KR20130080874A - 로(爐) 상단연소식 열풍로 - Google Patents

로(爐) 상단연소식 열풍로 Download PDF

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KR20130080874A
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코야 이노우에
히로시 시마즈
?지 코야
나오키 쿠니시게
노부히로 오시타
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신닛떼쯔 수미킨 엔지니어링 가부시끼가이샤
엔에스 플랜트 디자이닝 코포레이션
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Abstract

버너 시스템의 연소 효율을 높일 수 있고, 고온의 연소 가스를 축열실의 전체에 공급할 수 있으며, 또한, 버너 덕트 내벽의 내화물이 손상되기 어려운 로(爐) 상단연소식 열풍로를 제공한다. 버너 시스템을 가지는 로 상단연소식 열풍로(10)로, 이 버너 시스템은, 3이상의 다중관로의 각 관로에 연료 가스 또는 연소용 에어가 흐르는 버너(1)과 버너 덕트(2)로 구성되고, 중심관로(1b)와 중앙관로(1c)에는 선회류 생성 수단이 설치되어 연료 가스 또는 연소용 에어의 선회류가 생성되게 하고, 최외관로(1d)에는 연료 가스 또는 연소용 에어의 직진류가 흐르도록 되어 있고, 버너 덕트(2)내에는 직진 성분(HG”)과 선회 성분(HG')을 구비한 연소 가스(HG)가 생성된다. 연소실(3)에는, 적어도 1이상의 버너 시스템에서 연소실(3)에 대하여 상기 연소실(3)의 중심위치를 통과하지 않는 유입 방향으로 연소 가스(HG)가 공급된다.

Description

로(爐) 상단연소식 열풍로{TOP-COMBUSTION HOT-BLAST FURNACE}
본 발명은, 버너 시스템에 특징을 가지는 로(爐) 상단연소식 열풍로에 관한 것이다.
열을 축적한 축열실에 에어를 유통하여 열풍이 발생하게하고, 이를 용광로에 공급하는 축열식 열풍로에는, 원통 외피내에 연소실과 축열실을 병설한 내연식 열풍로나, 연소실과 축열실을 별개의 원통 외피내에 설치하고, 쌍방의 외피 일단에서 양실을 연통시킨 외연식 열풍로 등이 있으나, 이 외연식 열풍로와 동등한 성능을 가지면서 외연식 열풍로보다도 설비비를 저감할 수 있는 축열식 열풍로로, 축열실의 상방에 버너가 통하는 연소실이 설치된 로 상단연소식 열풍로가 특허문헌 1에 개시되어 있다.
여기서, 도 7의 모식도를 참조하여 종래의 로 상단연소식 열풍로의 구성을 설명한다. 도면에 나타낸 바와 같이, 종래의 로 상단연소식 열풍로(F)는 축열실(T)의 상방에 연소실(N)이 배치되고, 소위 연소시에는, 이 연소실(N)에 대하여 버너(B)로부터 공급된(X1 방향) 연료 가스와 연소용 에어의 혼합 가스가 버너 덕트(BD)를 통과하는 과정에서 착화되고, 연소되어 고온의 연소 가스가 되어 연소실(N)에 유입된다. 도 7의 Ⅷ-Ⅷ 화살표 방향에서 본 도면인 도 8에 나타낸 바와 같이, 이 버너 덕트(BD)는 연소실(N)에 대하여 평면에서 보아 복수개소(도 8에서는 4개소)에 설치되어 있고, 고온의 연소 가스는 연소실내에서 크게 선회하면서(X4 방향) 하방으로 유하하고, 연소 가스가 축열실(T)를 유하하는 과정(X2 방향)에서 그 열이 축열실(T)에서 축열되고, 축열실(T)를 통과한 연소 가스는 연도(E)를 개재하여 배기된다. 또한, 버너(B)와 버너 덕트(BD)를 통합하여 본 명세서에서는 버너 시스템이라고 칭한다.
연소실(N)에 대한 버너 덕트(BD)의 구체적인 장착 형태는, 도 8에 나타낸 바와 같이 예를 들면 4기의 버너 덕트(BD)가 연소실(N)에 대하여 평면에서 보아 90도 어긋난 형태로 설치되고, 각 버너 덕트(BD)는 모두, 연소실(N)로의 연소 가스의 유입 방향이 평면에서 보아 원형의 연소실(N)의 중심(O)를 통과하지 않는 편심 위치에서 연소실(N)에 통해 있고, 그 결과, 각 버너 덕트(BD)로부터 연소실(N)내에 유입된 연소 가스는 다른 인접하는 버너 덕트(BD)로부터 연소실(N)내에 유입된 연소 가스와 간섭하여 각각의 연소 가스의 흐름 방향이 전환되고, 연소실(N)내에 커다란 연소 가스의 선회류(X4 방향의 흐름)을 형성하도록 하고 있다.
도 8에 도시한 바와 같이 연소실(N)내에 연소 가스의 큰 선회류가 형성되는 것에 의해, 고온의 연소 가스가 축열실(T) 전체에 공급되므로, 축열실(T) 전체를 이용하여 열풍 생성능이 높은 열풍로가 될 수 있다.
한편, 도시하지 않은 용광로에 열풍을 공급하는 소위 송풍시에는, 버너 덕트(BD)내의 차단 밸브(V)가 폐쇄 제어되어 버너 시스템에 있어서의 연료 가스와 연소용 에어의 공급이 정지되고, 송풍관(S)를 개재하여 예를 들면 150도 정도의 에어를 축열실(T)에 공급하고, 에어가 축열실(T)내를 상승하는 과정에서 예를 들면 1200도정도의 열풍으로 되고, 이 열풍이 열풍관(H)를 개재하여 용광로에 공급되게 된다(X3 방향).
이와 같이, 연소시에는, 연소전의 저온의 연료 가스나 연소용 에어가 혼합된 저온의 혼합 가스가 버너 덕트를 유통하기 때문에 해당 버너 덕트는 냉각되고, 차가워진 상태로 되어 있다. 이에 반하여, 송풍시에는 축열실을 통과하여 상승하는 열풍이 연소실내에 충만하기 때문에 해당 연소실에 연통되어 있는 버너 덕트는 가열된다. 다시 말해, 버너 덕트는 연소시의 냉각과 송풍시의 가열을 번갈아 반복해서 받게 되고, 이 냉각 · 가열의 반복에 의해 예를 들면 버너 덕트의 내벽을 방호하는 내화물(벽돌 등의 세라믹스)이 손상되기 쉬워서, 수명 제한된다고 하는 과제가 있다.
그런데, 버너 시스템의 연소효율을 향상시키는 것은 해당 기술분야에 있어서의 중요한 과제의 하나인데, 이 연소효율향상을 위하여는, 연료 가스와 연소용 에어가 충분히 혼합된 혼합 가스를 얻는 것이 중요하게 된다.
버너 시스템을 구성하는 종래의 버너로서, 도 9(a), 도 9(b)에 도시한 바와 같이 동심에서 3중관 구조의 버너(B)를 들 수 있다. 이 버너(B)는, 중심관로(Ba)에 연소용 에어(A1)을, 그 외주의 중앙관로(Bb)에 연료 가스(G)를, 또 그 외주의 최외관로(Bc)에 별도의 연소용 에어(A2)를 각각 유통시키고(X1 방향), 관로(Ba), (Bb), (Bc)의 각각에 고정되어 있는 선회용 날개(Ra), (Rb), (Rc)에 의해 Y1 방향, Y2 방향, Y3 방향으로 연소용 에어(A1), (A2)와 연료 가스(G)의 선회류를 발생하게 하고, 버너 덕트(BD)내에서 이들 선회류가 혼합하여 이루어진 혼합 가스(MG)를 생성하는 것이다. 또한, 특허문헌 2에는, 다중관로의 최외관로에 선회용 날개를 설치한 구조의 연소 버너가 개시되어 있다.
혼합 가스(MG)가 버너 덕트(BD)내를 선회하면서 유통되는 과정에서 착화하여 연소되고, 연소후의 연소 가스는 연소전과 동일하게 선회하면서 연소실(N)에 유입되게 된다.
그러나, 도 9(a)에 도시한 바와 같이 버너 덕트(BD)내에서 혼합 가스(MG)의 선회류가 생성되고, 이것이 연소되어 이루어지는 연소 가스의 선회류가 연소실(N)내에 유입되었을 때에는, 연소실(N)내에서 한층 더 큰 연소 가스의 선회류(이 선회류는 도 8에 나타내는 평면적인 선회류(X4)가 아니다)가 형성되어 예를 들면 연소실(N) 하방의 축열실(T)측으로 급격하게 떨어져버려, 도 8에 도시한 바와 같이 버너 덕트(BD)에서 직진류(X1 방향)으로 연소실(N)내에 유입되는 연소 가스의 흐름이 형성되기 어렵다.
도 8에 도시한 바와 같은 연소실(N)내에 있어서의 연소 가스의 큰 선회류(X4 방향의 흐름)은, 각 버너 덕트(BD)에서 연소실(N)로 유입되는 연소 가스의 흐름이 어느 정도의 직진 성분으로 유입되는 것으로 연소 가스끼리가 상호 서로 간섭하고, 큰 선회류의 형성으로 연결된다. 따라서, 연료 가스와 연소용 에어를 충분히 혼합하여 혼합 가스를 형성하기 위해, 도 9(a)에 도시한 바와 같은 혼합 가스의 큰 선회류, 나아가서는 그 연소후의 연소 가스의 선회류를 버너 덕트(BD)내에 형성하는 것만으로는, 연소 가스가 충분한 직진 성분을 가지지 않으므로, 연소실(N)내에서 축열실(T)의 전 영역에 고온의 연소 가스를 공급하기 위한 큰 선회류(X4 방향의 흐름)을 형성할 수 없다.
이로부터, 연료 가스와 연소용 에어가 충분히 혼합된 혼합 가스를 버너 시스템내에서 생성하는 것, 버너 덕트내에서 혼합 가스가 연소되어 생긴 연소 가스에 충분한 직진 성분을 가지게 하여 연소실내에 유입시키고, 연소실내에서 큰 선회류를 형성하여 고온연소가스를 축열실 전체에 공급하는 것, 나아가서는, 버너 덕트 내벽의 내화물이 받는 냉각 · 가열의 반복에 의해 버너 덕트 내벽의 내화물이 손상되기 쉽다고 하는 과제를 해소하는 것 등, 상기 과제를 해소할 수 있는 기술개발이 요망되고 있다.
특허문헌1 : 일본국 특허공개소화 48-4284호 공보 특허문헌2 : 일본국 특허 제3793466호 공보
본 발명은 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 연료 가스와 연소용 에어가 충분히 혼합된 혼합 가스를 버너 시스템내에서 생성하는 것, 버너 덕트내에서 혼합 가스가 연소되어 생긴 연소 가스에 충분한 직진 성분을 가지게 하여 연소실내에 유입시키고, 연소실내에서 큰 선회류를 형성하여 고온연소가스를 축열실 전체에 공급하는 것, 나아가서는, 버너 덕트의 연소실측의 영역이 받는 냉각 · 가열의 반복에 의해 버너 덕트 내벽의 내화물이 손상되기 쉽다고 하는 과제를 해소하는 것 등, 상기 모든 과제를 해소할 수 있는 로 상단연소식 열풍로를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 의한 로 상단연소식 열풍로는, 열풍용 에어가 공급되는 송풍관을 구비한 축열실과, 용광로에 열풍을 공급하는 열풍관과 버너 시스템을 구비하여 축열실의 상부에 배치된 연소실로 구성되고, 버너 시스템에서 연소실에 공급된 연료 가스와 연소용 에어의 혼합 가스의 연소에 의해 축열실이 승온되고, 열풍용 에어가 축열실을 통과하는 과정에서 생성된 열풍을 열풍관을 개재하여 용광로에 공급하는 로 상단연소식 열풍로로, 상기 버너 시스템은, 직경이 상이한 3이상의 다중관로이며 각각의 관로가 연료 가스 또는 연소용 에어가 흐르는 버너와, 버너와 연통되는 버너 덕트로 구성되고, 버너 덕트는 연소실에 연통해 있고, 상기 다중관로를 구성하는 각각의 관로 중, 최외관로 이외의 관로에는 선회류 생성 수단이 설치되어 그 내부를 흐르는 연료 가스 또는 연소용 에어의 선회류를 발생하게 하고, 상기 최외관로에는 연료 가스 또는 연소용 에어의 직진류가 흐르도록 되어 있고, 버너 덕트내에 유입된 연료 가스와 연소용 에어의 선회류에 의해 혼합 가스의 선회류가 생성되게 되고, 상기 혼합 가스의 선회류와 연료 가스 또는 연소용 에어의 직진류가 버너 덕트내를 흐르는 과정에서 연소하여 직진 성분과 선회 성분을 구비한 연소 가스가 생성되도록 되어 있고, 상기 연소실에는, 적어도 1이상의 상기 버너 시스템에서 상기 연소실에 대하여 상기 연소실의 중심위치를 통과하지 않는 유입 방향으로 연소 가스가 공급되는 것이다.
본 발명의 로 상단연소식 열풍로는, 그 구성 요소인 버너 시스템을 구성하는 버너를 개량하여, 직경이 상이한 3이상의 다중관로로 이루어지는 버너 중, 최외관로 이외의 관로에는 선회류 생성 수단을 설치하여 연료 가스 또는 연소용 에어의 선회류를 생성하게 하고, 이들 선회류가 버너 덕트내에서 혼합되는 것으로 충분히 혼합된 혼합 가스를 생성할 수 있고, 또한, 버너의 최외관로에는 연료 가스 또는 연소용 에어를 선회시키는 일 없이 직진시키도록 흐르게 하고, 이것이 그대로 버너 덕트내에 유입되는 것으로, 혼합 가스의 선회류와 연료 가스 또는 연소용 에어의 직진류를 버너 덕트에 유통시키도록 한 것이다.
버너가 예를 들면 동심의 3중 관로로 이루어지는 구조형태의 경우로서, 중심관로에 연소용 에어가 흐르고, 중앙관로에 연료 가스가 흐르고, 최외관로에 별도의 연소용 에어가 흐르는 경우를 들면, 중앙의 2개의 관로에서는 연료 가스와 연소용 에어가 모두 선회류 생성 수단에 의해 선회류가 생성되게 되어 이들이 버너 덕트내에서 혼합된다. 그리고, 이 혼합 가스는, 그 주위에서 선회하는 일 없이 직진하는 별도의 연소용 에어와 함께 버너 덕트내를 흐르게 된다. 다시 말해, 버너 덕트내에는 연소용 에어에 의한 직진 성분과 혼합 가스에 의한 선회 성분이 혼성된 가스 흐름이 형성되고, 이것이 버너 덕트의 연소실측 근방의 영역에서 착화하여 연소되고, 연소후의 연소 가스도 연소전의 가스 흐름과 동일하게 직진 성분과 선회 성분을 가지는 연소 가스가 되어 연소실에 유입되게 된다.
이 연소 가스의 중심의 2개 관로의 선회류 생성 수단에 의해 생성된 선회 성분에 의해, 버너 덕트의 중심부에 부압 영역이 형성된다. 부압 영역이 형성되는 것으로 여기에 연소실내의 고온분위기가 받아들여지고, 받아들여진 고온분위기가 버너 덕트의 내벽에 복사됨으로써 연소시에 냉각 되기 쉬운 버너 덕트의 내벽을 따뜻하게 할 수 있다.
연소시에 버너 덕트의 연소실측 영역의 내벽을 따뜻하게 할 수 있으므로, 연소시와 송풍시의 내벽의 온도차가 현저하게 적어지게 되고, 냉각 · 가열의 반복에 의한 버너 덕트 내벽의 내화물의 손상을 효과적으로 억제할 수 있다.
한편, 연소 가스의 직진 성분에 의해 연소 가스에 충분한 직진성을 갖게 하여 이를 연소실내에 유입시킬 수 있고, 이 직진 성분에 의해 연소실에 유입된 연소 가스가 다른 버너 시스템에서 연소실에 유입된 연소 가스와 서로 간섭하여, 또는 연소실에 유입된 후에 대향하는 연소실의 내벽에 부딪쳐서 흐름 방향이 전환되는 것으로, 연소실내에는 평면에서 보아 연소 가스의 큰 선회류가 형성되기 쉬워지고, 따라서 고온의 연소 가스를 축열실의 전 영역에 공급할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 로 상단연소식 열풍로는, 그 구성 요소인 버너 시스템을 구성하는 버너를 개량하여, 버너 덕트내에서 혼합 가스의 선회류와 연료 가스 또는 연소용 에어의 직진류를 생성하게 하고, 이들 버너 덕트내에서 연소시키는 것으로 직진 성분과 선회 성분을 가진 연소 가스를 생성하도록 한 것, 즉, 연소 가스의 흐름 성분을 적정화함으로써, 연료 가스와 연소용 에어가 충분히 혼합된 혼합 가스를 버너 시스템내에서 생성할 수 있고, 버너 시스템의 연소 효율을 높일 수 있다. 또, 연소실내에서 연소 가스의 큰 선회류를 형성하여 이를 축열실 전체에 공급할 수 있고, 열풍 생성능에 우수한 열풍로를 형성할 수 있다. 또한, 버너 덕트 내벽의 연소시와 송풍시의 온도차를 적게 함으로써, 버너 덕트 내벽의 내화물의 내구성을 높일 수 있다.
여기에서, 상기 선회류 생성 수단으로, 이하에 나타내는 2가지 실시예를 들 수 있다.
그 일 실시예는, 최외관로 이외의 각각의 관로내에 선회용 날개를 설치하는 것이다.
예를 들면, 버너가 동심의 3중 관로로 구성되는 경우에는, 중앙 2개의 관로내에서 각각에 고유의 선회용 날개가 설치되고, 동심의 5중관로로 구성되는 경우에는, 중앙 4개의 관로내에서 각각에 고유의 선회용 날개가 설치된다. 어느 형태이든, 최외관로에는 선회용 날개를 설치하지 않고, 연료 가스 또는 연소용 에어를 직진시키도록 흐르게 하여 버너 덕트에 유입시키도록 한다.
한편, 선회류 생성 수단의 다른 실시예는, 버너를 구성하는 다중관로마다 생성 수단을 다르게 하는 것으로, 최소 직경의 중심관로에는 선회용 날개를 설치하고, 최외관로 및 중심관로 이외의 관로에는 그 축심에 대하여 편심된 위치에서, 또는 경사진 방향에서 연료 가스 또는 연소용 에어를 공급하는 것이다.
중앙에 위치하는 중심관로가 선회용 날개를 가지는 것은 이미 설명한 실시예와 동일하나, 최외관로를 제외하는 그 이외의 관로에 적용되는 선회류 생성 수단의 형태로, 관로에의 연료 가스 또는 연소용 에어의 공급 방향으로 조정을 가하고, 관로 축심에 대하여 편심된 위치에서, 또는 경사 방향으로 연료 가스 또는 연소용 에어를 공급하는 것으로 그것보다도 소직경 관로의 주위에 선회류 (또는 나선류)를 형성할 수 있다.
예를 들면 버너가 동심의 3중 관로로 구성되는 경우에는, 중간에 위치하는 관로에 대해서 가스를 축심에 대하여 편심된 위치에서 공급함으로써, 중심관로의 주위에서 선회류가 형성되고, 이것이 버너 덕트내에 유입되게 된다.
또, 연소실에 대한 버너 시스템의 장착 형태로서는, 3개의 상기 버너 시스템이 연소실에 대하여 120도 간격으로 배치되고, 각각의 버너 시스템에서 상기 연소실로 이 연소실의 중심위치를 통과하지 않는 유입 방향으로 연소 가스가 공급되는 형태가 바람직하고, 또한, 4개의 상기 버너 시스템이 연소실에 대하여 90도 간격으로 배치되고, 각각의 버너 시스템에서 상기 연소실로 이 연소실의 중심위치를 통과하지 않는 유입 방향으로 연소 가스가 공급되는 형태가 바람직하다.
연소실에 대한 버너 시스템의 장착 형태는, 예를 들면 1개의 버너 시스템만이라도, 이것이 연소실의 중심위치를 통과하지 않는 유입 방향으로 연소 가스를 공급하도록 배치되어 있으면, 연소실내에서 선회류를 생성시킬 수 있다. 그러나, 이 경우는, 1개의 버너 시스템에서 연소실내에 유입된 연소 가스가 연소실의 대향 내벽에 부딪쳐서 방향전환되어, 연소실의 내벽을 따르도록 흐르면서 선회류를 형성하게 된다.
이에 비하여, 3개의 버너 시스템이 연소실에 대하여 120도 간격으로 배치되는 경우나, 4개의 버너 시스템이 연소실에 대하여 90도 간격으로 배치되는 경우는, 1개의 버너 시스템에서 연소실에 유입된 연소 가스는 다른 버너 시스템에서의 연소 가스와 간섭하기 쉬워지고, 이 상호간섭에 의해 연소실내에 평면에서 보아 큰 선회류를 원활하게 형성할 수 있다.
이상의 설명으로부터 이해할 수 있듯이, 본 발명의 로 상단연소식 열풍로에 의하면, 버너 덕트내에서 혼합 가스의 선회류와 연료 가스 또는 연소용 에어의 직진류를 생성하게 하고, 이들을 버너 덕트내에서 연소시키는 것으로 직진 성분과 선회 성분을 가진 연소 가스를 생성하도록 한 것에 의해, 연료 가스와 연소용 에어가 충분히 혼합된 혼합 가스를 버너 시스템내에서 생성할 수 있으며, 버너 시스템에 있어서의 연소 효율을 높일 수 있다. 또, 버너 덕트에서 연소실로 충분한 직진 성분을 가진 연소 가스를 유입시킬 수 있으므로, 연소실내에서 연소 가스의 큰 선회류를 형성하여 이를 축열실의 전체에 공급할 수 있고, 열풍 생성능에 우수한 로 상단연소식 열풍로가 된다. 또한, 버너 덕트내에 있어서의 연소 가스의 선회 성분에 의해 부압 영역을 형성하고, 연소실내의 고온분위기를 여기에 취입하여 그 복사열을 버너 덕트 내벽에 공급함으로써, 연소시와 송풍시의 버너 덕트 내벽의 온도차를 적게 하고, 여기에서의 냉각 · 가열의 반복 사이클을 해소 또는 완화하여 상기 내벽에 배치된 내화물의 내구성을 높일 수 있다.
도 1은, 본 발명의 로 상단연소식 열풍로의 일 실시예를 나타낸 모식도로서, 혼합 가스, 연소 가스, 열풍용 에어 및 열풍의 각 흐름을 함께 나타낸 도면이다.
도 2는, 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 화살표 방향에서 본 도면이다.
도 3은, (a), (b) 모두, 도 1의 Ⅲ-Ⅲ 화살표 방향에서 본 도면으로, 연소실내에 있어서의 연소 가스의 흐름을 함께 나타낸 도면으로, 연소실에 대한 버너 시스템의 장착 형태를 나타낸 도면이다.
도 4는, (a), (b) 모두, 도 3(a), (b)와 마찬가지로, 도 1의 Ⅲ-Ⅲ 화살표 방향에서 본 도면으로, 연소실내에 있어서의 연소 가스의 흐름을 함께 나타낸 도면이고, 연소실에 대한 버너 시스템의 장착 형태를 나타낸 도면이다.
도 5는, 버너 시스템의 일 실시예의 종단면도로, 직진 성분과 선회 성분을 구비한 연소 가스와, 이 연소 가스에 의해 부압 영역이 형성되는 것을 설명한 도면이다.
도 6(a)는 버너 시스템을 구성하는 버너의 다른 실시예의 종단면도이며, 도 6(b)는 도 6(a)의 b-b 화살표 방향에서 본 도면이다.
도 7은, 종래의 로 상단연소식 열풍로의 일 실시예를 나타낸 모식도로, 혼합 가스, 연소 가스, 열풍용 에어 및 열풍의 각 흐름을 함께 나타낸 도면이다.
도 8은, 도 7의 Ⅷ-Ⅷ 화살표 방향에서 본 도면으로, 연소실내에 있어서의 연소 가스의 흐름을 함께 나타낸 도면이다.
도 9는, 종래의 버너 시스템의 일 실시예의 종단면도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 로 상단연소식 열풍로의 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 로 상단연소식 열풍로의 일 실시예를 나타낸 모식도로, 혼합 가스, 연소 가스, 열풍용 에어 및 열풍의 각 흐름을 함께 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 화살표 방향에서 본 도면이고, 도 3(a), 도 3(b), 및 도 4(a), 도 4(b) 모두, 도 1의 Ⅲ-Ⅲ 화살표 방향에서 본 도면으로, 연소실내에 있어서의 연소 가스의 흐름을 함께 나타낸 것으로, 연소실에 대한 버너 시스템의 부착 형태를 나타낸 도면이다. 또한, 도 5는 버너 시스템의 일 실시예의 종단면도이다.
도 1에서 나타내는 로 상단연소식 열풍로(10)은, 그 전체가 평면에서 보아 원형 또는 거의 원형(타원형 등)으로 구성되고, 축열실(4)의 상방에 연소실(3)이 배치된 것으로, 이 연소실(3)에는 버너(1)로부터 공급된(X1 방향) 연료 가스와 연소용 에어의 혼합 가스가 버너 덕트(2)를 통과하는 과정에서 착화되고, 연소되어 고온의 연소 가스가 되어 연소실(3)에 유입되게 되어 있다. 또한, 버너(1)과 버너 덕트(2)로 버너 시스템이 구성된다. 또한, 엄밀하게 말하면, 버너 덕트(2)로부터 연소실(3)로 유입되는 것은 연소 가스 이외에도, 미연의 혼합 가스나 연료 가스등도 존재하나, 본 명세서에서는, 주로 연소실(3)에 유입되는 가스 성분인 연소 가스를 거론하여 설명하고 있다.
도 3(a)에 나타낸 바와 같이, 버너 덕트(2)는 연소실(3)에 대하여 평면에서 보아 4개소 설치되어 있고, 각각이 90도마다 어긋난 위치에 배치된 것으로, 각 버너 덕트(2)는 모두, 연소실(3)에의 연소 가스의 유입 방향이 평면에서 보아 원형의 연소실(3)의 중심(O)를 통과하지 않는 편심 위치에서 연소실(3)에 통하고 있다. 이로 인해, 각 버너 덕트(2)로부터 연소실(3)내에 유입된 연소 가스는 다른 인접하는 버너 덕트(2)에서 연소실(3)내에 유입된 연소 가스와 간섭하여 각각의 연소 가스의 흐름 방향이 전환되어, 연소실(3)내에는 도시한 바와 같은 큰 연소 가스의 선회류(X4 방향의 흐름)이 형성되게 된다.
또한, 연소실(3)에 대한 버너 덕트(2)의 장착 형태는 이것 이외에도, 도 3(b)에 나타낸 바와 같이, 3개의 버너 시스템이 연소실(3)에 대해서 120도 간격으로 배치된 형태, 도 4(a)에 나타낸 바와 같이, 1개의 버너 시스템이 연소실(3)에 장착된 형태, 도 4(b)에 나타낸 바와 같이, 2개의 버너 시스템이 90도 어긋난 위치에서 연소실(3)에 장착된 형태 등이어도 되고, 어느 형태든, 버너 덕트(2)는, 연소실(3)에의 혼합 가스의 유입 방향이 평면에서 보아 원형의 연소실(3)의 중심(O)를 통과하지 않는 편심 위치에서 연소실(3)에 통하고 있다.
이 연소 가스는, 도 3, 도 4에 도시한 바와 같이 평면에서 보아 크게 선회하면서, 종단면적으로는 도 1의 X2 방향으로 강하하는 나선류를 형성하면서 축열실(4) 전체로 유하하고, 이 유하 과정에서 그 열이 축열실(4)로 축열되고, 축열실(4)를 통과한 연소 가스는 차단 밸브(7a)가 개방 제어된 연도관(7)을 개재하여 배기된다. 이와 같이 버너 시스템에 있어서의 혼합 가스의 연소와, 고온의 연소 가스를 축열실(4)에 공급하여 축열실(4)을 승온시키는 조업을 「연소시」라고 칭할 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이 버너(1)은 동심에서 3공식의 다중관로로, 도 5에 나타낸 바와 같이, 버너 덕트(2)에 버너(1)이 그 단면(1a)에서 연통자세로 연결되고, 그 중심관로(1b)에는 연소용 에어(A1)이 흐르고, 중앙관로(1c)에는 연료 가스(G)가 흐르고, 최외관로(1d)에는 별도의 연소용 에어(A2)가 흐르도록 되어 있다.
또한, 최외관로(1d) 이외의 중심관로(1b)와 중앙관로(1c)에는, 각각에 고정된 선회용 날개(8b), (8c)가 관로내에 설치되어 있다.
중앙의 2개의 관로(1b), (1c)에서는, 연소용 에어(A1)과 연료 가스(G)가 각각, 선회용 날개(8b), (8c)에 의해(Y1 방향, Y2 방향) 각각의 선회류(X1')가 생성되고, 이들 선회류(X1')가 버너 덕트(2)내에서 혼합되어 혼합 가스(MG)의 선회류가 생성되게 된다. 그리고, 이 혼합 가스(MG)는, 그 주위에서 선회하는 일 없이 직진하는 별도의 연소용 에어(A2)와 함께 버너 덕트(2)내를 흐르게 된다.
다시 말해, 버너 덕트(2)내에는, 연소용 에어(A2)에 의한 직진 성분과 혼합 가스(MG)에 의한 선회 성분이 혼성된 가스 흐름이 생성되게 되고, 이것이 버너 덕트(2)의 연소실측 근방의 영역에서 착화하여 연소되고, 연소전의 가스 흐름과 동일하게 직진 성분(HG”)과 선회 성분(HG')을 가지는 연소 가스(HG)가 생성되어 이것이 연소실(3)에 유입되게 된다.
이 연소 가스(HG)의 선회 성분(HG')에 의해, 버너 덕트(2)의 연소실(3)측의 영역에는 부압 영역(NP)가 형성된다. 부압 영역(NP)가 형성되는 것으로 여기에 연소실(3)내의 고온분위기가 받아들여지고(Z1 방향), 받아들여진 고온분위기가 버너 덕트(2)의 내벽에 복사됨으로써(Z2 방향), 연소시에 냉각되기 쉬운 버너 덕트(2)의 연소실측 영역의 내벽을 따뜻하게 할 수 있다.
연소시에 버너 덕트(2)의 내벽을 따뜻하게 할 수 있으므로, 연소시와 송풍시의 내벽의 온도차가 현저하게 적어지게 되고, 냉각 · 가열의 반복에 의한 버너 덕트 내벽의 내화물의 손상을 효과적으로 억제할 수 있다.
또, 연소 가스(HG)의 직진 성분(HG”)에 의해 연소 가스(HG)에 충분한 직진성을 갖게 하여 이를 연소실(3)내에 유입시킬 수 있고, 이 직진 성분으로 연소실(3)에 유입된 연소 가스(HG)가 다른 버너 시스템에서 연소실(3)에 유입된 연소 가스와 서로 간섭하여(도 3(a), 도 3(b)의 경우), 또는 연소실(3)에 유입된 후에 대향하는 연소실(3)의 내벽에 부딪쳐서 흐름 방향이 전환되는 것으로(도 4(a), 도 4(b)의 경우), 연소실(3)내에는 평면에서 보아 연소 가스(HG)의 큰 선회류(X4)가 형성되기 쉬워지므로, 고온의 연소 가스(HG)를 축열실(4)의 전 영역에 공급하는 것이 가능해진다.
도 6(a)에는, 버너 시스템을 구성하는 버너의 다른 실시예를 나타내고 있다. 이 버너(1A)도 동심의 3중 관로로 구성되는 것이지만, 중심관로(1b)에는 선회용 날개(8b)가 설치되고, 도 6(b)에 나타낸 바와 같이, 중앙관로(1c)에서는 연료 가스(G)의 상기 관로내에의 공급 방향을 관로 축심에 대하여 편심된 위치에서 공급시키도록 한 것이며, 중앙관로(1c)내에 연료 가스(G)가 편심된 위치에서, 또는 경사 방향으로 공급되는 것으로 그 내측의 중심관로(1b)의 주변에 선회류(X1”) (또는 나선류)를 형성할 수 있다.
또한 도 1에 있어서, 도시하지 않은 용광로에 열풍을 공급할 때에는, 버너 덕트(2)내의 차단 밸브(2a), 연도관(7)내의 연도 밸브(7a)를 폐쇄 제어하고, 차단 밸브(6a)가 개방 제어된 송풍관(6)을 개재하여 예를 들면 150도정도의 고온 에어를 축열실(4)에 공급하고, 고온 에어가 축열실(4)내를 상승하는 과정에서 예를 들면 1200도정도의 열풍으로 되고, 이 열풍이 차단 밸브(5a)가 개방 제어된 열풍관(5)을 개재하여 용광로에 공급되게 된다(X3 방향). 이와 같이 열풍로내에서 열풍을 생성하여 이를 용광로에 공급하는 조업을 「송풍시」라 칭할 수 있다.
도시한 로 상단연소식 열풍로(10)에 의하면, 버너 덕트(2)내에서 혼합 가스(MG)의 선회류와 연료 가스 또는 연소용 에어의 직진류를 생기게 하고, 이들을 버너 덕트(2)내에서 연소시키는 것으로 직진 성분(HG”)과 선회 성분(HG')을 가진 연소 가스(HG)를 생성하도록 함으로써, 연료 가스와 연소용 에어가 충분히 혼합된 혼합 가스(MG)를 버너 시스템내에서 생성할 수 있고, 버너 시스템에 있어서의 연소 효율을 높일 수 있다. 또, 버너 덕트(2)에서 연소실(3)로 충분한 직진 성분을 가진 연소 가스(HG)를 유입시킬 수 있으므로, 연소실(3)내에서 연소 가스(HG)의 큰 선회류를 형성하여 이를 축열실(4)의 전체에 공급할 수 있고, 열풍 생성능에 우수한 로 상단연소식 열풍로가 된다. 또한, 버너 덕트(2)내에 있어서의 연소 가스(HG)의 선회 성분(HG')에 의해 부압 영역(NP)를 형성하고, 연소실(3)내의 고온 분위기를 여기에 취입하여 그 복사열을 버너 덕트 내벽에 공급함으로써, 연소시와 송풍시의 버너 덕트 내벽의 온도차를 적게 하고, 여기에서의 냉각 · 가열의 반복 사이클을 해소 또는 완화하여 상기 내벽에 배치된 내화물의 내구성을 높일 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예를 도면을 이용하여 설명했으나, 구체적인 구성은 이 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서의 설계변경 등이 있더라도, 이는 본 발명에 포함되는 것이다.
1, 1A : 버너 1b : 중심관로
1c : 중앙관로 1d : 최외관로
1a : 버너 출구 2 : 버너 덕트
2a : 차단 밸브 3 : 연소실
4 : 축열실 5 : 열풍관
6 : 송풍관 7 : 연도관
8b, 8c : 선회용 날개 10 : 로 상단연소식 열풍로
G : 연료 가스 A1, A2 : 연소용 에어
MG : 혼합 가스 HG : 연소 가스
HG' : 연소 가스의 선회 성분 HG” : 연소 가스의 직진 성분

Claims (5)

  1. 열풍용 에어가 공급되는 송풍관을 구비한 축열실과, 용광로에 열풍을 공급하는 열풍관과 버너 시스템을 구비하여 축열실의 상부에 배치된 연소실로 구성되고, 버너 시스템에서 연소실로 공급된 연료 가스와 연소용 에어의 혼합 가스의 연소에 의해 축열실이 승온되고, 열풍용 에어가 축열실을 통과하는 과정에서 생성된 열풍을 열풍관을 개재하여 용광로에 공급하는 로(爐) 상단연소식 열풍로로,
    상기 버너 시스템은, 직경이 상이한 3이상의 다중관로로, 각각의 관로가 연료 가스 또는 연소용 에어가 흐르는 버너와, 버너와 연통되는 버너 덕트로 구성되고, 버너 덕트는 연소실에 연통되어 있고,
    상기 다중관로를 구성하는 각각의 관로 중, 최외관로 이외의 관로에는 선회류 생성 수단이 설치되어 그 내부를 흐르는 연료 가스 또는 연소용 에어의 선회류를 발생시키고, 상기 최외관로에는 연료 가스 또는 연소용 에어의 직진류가 흐르도록 되어 있으며,
    버너 덕트내에 유입된 연료 가스와 연소용 에어의 선회류에 의해 혼합 가스의 선회류가 생성되게 되고, 상기 혼합 가스의 선회류와 상기 최외관로의 연료 가스 또는 연소용 에어의 직진류가 버너 덕트내를 흐르는 과정에서 연소되어 직진 성분과 선회 성분을 구비한 연소 가스가 생성되도록 되어 있고,
    상기 연소실에는, 적어도 1이상의 상기 버너 시스템에서 상기 연소실에 대하여 상기 연소실의 중심위치를 통과하지 않는 유입 방향으로 연소 가스가 공급되는 로(爐) 상단연소식 열풍로.
  2. 제 1항에 기재된 로 상단연소식 열풍로에 있어서,
    상기 선회류 생성 수단은, 최외관로 이외의 각각의 관로내에 설치된 선회용 날개인 로 상단연소식 열풍로.
  3. 제 1항에 기재된 로 상단연소식 열풍로에 있어서,
    상기 선회류 생성 수단은 관로마다 달라져있고,
    최소 직경의 중심관로에 있어서의 선회류 생성 수단은 상기 관로내에 설치된 선회용 날개이며,
    최외관로 및 중심관로 이외의 관로에 있어서의 선회류 생성 수단은, 그 축심에 대하여 편심된 위치에서, 또는 경사진 방향에서 연료 가스 또는 연소용 에어를 공급하는 것인 로 상단연소식 열풍로.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 기재된 로 상단연소식 열풍로에 있어서,
    3개의 상기 버너 시스템이 연소실에 대하여 120도 간격으로 배치되고, 각각의 버너 시스템에서 상기 연소실에 대하여 상기 연소실의 중심위치를 통과하지 않는 유입 방향으로 연소 가스가 공급되는 로 상단연소식 열풍로.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 기재된 로 상단연소식 열풍로에 있어서,
    4개의 상기 버너 시스템이 연소실에 대하여 90도 간격으로 배치되고, 각각의 버너 시스템에서 상기 연소실에 대하여 상기 연소실의 중심위치를 통과하지 않는 유입 방향으로 연소 가스가 공급되는 로 상단연소식 열풍로.
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