KR20230090630A

KR20230090630A - 열손실 저감 및 부식 저감 효과가 우수한 로 벽체

Info

Publication number: KR20230090630A
Application number: KR1020210179559A
Authority: KR
Inventors: 김영일; 이창규
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2021-12-15
Filing date: 2021-12-15
Publication date: 2023-06-22
Also published as: WO2023113481A1

Abstract

본 발명의 일 실시형태는 로의 내측으로부터 외측 방향으로 순차적으로, 내화벽돌; 단열벽돌; 단열모듈; 및 철피;를 포함하는 로 벽체로서, 상기 단열모듈 내부에는 강재가 구비되고, 상기 강재는, 상기 로 내부로부터 배출되는 배가스의 이슬점 온도(Tp) 이상 200℃ 이하의 범위에 있는 상기 단열모듈 영역에 위치하는 것을 특징으로 하는 열손실 저감 및 부식 저감 효과가 우수한 로 벽체를 제공한다.

Description

열손실 저감 및 부식 저감 효과가 우수한 로 벽체{FURNACE WALL HAVING EXCELLENT HEAT LOSS REDUCTION EFFECT AND CORROSION REDUCTION EFFECT}

본 발명은 열손실 저감 및 부식 저감 효과가 우수한 로 벽체에 관한 것이다.

도 1은 일반적인 로 벽체에 대한 모식도이며, 도 2는 열손실량(q_w,loss)을 산출하기 위한 열전도 지배 방정식이다. 예를 들어, 도 1과 같은 다층의 구성을 갖는 로 벽체를 통한 열손실은 도 2에 도시된 열전도 지배 방정식의 해석을 통하여 열손실량(q_w,loss)을 산출할 수 있으며, 일반적으로는 정상상태(steady state)를 기준으로 설계한다. 이 때, 일반적으로 내측(Inside of Furnace) 온도(T_W,in)는 결정되어 있으므로, 외측(Outside of Furnace) 온도(T_W,out)에 따라 열손실량을 계산할 수 있다.

로 벽체의 열손실은 외벽방사율, 내화물의 열전도도, 벽체두께, 로 운전방식(연속, 배치) 등에 의해서 결정된다. 즉, 벽체가 두꺼워지면 외측 온도가 낮아져 당연히 손실열은 낮아진다. 다만, 열손실을 줄이기 위하여 벽체를 두껍게 하더라도 부식 저감 측면에서 배가스의 구성 조건을 살펴볼 필요가 있다. 많은 문헌이나 노체 설계자들이 벽체의 두께의 결정은 경제성 때문이라거나 단순히 외벽온도(To, old)가 약 70℃라고 알고 있기 때문에 이루어지는 경우가 많은데 이는 잘못된 지식이다. 실제로 로 벽체의 두께를 결정하는 것은 부식문제에서 기인하는 것으로서, 이는 석탄기반 연료의 연소 배가스로 인해 발생하는 수분이 로 벽체의 외측 철피(Steel)의 부식에 관여하기 때문이다. 일례로, LNG 가스의 경우, 이론 공연비로 연소할 때 약 19%의 수증기가 발생하기 때문에, 로 내(Hot side)가 거의 대기압과 같다고 가정할 때 상기 농도의 수증기가 응축되어 물이 되는 온도는 60℃ 이하이고, 이 때, 상기 증기와 물이 평형 상태를 만들게 되어 부식을 유발한다. 특히, S 성분이 포함된 연료(LNG(liquefied natural gas), COG(coke oven gas) 등)는 부식을 가속시킨다. 이러한 부식을 회피하기 위해서는, 외벽온도 특히, 로 내에서 온도가 가장 낮아지는 철피가 60℃ 이상이 되도록 유지하는 것이며, 이 경우에는 수분이 발생하더라도 증기상태를 유지하여 부식이 억제된다. 이러한 문제 때문에 로의 벽체를 너무 두껍게 설계할 수 없고, 이는 모든 연소 배가스를 다루는 분야의 내화물 설계에서도 마찬가지로 적용된다.

한편, BFG(blast furnace gas)를 연료로 이용하는 경우에는, 발생하는 수분이 2.3% 수준이므로 외벽온도(To, old)를 상온 수준으로 유지하여도 응축현상이 발생하지 않기 때문에, 로의 벽체를 두껍게 설계하여 열손실을 최소화할 수 있다. 그러나, 수소를 연료로 하고, NOx 발생을 최소화하기 위해 순산소로 연소한다면 연소 배가스가 100% 수분으로 이루어지게 되며, 이로 인해 외벽온도를 100℃ 이상이 되도록 설계해야 하는 문제가 발생한다. 즉, 현재 사용하는 모든 가열로는 수소를 연소하는 설비로는 재이용이 불가능하며 별도로 새롭게 설계/제작해야 한다.

도 3은 종래의 로 벽체에 대한 모식도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 종래의 로 벽체(1)는 로의 내측으로부터 외측 방향으로 순차적으로, 내화벽돌(2), 단열벽돌(3), 단열모듈(4) 및 철피(5)로 구성되는 구조를 가진다. 추가로 세라믹 코팅층(6)이나 백업울(back-up wool)층(7)을 더 포함할 수도 있다. 일반적으로 열전도도는 단열벽돌이 내화벽돌 보다 낮으므로, 종래에는 이들을 적절히 구성시켜 열 손실을 줄이고자 하였다. 보다 구체적으로는, 외벽온도(To, old)가 로 내부로부터 배출되는 연소 배가스의 응축온도(이슬점) 보다 약간 높게 유지되도록 내화벽돌, 단열벽돌, 단열모듈의 각각의 두께(t1, t2, t3)을 설계하는 방식이다.

게다가 최근에는 낮은 열 용량(thermal mass)을 갖는 세라믹 파이버(모듈)를 이용하는 내화물들이 적극적으로 확대되고 있는데, 이는 자체 비열이 낮아 빠른 온도 응답특성을 가지므로 급속 가열 및 냉각이 가능해 배치(batch) 운전방식에서는 최적의 선택이라 할 수 있다. 연속 운전방식에서는 세라믹 파이버(모듈)의 경우 표면이 고온에서 손실되어 열손실 증가 및 탈락 세라믹에 의한 제품 오염문제가 발생할 수 있으므로, 벽체 내부는 벽돌로 구성하고 표면만을 세라믹 코팅 처리하여 방사율을 높이는 방식으로 접근하고 주기적으로 코팅을 보수하는 방법이 이용되고 있다.

그러나, 전술한 방법들을 이용하여 로 벽체를 설계하더라도 외벽온도와 로 외부의 공기온도와의 차이로 인해 로 벽체에는 수분이 발생하게 되고, 이로 인해 로 벽체에 부식이 발생한게 된다는 문제가 있다.

본 발명의 일측면은 열손실 저감 및 부식 저감 효과가 우수한 로 벽체를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일측면에 따르면, 열손실 저감 및 부식 저감 효과가 우수한 로 벽체를 제공할 수 있다.

도 1은 일반적인 로 벽체에 대한 모식도이다.
도 2는 열손실량(q_w,loss)을 산출하기 위한 열전도 지배 방정식이다.
도 3은 종래의 로 벽체에 대한 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 로 벽체의 모식도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 로 벽체의 모식도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 로 벽체의 모식도이다. 이하, 도 4를 참조하여 본 발명을 설명한다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 로 벽체(10)는 종래의 로 벽체와 유사하게 로의 내측으로부터 외측 방향으로 순차적으로, 내화벽돌(20); 단열벽돌(30); 단열모듈(40); 및 철피(50);를 포함한다. 또한, 세라믹 코팅층(60) 및 백업울(back-up wool)층(70) 중 하나 이상을 더 포함할 수도 있다.

본 발명에서는 상기 내화벽돌(20), 단열벽돌(30), 단열모듈(40) 및 철피(50)의 종류나 두께에 대해서 특별히 한정하지 않으며, 통상의 기술자라면, 상기 내화벽돌(20), 단열벽돌(30), 단열모듈(40) 및 철피(50)의 열전도도 등을 고려하여 각 구성요소의 두께를 적절히 선택할 수 있고, 이를 통해, 상기 철피(50) 즉, 외벽온도(To,new)가 가능한 낮게 유지되도록 함으로써 로의 열손실을 저감시킬 수 있다.

다만, 앞서 살펴본 바와 같이, 상기 로 벽체의 두께를 두껍게 할수록 외벽온도를 쉽게 낮출 수 있으나, 부식 문제로 인해 그 한계가 존재하게 된다.

이에 따라, 본 발명에서는 상기 단열모듈(40) 내부에 강재(80)를 구비시키는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서는 상기 강재의 종류에 대해서는 특별히 한정하지 않으며, 당해 기술분야에서 이용되는 모든 강종을 이용할 수 있다. 다만, 경제성 측면에서 탄소강을 이용하는 것이 바람직하다. 상기 강재의 구비를 통해, 로 내부로부터 배출되는 배가스로 인한 수증기나 황산화물이 외부로 투과되지 못하도록 함으로써 로 외측에 구비되는 철피(50)가 부식되는 것을 방지할 수 있다. 다만, 상기 강재가 부식되면 로의 내구성이 보다 악화될 수 있다.

따라서, 상기 강재(80)는, 상기 로(10) 내부로부터 배출되는 배가스의 이슬점 온도(Tp) 이상 200℃ 이하의 범위에 있는 상기 단열모듈(40) 영역에 위치할 필요가 있다. 연료의 종류에 따라 수증기 및 황산화물의 농도가 달라지게 되고, 이로 인해 이슬점 온도가 달라지게 된다. 예를 들면, 로의 내부가 대기압과 거의 같을 경우, 수증기의 이슬점 온도는 100℃이고, 황산화물을 포함하는 배가스의 이슬점 온도는 약 120~150℃ 정도이다. 즉, 본 발명에서는 강재를 배가스의 이슬점 온도 보다 높은 온도를 갖는 단열모듈 영역에 구비시킴으로써 수증기가 발생하는 것을 방지하고, 이를 통해 상기 강재가 부식되는 것을 억제할 수 있다. 상기 이슬점 온도는 배가스의 종류에 따라 달라질 수는 있으나, 그 상한이 200℃를 초과하기는 어렵다.

한편, 본 발명의 로 벽체에는 단열 모듈(40) 내에 강재(80)가 구비됨에 따라, 이에 따라, 상기 단열 모듈은 제1단열모듈(41)과 제2단열모듈(42)로 구분되어 설치될 수 있는데, 상기 제1단열모듈(41)과 제2단열모듈(42)는 같은 재질이거나 서로 다른 재질일 수 있다.

즉, 본 발명에서는 상기 단열모듈 내 적정 위치에 강재를 구비함으로써 로의 내부에서 발생되는 배가스가 외부로 배출되는 것을 차단하고, 이를 통해 부식 방지 효과를 얻을 수 있다. 또한, 부식 문제를 해결함으로써, 부식에 대한 염려 없이 로 벽체의 구성 요소인 내화벽돌(20), 단열벽돌(30, 제1단열모듈(41) 및 제2단열모듈(42)) 각각의 두께(s1, s2, s3, s4)를 적절히 설계하여 외벽온도(To,new)가 예를 들면 상온(~30℃)과 가까워지도록 할 수 있다. 이를 통해, 로의 벽체 두께는 다소 증가할 수 있으나, 열손실은 극단적으로 저감시킬 수 있다.

한편, 상기와 같이 로 벽체를 설계하더라도 상기 강재의 외측, 즉, 제2단열모듈이나 철피(50) 내에는 로 외부의 공기로 인해 수증기가 발생할 수 있다. 도 5는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 로 벽체의 모식도인데, 상술한 문제점을 해결하기 위하여, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 철피(50)의 상부와 하부에 홀을 가공하여 각각 상측 수분 배출구(51) 및 하측 수분 배출구(52)를 형성시킬 수 있다. 즉, 상기 상측 수분 배출구(51) 및 하측 수분 배출구(52)를 통해, 상기 제2단열모듈이나 철피(50) 내에 발생하는 수분을 외부로 배출하는 것이 가능하여 부식을 방지할 수 있다. 아울러, 상기 상측 수분 배출구(51) 및 하측 수분 배출구(52)의 형성을 통해 수분이 팽창하여 로의 형상을 변형하는 것을 방지할 수도 있다.

1: 로 벽체, 2: 내화벽돌, 3: 단열벽돌, 4: 단열모듈, 5: 철피, 6: 세라믹 코팅층, 7: 백업울(back-up wool)층, 10: 로 벽체, 20: 내화벽돌, 30: 단열벽돌, 40: 단열모듈, 41: 제1단열모듈, 42: 제2단열모듈, 50: 철피, 51: 상측 수분 배출구, 52: 하측 수분 배출구, 60: 세라믹 코팅층, 70: 백업울(back-up wool)층, 80: 강재

Claims

로의 내측으로부터 외측 방향으로 순차적으로, 내화벽돌; 단열벽돌; 단열모듈; 및 철피;를 포함하는 로 벽체로서,
상기 단열모듈 내부에는 강재가 구비되고,
상기 강재는, 상기 로 내부로부터 배출되는 배가스의 이슬점 온도(Tp) 이상 200℃ 이하의 범위에 있는 상기 단열모듈 영역에 위치하는 것을 특징으로 하는 열손실 저감 및 부식 저감 효과가 우수한 로 벽체.
청구항 1에 있어서,
상기 로 벽체는 세라믹 코팅층(60) 및 백업울(back-up wool)층(70) 중 하나 이상을 추가로 포함하는 열손실 저감 및 부식 저감 효과가 우수한 로 벽체.
청구항 1에 있어서,
상기 철피는 상측 수분 배출구와 하측 수분 배출구가 형성된 열손실 저감 및 부식 저감 효과가 우수한 로 벽체.