KR20110022623A - 강철 로 오프가스 중 ｃｏ 및 가연물의 연소 - Google Patents

강철 로 오프가스 중 ｃｏ 및 가연물의 연소 Download PDF

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Abstract

본 발명은 라디칼을 함유하는 고온의 산소 스트림을 제강 용기로부터의 오프가스 스트림에 공급하여 오프가스 중 일산화탄소를 이산화탄소로 전환시킨 것에 관한 것이다. 강철 로로부터의 오프가스 스트림의 처리 방법이 개시되어 있다: (A) 일산화탄소를 500 ppm 초과의 양으로 함유하는 오프가스를 로에서 용융 강의 표면 위의 분위기로부터 얻고, 상기 수득된 오프가스에 공기를 유입시켜 상기 수득된 오프가스를 2000℉ 미만의 온도에 있도록 하는 데 필요한 정도로 냉각시켜 온도가 2000℉ 미만인 오프가스 스트림을 제공하는 단계; (B) 챔버에서 연료와 산소를 혼합하고 혼합물 중 산소의 일부에 의해 상기 연료를 연소시켜 산소를 함유하는 상기 챔버에서 유출구에서 빠져나오는 고온 산소 스트림을 형성하는 단계 (여기서, 상기 챔버에서 상기 연소의 체류 시간은 상기 고온 산소 스트림이 (C) 단계에서 추가되는 오프가스 스트림의 온도보다 높은 온도를 갖도록 충분히 김); (C) 단계 (B)에서 형성된 고온 산소 스트림을 공급하는 단계.

Description

강철 로 오프가스 중 ＣＯ 및 가연물의 연소{COMBUSTION OF CO AND COMBUSTIBLES IN STEEL FURNACE OFFGASES}
본 발명은 강철 로에 의해 생성된 오프가스 스트림의 처리에 관한 것이다.
전기 아크 로 (EAF)에서 제강 동안, 가연성 기체, 예를 들어 일산화탄소 (CO) 및 수소 (H2)를 고농도로 함유하는 큰 부피의 고온 오프가스(off-gas)가 EAF 용기 내부에서 생성된다. 이러한 오프가스는 3000℉ 이상의 온도에 도달할 수 있고, 오프가스 중 CO 및 H2 피크 농도는 각각 최대 60％ 및 35％까지 도달할 수 있다. 전기 에너지 소비를 줄이기 위해, EAF 오프가스 중 함유된 열 에너지는 EAF 용기 내부에서 가능한 한 많이 회수될 필요가 있다.
하나의 방법은 용기 내부에서 가연물의 연소를 위해 산소창(oxygen lance)을 사용하여 화학적 CO 및 H2 연소열을 회수하는 것이다. 오프가스 스트림으로부터 에너지를 회수하는 또 다른 방법은 스트림의 열을 사용하여 EAF에 공급될 스크랩(scrap)을 예열하는 것이다. 하나의 예에서, EAF 오프가스는 도관으로 수송되며, 여기서 스크랩은 오프가스 유동 방향에 역류로 이동하고, 고온의 오프가스는 직접 열 전달에 의해 스크랩을 예열한다. 스크랩을 예열하는 도관에 공기를 주입하여 CO 및 H2의 연소를 위한 산소를 제공한다. 도관은 원하는 예열 온도로 스크랩을 가열하는 것을 증가시키도록 설치된 보조 버너를 가질 수 있다.
스크랩 예열을 사용하지 않는다면, 일단 오프가스가 EAF 용기를 빠져나가게 되면, 미연소된 CO, H2 및 다른 가연물에 함유된 잔류 에너지는 회수되거나 또는 회수되지 않을 수 있다. 로의 안전한 작동 및 환경적 이유로, 오프가스 중 잔류 기상 가연물은 충분하게 완전한 수준으로 연소되어, 이와 같이 처리된 오프가스가 덕트의 하류에서 추가로 세정되고, 대기중으로 방출될 수 있다. 예를 들어, 오프가스 중 고온 가연물, 예를 들어 CO 및 H2는 전형적으로 EAF 로(이하 "EAF 배기 덕트"라 부름)의 "네번째 구멍"에 연결된 수냉 배기 덕트에서 "에어 갭(air gap)"으로부터 도입되는 공기로 연소된다. 또한, EAF 배기 덕트의 하류에서, "드롭아웃 박스(dropout box)"는 추가적인 CO 및 H2 연소를 위한 후 연소 챔버로서 기능할 수 있다. 드롭아웃 박스를 위한 연소 공기는 박스의 상류에 또는 창(lancing)에 의해 박스에 도입될 수 있다. 작업자가 용융 목적으로 연도 기체 에너지를 회수하기를 원하는 경우, 드롭아웃 박스로부터 빠져나가는 연도 기체 스트림의 일부를 EAF 용기에 다시 재순환시킬 수 있다.
상기 노력에도 불구하고, 오프가스 중 소량의 CO의 존재 ("CO 슬립(slip)"이라 부름)는 여전히 수많은 EAF 작업자들에게 작동 문제점이다. 이는 EAF 가열 싸이클 동안, 오프가스 조성, 부피 및 온도에서 많은 변화가 있기 때문이다. 오프가스 특성 중 이러한 변화는 공기 침투 양을 변화시키고 공급되는 스크랩의 조성을 변화시킴으로써 더 복잡하게 된다. 따라서, 전체 EAF 가열 싸이클 동안 집진장치(bag house)의 CO 방출을 점검하는 것은 로 작업자들에 대한 도전을 나타낸다. CO 방출이 법규 허용치를 초과하는 경우, EAF 작업자들은 상당한 재정상의 불이익에 직면한다.
CO 및 다른 가연물에 대한 방출 허용치를 초과하는 것을 피하기 위해, 일부 EAF 작업자들은 방출 허용치에 부합하도록, 보수적으로 그들의 로를 작동하는 것을 선택할 수 있지만, 로 에너지 효율이 희생된다. 예를 들어, 작업자는 로 또는 배기 덕트 압력을 낮게 설정하여 CO 연소를 완료하기 위한 과량의 공기 침투를 유도할 수 있다. 이러한 과량의 공기는 전체 연도 기체 부피 및 오프가스와 연관된 열 손실을 증가시킬 수 있고, 따라서 로의 열 효율을 감소시킨다. 다른 예에서, EAF 로의 생산 능력은 CO, H2 및 다른 가연물의 연소를 완료하는 하류 덕트 또는 드롭아웃 박스의 능력에 의해 실질적으로 제한될 수 있다. 스크랩 예열을 사용하는 경우, EAF 작업자는 또한 휘발성 악취를 함유하고 연도 기체 덕트에서 원하지 않는 부산물, 예를 들어 다이옥신의 형성을 제한하는 문제에 직면할 수 있다.
또한, 상술한 것들은 제강에서 사용되는 다른 장치, 예를 들어 순산소 전로(basic oxygen furnaces, BOF), 레이들 정련 로(ladle refining furnace), 및 아르곤-산소 탈탄로(argon-oxygen decarburizing furnace)에 적용할 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 강철로로부터 오프가스 스트림의 처리 방법은 하기를 포함한다:
(A) 일산화탄소를 500 ppm 초과의 양으로 함유하는 오프가스를 로에서 용융 강의 표면 위의 분위기로부터 얻고, 상기 수득된 오프가스에 공기를 유입시켜 상기 수득된 오프가스를 2000℉ 미만의 온도에 있도록 하는 데 필요한 정도로 냉각시켜 온도가 2000℉ 미만인 오프가스 스트림을 제공하는 단계;
(B) 챔버에서 연료와 산소를 혼합하고 혼합물 중 산소의 일부를 상기 연료로 연소시켜 산소를 함유하는 상기 챔버의 유출구에서 빠져나오는 고온 산소 스트림을 형성하는 단계 (여기서, 상기 챔버에서 상기 연소의 체류 시간은 상기 고온 산소 스트림이 (C) 단계에서 추가되는 오프가스 스트림의 온도보다 높은 온도를 갖도록 충분히 길고, 상기 체류 시간은 상기 고온 산소 스트림이 화학식 O, H, OH, C2H, CH2, CjH2j +1 또는 CjH2j -1 (식 중, j는 1 내지 4임)에 상응하는 라디칼 및 이러한 라디칼의 2개 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 라디칼을 포함하는 상기 연소의 생성물을 함유하도록 충분히 짧음);
(C) 단계 (B)에서 형성된 고온 산소 스트림을 단계 (A)에서 제공된 오프가스 스트림에 공급하여 상기 제공된 스트림 중 오프가스의 온도를 고온 산화제 스트림이 첨가되는 오프가스의 온도보다 높은 1100℉ 초과의 온도로 상승시키는 단계 (여기서, 고온 산소 스트림은 그가 첨가된 오프가스 중 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하는 데 충분한 속도로 첨가되고, 이로써 상기 오프가스의 일산화탄소 함량을 낮춤).
상술한 방법의 바람직한 양태에서, 금속, 예를 들어 스크랩 금속은 상기 언급된 로 중 하나에 공급되고, 상기 금속이 로에 공급되기 전에 직접 열 전달로 상기 로로부터 얻어진 상기 오프가스와 접촉되어 금속을 가열하고 상기 얻어진 오프가스를 냉각시킨다.
상술한 방법의 또 다른 바람직한 양태에서, 상기 스크랩 금속은 상기 얻어진 오프가스 스트림으로 상기 열 전달에 의해 상기 얻어진 오프가스에 증발된 유기 물질을 함유하고, 상기 고온 산소 스트림은 상기 유기 물질을 이산화탄소 및 수증기로 전환하는 데 충분한 속도로 상기 냉각된 오프가스 스트림과 함께 혼합된다.
본 발명은 특히 오프가스 온도가 이미 오프가스 가연물의 자발적 발화 온도 미만인 경우 고 모멘텀 고온 산소의 스트림 또는 스트림들을 주입하여 낮은 농도 수준의 오프가스 가연물을 파괴하는 것을 포함한다. 주입된 산소가 고온이고 제트 모멘텀이 높기 때문에, 고온 산소는 오프가스와 신속하게 혼합될 것이고, 따라서 오프가스 온도가 가연물의 발화 온도 미만인 경우일지라도 고온 산소 스트림 중 라디칼이 오프가스 중 가연물을 파괴하는 능력을 향상시킨다. 고 모멘텀 고온 산소의 이러한 스트림은 본원에 기술된 고온 산소 발생기에 의해 생성된다.
도 1은 본 발명을 실시할 수 있는 전형적인 강철로 시스템을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명에서 유용한 고온 산소 발생기의 개략도이다.
도 3은 본 발명에서 유용한 고온 산소 발생기의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 대안적인 실시양태의 부분 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시양태의 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시양태의 흐름도이다.
본 발명의 하기 상세한 설명은 도면을 참조하지만, 본 발명은 도면에 예시된 실시양태에 국한되는 것으로 간주해서는 안 된다.
도 1은 제강 로로부터 CO 방출을 제어하는 본 발명의 가능한 여러 가지 상이한 적용예를 도시한다. 이들 적용예 중 임의의 하나 이상은 CO 방출을 제어하기 위해 개별적으로 또는 전체 시스템으로서 수행될 수 있다.
도 1을 참조하면, 오프가스(10)는 용융 강 (22) 위에 전극(24)을 갖는 전기 아크 로("EAF") (20)에서 생성된다. 3개의 전극(24)이 도시되었지만, 다른 개수의 전극이 사용될 수 있고, EAF는 교류 전류 또는 직류 전류를 사용하여 작동될 수 있다. 오프가스 스트림(10)은 유출구 (가끔 "제4 구멍"으로 부름) (25)를 통해 도관 (또는 덕트) (26)으로 흐른 후, 덕트(26) 중 개구부인 에어 갭(27)을 통해 흐르고 이를 통해 주변 분위기로부터 공기가 덕트(26)에 들어갈 수 있다. 공기는 바람직하게는 에어 갭(27) 및/또는 오프가스를 운반하는 덕트 중 다른 유입구를 통해 오프가스 스트림으로 유입된다. 공기는 팬 또는 임펠러의 도움으로 또는 그 없이, 바람직하게는 그 없이 오프가스로 유입될 수 있다.
에어 갭(27)의 하류의 오프가스 스트림은 드롭아웃 박스(50)로 유입된다. 오프가스 중 비말동반된 보다 큰 입자 물질은 드롭아웃 박스(50)에서 오프가스로부터 분리된다. 스트림(52)은 드롭아웃 박스(50)로부터 빠져나가는 오프가스 스트림이다. 연소 산화제 주입용 창(lance) 및/또는 버너가 설치된 경우 (도시되지 않음), 드롭아웃 박스(50)는 오프가스 중 연소가능한 생성물의 연소를 위한 연소 챔버로서 사용될 수 있다.
본원에서 기술된 바와 같이 고온의 산소 스트림이 오프가스로 공급될 때 오프가스는 바람직하게는 2000℉ 이하의 온도에 있다. 형성된 오프가스가 이미 2000℉ 이하인 경우, 오프가스는 냉각시킬 필요가 없다. 오프가스 온도가 2000℉를 초과하는 경우, 오프가스의 냉각이 필요하다. 전형적으로, 강철 로 분위기, 예를 들어 EAF로부터 회수된 오프가스는 2000℉보다 고온이다. 에어 갭(27) 및 다른 공기 유입구를 통한 오프가스 스트림으로 공기의 유입은 오프가스를 냉각시킨다. 오프가스가 물 자켓 또는 덕트의 벽을 통해 및 그로부터 멀리 오프가스로부터 열을 빼내는 다른 등가의 장치를 통해 유동하는 덕트를 통과함으로써 필요한 만큼 추가 냉각이 제공될 수 있다. 오프가스의 냉각은 또한 주변 분위기로 덕트의 복사 냉각 및/또는 대류 냉각에 의해 제공될 수 있다.
본원에 기술된 바와 같은 고온 산소 발생기(54)에 의해 생성될 수 있는 고온 산소 스트림(56)은 스트림(52)에 공급되어 스트림(53)을 형성한다.
로(20)에서 형성된 오프가스(10)는 또한 캐노피(30)로 및 캐노피 덕트(31)로 상승시킴으로써 회수될 수 있다. 이 실시양태에서, 공기는 주변 분위기로부터 덕트(31)로 유입된다. 본원에 기술된 바와 같이, 고온 산소 발생기(32)에 의해 생성될 수 있는 고온 산소 스트림(33)은 스트림(31)로 공급되어 스트림(34)을 형성한다.
본 발명에 의해 유리하게 처리되는 오프가스 스트림은 또한 강철 공장의 다른 공급원, 예를 들어 레이들 정련 로 및/또는 아르곤-산소 탈탄로로부터 올 수 있다. 스트림(42)은 또한 2개 이상의 레이들 정련 로, 2개 이상의 아르곤-산소 탈탄로, 또는 이들 두 유형의 로로부터의 오프가스 스트림을 합함으로써 형성되는 스트림일 수 있는 임의의 이러한 오프가스 스트림을 대표한다. 본원에 기술된 바와 같은 고온 산소 발생기(46)에 의해 생성될 수 있는 고온 산소 스트림(48)은 스트림(42)에 공급되어 스트림(49)을 형성한다.
상기 기술된 바와 같이, 다수의 상이한 오프가스 스트림의 CO 내용물을 처리하기 위해 이들 고온 산소 발생기 및 스트림 중 임의의 하나가 사용될 수 있거나, 또는 다수가 사용될 수 있다. 또한, 제2 (또는 추가) 고온 산소 발생기는 고온 산소 스트림을 고온 산소 스트림이 이미 공급된 위치로부터 하류에서 오프가스 스트림에 공급하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 고온 산소 발생기(35)로부터의 고온 산소 스트림(36)은 고온 산소 스트림, 예를 들어 스트림 (33 및/또는 48)이 상류에서 공급되는 경우에도 공급될 수 있다. 또 다른 고온 산소 스트림이 공급되는 곳으로부터 하류에서 스트림(36)으로서 공급되는 고온 산소 스트림은 연속적으로 공급될 수 있거나, 또는 CO 함량이 이들의 통상 수준 초과로 상승되는 가열 주기의 특정 시간 동안 충분한 CO 파괴를 제공하는데 필요한 고온 산소의 예비 공급원으로서 단속적으로 공급될 수 있다. 도 1에 나타낸 실시양태에서, 스트림 (34 및 49)는 합쳐져, 고온 산소 스트림(36)이 임의로 연속적으로 또는 단속적으로 공급되어 스트림 (39)을 형성하는 스트림 (38)을 형성한다.
오프가스 스트림 또는 스트림들, 예를 들어 도 1의 경우 스트림 (39 및 53)으로 고온 산소의 첨가시 형성된 스트림은 합쳐져서, 미세 입자 물질의 제거에 의한 오프가스 세정을 위한 집진기(60)로 유입되는 스트림(58)을 형성할 수 있다. 원한다면, 스트림들, 예를 들어 (39 및 53)은 개별적으로 집진기(60)에 공급될 수 있거나, 또는 별도의 집진기에 공급될 수 있다. 집진기(60)로부터 빠져나가는 스트림 (64)은 팬, 예를 들어 유도된 드래프트 팬(80)에 의해 이동되고, 세정된 오프가스는 스택(100)의 상부의 개구부(120)를 통해 대기중으로 방출된다. 존재하는 경우, 팬(80)은 또한 경우에 따라 도 1에 도시된 바와 같이 덕트(26), 및/또는 캐노피(30)로 및/또는 스트림 (42)으로 오프가스 스트림을 이동시키는 데 도움을 줄 수 있다.
상응하는 고온 산소 발생기로부터 형성된 고온 산소 스트림, 예를 들어 스트림 (56), (33), (48) 및/또는 (36)의 형성은 예로써 고온 산소 발생기(54)를 사용하여 도 2 및 3을 참고하여 기술되었다. 산소 농도가 30 부피％ 이상, 바람직하게는 85 부피％ 이상인 산화제의 스트림(202)은 바람직하게는 고온 산소가 공급되는 오프가스 스트림을 운반하는 덕트와 발생기(54) 중 적합한 개구부를 통해 소통하는 챔버 또는 덕트인 고온 산소 발생기(54)에 제공된다. 가장 바람직하게는 산화제(202)가 99.5 부피％ 이상의 산소 농도를 갖는 기술적으로 순수한 산소이다. 고온 산소 발생기에 공급되는 산화제(202)는 일반적으로 50 내지 300 피트/초(fps)의 범위 내에 있고 전형적으로 200 fps 미만인 초기 속도를 갖는다.
연료의 스트림(204)은 연료 주입을 위해 일반적으로 사용되는 임의의 적합한 노즐일 수 있는 적합한 연료 노즐을 통해 고온 산소 발생기(54)에 제공된다. 연료는 예를 들어 천연 가스, 메탄, 프로판, 수소, 정제 연료 기체, 매립지(landfill) 오프가스, 합성가스, 일산화탄소 및 코크스 오븐 기체를 포함하는 임의의 적합한 가연성 유체일 수 있다. 고온 산소 발생기(54)에 공급되는 연료 중 수소의 존재는 고온 산소 스트림을 형성하는 연소가 고온 산소 스트림 중 (비이온성) OH 및 O 라디칼의 형성을 촉진하기 때문에 명백하게 CO에서 CO2로의 전환을 도와주는 데 유리하다. 바람직하게는, 연료는 기상 연료이다. 기상 연료보다 액상 연료를 산소와 우수한 혼합 및 신뢰할만하고 안전한 연소를 유지하는 것이 보다 어렵지만, 액상 연료, 예를 들어 번호 2 연료 오일이 또한 사용될 수 있다.
고온 산소 발생기(54)에 제공된 연료(204)는 거기서 산화제와 연소 반응하여 열 및 연소 반응 생성물, 예를 들어 이산화탄소 및 수증기를 생성한다. 바람직하게는 산화제의 산소의 약 35％ 이하가 연료와 연소 반응한다. 고온 산소 발생기에서 산소의 약 35％ 초과가 연료와 연소 반응한다면, 잔류 산소의 온도가 원하지 않는 수준으로 증가되지 않도록 예를 들어 내화 구성 재료를 사용하고/하거나 열 제거 특징부, 예를 들어 물 벽을 사용하여 적절한 조치가 취해져야 한다.
고온 산소 발생기(54)에서 생성되는 연소 반응 생성물은 산화제(202)의 잔류 산소 일부와 혼합될 수 있어서, 잔류 산소에 열을 제공하고 온도를 상승시킬 수 있다. 바람직하게는, 연료는 고속으로, 전형적으로는 200 fps 초과 및 일반적으로는 500 내지 1500 fps 범위로 고온 산소 발생기(54)에 제공된다. 고속은 연소 반응 생성물로 산화제를 비말동반시키고, 따라서 챔버에서 연료의 연소를 촉진하는 역할을 한다.
일반적으로 산화제 공급 덕트 내의 잔류 산화제의 온도는 약 500℉ 이상, 바람직하게는 약 1000℉ 이상만큼 상승된다. 잔류 산소의 온도는 공급 덕트 및 노즐에 과열 문제를 피하기 위해 약 3000℉를 초과하지 않는 것이 바람직하다.
고온 산소 발생기(54) 내의 잔류 산소의 온도가 증가함에 따라, 오프가스로의 임의의 소정의 산소 주입 속도를 달성하는 데 요구되는 산소의 공급 압력은 감소한다. 예를 들어, 주변 온도에서 산소의 주입의 경우, 산소를 오프가스에 800 fps의 속도로 주입하기 위해 요구되는 압력은 제곱 인치 게이지당 7 파운드 (psig)를 초과한다. 산소 온도가 증가함에 따라, 요구되는 압력은 급격히 감소한다. 1500℉의 온도에서, 요구되는 압력은 1.65 psig이고 3000℉의 온도에서 요구되는 압력은 단지 0.91 psig이다. 3000℉를 초과하는 온도에서는, 거의 추가 이익이 없어서, 연료와 35％를 초과하지 않는 산소의 연소 반응에 대한 다른 이유를 제공한다. 따라서, 이러한 방식으로 고온 산소의 발생은 높은 공급 압력에 대한 필요없이 오프가스에 고속 고온 산소 스트림(56)을 제공하고, 따라서 산소 공급원 압력이 높지 않은 경우 필요한 오프가스로 통과하기 전에 산소를 압축하는 필요를 줄이거나 또는 제거할 수 있다.
고온 산소 발생기(54)에서 발생한 연소는 발생기(54)로부터 발생한 고온 산소 스트림(56)이 화학식 O, H, OH, C2H, CH2, CjH2j +1 또는 CjH2j -1 (식 중, j는 1 내지 4임)에 상응하는 하나 이상의 라디칼 및 상기 라디칼의 2종 이상의 혼합물을 함유하는 방식으로 수행되어야 한다. 이는 고온 산소 반응기 내의 반응물 (연료 및 산소)의 체류 시간이 연료 및 산소의 연소 반응이 고온 산소 반응기에서 수행되어 스트림이 공급되는 오프가스의 온도보다 높은 온도를 갖는 스트림을 생성하도록 충분히 길고, 동시에 상기 체류 시간이 상기 언급된 라디칼의 적어도 일부가 존재하도록 충분히 짧은 경우에 달성될 수 있다. 결국 체류 시간은 발생기(54) 내의 공간의 부피에 의해, 연료 스트림(204) 및 산화제 스트림(202)의 발생기(54)로의 공급 속도에 의해, 및 고온 산소 스트림(56)이 발생기(54)로부터 나오는 출구 오리피스의 크기에 의해 결정된다. 바람직한 체류 시간은 약 1 내지 2 msec이다.
도 3를 참조하면, 고온 산소 발생기(54) (또는 발생기 (32, 34 및 46))의 단면도가 나타나 있다. 연료 (204)는 지름이 "X"인 오리피스(205)로부터 나온다. 산소 스트림(202)은 오리피스(205)의 전면으로 흐르고 연료와 연소 반응한다. 생성된 고온 산소 스트림(56)은 발생기(54)로부터 직경이 "Y"인 오리피스(201)을 통해 나온다. 오리피스(205)로부터 오리피스(201)까지의 거리는 "Z"이다. 일반적으로, 목적하는 온도 및 연소 라디칼의 목적하는 함량을 갖는 고온 산소 스트림을 생성할 수 있는 체류 시간을 제공하여 고온 산소 스트림이 공급되는 오프가스 스트림의 CO 함량을 감소시키는, 고온 산소 발생기의 치수, 상기 발생기로의 연료 및 산소 공급 속도 및 출구 오리피스 치수의 조합은 하기를 포함한다:
X: 0.3 - 1.0 mm
Y: 1.5 - 2.65 mm
Z: 1.0 - 3.5 인치
발생기로의 연료 (천연 가스) 공급 속도: 2 - 14 scfh
발생기로의 산소 공급 속도: 16 - 72 scfh
발생기 내의 압력: 15.1 - 67.8 psia
고온 산소 스트림(56)은 바람직하게는 75％(부피) O2를 함유한다. 이 스트림의 전형적인 조성은 약 80％ O2, 12％ H2O, 6％ CO2, 개시 및 CO를 CO2 및 라디칼로 산화시키는 데 특히 효과적인 일부 높은 반응성 라디칼, 예를 들어 (비이온성) OH, O 및 H이다. 고온 산소 스트림(56)은 오리피스(201)를 통해 빠져나가고, 고속 및 고 모멘텀에서 오프가스에 공급되어, 고온 가스와 오프가스 사이에 혼합을 가속화시킨다.
이러한 방식으로 얻어진 고온 산소 스트림(56) (뿐만 아니라 스트림 (33, 36 및/또는 48), 및 본 발명의 실시에서 생성되고 사용된 다른 스트림)은 전형적으로 1600℉ 이상 및 바람직하게는 2000℉ 이상의 온도를 갖는다. 일반적으로 고온 산소 스트림의 속도는 500 내지 4500 피트/초(fps), 바람직하게는 800 내지 2000 또는 2500 fps의 범위 내에 있을 것이고, 300 fps 이상만큼 초기 속도를 초과할 것이다. 바람직한 실시양태에서, 상기 속도는 마하(Mach) 1이다.
내용이 본원에 참고로 삽입된 미국 특허 제5,266,024호의 기술은 추가로 고 모멘텀 고온 산소 스트림의 형성을 기술하고 있다.
고속 고온 산소 스트림은 속도 구배 또는 유체 전단에 의해 및 와류 제트 혼합에 의해 제트 경계를 통해 공급되는 오프가스를 비말동반하는 것으로 생각된다. 혼합물의 온도가 1400℉ 초과인 경우 이점이 실현되지만, 오프가스 및 고온 산소 스트림을 합할 경우 형성되는 기체 스트림 (이 혼합물은 고온 산소 및 오프가스의 반응 생성물을 포함함)은 1000℉ 이상, 바람직하게는 1250℉ 이상의 온도를 갖는다.
고온 산소 스트림의 각각의 사용시, 예를 들어 고온 산소 스트림(56)이 오프가스 스트림(52)에 공급되는 경우, 스트림(56)은 고 모멘텀으로 강철 로 오프가스에 공급된다. 고온 산소와 오프가스의 원하는 반응은 고온 산소와 오프가스 사이의 혼합의 친밀성을 증가시킴으로써 향상된다. 친밀한 혼합은 고온 산소를 다수의 스트림으로 나누고, 이들 스트림을 오프가스에 공급함으로써, 또는 오프가스를 가로지르거나 또는 그의 역류로 고온 산소를 공급함으로써 촉진될 수 있다. 바람직하게는, 친밀한 혼합은 덕트, 예를 들어 오프가스 스트림(52)을 운반하는 덕트 내에, 고온 산소와 오프가스 사이의 접촉을 촉진하는, 물리적 구조물을 제공함으로써 촉진된다. 이러한 구조물의 예는 기체가 유동하는 와이어 메쉬, 또는 배플(baffle)을 포함한다. 고온 산소 및 오프가스는 혼합되고, 그 동안에 고온 산소는 오프가스 중 CO를 CO2로 연소시킨다. 생성된 기체 혼합물, 예를 들어 스트림(53)은 고온 산소와 오프가스 사이의 반응 생성물을 포함한다.
고온 산소 발생기를 배치하는 바람직한 위치는 공기 단독의 주입이 오프가스 중 CO의 충분한 양을 파괴하는 데 효과적이기에는 오프가스의 온도가 낮은 경우 고온 산소 스트림이 오프가스에 공급되도록 하는 것이다. 예를 들어, 고온 산소 발생기는 오프가스의 온도가 1800℉ 이하, 예를 들어 1000℉ 내지 1800℉, 바람직하게는 1100℉ 내지 1600℉, 또는 1500℉ 이하, 또는 심지어 1400℉ 이하인 지역에 고온 산소 스트림을 공급하는 경우 효과적으로 사용될 수 있다. 이들 온도에서조차도, CO의 파괴는 수행되어 오프가스의 CO 함량을 500 ppm 미만 및 심지어는 100 ppm 이하로 낮출 수 있다. 고온 산소 스트림의 주입 후, 합쳐진 스트림은 바람직하게는 1350 내지 1450℉의 온도를 갖는다. 고온 산소 스트림의 전형적인 주입 속도는 500 내지 3500 fps, 바람직하게는 1000 내지 2800 fps일 수 있다.
도 4, 5 및 6은 공급 물질이 로에 공급되기 전에 강철 로용 공급 물질, 예를 들어 스크랩 금속이 로로부터의 오프가스에 의해 예열되는 본 발명의 실시양태를 예시한다. 도 1에도 역시 나온 도 4, 5 및 6의 참조 부호는 도 1에서 갖는 의미와 동일한 의미를 갖는다.
도 4에 나타낸 바와 같이, EAF 오프가스(10)는 제4 구멍(25) 및 이어서 도관(26)을 통해 흐른 후, 에어 갭(27)을 통해 흐른다. 에어 갭 이후, 오프가스 스트림은 2개의 스트림 (436 및 438)으로 분리된다. 스트림(436)은 예열기(440), 예를 들어 소위 버켓(bucket) 예열기로 들어가고, 반면에 스트림(438)은 예열기(440)를 우회한다. 예열기(440)는 공급 재료, 예를 들어 스크랩 충전물(442)로 주기적으로 충전되고, 스크랩 충전물을 통해 흐를 경우 고온의 오프가스 스트림(436)에 의해 예열된다. 충전물(442)로의 열 전달에 의해 냉각된 오프가스는 스트림(437)로서 예열기(440)로부터 흘러 나온다. 가열된 충전물(442)은 EAF(20)에 공급된다.
발생기(54)에 대해 본원에서 기술된 바와 같이 구성되고 작동되는 고온 산소 발생기(450)는 예열기(440)의 하류에서 고온 산소 스트림(452)을 스트림(437)에 공급하도록 설치된다. 고온 산소 스트림(452)에 함유된 고온 산소는 스트림(437)과 신속하게 혼합되고, 스트림(437) 중 CO를 파괴한다. 생성된 스트림(439)은 스트림(438)과 합쳐져 스트림(454)를 형성하고, 임의로 EAF 캐노피(30)로부터의 스트림(31)과 합쳐져 스트림(58)을 형성할 수 있다. 오프가스 스트림(454 및 58)은 본원에 기술된 바와 같이 하류 오염 제어 장치에 의해 처리될 수 있다.
도 5는 본원에 기술된 바와 같이 형성된 고온 산소 스트림을 사용하는 또 다른 실시양태, 여기서는 공급 재료, 예를 들어 스크랩 금속의 연속 작동 예열기의 내에 기체 방출을 제어하는 것을 도시하고 있다. 이 경우, 스크랩 충전물(535)은 둘러싸인 공간, 예를 들어 파이프일 수 있는 예열기(530)를 통해 공급 재료를 위한 컨베이어가 장착된 공급기(540)에 의해 연속적으로 공급된다. 오프가스 스트림(10)은 충전물(535)과 역류 방향으로 예열기(530)를 통해 흐르고, 여기서 충전 재료는 오프가스(10)로부터 열 전달에 의해 가열되고, 오프가스(10)는 냉각된다. 공기는 예열기 및/또는 예열기로 가는 오프가스가 흐르는 통로에 제공된 하나 이상의 개구부 또는 배기구(527)를 통해 유입된다. 예열된 후, 스크랩 충전물은 제강용 EAF(20) 내에 용융된 강철(22)로 떨어진다. 발생기(54)에 대해 본원에서 기술된 바와 같이 구성되고 작동되는 고온 산소 발생기(550)는 스크랩 공급기(540)의 말단 가까이 설치되고, 예열기(530) 중 오프가스 스트림(10)으로 공급되는 고온 산소 스트림(552)을 생성한다. 스트림(552)에 함유된 고온 산소는 스트림(10)과 신속하게 혼합되어 오프가스 중 CO를 파괴한다. 생성된 스트림(554)은 예열기(530)로부터 흘러 나오고, 임의로는 예를 들어 EAF 캐노피(30)로부터의 스트림(31)과 합쳐져 본원에 기술된 바와 같이 추가로 처리될 수 있는 스트림(58)을 형성할 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시양태, 즉 로 위에 위치되어 로로부터 오프가스를 받아들이는 샤프트 영역(642), 및 샤프트 영역(642) 위에 위치되어 샤프트 영역(642)로부터 오프가스를 받아들이는 후드 영역(646)이 장착된 샤프트 로(620)에 대해 나타내고 있다. 이 실시예에서, 공급 재료, 예를 들어 스크랩 금속은 도어(647)를 통해 후드 및 샤프트 영역에 충전된다. 충전된 스크랩(641) (도 5에서 공급 재료(535)에서와 같이 점으로 나타냄)은 오프가스가 흐를 수 있는 개구부를 갖는 플레이트 (640) 및 (644) (통상, "핑거(finger)"라고 부름)에 의해 적소에 유지된다. 오프가스(10)는 충전된 스크랩(641)을 통해 흐르고 스크랩을 통해 흐를 때 충전된 스크랩을 예열한다. 이어서, 예열된 스크랩은 로(620)에서 샤프트 영역(642)로부터 용융된 강철(22)로 공급된다. 오프가스(10)는 충전된 스크랩(641)으로의 상기 열 전달에 의해 냉각된다. 발생기(54)에 관해 본원에서 기술된 바와 같이 구성되고 작동되는 고온 산소 발생기(654)로부터의 고온 산소 스트림(656)은 후드 영역(646)의 상부에서 오프가스 스트림(10)에 주입되고 혼합된다. 고온 산소 발생기(650)는 또한 오프가스(10)가 후드 영역(646)을 빠져나간 후 고온 산소 스트림(652)을 오프가스(10)에 공급하도록 설치될 수 있다. 공기는 샤프트 영역(642) 및/또는 후드 영역(646) 및/또는 이들 영역 중 하나가 플레이트(640 또는 644)와 만나는 장소에서 개구부를 통해 오프가스로 받아들여진다.
임의의 이들 실시양태에서, 또는 제강 용기로부터의 오프가스가 용기에 대해 공급 물질을 예열하는 데 사용되는 임의의 다른 실시양태에서, 공급 재료는 유기 재료, 예를 들어 잔류물 또는 폐재료를 함유할 수 있다. 유기 재료가 공급 재료 내 또는 그 위에 존재하는 경우, 본원에서 기술된 공급 재료의 예열은 기화된 방출물을 생성할 수 있고, 이는 공급 재료 내 또는 그 위에 있는 기체 상태의 유기 재료 , 또는 상기 유기 물질을 공급 재료가 오프가스, 또는 이들의 혼합물과 열 전달 접촉시킬 때 나타나는 온도에 노출함으로써 형성된 기상 유기 부산물을 의미한다. 이들 기상 방출물은 불쾌한 악취를 유발할 수 있거나, 또는 성분이 유해한 물질, 예를 들어 다이옥신을 함유하는 경우, 또는 통상적인 예열 조건으로 노출될 때 성분이 유해한 물질로 형성될 수 있는 경우 해로울 수 있다.
본원에서 기술된 바와 같이 형성된 고온 산소 스트림을 오프가스가 공급 재료를 예열하는 장치 내에 오프가스 스트림에, 또는 오프가스가 공급 재료를 예열하는 장치의 하류에 공급하는 것은 이들을 이산화탄소 및 물로 전환시킴으로써 화학 (유기) 성분을 제거하거나 또는 심지어 완전히 없애버리는 추가 이점을 갖는다.
가장 만족스러운 CO의 이산화탄소로의 전환뿐만 아니라 오프가스에 의해 예열된 공급 재료로부터 오프가스에 유입되는 잠재적으로 유해한 화학적 물질의 제거 또는 없앰을 달성하기 위해, 하기 3가지 기준이 중요하다: (1) 고온 산소 스트림과 오프가스 사이의 우수한 혼합을 달성함; (2) 고온 산소 스트림 및 오프가스로 형성된 혼합물의 온도가 적절한 범위에 있음; 및 (3) 혼합물이 CO2로의 CO 연소를 완료하기에 충분한 체류 시간을 가짐. 본원에 기술된 조건 내에서 작동은 이들 기준을 만족시킨다.
저온 또는 주변 온도에서 산소의 통상적인 랜싱(lancing), 또는 오프가스가 로를 빠져나갈 때 오프가스 덕트 중 후연소 버너를 설치하고 사용하는 것에 비교하면, 본원에 기술된 고온 산소 스트림의 사용은 하기 이점을 갖는다:
● 고온 산소 스트림은 국부 오프가스 온도가 효율적인 CO 파괴에는 너무 낮을 수 있는 경우 오프가스에 필요한 열을 제공한다.
● 본원에 기술된 고온 산소 발생기는 더 낮은 농도 수준의 CO를 파괴하도록 우수한 혼합을 위한 높은 제트 모멘텀으로 고온 산소를 전달한다.
● 고온 산소의 주입은 주입된 산소의 부피가 일반적으로 오프가스의 부피에 비해 작기 (1부피％ 내지 3부피％) 때문에 오프가스 덕트 중 전체 기체 체류 시간에 적은 영향을 준다.
● 고온 산소 발생기는 디자인이 매우 압축되어, 덕트 또는 설비 공간이 상당히 제한된 경우 현장 설치에서 유연성을 제공한다.
● 본원에 기술된 고온 산소 발생은 오프가스의 NOx 함량을 증가시키지 않으면서 CO를 파괴한다.
본원에 기술된 고온 산소 발생기 및 고온 산소 스트림을 사용하여 오프가스 스트림 중 CO를 파괴하는 것은 하기 공정 이점을 제공한다:
● 증가된 제강 로 용량 (즉, 생산 속도)
본 발명은 상기 로의 생산 속도가 높은 오프가스 CO 방출에 의해 제한되는 경우 기준의 로의 용량이 증가되게 한다. EAF 로가 그의 생산 속도를 증가시키는 경우, 보다 많은 오프가스 부피가 생성될 것이다. 이러한 증가된 오프가스 부피로 인해, 덕트의 상류에 설치된 공기 기재 CO 연소 조치는 집진기에서 방출 허용치에 부합하는 수준으로 CO를 연소시킬 수 없게 한다. 증가된 생산 속도에 따른 다른 가능한 결과는 EAF 덕트가 팬의 용량에 의해 제한될 수 있고, 이는 기존의 팬이 CO 연소를 위해 처리할 수 있는 공기의 최대량이 있다는 것을 의미한다. 본 발명으로, 작업자는 기존의 공기 기재 CO 연소 시스템을 그의 최대 CO 파괴 능력에서 작동시킬 수 있다. 이어서, 작업자는 CO의 최종 연소를 위해 공기 시스템의 하류에 설치된 고온 산소 발생기를 사용하며, 여기서 공기 기재 시스템은 CO 파괴에 더이상 효과적이지 않다.
● 로 효율성(즉, 생산된 강철 톤당 전기 소비)을 향상시킴
많은 로 작업자는 공장 유출물 중 모든 CO 및 다른 가연물이 법규 방출 허용치에 부합하는 것을 확신하도록 시도하기 위해 매우 보수적인 방식으로 그들의 로를 제어한다. 예를 들어, 작업자는 CO, H2 및 다른 가연물의 후 연소를 위해 덕트로 과량의 공기를 도입하도록 덕트 흡입 압력을 증가시킬 수 있다. 후연소를 위한 높은 백분율의 과량의 공기를 공급함으로써, 로는 CO 방출 허용치에 부합할 수 있지만 그의 열 효율성을 훼손한다. 이는 높은 공기 투입이 오프가스 부피 및 그의 총 열 함량을 증가시키기 때문이다. 외부 연도 기체 재순환 없이, 오프가스에 함유된 사용가능한 열은 열 손실이다. 보다 높은 오프가스 부피는 또한 하류 오프가스 세정 장비에서 운전 비용을 증가시킨다.
● 법률적 불이익의 회피
본 발명은 이들의 특정 CO 방출 목표에 부합하도록 로 작업자들에게 간단하고 효율적인 방식을 제공한다. 고온 산소 발생기는 작업 환경이 동적이고 일시적인 경우 로를 위한 확실한 장치가 되었다. 본 발명으로, 작업자는 변경 작업 필요에 부합하도록 이들의 로를 보다 유연하게 작동시킬 수 있고, 하류 덕트로의 임의의 CO 슬립은 필요 발생시 스트림이 연속적으로 주기적으로 공급되는지 여부에 따라 고온 산소 스트림에 의해 파괴될 수 있다는 점을 알게 된다.

Claims (15)

  1. (A) 일산화탄소를 500 ppm 초과의 양으로 함유하는 오프가스를 로에서 용융 강의 표면 위의 분위기로부터 얻고, 상기 수득된 오프가스에 공기를 유입시켜 상기 수득된 오프가스를 2000℉ 미만의 온도에 있도록 하는 데 필요한 정도로 냉각시켜 온도가 2000℉ 미만인 오프가스 스트림을 제공하는 단계;
    (B) 챔버에서 연료와 산소를 혼합하고 혼합물 중 산소의 일부로 상기 연료를 연소시켜 산소를 함유하는 상기 챔버에서 유출구에서 빠져나오는 고온 산소 스트림을 형성하는 단계 (여기서, 상기 챔버에서 상기 연소의 체류 시간은 상기 고온 산소 스트림이 (C) 단계에서 추가되는 오프가스 스트림의 온도보다 높은 온도를 갖도록 충분히 길고, 상기 체류 시간은 상기 고온 산소 스트림이 화학식 O, H, OH, C2H, CH2, CjH2j +1 또는 CjH2j -1 (식 중, j는 1 내지 4임)에 상응하는 라디칼 및 이러한 라디칼의 2개 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 라디칼을 포함하는 상기 연소의 생성물을 함유하도록 충분히 짧음);
    (C) 단계 (B)에서 형성된 고온 산소 스트림을 단계 (A)에서 제공된 오프가스 스트림에 공급하여 상기 제공된 스트림 중 오프가스의 온도를 고온 산화제 스트림이 첨가되는 오프가스의 온도보다 높은 1100℉ 초과의 온도로 상승시키는 단계 (여기서, 고온 산소 스트림은 그가 첨가된 오프가스 중 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하는 데 충분한 속도로 첨가되고, 이로써 상기 오프가스의 일산화탄소 함량을 낮춤)
    를 포함하는 강철 로로부터의 오프가스 스트림의 처리 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고온 산소 스트림이 상기 오프가스 스트림에 공급되기 전 상기 수득된 오프가스로부터의 직접 열 전달에 의해 공급 재료를 가열하고, 상기 가열된 공급 재료를 상기 용융 강철에 공급하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 고온 산화제 스트림이 공급되는 오프가스 스트림의 온도가 1800℉ 이하인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 고온 산화제 스트림이 공급되는 오프가스 스트림의 온도가 1500℉ 이하인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 단계 (B)에서 형성된 고온 산소 스트림이 단계 (C)의 오프가스 스트림에 500 피트(feet)/초 이상의 속도로 공급되는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 단계 (B)에서 형성된 고온 산소 스트림이 단계 (C)의 오프가스 스트림에 마하(Mach) 1의 속도로 공급되는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 단계 (C)에서 상기 오프가스의 일산화탄소 함량이 500 ppm 미만으로 낮춰지는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 단계 (C)에서 상기 오프가스의 일산화탄소 함량이 100 ppm 미만으로 낮춰지는 방법.
  9. 제2항에 있어서, 상기 공급 재료는 유기 물질을 포함하고, 상기 고온 산소 스트림이 공급되는 오프가스는 상기 공급 재료의 상기 가열에 의해 형성된 기상 유기 방출물을 함유하고, 상기 오프가스에 공급된 상기 고온 산소 스트림은 상기 기상 유기 방출물을 이산화탄소와 물을 포함하는 생성물로 전환하는 방법.
  10. 제2항에 있어서, 상기 고온 산화제 스트림이 공급되는 오프가스 스트림의 온도는 1800℉ 이하인 방법.
  11. 제2항에 있어서, 상기 고온 산화제 스트림이 공급되는 오프가스 스트림의 온도는 1500℉ 이하인 방법.
  12. 제2항에 있어서, 단계 (B)에서 형성된 고온 산소 스트림이 단계 (C)의 오프가스 스트림에 500 피트/초 이상의 속도로 공급되는 방법.
  13. 제2항에 있어서, 단계 (B)에서 형성된 고온 산소 스트림이 단계 (C)의 오프가스 스트림에 마하 1의 속도로 공급되는 방법.
  14. 제2항에 있어서, 단계 (C)에서 상기 오프가스의 일산화탄소 함량이 500 ppm 미만으로 낮춰지는 방법.
  15. 제2항에 있어서, 단계 (C)에서 상기 오프가스의 일산화탄소 함량이 100 ppm 미만으로 낮춰지는 방법.
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