KR20120094949A - 고로 열풍로 가열 방법 - Google Patents

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Abstract

열풍로 내의 연소 챔버(301; 401; 501; 601) 내에 배열된 연소 구역 내에서 9 MJ/Nm3 이하의 저위 발열량(LHV)을 갖는 연료를 연소하고 연소 가스가 유동하게 하여 이에 의해 열풍로 내의 내화 재료(502)를 가열함으로써 고로 열풍로(500)를 가열하기 위한 방법이 개시된다. 본 발명은 연료가 적어도 85% 산소를 포함하는 산화제로 연소되고, 연소 가스는 연소 구역 내로 재순환되게 되어, 이에 의해 연소가 무화염이 되게 하기에 충분히 그 내부의 연료와 산화제의 혼합물을 희석하는 것을 특징으로 한다.

Description

고로 열풍로 가열 방법 {METHOD FOR HEATING A BLAST FURNACE STOVE}
본 발명은 고로(blast furnace)와 함께 사용을 위한 고로 열풍로(blast furnace stove)를 가열하기 위한 방법에 관한 것이다.
고로에 공급된 연소 공기는 통상적으로 버너를 사용하여 가열된 내화 재료를 포함하여, 열풍로를 사용하여 예열된다. 재료가 충분히 고온이 아닐 때, 연소 공기는 열풍로를 통해 통과되어 고로 내에 주입 전에 예열된다. 일반적으로, 다수의 열풍로가 병렬로 주기적으로 작동되어, 적어도 하나의 열풍로가 적어도 하나의 열풍로의 재화 재료가 가열되는 동안 연소 공기를 가열하기 위해 작동되게 된다.
통상적으로, 고로를 떠나는 노정 가스(top gas)는 대략 110 내지 120℃의 온도를 갖고, 약 20 내지 25%의 각각의 CO 및 CO2를 함유한다. 통상적으로, 3 내지 5% H2 및 일부 H2O가 또한 존재할 수도 있지만, 노정 가스의 다른 주성분은 N2(통상적으로 45 내지 57%)이다. 가스는 비교적 낮은 발열량(heating value)을 갖는 저등급 연료를 구성하고, 통상적으로 열풍로에 급유하는데 사용된다.
노정 가스는 통상적으로 열풍로 내에서 공기-연료 버너를 사용하여 연소된다. 고로에 의해 요구되는 필요한 높은 공기 블라스트(air blast) 온도를 보장하기 위해, 노정 가스를 코크스로 가스(coke oven gas) 또는 천연 가스와 같은 높은 열량(calorific value) 가스로 농후화 하는 것이 알려져 있다. 이러한 부가의 연료의 연소는 공장 설비로부터 이산화탄소의 더 높은 전체 배출을 유도하고, 따라서 바람직하지 않다.
스택 버너에 사용된 연소 공기를 산소 농후화 하는 것이 또한 알려져 있다. 일반적으로, 부가의 고열량 연료를 위한 요구를 감소시키거나 제거하는데 필요한 농후화 레벨은 예를 들어 대략 28 내지 30%의 연소 공기 내의 최종 산화제 산소 함량을 초래한다.
이러한 방법은 몇몇 경우에 열풍로의 내화 재료를 손상시키기에 충분히 높은 피크 화염 온도를 제공할 수 있고, 예를 들어 화염 온도를 억제하기 위해 과잉의 공기 유량을 공급할 필요가 있을 수도 있다.
열 회수 유닛을 사용하여 열풍로 버너에 공급된 연료 및 공기를 예열하는 것이 또한 알려져 있다.
모든 전술된 방법은 프로세스에 복잡성을 추가하고 고가의 장비를 필요로 한다.
고로 자체는 수년에 걸쳐 진화되어 온 고도로 효율적인 향류식 원자로이다. 이는 열역학적 효율의 한계에 접근하는데, 이러한 것이 현재의 가장 양호한 작동 실시에 대해 에너지 소비를 감소시키는 것이 어려운 이유이다. 더욱이, 고로 및 열풍로와 같은 그 부속 장비는 일관 제철 공장(integrated iron and steel works)에서 최대 에너지 소비자이다. 더욱이, 제철에서 소비된 에너지는 일관 제강 프로세스의 탄소 소비 및 따라서, 이산화탄소의 배출을 결정하는 지배적인 인자이다. 따라서, 고로 열풍로의 열적 효율을 증가시키는 것이 바람직할 수 있다.
소위 "탄소 포집(carbon capture)" 기술을 사용하여, 배출물을 저감하기 위해 열풍로 연도 가스로부터 이산화탄소를 분리하는 것이 가능하다. 그러나, 이러한 분리는 비교적 고가이다. 따라서, 더 저비용의 탄소 포집을 허용하는 고로 열풍로를 설계하는 것이 바람직할 수 있다.
게다가, 전술된 높은 피크 온도의 문제점에 추가하여, 너무 낮은 화염 온도 또는 열 입력율은 긴 가열 사이클을 유도할 수 있는데, 이러한 것은 바람직하지 않다. 달리 말하면, 화염 온도가 조정될 필요가 있다.
본 발명은 전술된 문제점을 해결한다.
따라서, 본 발명은 열풍로 내의 연소 챔버 내에 배열된 연소 구역 내에서 9 MJ/Nm3 이하의 하위 발열량(LHV)을 갖는 연료를 연소하고 연소 가스가 유동하게 하여 이에 의해 열풍로 내의 내화 재료를 가열함으로써 고로 열풍로를 가열하기 위한 방법에 관한 것이고, 연료는 적어도 85% 산소를 포함하는 산화제로 연소되고, 연소 가스는 연소 구역 내로 재순환되게 되어, 이에 의해 연소가 무화염이 되게 하기에 충분히 그 내부의 연료와 산화제의 혼합물을 희석하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명이 본 발명의 예시적인 실시예 및 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 제철 공장에서 고로 및 3개의 열풍로의 개략도.
도 2는 외부 연소 챔버를 갖는 현대식 유형의 종래의 열풍로를 도시하고 있는 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 부가의 랜스(lance)를 갖는 열풍로의 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 산소연료(oxyfuel) 버너를 갖는 열풍로의 상세 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 연소 가스 재생(recycling)을 갖는 열풍로의 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 이젝터 랜스를 갖는 열풍로의 상세 단면도.
도 1은 제철 공장에 있어서 고로(120) 및 3개의 열풍로(100)의 원리적인 배열을 도시하고 있다. 고로(120)의 작동은 고로 노정 가스를 생성하고, 이 고로 노정 가스는 연료 공급 제어 디바이스(110)를 사용하여, 당해의 열풍로(100)를 가열하기 위한 연료로서 사용되도록 각각의 열풍로(100)에 공급된다. 노정 가스는 공기 공급 제어 디바이스(130)에 의해 공급되는 공기의 형태의 산화제로 연소된다.
각각의 열풍로(100)는, 먼저 가열되고 이어서 고로 내에 공급되는 분사 공기(blast air)를 가열하는데 사용되는 세라믹 벽돌 등의 형태의 내화 재료를 포함한다.
내화 재료 가열 모드["온 가스(on gas)" 모드]에서 작동될 때, 노정 가스는 산화제로 열풍로(100) 내에서 연소되고, 연소 가스는 가능하게는 통상의 탄소 포집 단계를 포함하여, 연도 가스 처리 디바이스(150)로 공급된다.
분사 공기 가열 모드["온 블라스트(on blast)" 모드]에서 작동될 때, 공기는 반대 방향으로 내화 재료를 통해 유도되고, 이어서 고로(120)로 유도된다.
열풍로(100)는 주기적으로 작동되어, 임의의 시점에 적어도 하나의 열풍로가 온 블라스트로 작동되고 열풍로의 나머지는 온 가스로 작동되게 된다.
도 2는 현대식 유형의 종래의 열풍로(100)를 통한 단면도이다. 열풍로(100)는 외부 연소 챔버(101), 내화 재료(102) 및 돔(103)을 포함한다. 온 가스로 작동될 때, 이어서 열풍로(100)에 대한 손상의 위험이 있기 때문에, 돔(103) 내의 온도가 너무 높아지지 않는 것이 중요하다. 내부 연소 챔버를 갖는 열풍로가 또한 존재하고, 본 발명은 이러한 열풍로의 작동에 동등하게 적용 가능하다는 것이 이해되어야 한다.
온 가스로 작동될 때, 노정 가스 및 공기는 공기 버너(108)를 경유하여 연소가 발생하는 연소 챔버(101)의 연소 구역 내로 공급된다. 버너(108)는 연료 입구(105) 및 공기 입구(104)를 포함한다. 고온 연소 가스는 이어서 챔버(101)를 통해 위로, 돔(103)을 지나, 내화 재료(102)를 통해 아래로 흐르고, 이에 의해 내화 재료를 가열한다. 포트(106)를 통해 나올 때, 연소 가스의 온도는 통상적으로 약 200 내지 350℃이다.
내화 재료가 사전 결정된 온도에 도달할 때, 작동은 온 블라스트 작동으로 스위칭된다. 다음에, 공기가 포트(106)를 통해 도입되고, 고온 내화 재료(102)를 통해, 돔(103) 및 연소 챔버(101)를 경유하여, 출구 포트(107)를 통해 밖으로 흐른다. 이 지점에서, 분사 공기는 1100 내지 1200℃의 통상적인 온도를 갖는다.
본 발명에 있어서, 전술된 바와 같이 고로 노정 가스로 열풍로를 가열하는 것이 바람직하다. 더욱이 분사 가스가 열풍로로부터 제공되는 고로로부터 노정 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 것은 고로 부근의 열풍로의 배열을 허용하고, 에너지 효율적이고, 설비로부터 낮은 총 배출을 유도한다.
그러나, 본 발명은 다른 저등급 연료로 가열된 열풍로에 동등하게 유리하게 적용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 예로서, 통상의 화학적 조성(퍼센트 값) 및 저위 발열량(LHV)이 고로 노정 가스 및 컨버터 폐가스(off-gas)에 대해 표 1 및 2에 각각 제공되어 있다.
Figure pct00001
Figure pct00002
본 발명에 따르면, 열풍로는 그 LHV 값이 9 MJ/Nm3 이하인 기체 연료로 가열된다. 이러한 저등급 연료의 사용은 본 발명의 가능한 비용 이득으로부터 최대 이득을 도출할 수 있을 것이다. 연료는 혼합물의 LHV 값이 9 MJ/Nm3 이하인 한, 다른 더 고등급 연료의 특정 첨가물을 포함할 수도 있다. 비용 및 배출을 최소화하기 위해, 그러나 연소에 앞서 고등급 연료를 첨가하지 않는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 이러한 저등급 연료는 공기 또는 약간 산소 농후한 공기에 의해서가 아니라, 적어도 85 중량 %, 바람직하게는 적어도 95 중량 % 산소를 포함하는 산화제에 의해 이를 연소함으로써 열풍로를 가열하기 위해 사용되고, 여기서 산화제는 가장 바람직하게는 본질적으로 100%의 산소 함량을 갖는 산업적으로 순수한 산소이다.
이는 공기 내에 존재하는 질소 밸러스트(ballast)가 가열될 필요가 없기 때문에 연료 효율을 증가시킬 것이다. 더욱이, 연소 생성물 내의 질소 밸러스트를 감소시킴으로써, 필수 화염 온도는 고열량 연료로 저등급 연료 가스를 보충할 필요 없이 얻어질 수 있다. 감소된 에너지 요구는 증가된 전력 발생을 용이하게 하고 그리고/또는 가스 도입의 감소된 요구를 유도하여, 따라서 연료 관리를 향상시킨다.
일반적으로, 이러한 큰 산소 함량을 갖는 산화제를 사용하는 것은 열풍로의 돔 및 내화 재료를 손상시키는데 충분히 높은 피크 온도를 유도한다.
그러나, 본 발명자들은, 열풍로 연소 가스가 연료와 산화제의 혼합물이 연소 구역 내의 연소가 일반적으로 "무화염"이라 칭하는 유형이 되도록 충분히 희석되는 이러한 정도로 연소 구역 내로 재순환되는 조건 하에서 이 유형의 산화제를 사용하는 것이 가능하다는 것을 발견하였다. 여기서, "무화염" 연소는 연소 프로세스의 주요부가 연소 구역 내에서 실시되기 전에 재순환된 배기 연기(fume)로 상당히 희석되는 산화제 및 연료 가스에 의해 성취된 무화염 산화 모드를 나타낸다. 이 방식으로, 연소는 가시 화염, 달리 말하면 육안으로 가시화되지 않거나 거의 가시화되지 않는 화염이 없이 성취된다. 이를 표현하는 다른 방식은 연소 반응제가 연소가 안정한 화염 없이 "체적형" 연소가 되도록 희석된다.
본 명세서에서 이 "연소 가스가 연소 구역 내로 재순환된다"라는 것은 연소 구역의 외부에 위치된 연소 가스가 연소 구역 내로 재차 재순환되는 것을 나타낸다. 이러한 연소 가스는 원래는 연소가 주로 발생하는 구역("연소 구역")에 의해 점유되는 연소 챔버의 부분의 외부가 아니라, 연소 챔버 내부에 위치될 수 있다. 따라서, 이 경우에 연소 가스는 실제로 연소 챔버 내에서 재순환된다. 대안적으로, 이러한 연소 가스는 연소 챔버의 외부로부터 연소 구역으로 재차 재순환될 수 있다.
이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 반응제의 희석은 산화제의 고속 랜싱을 사용하여, 가능하게는 성층 연소 체계를 사용하여 연소 챔버 내부에 심한 난류를 생성함으로써 및/또는 열풍로로부터 연소 구역 내로의 연도 가스의 재생에 의해 성취될 수 있다.
매우 큰 산소 함량을 갖는 산화제로의 이러한 무화염 연소를 사용하여, 열풍로를 손상시키지 않기 위해 충분히 낮은 피크 화염 온도를 성취하는 것이 가능하다는 것이 발견되어 있다. 또한, 충분히 높은 화염 온도가 성취 가능하다.
부가적으로, 고산소 산화제가 고로 노정 가스와 같은 저등급 연료를 연소하는데 사용될 때, 연소 가스의 CO2 함량은 산화제로서 공기 또는 약간 산소 농후된 공기를 사용할 때와 비교할 때 상당히 더 높아지게 된다. 종래의 산소 포집 기술은 처리된 가스가 높은 몫의 이산화탄소를 함유할 때 단위 포집된 CO2당 상당히 저가가 되는 경향이 있기 때문에, 이는 열풍로 연소 가스를 처리하기 위해 이러한 탄소 포집 단계를 사용할 때 상당한 비용 절약을 유도한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있다. 도 2에 도시되어 있는 종래의 열풍로(200)와 유사한 열풍로(300)는 연소 챔버(301), 내화 재료(302), 돔(303), 열풍로가 공기 연소로 통상의 방식으로 작동될 때 연소 공기를 위해 사용된 입구(304), 노정 가스와 같은 저등급 연료를 위해 사용된 다른 입구(305) 및 포트(206, 207)와 유사한 포트(306, 307)를 포함한다. 공기로 저등급 연료를 연소하는 대신에, 하나 또는 다수의 랜스(310, 311, 312)가 연소 챔버 내에 삽입되고, 연소 챔버 내로 전술된 고산소 산화제를 공급하는데 사용된다. 산화제는 국부 산소 생성에 의해 또는 외부에서 제공된 산화제를 사용하여 제공될 수 있다.
본 명세서에 설명된 모든 실시예에서, 단위 시간당 산화제의 총량은 화학양론의 견지에서 원하는 연소 조건을 생성하기 위해 공급된 저등급 연료의 양에 대해 균형화된다.
각각의 랜스(310, 311, 312)는 고속으로, 바람직하게는 적어도 200 m/s로, 더 바람직하게는 적어도 음속으로 연소 구역에 산화제를 공급하는 것이 바람직하다. 이러한 고속 랜싱은 연소 챔버 내에 심한 난류를 유도하여, 이어서 연소 가스를 연소 구역 내로 혼입하고 이에 의해 무화염 연소를 성취하기 위해 화염을 희석시킨다.
일 바람직한 실시예에 따르면, 랜스(310)는 그 오리피스가 연료 입구(305)의 오리피스에 근접하여 배열된다. 다른 바람직한 실시예에 따르면, 랜스(311)가 연료 입구(301)의 오리피스로부터 소정 거리 이격된 위치에 배열된다. 연소 챔버(301)의 기하학적 구조에 따라, 이들 배열 중 하나 또는 양자의 조합은 연소 구역 내로의 연소 가스의 가장 양호한 재순환을 제공할 수 있다. 다른 랜스 또는 랜스(310, 311)에 관련하여 더 하류측에 배열된 상보형 랜스(312)가 성층 연소 프로세스를 제공하는데 사용될 수 있어, 이에 의해 총 화염 체적이 더욱 더 커지게 될 수 있다. 일반적으로, 각각의 전술된 유형(310, 311, 312) 중 하나 초과는 서로 보완하도록 배열될 수 있다. 산화제가 연료 입구(305)에 근접하여 랜싱되는 경우에, 성층 연소 프로세스를 생성하기 위해 더 하류측에 산화제를 또한 랜스하는 것이 바람직하다.
도 4는 고로 열풍로(400)가 연소 챔버(401), 내화 재료(402) 및 포트(406)를 포함하는 다른 바람직한 실시예의 개략도이다.
저등급 연료는 공급 도관(411), 공급 디바이스(412) 및 입구(413)를 경유하여 공급된다. 산화제는 공급 도관(414), 공급 디바이스(415) 및 오리피스(416)를 포함하는 랜스를 경유하여 공급된다. 랜스는 그 오리피스(416)가 연료 입구(413)에 인접하여 배열되도록 배열된다. 바람직하게는, 랜스는 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 연료 입구(413)에 동축으로 연장된다. 이러한 인접 배열에 의해, 특히 동축일 때 그리고 산화제가 전술된 높은 속도에서 랜싱될 때, 연료는 고속 산화제의 부분에 작용하는 이젝터에 의해 연소 구역 내로 효율적으로 혼입된다. 그 결과, 연소 생성물의 상당한 재순환이 연소 챔버(401) 내에서 성취되어, 특히 연소 챔버 내로 연소 가스를 재순환시켜 화염 전면(flame front)을 팽창시킨다. 이러한 고속 랜스가 연료 입구(413)에 인접하여 배열될 때, 2차 산화제 랜스(312)를 동시에 사용하여, 연료 입구(413)의 하류측의 연소 챔버(401)의 다른 위치에 총 공급된 산소의 일부를 제공하여, 저등급 연료의 성층 연소를 생성하여 이에 의해 무화염 연소의 성취를 용이하게 하는 것이 바람직하다.
매우 바람직한 실시예에 따르면, 이전에 현존하는 열풍로(400)를 가열하는데 사용되었던 현존하는 통상의 공기 버너는 초기 단계에서 전술된 연료 입구(413) 및 산화제 랜스를 포함하는 산소연료 버너(410)로 교체된다. 본 명세서에서 "산소연료" 버너는 연료와 산화제로 구동된 버너를 칭하고, 여기서 산화제는 대부분 산소, 바람직하게는 적어도 85%의 산소, 더 바람직하게는 적어도 95% 산소를 포함하다.
대안적인 매우 바람직한 실시예에 따르면, 전술된 현존하는 공기 버너는 초기 단계에서, 전술된 바와 같은 하나 또는 다수의 고속 산화제 랜스로 보충되고, 공기 공급이 종료된다.
전술된 바와 같이, 이러한 고속 랜싱은 연소 챔버(301, 401) 내부에 심한 난류를 야기하여, 무화염 연소 및 따라서 충분히 낮은 피크 화염 온도를 유도한다.
그러나, 연소 가스의 질량 유량은 산화제로서 공기를 사용할 때와 비교할 때 고산소 산화제를 사용할 때 더 낮을 것이다. 이는 내화 재료로의 더 작은 대류 열전달 및 따라서 더 긴 가열 사이클 시간을 유도할 것이다. 따라서, 고산소 산화제 작동을 위해 현존하는 열풍로를 변환할 때, 도 5 및 도 6과 연계하여 이하에 설명되는 바와 같이 열풍로로부터 연소 구역 내로 연도 가스를 재생하는 것이 바람직하다.
따라서, 도 5는 연소 챔버(501), 내화 재료(502) 및 돔(503)을 포함하는 다른 바람직한 실시예에 따른 열풍로(500)의 개략도이다.
온 가스 작동 중에, 연소 가스는 포트(506)를 통해 열풍로(500)를 떠난다. 그러나, 연소 가스는 재생 디바이스(511)를 경유하여 연소 챔버(501) 내의 연소 구역으로 재차 재생된다. 피드백 디바이스(511)는 연소 챔버(501)로 재생된 연소 가스를 공급하기 위한 팬과 같은 추진 디바이스를 포함할 수 있다.
재생 디바이스(511)는 또한 공급 도관(512)을 경유하여 제공된 전술된 바와 같은 조성물의 고산소 산화제와 재생된 연소 가스를 혼합하도록 배열된다. 혼합은 통상의 확산기를 사용하여 실시될 수 있다. 재생된 연소 가스와 산화제의 혼합물은 이어서 입구(513)를 경유하여 연소 챔버(501)에 공급된다. 노정 가스와 같은 저등급 연료가 공급 도관(514), 공급 디바이스(515) 및 입구(516)를 경유하여 공급된다. 연소 구역에서, 연료는 따라서 이들이 미리 열풍로(500)를 지난 후에 연소 구역 내로 재생되어 있는 연소 가스의 존재하에 산화제로 연소된다. 이 방식으로, 연소 챔버(501) 내의 화염이 희석된다.
이러한 연도 가스 재생을 사용하여, 본 발명에 따른 방법이 적용되는 현존하는 열풍기의 가열 사이클 시간을 유지하는 것을 가능하게 하기 위해 충분히 높은 대류 열전달 유량에 도달하는 것이 가능하다는 것이 발견되었다. 이는 재생 없이 저산소 산화제를 사용하여 본 발명에 따른 작동으로 변환하기 전에, 현존하는 열풍로가 작동될 때 사용되었던 단위 시간당 가스 질량 또는 열 에너지 유동과 적어도 동일한 레벨로, 열풍로(500)를 통해 단위 시간당 가스 질량 또는 열 에너지 유동을 유지하기 위해 연소 가스의 충분한 양을 재생함으로써 성취된다.
이는 단위 시간당 저등급 연료 및 산화제의 제공된 양으로 재생된 연소 가스의 양을 균형화하는 것을 수반한다. 표 3은 이러한 균형의 예를 예시하고 있고, 여기서 코크스로 가스 농후된 고로 노정 가스가 재생 없이 공기로 연소되는 제1 작동 모드가 설명되고, 산업적으로 순수한 산소가 산화제로서 사용되고 특정량의 재생이 본 발명에 따라 도입되는 대응 제2 작동 모드에 비교된다. 표 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 열풍로(500)의 내화 재료(502)를 통한 화염 온도 및 가스 질량 유동은 연소 열이 감소됨과 동시에 본 발명의 방법을 적용할 때 본질적으로 동일한 레벨로 유지된다.
Figure pct00003
표 3의 "통상의" 작동 모드에서, 4개의 열풍로가 1125℃의 온도에서 195000 Nm3/h의 분사 공기를 전달하기 위해 작동된다. 분위기 온도로부터 이 체적의 공기를 가열하기 위해 2개의 열풍로를 '온 블라스트'로 함으로써 제공된 시간당 308 GJ의 에너지를 필요로 한다. 따라서, (분사 공기 내의 에너지)/(열풍로에 공급된 연소의 열)로서 정의된 전체 열풍로 효율은 308/(2?208) 또는 약 74%이다. 이 비능률의 일부는 연도 가스 현열과 연관된다.
재생 디바이스(511)는 연소 챔버(501) 내의 산소 농도를 낮춤으로써 연소 구역 내에 무화염 연소를 제공하기 위해 충분한 연소 가스를 재생하도록 배열된다.
연소 구역 내에 무화염 연소를 제공하기 위해, 연료 성분 연소 가스를 카운팅하지 않고 연소 챔버(501) 내의 분위기의 불활성 가스의 약 12% 이하, 바람직하게는 10% 이하의 총 산소 체적 퍼센트가 무화염 연소를 효율적으로 야기한다는 것이 발견되었다. 따라서, 충분히 대량의 연소 가스가 이 퍼센트 이하인 연소 챔버(501) 내의 산소의 연속적인 농도를 야기하도록 재생되는 것이 바람직하다.
모든 산화제가 재생 디바이스(511)를 경유하여 하나 또는 가능하게는 다수의 산화제 랜스(310, 311, 312)를 통해 연소 챔버(501)에 공급되기 때문에, 단위 시간당 공급된 산소의 양이 인지된다. 따라서, 전술된 충분히 낮은 산소 농도에 도달하기 위해 단위 시간당 재생을 위한 연소 가스의 양을 계산할 수 있다.
표 3의 예에서, 11%의 O2 농도가 바람직한데, 이는 각각의 단위 체적 O2에 대해, 1/0.11 - 1
Figure pct00004
8.1 단위의 불활성 가스가 요구된다. 공급된 각각의 체적 단위 노정 가스에 대해, 산업적으로 순수한 산소로 구성된 산화제의 형태의 약 0.14의 체적 단위의 O2가 약 1.125의 원하는 람다를 성취하기 위해 공급된다. 이는 약 1/0.14
Figure pct00005
7.1 단위의 연료가 산소의 각각의 단위에 대해 공급된다는 것을 의미한다. 약 75 체적 %의 노정 가스가 불활성 가스로 구성되고 이전의 계산 단계로부터 소숫점 정밀도를 유지하기 때문에, 연소 챔버(501) 내의 각각의 체적 단위 O2는 단지 노정 가스 연료를 제공함으로써 약 7.1*0.75
Figure pct00006
5.4 단위의 불활성 가스로 미리 희석된다. 달리 말하면, 연소 가스 재생의 형태의 가외의 8.1 - 5.4 = 2.7 단위의 불활성 가스가 연소 챔버(501) 내로의 랜싱된 O2 단위당 요구될 수 있을 것이다. 이는 연소 가스의 적어도 38%가 11%의 최대 O2 농도에 도달하기 위해 재순환되어야 하는 것을 의미한다.
컨버터 폐가스를 연료로서 사용하는 연소 챔버 내에서 11% O2 농도에 도달하는 대응 예 - 이 폐가스는 폐가스 단위 체적당 0.33 체적 단위를 필요로 하고 체적 불활성 가스당 단지 약 1/3을 함유함 - 는 랜싱된 O2 단위 체적당 적어도 7.1 체적 단위 연소 가스의 요구된 혼합물 또는 적어도 약 234%의 연도 가스 재순환을 야기한다.
일 바람직한 실시예에 따르면, 모든 산화제가 연소 구역에 진입하기 전에 재생된 연소 가스와 사전 혼합된다. 그러나, 부가의 산화제는 또한 연소 챔버(501) 내의 하나 이상의 랜스를 통해 공급될 수 있다. 이 경우에, 재생된 연소 가스의 양의 계산을 위한 기초로서 사용되어야 하는 것은 단위 시간당 공급된 산소의 총량이다.
더욱이, 표 3에 제공된 숫자로부터 추론될 수 있는 바와 같이, 연소에 의해 공급된 열은 가스 질량 유량 및 화염 온도를 본질적으로 유지하면서, 대략 7%만큼 감소될 수 있다. 이 예에 따른 일관 제철 공장에서 열풍로를 작동함으로써, 무화염 산소연료 및 연도 가스로부터 CO2의 포집으로, 대략 20%만큼 설비로부터 배출물을 감소시키는 것이 가능한 것이 발견되었다.
바람직한 실시예에 따르면, 충분한 연소 가스가 내화 재료를 통해 단위 시간당 가스 질량 유동을 본질적으로 유지하거나 증가시키도록 재생된다.
대안적인 바람직한 실시예에 따르면, 충분한 연소 가스가 내화 재료를 통한 열 에너지 처리량을 본질적으로 유지하거나 증가하도록 재생된다. 이는 연소 가스 내의 다양한 불활성 성분에 대한 상이한 열 용량을 고려한다. 이 경우에, 충분한 연소 가스가 재생되어 화염 온도가 본질적으로 유지되거나 감소되게 하는 것이 또한 바람직하다.
도 3에 또한 도시되어 있는 바와 같이, 열풍로(500)로부터 통기된 연도 가스의 CO2 함량은 종래의 작동 모드에서 23%에 비교할 때 훨씬 높은 43%이다. 종래의 탄소 포집 기술을 위한 포집된 CO2 단위 중량당 비용은 CO2 농도가 낮은 레벨로부터 최대 대략 50 내지 60%의 레벨까지 증가함에 따라 상당히 감소된다. 이 한계를 넘어 증가된 농도는 더 작은 이득을 제공할 수 있을 것이다. 그 결과, 열풍로 연도 가스를 처리하기 위한 탄소 포집 단계를 위한 비용은 고산소 산화제가 본 발명에 따라 사용될 때 포집된 CO2 단위 중량당 상당히 감소될 수 있다.
매우 바람직한 실시예에 따르면, 이전에 현존하는 열풍로(500)를 가열하는데 사용되었던 현존하는 통상의 공기 버너는 초기 단계에서 연료 입구(516) 및 재생된 연소 가스용 입구(513)로 교체되고, 연료는 이어서 전술된 고산소 산화제로 연소된다. 이를 위해, 산화제는 재생된 연소 가스와 사전 혼합함으로써 제시되는 것이 바람직하다. 이러한 사전 혼합은 전술된 바와 같이 하나 이상의 랜스와 조합되는 것이 대안적으로 바람직하다.
도 6은 연소 챔버(601), 내화 재료(602), 포트(606), 재생된 연소 가스용 도관(610), 재생 디바이스(611), 연료 공급 도관(616), 연료 공급 디바이스(617) 및 연료 입구(618)를 갖는 고로 열풍로(600)를 도시하고 있는, 본 발명의 다른 바람직한 실시예의 개략도이다.
산화제는 산화제 공급 도관(613) 및 산화제 공급 디바이스(614)를 경유하여, 랜스의 오리피스(615)가 재생 디바이스(611)로부터 공급된 재생된 연소 가스의 공급을 위해 오리피스(612)에 인접하여 배열되도록 배열된 산화제 랜스에 공급된다. 바람직하게는, 산화제 랜스는 재생된 연소 가스 입구(612)와 동축으로 연장한다. 도 4와 연계하여 설명된 바와 같은 동축 랜스 오리피스(416)의 기능과 유사한 방식으로, 이러한 인접한 배열은 특히 동축일 때, 고속 산화제의 부분 상의 이젝터 작용에 의해 연소 구역 내로 재생된 연소 가스를 효율적으로 혼입하여, 연소 챔버(601) 내의 더 많은 연소 가스 재순환을 생성한다. 동시에, 재생된 연소 가스는 오리피스(615)에서 이젝터 작용에 의해 추진될 수 있기 때문에, 재생 디바이스(611) 내의 개별 추진 디바이스에 대한 요구가 존재하지 않는다.
도 6에 도시되어 있는 실시예는 유리하게는 부가의 산화제 랜스와 조합되어, 오리피스(615)로부터 소정 거리 이격하여 위치된 연소 구역 내의 위치에 부가의 산화제를 제공하여, 이에 의해 연소 구역 내에 성층 연소를 성취한다.
전술된 바와 같이, 더욱이, 열풍로(300, 400, 500, 600)가 자체로 통상적일 수 있는 각각의 탄소 포집 단계 350, 450, 550, 650에 접속될 수 있어, 연소 가스가 환경 내로 방출되기 전에 열풍로로부터 통기된 연소 가스의 이산화탄소 함량을 분리하는 것이 바람직하다.
고로 열풍로의 연령이 그 예상된 사용 수명에 접근할 때, 본 명세서에 설명된 실시예 중 하나 또는 다수의 실시예의 조합을 열풍로에 적용하는 것이 바람직하다.
이 방식으로, 열풍로의 사용 수명이 연장될 수 있어, 더 낮은 화염 온도, 분사 공기의 견지에서 유지된 생산율, 더 양호한 연료 경제 및 낮은 배출물로 열풍로를 작동시킨다.
따라서, 본 발명에 따른 방법은 탄소 포집에 더 적합한 연도 가스를 생성하면서, 더 고열량 값 연료 농후화의 요구 없이 그리고 온도 유도된 열풍로 손상의 위험 없이, 고로 열풍로가 고로 노정 가스와 같은 저등급 연료에서만 작동될 수 있게 한다. 게다가, 이러한 것은 열풍로의 사용 수명이 연장될 수 있게 한다.
연소 가스의 충분한 재생이 사용되면, 고산소 산화제로 작동을 위한 전술된 것에 따라 변환되는 현존하는 열풍로 내의 동일한 양 및 품질을 성취하는 것이 또한 가능하고, 이 열풍로는 도 5 또는 도 6과 연계하여 설명된 연소 가스 재생 장치를 구비한다.
상기에는, 바람직한 실시예가 설명되었다. 그러나, 다수의 수정이 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않고 설명된 실시예에 이루어질 수 있다는 것이 당 기술 분야의 숙련자에게 명백하다.
예를 들어, 도 4 내지 도 6과 연계하여 설명된 바와 같은 연소 가스의 재순환을 생성하기 위한 방법은 유리하게는 도 3과 연계하여 설명된 바와 같은 다양한 산화제 랜스 중 하나 또는 다수로 보충될 수 있다.
더욱이, 도 6과 연계하여 설명된 바와 같은 이젝터 추진된 재순환된 연소 가스 방법은 유리하게는 도 5와 연계하여 설명된 것과 유사한 방식으로 특정량의 고산소 산화제와 사전 혼합될 수 있다.
또한, 도 6과 연계하여 설명된 바와 같은 사전 혼합된 또는 사전 혼합되지 않은 재생된 연소 가스의 이젝터 추진은 유리하게는 도 4와 연계하여 설명된 바와 같은 저등급 연료의 이젝터 추진과 조합될 수 있다.
따라서, 본 발명은 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니라, 첨부된 청구범위의 범주 내에서 변경될 수도 있다.

Claims (15)

  1. 열풍로 내의 연소 챔버(301; 401; 501; 601) 내에 배열된 연소 구역 내에서 9 MJ/Nm3 또는 그 미만의 저위 발열량(LHV)을 갖는 연료를 연소하고 연소 가스가 유동하게 하여 이에 의해 열풍로 내의 내화 재료(302, 402, 502, 602)를 가열함으로써 고로 열풍로(300, 400, 500, 600)를 가열하기 위한 방법에 있어서,
    연료는 85% 이상의 산소를 포함하는 산화제와 함께 연소되고, 연소 가스는 상기 연소 구역 내로 재순환되게 되어, 이에 의해 연소가 무화염이 되게 하기에 충분하도록 연소 구역 내부의 연료와 산화제의 혼합물을 희석하는 것을 특징으로 하는
    방법.
  2. 제1항에 있어서,
    연소 가스는 상기 연소 챔버(301; 401) 자체 내부이지만 상기 연소 구역에 의해 점유된 연소 챔버의 부분의 외부인 위치로부터 재순환되고, 산화제가 랜스(310, 311, 312)를 통해 고속으로 상기 연소 구역에 공급되고, 이에 의해 연소 가스를 연소 구역 내로 혼입하여 화염의 희석을 성취하는 것을 특징으로 하는
    방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 산화제는 200 m/s 이상의 속도로 랜싱되는 것을 특징으로 하는
    방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 산화제는 음속 이상으로 랜싱되는 것을 특징으로 하는
    방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 랜스의 오리피스(416)는 연료용 공급 입구(413)에 인접하여 배열되어, 이에 의해 이젝터 작용에 의해 연소 구역 내로 이러한 연료를 혼입하는 것을 특징으로 하는
    방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 산화제는 연료용 입구(413)의 하류측에 배열된 연소 챔버(301) 내의 위치에 부가적으로 제공되어, 이에 의해 연소 구역 내의 성층 연소를 성취하는 것을 특징으로 하는
    방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    초기 단계에서 현존하는 공기 버너는 상기 산화제를 주입하는 하나 또는 다수의 고속 산화제 랜스로 보충되는 것을 특징으로 하는
    방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    내화 재료(502, 602)를 통해 유동된 연소 가스는 연소 구역 내로 재차 재순환되게 되는 것을 특징으로 하는
    방법.
  9. 제8항에 있어서,
    재순환된 연소 가스는 연소 구역에 진입하기 전에 상기 산화제와 사전 혼합되는 것을 특징으로 하는
    방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    충분한 연소 가스는 비불활성 연료 성분을 카운팅하지 않고, 상기 연소 챔버(501, 601) 내의 분위기의 불활성 부분의 총 산소 체적 퍼센트가 12% 또는 그 미만이 되도록 재순환되는 것을 특징으로 하는
    방법.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    초기 단계에서 열풍로(500) 내의 현존하는 공기 버너는 연료 입구(516) 및 재순환된 연소 가스용 입구(513)로 교체되고, 연료는 이어서 상기 산화제로 연소되는 것을 특징으로 하는
    방법.
  12. 제11항에 있어서,
    충분한 연소 가스는 현존하는 공기 버너가 재순환 없이 작동될 때 사용되었던 단위 시간당 가스 질량 유동과 적어도 동일한 레벨에서 내화 재료(502, 602)를 통해 단위 시간당 가스 질량 유동을 유지하도록 재순환되는 것을 특징으로 하는
    방법.
  13. 제11항에 있어서,
    충분한 연소 가스는 현존하는 공기 버너가 재순환 없이 작동될 때 사용되었던 화염 온도 및 단위 시간당 열 에너지 처리량 각각과, 동일하거나 낮은 레벨로 화염 온도를 유지하고, 그리고 동일하거나 높은 레벨로 내화 재료(502, 602)로의 열 에너지 전달을 유지하도록 재순환되는 것을 특징으로 하는
    방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    연료는 고로 노정 가스인 것을 특징으로 하는
    방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 고로 노정 가스는 열풍로(300, 400, 500, 600)에 의해 고온 공기가 공급되는 고로로부터 취해지는 것을 특징으로 하는
    방법.
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