WO2020045755A1 - 고로용 열풍로 - Google Patents

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WO2020045755A1
WO2020045755A1 PCT/KR2018/015752 KR2018015752W WO2020045755A1 WO 2020045755 A1 WO2020045755 A1 WO 2020045755A1 KR 2018015752 W KR2018015752 W KR 2018015752W WO 2020045755 A1 WO2020045755 A1 WO 2020045755A1
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burner
fuel gas
combustion
combustion chamber
plasma
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PCT/KR2018/015752
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이동조
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주식회사 포스코
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B9/00—Stoves for heating the blast in blast furnaces
    • C21B9/10—Other details, e.g. blast mains
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/62—Mixing devices; Mixing tubes
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2203/00—Gaseous fuel burners
    • F23D2203/007—Mixing tubes, air supply regulation

Definitions

  • the present invention relates to a blast furnace hot stove, and more particularly to a blast furnace hot stove for increasing the combustion efficiency.
  • Blast furnace operation consists of charging iron ore and coke to the top of the blast furnace, and supplying hot air of about 1,100 ° C to 1,250 ° C through the vents at the bottom of the blast furnace.
  • the hot air burns coke to produce CO gas, which rises after passing through the descending charge bed, heating, reducing and dissolving iron ore to remove impurities and oxygen from the iron ore. In this process, the molten iron is continuously produced.
  • a hot air furnace is a facility for manufacturing hot air and supplying it to a blast furnace, and is mainly composed of a combustion chamber and a heat storage chamber.
  • the fuel gas and the combustion air supplied to the combustion chamber are vertically raised and mixed and combusted, and after the high temperature combustion, the gas accumulates heat in the refractory brick installed in the heat storage chamber and is released into the atmosphere. After that, the air at room temperature is blown into the heat storage chamber and heated up, and the elevated temperature air is supplied as hot air to the blast furnace through the combustion chamber.
  • a hot stove receives fuel gas and combustion air through a burner installed at a lower portion of a combustion chamber.
  • the fuel gas and combustion air at room temperature collide with each other inside the burner and then rise toward the combustion chamber and are naturally ignited by sensible heat on the wall of the combustion chamber without an ignition device.
  • the method of natural ignition without an ignition device may cause an incomplete combustion due to a slow start point of combustion, and the heat transported to the heat storage chamber may not be spread evenly and may be concentrated in one place to reduce the heat storage efficiency.
  • This reduction in combustion efficiency causes a decrease in the operation efficiency of the blast furnace and an increase in the cost of the molten iron.
  • the CO 2 emission ratio of the hot stove is about 33%, and it is required to improve combustion efficiency for reducing CO 2 emissions.
  • One aspect of the present invention is to provide a blast furnace hot stove that can increase the heat storage efficiency of the heat storage chamber and the operation efficiency of the blast furnace by increasing the combustion efficiency of the combustion furnace combustion chamber, and can reduce CO 2 emissions.
  • the blast furnace hot stove includes a combustion chamber, a heat storage chamber, a burner, and a plasma igniter.
  • the heat storage chamber is connected to the combustion chamber through a connecting pipe, and a refractory brick is installed.
  • the burner is installed in the lower part of the combustion chamber, and mixes and sprays fuel gas and combustion air into the combustion chamber through a blower outlet.
  • the plasma igniter is installed in the burner, and the plasma jet is ignited by ejecting the plasma jet into the mixing region where the fuel gas and the combustion air collide with each other.
  • the burner may include a burner body connected to both sides of a first injection pipe for supplying fuel gas and a second injection pipe for supplying combustion air, and an extension part connecting the combustion chamber and the burner body.
  • the lower plate of the burner body may include a pair of first inclined surfaces that are convex upward to partition the interior of the burner body into a fuel gas region and a combustion air region.
  • the top plate of the burner body may have a pair of second inclined surfaces that are convex downward, and the spouts may be slit-shaped between the pair of second inclined surfaces.
  • the mixing zone may be located just below the spout between the fuel gas zone and the combustion air zone.
  • the plasma igniter may be installed in pairs at 90 ° intervals from the first injection tube and the second injection tube at a position corresponding to the mixing region of the side wall of the burner body.
  • the plasma igniter may be configured as an arc discharge plasma apparatus that generates a plasma jet using a direct current high voltage.
  • the plasma igniter includes a ground electrode coupled to the burner having a reaction space communicating with the interior of the burner, a drive electrode having a sharp end exposed to the reaction space and connected to a high voltage power source, and an insulator provided between the ground electrode and the drive electrode. can do.
  • a plasma igniter may be used to promote the combustion reaction of fuel gas and combustion air, prevent unburned phenomenon of fuel gas, and induce stable flame formation.
  • safety accidents due to unburned fuel gas can be prevented, energy consumption can be reduced, and the cost of molten iron can be reduced, and CO and CO 2 emissions in the gas after combustion can be reduced.
  • FIG. 1 is a perspective view of a blast furnace hot stove according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged view of the burner and the plasma igniter shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the burner and plasma igniter shown in FIG. 2.
  • FIG. 4 is a view showing a simulation of the flow of fuel gas and combustion air in the hot stove shown in FIG.
  • FIG. 5 is a partially enlarged view of FIG. 4.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating an example of the plasma igniter shown in FIG. 2.
  • FIG. 1 is a perspective view of a blast furnace hot stove according to an embodiment of the present invention.
  • the blast furnace hot stove 100 includes a combustion chamber 10 and a heat storage chamber 20 installed in a vertical direction, a connection pipe coupled to an upper portion of the combustion chamber 10 and an upper portion of the heat storage chamber 20 ( 30, a burner 40 provided below the combustion chamber 10, and a plasma igniter 50 provided in the burner 40.
  • the heat storage chamber 20 has a larger volume than the combustion chamber 10 and has a tubular shape in which the lower portion is blocked. Inside the heat storage chamber 20, a refractory brick (not shown) for heat storage is installed.
  • the connection pipe 30 is installed in a horizontal direction, and both ends thereof are coupled to an upper portion of the combustion chamber 10 and an upper portion of the heat storage chamber 20 so that the combustion chamber 10 and the heat storage chamber 20 pass through each other.
  • the burner 40 ejects fuel gas and combustion air at high speed into the combustion chamber 10, and the injected fuel gas and combustion air are mixed and combusted in the combustion chamber 10.
  • the fuel gas may be a mixed gas of blast furnace gas (BFG) and coke oven gas (COG), and may include, for example, 95% of blast furnace gas and 5% of coke oven gas. .
  • the high temperature exhaust gas generated by the mixed combustion of fuel gas and combustion air moves to the heat storage chamber 20 through the connection pipe 30, and the refractory bricks of the heat storage chamber 20. After accumulating heat, it is released into the atmosphere. The air at room temperature is blown into the heat storage chamber 20, and the heat is taken away from the refractory brick to raise the temperature.
  • reference numeral 60 denotes a hot air discharge pipe connected to the combustion chamber 10 to supply hot air to the blast furnace.
  • the hot stove 100 includes a CO concentration measuring device 70 installed in a path through which gas is discharged after combustion in the heat storage chamber 20.
  • the CO concentration meter 70 detects unburned phenomenon of fuel gas by measuring the CO concentration of the gas after combustion discharged to the atmosphere.
  • FIG. 2 is an enlarged view of the burner and the plasma igniter shown in FIG. 1
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the burner and the plasma igniter shown in FIG.
  • the burner 40 has a structure in which the fuel gas and the combustion air are collided with each other in a horizontal direction facing each other, and then sprayed to the upper side where the combustion chamber 10 is located.
  • the burner 40 includes a burner main body 41, a first injection pipe 42 and a second injection pipe 43 connected to both side surfaces of the burner main body 41, and an upper side of the burner main body 41. And an extension 44 connected to it.
  • the burner body 41 roughly consists of an upper plate 411, a lower plate 412, and a side wall 413, and has three openings.
  • the three openings include a fuel gas inlet OP1, a combustion air inlet OP2, and an outlet OP3.
  • the fuel gas inlet OP1 and the combustion air inlet OP2 are positioned to face in the horizontal direction on the sidewall 413, and the first inlet pipe 42 and the second inlet pipe 43 are connected to the fuel gas inlet OP1 and It is connected to the combustion air injection port OP2, respectively.
  • the first injection pipe 42 supplies fuel gas to the burner body 41
  • the second injection pipe 43 supplies combustion air to the burner body 41.
  • the lower plate 412 of the burner body 41 may include a pair of first inclined surfaces 45 that are convex upwards, and the upper plate 411 of the burner body 41 may have a pair of second convex downwards. It may include an inclined surface 46.
  • the pair of first and second inclined surfaces 45 and 46 are positioned between the first injection tube 42 and the second injection tube 43 along the horizontal direction.
  • the jet port OP3 is a slit-shaped opening located between the pair of second inclined surfaces 46, and the lower end of the expansion part 44 is connected to the jet port OP3.
  • Expansion portion 44 is made of a funnel shape that is larger in diameter toward the top, the upper end of the expansion portion 44 is coupled to the lower end of the combustion chamber (10).
  • FIG. 4 is a view showing a simulation of the flow of fuel gas and combustion air in the hot stove shown in Figure 1
  • Figure 5 is a partial enlarged view of FIG.
  • the fuel gas supplied through the first injection pipe 42 and the combustion air supplied through the second injection pipe 43 are not mixed directly inside the burner body 41, and the upper plate 411 does not mix.
  • the upper plate 411 does not mix.
  • the fuel gas and the combustion air rise to the combustion chamber 10 through the expansion part 44, and are mixed and combusted in the combustion chamber 10.
  • the internal space of the burner body 41 is roughly formed by the inclined structures of the upper plate 411 and the lower plate 412, and the fuel gas region S1 and the combustion air region S2 and It is partitioned into the mixing area S3.
  • the fuel gas region S1 is a space on one side of the burner body 41 communicating with the first injection pipe 42
  • the combustion air region S2 is a space on the other side of the burner body 41 communicating with the second injection pipe 43. to be.
  • the mixing region S3 is located between the fuel gas region S1 and the combustion air region S2, and is a space communicating with the expansion part 44 through the blowing hole OP3.
  • the mixing region S3 has a smaller volume than the fuel gas region S1 and the combustion air region S2 and has the highest pressure among the burner bodies 41.
  • the operation of the combustion chamber 10 intermittently measures the calories of the blast furnace flue gas (BFG) and the coke oven gas (COG) of the fuel gas to control the supply amount of the fuel gas, and the air-fuel ratio (air and fuel). Calculate the ratio of 1.07 to control the supply of combustion air. If the air-fuel ratio is not met during combustion, stable combustion cannot be achieved.
  • BFG blast furnace flue gas
  • COG coke oven gas
  • blast furnace flue gas which makes up 95% of the fuel gas
  • BFG blast furnace flue gas
  • Unbalance of the air-fuel ratio caused by excessive fuel causes incomplete combustion of the fuel, and may cause safety accidents such as explosion of residual fuel gas.
  • the air-fuel ratio imbalance due to the excess air causes a fire burnout or flame instability, and additional heat is required for raising the air temperature, which greatly reduces the efficiency of the hot stove.
  • the plasma igniter 50 is installed in the burner main body 41, and ejects and ignites a plasma jet into the inner space of the burner main body 41.
  • the plasma igniter 50 may eject the plasma jet to the mixing region S3 where the fuel gas and the combustion air collide with each other in the internal space of the burner body 41.
  • a pair of plasma igniters 50 may be installed at both sides of the mixing region S3.
  • the pair of plasma igniters 50 may be positioned at 90 ° intervals with the first and second injection tubes 42 and 43 on the sidewalls 413 of the burner body 41.
  • the pair of plasma igniters 50 is the front side and the rear of the burner body 41. Can be connected to the side.
  • Plasma is generated when high energy is supplied to gas molecules, and is an ionized gas in which electrons and ions exist in space with the same density. From the thermodynamic point of view, the energy of the electrons, ions and neutral gases of the plasma is tens to hundreds of times higher than the molecular energy of the gas state, and the temperature of the gas generated in the industrial plasma apparatus is a high temperature corresponding to 10,000K to 100,000K.
  • the temperature of the plasma jet emitted by the plasma igniter 50 is thousands of K, and the high-temperature plasma has chemically active speicies (electrons and ions) capable of conducting the ignition reaction even at low temperature conditions as well as the heat required for the thermochemical reaction. , Radicals, excited molecules, etc.).
  • speicies electrosprays and ions
  • the plasma not only causes ignition but also extends the flammable limits of the flame.
  • the plasma igniter 50 may be an arc discharge plasma apparatus that generates a plasma jet using a DC high voltage.
  • the plasma igniter 50 forms a reaction space communicating with the interior of the burner 40 and has a ground electrode 51 coupled to the burner body 41, and a pointed end 52 exposed to the reaction space and having a high voltage power supply.
  • the driving electrode 53 connected to the 54 and the insulator 55 that insulates the ground electrode 51 and the driving electrode 53 may be included.
  • the ground electrode 51 may be grounded together with the burner body 41.
  • the driving electrode 53 When the driving electrode 53 receives a direct current high voltage from the high voltage power supply 54, an arc plasma is generated in the reaction space due to the potential difference between the ground electrode 51 and the driving electrode 53.
  • the plasma jet is injected into the mixed region S3 of the burner main body 41, and the fuel gas and the combustion air are ignited by the high temperature of the plasma jet.
  • the flame start position P1 in the combustion chamber 10 corresponds to the lowermost end of the combustion chamber 10 in contact with the burner 40.
  • the flame start position P2 corresponds to the central portion of the combustion chamber 10 spaced apart from the burner 40 by a predetermined distance. In the case of the comparative example, incomplete combustion may be caused, and heat transferred to the heat storage chamber 20 may not be evenly spread, thereby reducing heat storage efficiency.
  • the hot stove 100 may promote the combustion reaction of fuel gas and combustion air by using the plasma igniter 50, prevent unburned phenomenon of fuel gas, and induce stable flame formation. As a result, safety accidents due to unburned fuel gas can be prevented, energy consumption can be reduced, and the cost of molten iron can be reduced, and CO and CO 2 emissions in the gas after combustion can be reduced.
  • expansion portion S1 fuel gas region

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 고로용 열풍로는 연소실, 축열실, 버너, 및 플라즈마 점화기를 포함한다. 축열실은 연결관을 통해 연소실과 통해 있으며, 내화벽돌이 설치되어 있다. 버너는 연소실의 하부에 설치되며, 분출구를 통해 연소실 내부로 연료가스와 연소공기를 혼합 분사한다. 플라즈마 점화기는 버너에 설치되며, 버너에서 연료가스와 연소공기가 충돌하며 섞이는 혼합 영역에 플라즈마 제트를 분출하여 점화한다.

Description

고로용 열풍로
본 발명은 고로용 열풍로에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연소 효율을 증대시키기 위한 고로용 열풍로에 관한 것이다.
고로 조업은 고로 상부로 철광석과 코크스를 장입하고, 고로 하부의 풍구를 통해 약 1,100℃ 내지 1,250℃의 열풍을 공급하는 과정으로 이루어진다. 열풍은 코크스를 연소시켜 CO 가스를 생성하고, CO 가스는 하강하는 장입물 층을 통과 후 상승하면서 철광석을 가열, 환원, 용해시켜 철광석의 불순물과 산소를 제거한다. 이러한 과정으로 용선이 연속적으로 생산된다.
열풍로는 열풍을 제조하여 고로에 공급하는 설비로서, 크게 연소실과 축열실로 구성된다. 연소실에 공급된 연료가스와 연소공기는 수직 상승하며 혼합 및 연소되고, 고온의 연소 후 가스가 축열실에 설치된 내화벽돌에 열을 축적시킨 후 대기로 방출된다. 이후 상온의 대기가 축열실 내부로 송풍되어 승온되며, 승온된 고온의 공기가 연소실을 거쳐 고로에 열풍으로 공급된다.
일반적으로 열풍로는 연소실 하부에 설치된 버너를 통해 연료가스와 연소공기를 공급받는다. 상온의 연료가스와 연소공기는 버너 내부에서 서로 충돌 후 연소실 방면으로 상승하여 점화장치 없이 연소실 벽면의 현열에 의해 자연 점화된다.
그런데 점화장치 없이 자연 점화하는 방식은 연소 시작점이 늦어져 불완전 연소를 야기할 수 있고, 축열실로 수송되는 열이 고르게 퍼지지 못하고 한 곳에 집중되어 축열 효율을 저하시킬 수 있다. 이러한 연소 효율 저하는 고로의 조업 효율 저하와 용선의 원가 상승을 야기한다. 또한, 열풍로의 CO2 배출 비중은 약 33%로서, CO2 배출량 저감을 위한 연소 효율 개선이 요구되고 있다.
본 발명의 일 측면은, 열풍로 연소실의 연소 효율을 증대시킴으로써 축열실의 축열 효율과 고로의 조업 효율을 높이며, CO2 배출량을 저감시킬 수 있는 고로용 열풍로를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고로용 열풍로는 연소실, 축열실, 버너, 및 플라즈마 점화기를 포함한다. 축열실은 연결관을 통해 연소실과 통해 있으며, 내화벽돌이 설치되어 있다. 버너는 연소실의 하부에 설치되며, 분출구를 통해 연소실 내부로 연료가스와 연소공기를 혼합 분사한다. 플라즈마 점화기는 버너에 설치되며, 버너에서 연료가스와 연소공기가 충돌하며 섞이는 혼합 영역에 플라즈마 제트를 분출하여 점화한다.
버너는, 양 측면에 연료가스 공급을 위한 제1 주입관 및 연소공기 공급을 위한 제2 주입관이 접속된 버너 본체와, 연소실과 버너 본체를 연결하는 확장부를 포함할 수 있다. 버너 본체의 하판은 위를 향해 볼록한 한 쌍의 제1 경사면을 구비하여 버너 본체의 내부를 연료가스 영역과 연소공기 영역으로 구획할 수 있다.
버너 본체의 상판은 아래를 향해 볼록한 한 쌍의 제2 경사면을 구비할 수 있고, 분출구는 한 쌍의 제2 경사면 사이에서 슬릿 모양으로 위치할 수 있다. 혼합 영역은 연료가스 영역과 연소공기 영역 사이에서 분출구 바로 아래에 위치할 수 있다.
플라즈마 점화기는 버너 본체의 측벽 중 혼합 영역에 대응하는 위치에서 제1 주입관 및 제2 주입관과 90° 간격을 두고 한 쌍으로 설치될 수 있다. 플라즈마 점화기는 직류 고전압을 이용하여 플라즈마 제트를 발생시키는 아크 방전식 플라즈마 장치로 구성될 수 있다.
플라즈마 점화기는, 버너의 내부와 통하는 반응 공간을 가지며 버너에 결합된 접지 전극과, 반응 공간에 노출된 뾰족한 단부를 구비하며 고전압 전원에 연결된 구동 전극과, 접지 전극과 구동 전극 사이에 설치된 절연체를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 플라즈마 점화기를 이용하여 연료가스와 연소공기의 연소 반응을 촉진시키고, 연료가스의 미연소 현상을 방지할 수 있으며, 안정적인 화염 형성을 유도할 수 있다. 그러한 결과로, 미연소 연료가스에 의한 안전 사고를 예방할 수 있고, 에너지 사용량을 저감하여 용선 제조 원가를 낮출 수 있으며, 연소 후 가스 중 CO와 CO2 배출량을 낮출 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고로용 열풍로의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 버너와 플라즈마 점화기의 확대도이다.
도 3은 도 2에 도시한 버너와 플라즈마 점화기의 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시한 열풍로에서 연료가스와 연소공기의 흐름을 시뮬레이션하여 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4의 부분 확대도이다.
도 6은 도 2에 도시한 플라즈마 점화기의 예시를 나타낸 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 만 아니라, 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"된 것도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고로용 열풍로의 사시도이다.
도 1을 참고하면, 고로용 열풍로(100)는 수직 방향으로 설치된 연소실(10) 및 축열실(20)과, 연소실(10)의 상부와 축열실(20)의 상부에 결합된 연결관(30)과, 연소실(10)의 하부에 설치된 버너(40)와, 버너(40)에 설치된 플라즈마 점화기(50)를 포함한다.
축열실(20)은 연소실(10)보다 큰 체적을 가지며, 하부가 막힌 관형으로 이루어진다. 축열실(20) 내부에는 축열을 위한 내화벽돌(도시하지 않음)이 설치되어 있다. 연결관(30)은 수평 방향으로 설치되며, 양측 단부가 연소실(10)의 상부와 축열실(20)의 상부에 결합되어 연소실(10)과 축열실(20)을 서로 통하게 한다.
버너(40)는 연소실(10) 내부로 연료가스와 연소공기를 고속으로 분출하며, 분출된 연료가스와 연소공기는 연소실(10) 내부에서 혼합 연소된다. 연료가스는 고로 배가스(blast furnace gas, BFG)와 코크스 오븐 가스(coke oven gas, COG)의 혼합 가스일 수 있으며, 예를 들어 95%의 고로 배가스와 5%의 코크스 오븐 가스를 포함할 수 있다.
연소실(10)에서 연료가스와 연소공기의 혼합 연소에 의해 발생한 고온의 연소 후 가스(exhaust gas)는 연결관(30)을 통해 축열실(20)로 이동하고, 축열실(20)의 내화벽돌에 열을 축적시킨 후 대기로 방출된다. 그리고 상온의 대기가 축열실(20) 내부로 송풍되고, 내화벽돌로부터 열을 빼앗아 승온된다.
승온된 고온의 공기는 연소실(10)을 거쳐 고로에 공급된다. 도 1에서 부호 60은 연소실(10)에 연결 설치되어 고로에 열풍을 공급하는 열풍 배출관을 나타낸다. 그리고 열풍로(100)는 축열실(20)에서 연소 후 가스가 배출되는 경로에 설치된 CO 농도 측정기(70)를 포함한다. CO 농도 측정기(70)는 대기로 방출되는 연소 후 가스의 CO 농도를 측정하여 연료가스의 미연소 현상을 감지한다.
도 2는 도 1에 도시한 버너와 플라즈마 점화기의 확대도이고, 도 3은 도 2에 도시한 버너와 플라즈마 점화기의 단면도이다.
도 2와 도 3을 참고하면, 버너(40)는 수평 방향으로 마주하는 양 측면에서 연료가스와 연소공기를 공급받아 충돌시킨 후 연소실(10)이 위치하는 상측으로 분사하는 구조를 가진다. 구체적으로, 버너(40)는 버너 본체(41)와, 버너 본체(41)의 양 측면에 접속된 제1 주입관(42) 및 제2 주입관(43)과, 버너 본체(41)의 상측에 접속된 확장부(44)를 포함한다.
버너 본체(41)는 대략적으로 상판(411)과 하판(412) 및 측벽(413)으로 구성되며, 세 개의 개구(홀)를 가진다. 세 개의 개구는 연료가스 주입구(OP1)와 연소공기 주입구(OP2) 및 분출구(OP3)를 포함한다.
연료가스 주입구(OP1)와 연소공기 주입구(OP2)는 측벽(413)에서 수평 방향으로 마주하도록 위치하며, 제1 주입관(42)과 제2 주입관(43)이 연료가스 주입구(OP1) 및 연소공기 주입구(OP2)에 각각 접속된다. 제1 주입관(42)은 버너 본체(41)로 연료가스를 공급하고, 제2 주입관(43)은 버너 본체(41)로 연소공기를 공급한다.
버너 본체(41)의 하판(412)은 위를 향해 볼록한 한 쌍의 제1 경사면(45)을 포함할 수 있고, 버너 본체(41)의 상판(411)은 아래를 향해 볼록한 한 쌍의 제2 경사면(46)을 포함할 수 있다. 한 쌍의 제1 및 제2 경사면(45, 46)은 수평 방향을 따라 제1 주입관(42)과 제2 주입관(43) 사이에 위치한다.
분출구(OP3)는 한 쌍의 제2 경사면(46) 사이에 위치하는 슬릿형 개구이며, 확장부(44)의 하단이 분출구(OP3)에 접속된다. 확장부(44)는 위를 향할수록 직경이 커지는 깔때기 형상으로 이루어지고, 확장부(44)의 상단이 연소실(10)의 하단에 결합된다.
도 4는 도 1에 도시한 열풍로에서 연료가스와 연소공기의 흐름을 시뮬레이션하여 나타낸 도면이고, 도 5는 도 4의 부분 확대도이다.
도 4와 도 5를 참고하면, 제1 주입관(42)을 통해 공급된 연료가스와 제2 주입관(43)을 통해 공급된 연소공기는 버너 본체(41) 내부에서 바로 섞이지 않고 상판(411)과 하판(412)의 경사 구조에 의해 독립된 흐름을 보이다가 분출구(OP3)(도 3 참조) 바로 아래에서 서로 충돌하며 섞인다. 연료가스와 연소공기는 확장부(44)를 통해 연소실(10)로 상승하고, 연소실(10)에서 혼합 및 연소된다.
도 3과 도 4를 참고하면, 버너 본체(41)의 내부 공간은 전술한 상판(411)과 하판(412)의 경사 구조에 의해 대략적으로 연료가스 영역(S1)과 연소공기 영역(S2) 및 혼합 영역(S3)으로 구획된다.
연료가스 영역(S1)은 제1 주입관(42)과 통하는 버너 본체(41)의 일측 공간이고, 연소공기 영역(S2)은 제2 주입관(43)과 통하는 버너 본체(41)의 타측 공간이다. 혼합 영역(S3)은 연료가스 영역(S1)과 연소공기 영역(S2) 사이에 위치하며, 분출구(OP3)를 통해 확장부(44)와 통하는 공간이다.
혼합 영역(S3)은 연료가스 영역(S1) 및 연소공기 영역(S2)보다 작은 체적을 가지며, 버너 본체(41) 중 가장 높은 압력을 가진다.
도 1과 도 2를 참고하면, 연소실(10) 운전은 연료가스 중 고로 배가스(BFG)와 코크스 오븐 가스(COG)의 열량을 간헐적으로 측정하여 연료가스의 공급량을 제어하고, 공연비(공기와 연료의 비율) 1.07을 계산하여 연소공기의 공급량을 제어하는 과정으로 이루어진다. 연소 과정에서 공연비를 맞추지 못하면 안정적인 연소가 이루어질 수 없다.
그러나 연료가스의 95%를 차지하는 고로 배가스(BFG)의 열량은 고로 내부에서 CO 가스가 광석 환원에 이용되는 정도(고로 가스 이용률)에 따라 지속적으로 변동한다. 이러한 변동으로 공연비 불균형이 발생하는데, 공연비 불균형은 크게 연료 과잉과 공기 과잉으로 구분될 수 있다.
연료 과잉에 의한 공연비 불균형은 연료의 불완전 연소를 야기하며, 잔류 연료가스의 폭발 등 안전사고를 일으킬 수 있다. 반면, 공기 과잉에 의한 공연비 불균형은 불이 꺼지는 실화 현상이나 화염 불안정을 야기하며, 공기 승온을 위한 추가 열이 필요하게 되어 열풍로 효율을 크게 저하시킨다.
플라즈마 점화기(50)는 버너 본체(41)에 설치되며, 버너 본체(41)의 내부 공간으로 플라즈마 제트를 분출하여 점화시킨다. 플라즈마 점화기(50)는 버너 본체(41)의 내부 공간 중 연료가스와 연소공기가 충돌하며 섞이는 혼합 영역(S3)에 플라즈마 제트를 분출할 수 있다. 이를 위해 한 쌍의 플라즈마 점화기(50)가 혼합 영역(S3)의 양측에 설치될 수 있다.
한 쌍의 플라즈마 점화기(50)는 버너 본체(41)의 측벽(413)에서 제1 및 제2 주입관(42, 43)과 90° 간격을 두고 위치할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 주입관(42, 43)이 버너 본체(41)의 좌측과 우측에 접속될 때, 한 쌍의 플라즈마 점화기(50)는 버너 본체(41)의 전방측과 후방측에 접속될 수 있다.
플라즈마 점화기(50)가 혼합 영역(S3)의 양측에서 서로 충돌하는 연료가스와 연소공기를 향해 플라즈마 제트를 분출할 때, 연료가스와 연소공기의 연소 반응을 효과적으로 촉진 및 확산시킬 수 있다.
플라즈마는 기체 상태의 분자에 높은 에너지가 공급될 때 발생하며, 전자와 이온이 같은 밀도로 공간 중에 존재하는 이온화된 기체의 일종이다. 열역학적인 관점에서 플라즈마의 전자와 이온 및 중성기체의 에너지는 기체 상태의 분자 에너지보다 수십 내지 수백 배 높으며, 산업용 플라즈마 장치에서 생성되는 기체의 온도는 10,000K 내지 100,000K에 해당하는 고온이다.
플라즈마 점화기(50)가 분출하는 플라즈마 제트의 온도는 수천K 수준이며, 고온의 플라즈마는 열화학 반응에 필요한 열은 물론 저온 조건에서도 점화 반응을 진행시킬 수 있는 화학적 활성종(chemically active speicies, 전자, 이온, 라디칼, 여기된 분자 등)을 발생시킨다. 따라서 플라즈마는 점화를 일으킬 뿐만 아니라 화염의 가연한계를 확장시키는 기능을 한다.
도 6은 도 2에 도시한 플라즈마 점화기의 예시를 나타낸 단면도이다. 도 6을 참고하면, 플라즈마 점화기(50)는 직류 고전압을 이용하여 플라즈마 제트를 발생시키는 아크 방전식 플라즈마 장치일 수 있다.
플라즈마 점화기(50)는, 버너(40)의 내부와 통하는 반응 공간을 형성하며 버너 본체(41)에 결합된 접지 전극(51)과, 반응 공간에 노출된 뾰족한 단부(52)를 구비하며 고전압 전원(54)에 연결된 구동 전극(53)과, 접지 전극(51)과 구동 전극(53)을 절연시키는 절연체(55)를 포함할 수 있다. 접지 전극(51)은 버너 본체(41)와 함께 접지될 수 있다.
구동 전극(53)이 고전압 전원(54)으로부터 직류 고전압을 인가받으면, 접지 전극(51)과 구동 전극(53)간 전위 차에 의해 반응 공간에 아크 플라즈마가 생성된다. 그리고 버너 본체(41)의 혼합 영역(S3)으로 플라즈마 제트가 분사되며, 플라즈마 제트의 고온에 의해 연료가스와 연소공기의 점화가 이루어진다.
다시 도 1을 참고하면, 연소실(10)에서 화염 시작 위치(P1)는 버너(40)와 접하는 연소실(10)의 최하단에 해당한다. 반면, 플라즈마 점화기가 없는 비교예의 열풍로에서 화염 시작 위치(P2)는 버너(40)로부터 일정 거리 이격된 연소실(10)의 중앙부에 해당한다. 비교예의 경우, 불완전 연소를 야기할 수 있고, 축열실(20)로 수송되는 열이 고르게 퍼지지 못하여 축열 효율을 저하시킬 수 있다.
본 실시예의 열풍로(100)는 플라즈마 점화기(50)를 이용하여 연료가스와 연소공기의 연소 반응을 촉진시키고, 연료가스의 미연소 현상을 방지할 수 있으며, 안정적인 화염 형성을 유도할 수 있다. 그러한 결과로, 미연소 연료가스에 의한 안전 사고를 예방할 수 있고, 에너지 사용량을 저감하여 용선 제조 원가를 낮출 수 있으며, 연소 후 가스 중 CO와 CO2 배출량을 낮출 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
(부호의 설명)
100: 열풍로 10: 연소실
20: 연결관 30: 축열실
40: 버너 41: 버너 본체
42: 제1 주입관 43: 제2 주입관
44: 확장부 S1: 연료가스 영역
S2: 연소공기 영역 S3: 혼합 영역
50: 플라즈마 점화기

Claims (6)

  1. 연소실;
    연결관을 통해 상기 연소실과 통해 있으며, 내화벽돌이 설치된 축열실;
    상기 연소실의 하부에 설치되며, 분출구를 통해 상기 연소실 내부로 연료가스와 연소공기를 혼합 분사하는 버너; 및
    상기 버너에 설치되며, 상기 버너에서 연료가스와 연소공기가 충돌하며 섞이는 혼합 영역에 플라즈마 제트를 분출하여 점화하는 플라즈마 점화기를 포함하는 고로용 열풍로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 버너는, 양 측면에 연료가스 공급을 위한 제1 주입관 및 연소공기 공급을 위한 제2 주입관이 접속된 버너 본체와, 상기 연소실과 상기 버너 본체를 연결하는 확장부를 포함하고,
    상기 버너 본체의 하판은 위를 향해 볼록한 한 쌍의 제1 경사면을 구비하여 상기 버너 본체의 내부를 연료가스 영역과 연소공기 영역으로 구획하는 고로용 열풍로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 버너 본체의 상판은 아래를 향해 볼록한 한 쌍의 제2 경사면을 구비하고, 상기 분출구는 한 쌍의 제2 경사면 사이에서 슬릿 모양으로 위치하며,
    상기 혼합 영역은 상기 연료가스 영역과 상기 연소공기 영역 사이에서 상기 분출구 바로 아래에 위치하는 고로용 열풍로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 플라즈마 점화기는 상기 버너 본체의 측벽 중 상기 혼합 영역에 대응하는 위치에서 상기 제1 주입관 및 상기 제2 주입관과 90° 간격을 두고 한 쌍으로 설치되는 고로용 열풍로.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 플라즈마 점화기는 직류 고전압을 이용하여 플라즈마 제트를 발생시키는 아크 방전식 플라즈마 장치로 구성되는 고로용 열풍로.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 플라즈마 점화기는, 상기 버너의 내부와 통하는 반응 공간을 가지며 상기 버너에 결합된 접지 전극과, 상기 반응 공간에 노출된 뾰족한 단부를 구비하며 고전압 전원에 연결된 구동 전극과, 상기 접지 전극과 상기 구동 전극 사이에 설치된 절연체를 포함하는 고로용 열풍로.
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