연료가스를 사전에 연소시켜 발열량을 측정하고 WI 비를 근거로 목표 공연비를 산출하는 사전연소 시스템(30), 사전 연소 시스템에서 판단된 목표 공연비에 따라 가열로의 공연비를 제어하는 공연비 제어부(100), 공연비 제어부(100)의 제어에 따라 가열로에 연료가스 및 공기의 유량을 변경하도록 구성된 공급량 조절부(40)를 포함하여 구성된다. 이러한 구성은 일례로서 이에 한정되지는 않는다.
사전 연소 시스템(30)은 연료호환성 범위내 연료 변화에 따른 공기/연료 비(공연비)를 결정할 경우 상술한 수식에 따른 Wobbe index를 이용하여 목표 공연비를 결정하게 된다. 물론, 이러한 Wobbe index를 이용하여 공연비를 결정하기 위해서는 압력, 실연소를 통한 발열량, 유량, 배기가스내 산소농도의 정보가 필요하게 된다. 이러한 시스템내에서 연료를 실시간으로 연소시켜 연료의 연소특성변화에 대응할 수 있어 상술한 비교예와 딜리 공연비 계산 오차부분을 줄일 수 있고 연속적으로 연료특성 변화를 측정할 수 있는 장점이 있다.
여기서, 상술한 비교예와 달리 사전 연소 시스템(30)은 공급되는 연료 가스를 사전 연소한 후, 측정된 발열량으로부터 Wobbe index 비를 산출한다. 사전 연소 시스템은 산출된 Wobbe index 비로부터 공연비 목표치를 산출한다. 이를 통해 상술한 수식 1 내지 3을 이용하여 산출되게 된다.
이후, 공연비 제어부(100)는 사전 연소 시스템(30)에서 판단된 목표 공연비에 따라 가열로(60)의 공연비를 공급량 조절부(40)의 개도량을 조절하여 가열로에 연료가스 및 공기의 유량을 변경하게 된다.
예를 들어, 사전연소 시스템(30)에서 연료가스 공급부(10)를 통해공급되는 연료가스(COG)에 대한 목표치 공연비를 1.67로 산출하였다고 가정한다. 이때, 목표치 공연비는 COG 1Nm^3 을 이론적으로 완전연소시키기 위해서는 공기가 4.48Nm^3 이 필요하다는 의미이다. 이때, COG 1Nm^3 을 연소시키기 위해 4.48Nm^3 의 연소용 공기를 주입하였다면 공기비는 1.0이 되는 것이다.
공연비 제어부(100)는 도출된 목표치 공연비에 따라 공급량 조절부(40)를 통해 공급되는 연료가스에 대한 공기량을 실시간으로 조절한다. 즉, 공연비 제어부(100)는 사전연소 시스템(30)에서 계속적으로 사전연소에 따른 발열량 및 WI(웨버인덱스)의 비로부터 산출되는 데이터를 활용하 가열로 버너에 지속적으로 연소용 공기를 공급하면 완전연소가 가능한 조건을 버너에서 만족시켜 주게 되는 것이다.
이때, 공연비 제어부(100)는 가열로의 효율상 가장 좋은 공기비는 1.1 ~ 15로 유지하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 가열로 버너에 공급되는 연료가스를 사전 연소시켜 측정된 열량에 따른 Wobbe index 비를 이용하여 버너의 공연비를 제어함으로써, 공급되는 연료의 연소특성변화에 실시간으로 대응할 수 있어 공연비 계산 오차부분을 줄일 수 있고 연속적으로 연료특성 변화를 측정할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 가열로 버너에 공급되는 연료가스 및 공기에 대한 공연비를 최적화함 으로써 연료를 절감(최소 3% 이상 절감 가능)할 수 있을 뿐만 아니라 연료가스인 COG에 대한 조성 변화에 따른 제어 실패로 인한 CO, NOx 발생 문제를 예방할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 일실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
도 1은 목표 공연비 설정 방식을 예시한 도면.
도 2는 연료가스(COG) 발열량 변화 및 그에 따른 버너에서의 공연비 변화를 예시한 도면.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가열로의 연료가스 연소성 변동에 따른 공연비 제어방법의 순서를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가열로의 연료가스 연소성 변동에 따른 공연비 제어설비를 예시한 도면.
*도면의 주요부분에 대한 설명*
10 : 연료가스 공그부 20 : 연소용 공기 공급부
30 : 사전연소 시스템 40 : 공급량 조절부
50 : 가열로버너 60 : 가열로
100 : 공연비 제어부

Claims (7)

  1. 가열로 버너에 공급될 연료가스를 사전 연소시켜 발열량을 측정하는 연소 단계;
    상기 연료가스의 발열량에 근거한 Wobbe index 비를 연산하는 연산 단계;
    상기 Wobbe index 비를 근거로 상기 버너에 공급될 공연비 목표치를 판정하는 판정 단계; 및
    상기 공연비 목표치에 따라 가열로의 공연비를 제어하는 제어 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 가열로의 연료가스 연소성 변동에 따른 공연비 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연산 단계는,
    상기 연료가스의 발열량에 근거한 현재 WI(Wobbe index 값)를 계산하는 WI 연산 단계; 및
    상기 WI와 기준 공연비에 따른 기준 WI(Wobbe index 값)와 비를 연산 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가열로의 연료가스 연소성 변동에 따른 공연비 제어방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 판정 단계는,
    상기 WI(Wobbe index 값)와 기준 공연비에 따른 기준 WI(Wobbe index 값)와 비로부터 현재 공연비를 산출하는 단계; 및
    상기 현재 공연비를 근거로 상기 버너에 공급될 공연비 목표치를 판정하는 판정 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가열로의 연료가스 연소성 변동에 따른 공연비 제어방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어 단계는,
    상기 공연비 목표치를 근거로 상기 기준 공연비와 상기 현재 공연비의 차이가 감소되도록 가열로의 공기 공급량을 제어하는 것을 특징으로 하는 가열로의 연료가스 연소성 변동에 따른 공연비 제어방법.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한항에 있어서,
    상기 연산 단계의 Wobbe index 비의 연산은,
    수식(1)
    WI = LHV / (sp. gr.)^0.5
    [여기서, WI = 웨버지수(Wobbe index)
    LHV : 저위발열량
    sp. gr = 가스밀도/공기밀도 임]
    수식(2)
    φ= 공기/연료
    [여기서, φ ; 공연비임]
    수식(3)
    φ2 = φ1*(WI2/WI1)
    [여기서, WI1 = 기준 웨버 인덱스
    WI2 = 현재 웨버 인덱스
    φ1 = 기준 공연비
    φ2 = 현재 공연비임]
    상기 수식(1), 수식(2) 및 수식(3)를 이용하는 것을 특징으로 하는 가열로의 연료가스 연소성 변동에 따른 공연비 제어방법.
  6. 가열로 버너에 공급될 연료가스의 발열량에 근거한 Wobbe index 비를 근거로 가열로의 공연비를 제어하는 것을 특징으로 하는 가열로의 연료가스 연소성 변동에 따른 공연비 제어방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 Wobbe index 비의 연산은,
    수식(1)
    WI = LHV / (sp. gr.)^0.5
    [여기서, WI = 웨버지수(Wobbe index)
    LHV : 저위발열량
    sp. gr = 가스밀도/공기밀도 임]
    수식(2)
    φ= 공기/연료
    [여기서, φ ; 공연비임]
    수식(3)
    φ2 = φ1*(WI2/WI1)
    [여기서, WI1 = 기준 웨버 인덱스
    WI2 = 현재 웨버 인덱스
    φ1 = 기준 공연비
    φ2 = 현재 공연비임]
    상기 수식(1), 수식(2) 및 수식(3)를 이용하는 것을 특징으로 하는 가열로의 연료가스 연소성 변동에 따른 공연비 제어방법.
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