KR101395508B1 - 가열로의 산소랜싱 연소제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 종래 단일의 산화제인 공기 중의 질소(N2) 증가로 인해 NOX의 배출이 증가하던 것과 달리 투입되는 연료의 산화제인 공기와 함께 별도로 산소를 공급하여 NOX의 발생을 감소시킬 수 있는 가열로의 산소랜싱 연소제어장치에 관한 것으로서, 내부의 연소챔버에 가열소재가 수용되는 가열로와, 상기 가열로에 설치되고, 연료와 공기를 공급받아 상기 가열로의 연소챔버에 연소시키는 버너와, 상기 버너로 연료를 공급하는 연료공급라인과, 상기 버너로 공기를 공급하는 공기공급라인과, 상기 가열로의 연소챔버 내부로 산소를 직접 공급하는 산소공급라인과, 상기 연료공급라인, 공기공급라인 및 산소공급라인과 각각 연결되고, 상기 연소챔버 내부의 분위기온도를 수신받아 변환하고자 하는 목표온도에 도달하도록 상기 버너 및 가열로의 연소챔버에 각각 공급되는 연료와 산화제인 공기 및 산소의 유량을 각각 제어하는 연소제어부를 포함하여 이루어진다.

Description

가열로의 산소랜싱 연소제어장치{APPARATUS FOR CONTROLLING COMBUSTION OF FURNACE WITH OXYGEN LANCING}
본 발명은 가열로 내부의 연소챔버에 가열소재가 수용된 후 가열로에 설치된 버너로 연료 및 산화제가 공급되어 연소챔버에서 연소될 때, 연소챔버의 온도설정에 따라 연료 및 산화제의 공급유량을 자동으로 제어할 수 있는 가열로의 산소랜싱 연소제어장치에 관한 것이다.
일반적으로 철강 공정에서 가열로는 가열 소재, 예컨대 슬라브, 블룸, 빌렛 등을 후공정에서 압연이 가능하도록 균일하게 가열해주는 설비이다. 이러한 가열로는 통상 예열대, 가열대, 균열대로 이루어져 있으며, 그 각각은 소재의 추출 목표 온도와 노 내의 체류시간을 고려하여 분위기 온도를 설정해 주고 있다.
노 내의 분위기 온도를 맞추기 위해 버너를 통해 연료와 산화제인 공기를 주입하여 노 내에서 연소시켜 분위기 온도를 맞추어 준다. 이 경우에 열원으로 사용되는 연료는 통상 일반 제철소에서는 COG(Coke Oven Gas)와 고로에서 발생하는 BFG(Blast Furnace Gas), LDG(Linz Donavitz Gas) 또는 LNG(Liquified Natural Gas)를 혼합하여 사용한다. 이때, 투입되는 연료에 비례하여 공기량을 이론공연비에 맞추어 해당 연료의 완전연소가 되도록 제어해야 한다.
즉, 연료 중에 포함되어 있는 탄소(C)와 수소(H)와의 반응을 위하여 공기 중의 산소(O2)가 요구되며 이를 위해 통상 버너(burner)를 통하여 연료와 공기를 공급함으로써 연소반응이 일어나도록 한다. 이때 공급되는 공기량이 과대하면 연소가스량이 증가하여 배기가스로부터 에너지 손실이 증가하고, 연소 온도가 저하하여 가열능력이 저하되므로 열효율이 감소하며, 공기 중의 질소(N2) 증가로 인해 NOX의 배출도 증가하게 된다. 반대로 공급되는 공기가 과소하면 연료의 불완전 연소에 의한 손실이 증가하여 연소효율 즉, 화학에너지로부터 열에너지로의 변환 비율이 저하됨과 동시에 일산화탄소, 미연탄화수소 등의 배출이 증가하게 된다.
다만, 노 내에 투입되는 연료의 완전연소를 위해 공급되는 실제 공기량은 해당 연료의 이론공연비보다 약간 더 추가로 공급하게 되는데, 이는 연소반응시 연료의 실질적인 완전연소를 확보하기 위해 공기 중 산소량이 추가로 필요한 이유이다. 즉, 추가로 필요한 산소량을 포함한 실제 투입되는 공기비를 과잉공기비(u)라고 하는데, 이론공연비에 해당하는 이론공기량(Ao)에 과잉공기비(u)를 곱한 값이 실제 노 내에 투입되는 공기량이 된다.
예컨대, 특정 가열소재의 이론공연비가 연료 대 이론공기량(Ao)의 비율이 1 대 10 이라고 가정하면, 공급되는 연료량 1에 공기량 10을 공급하면 이론상 완전연소가 일어나야 한다. 그러나, 실제로는 이론공기량(Ao)만 투입될 경우 연료의 완전연소가 일어나지 않으므로 추가되어야 할 산소량에 대비한 공기량이 더 필요하다. 따라서, 공급되는 연료량 1에 대한 완전연소를 위해 실제 투입되어야 할 공기량은 이론공기량(Ao)에 과잉공기비(u)를 곱한 값이 된다. 즉, 이론공기량(Ao)이 10이고, 과잉공기비(u)가 1.2라고 한다면 실제 투입되는 공기량은 12가 되어야 연료량 1의 완전연소가 일어나는 것이다.
상술한 종래 기술에 따른 가열로의 연소제어장치가 도 1 및 2에 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 종래 가열로의 연소제어장치는, 내부의 연소챔버(1a)에 가열소재(미도시)가 수용되는 가열로(1)와, 상기 가열로(1)에 설치되고, 연료와 공기를 공급받아 상기 가열로(1)의 연소챔버(1a)에 연소시키는 버너(2)와, 상기 버너(2)로 연료를 공급하는 연료공급라인(3)과, 상기 버너로 공기를 공급하는 공기공급라인(4)과, 상기 연료공급라인(3) 및 공기공급라인(4)과 각각 연결되고, 상기 연소챔버(1a) 내부의 분위기온도를 수신받아 변환하고자 하는 목표온도에 도달하도록 상기 버너(2)에 공급되는 연료 및 공기 각각의 유량을 제어하는 연소제어부(5)를 포함하여 이루어진다.
상기 가열로(1)에는 연소챔버(1a) 내부의 분위기온도를 감지할 수 있도록 보통 2개의 온도감지센서가 설치되고, 이러한 온도감지센서에 의해 감지된 2개의 신호를 평균온도로 하여 가열로(1)의 연소챔버(1a) 내부의 분위기온도로 한다. 연소제어부(5)는 상기 연소챔버(1a)의 분위기온도를 수신받고, 변환하고자 하는 목표온도에 도달하도록 버너(2)에 공급되는 연료 및 공기 각각의 유량을 제어하는 것이다.
연소제어부(5)의 연소제어과정을 도 2를 참조하여 살펴보면, 연소제어부(5)는 상기 연소챔버(1a)의 분위기온도를 수신받아 상기 목표온도와 비교하여 온도설정값(tic_out)을 출력하는 온도지시조절부(11)와, 상기 온도지시조절부(11)로부터 상기 온도설정값(tic_out)을 수신받아 연료의 증감량을 결정하는 연료증감선택부(12)와, 상기 연료증감선택부(12)로부터 결정된 연료의 증감량에 따라 상기 연료공급라인(3)으로부터 상기 버너(2)로 공급되는 연료유량을 조절하는 연료유량지시조절부(13)와, 상기 온도지시조절부(11)로부터 상기 온도설정값(tic_out)을 수신받아 공기유량 환산치[f(x1)]로 변환하여 공기의 증감량을 결정하는 공기증감선택부(14)와, 상기 공기증감선택부로부터 결정된 공기의 증감량에 따라 상기 공기공급라인(4)으로부터 상기 공기유량을 조절하는 공기지시조절부(15)를 포함하여 이루어진다. 이때, 상기 연료증감선택부(12)는, 상기 공기의 증감량에 따른 연료유량 환산치[f(x2)]에 대한 신호를 수신받아 상기 온도설정값(tic_out)에 따라 결정된 연료의 증감량을 피드백 제어하고, 상기 공기증감선택부(15)는, 상기 연료의 증감량에 따른 공기유량 환산치[F(x3)]에 대한 신호를 수신받아 상기 온도설정값(tic_out)에 따라 결정된 공기의 증감량을 피드백 제어한다.
즉, 온도지시조절부(11)에 의해 출력된 온도설정값(tic_out)은 가열로(1)의 연소챔버(1a)의 분위기온도로부터 변환하고자 하는 목표온도의 차이값으로서, 분위기온도보다 목표온도가 클 경우 (+), 작을 경우 (-)가 되고, 그 차이값을 연소부하를 높일 것인가 내릴 것인가로 귀결된다. 따라서, 온도설정값에 따라 연료유량의 증감율과 공기유량의 증감율이 결정되는 것이다.
상술한 종래 기술에 따른 가열로의 연소제어장치는, 연료 대 공기에 의한 더블-크로스 제어(double-cross controll)로서 앞서 살핀 바와 같이 투입되는 연료에 대해 연소챔버(1a) 내부에서 실질적인 완전연소를 위해 이론공기량(Ao)에 과잉공기비(u)만큼 추가로 공기량을 투입해야 한다. 추가로 투입되어야 할 공기량은 추가로 필요한 산소량인데, 산소와 함께 공기 중의 질소(N2) 증가로 인해 NOX의 배출도 증가한다는 문제가 발생한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은, 종래 단일의 산화제인 공기 중의 질소(N2) 증가로 인해 NOX의 배출이 증가하던 것과 달리 투입되는 연료의 산화제인 공기와 함께 별도로 산소를 공급하여 NOX의 발생을 감소시킬 수 있는 가열로의 산소랜싱 연소제어장치를 제공하는 데 있다.
특히, 공기와 별도로 산화제인 산소를 투입시 버너를 통해 산소를 공급하지 않고, 가열로의 연소챔버 내부로 산소를 직접 투입함으로써 연료의 완전연소를 효율적으로 달성할 수 있고, 복사효율의 증대로 연료를 절감할 수 있는 가열로의 산소랜싱 연소제어장치를 제공하는 데 있다.
한편, 공급되는 연료, 공기 및 산소의 유량을 각각 자동제어할 수 있는 트리플-크로스 제어(triple-cross controll)를 통해 각각의 연료, 공기 및 산소의 투입량 등을 최적으로 피드백 제어할 수 있는 가열로의 산소랜싱 연소제어장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관된 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 가열로의 산소랜싱 연소제어장치는, 내부의 연소챔버에 가열소재가 수용되는 가열로와, 상기 가열로에 설치되고, 연료와 공기를 공급받아 상기 가열로의 연소챔버에 연소시키는 버너와, 상기 버너로 연료를 공급하는 연료공급라인과, 상기 버너로 공기를 공급하는 공기공급라인과, 상기 가열로의 연소챔버 내부로 산소를 직접 공급하는 산소공급라인과, 상기 연료공급라인, 공기공급라인 및 산소공급라인과 각각 연결되고, 상기 연소챔버 내부의 분위기온도를 수신받아 변환하고자 하는 목표온도에 도달하도록 상기 버너 및 가열로의 연소챔버에 각각 공급되는 연료와 산화제인 공기 및 산소의 유량을 각각 제어하는 연소제어부를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 연소제어부는, 상기 연소챔버의 분위기온도를 수신받아 상기 목표온도와 비교하여 온도설정값(tic_out)을 출력하는 온도지시조절부와, 상기 온도지시조절부로부터 상기 온도설정값(tic_out)을 수신받아 연료의 증감량을 결정하는 연료증감선택부와, 상기 연료증감선택부로부터 결정된 연료의 증감량에 따라 상기 연료공급라인으로부터 상기 버너로 공급되는 연료유량을 조절하는 연료유량지시조절부와, 상기 온도지시조절부로부터 상기 온도설정값(tic_out)을 수신받아 산화제의 증감량을 결정하는 산화제증감선택부와, 상기 산화제증감선택부로부터 결정된 산화제의 증감량과 산소유량 설정치에 따라 상기 공기 및 산소유량을 상호 연계하여 조절하는 산화제연계조절부를 포함하고, 상기 연료증감선택부는, 상기 산화제의 증감량에 따른 연료유량 환산치[F(x1)]에 대한 신호를 수신받아 상기 온도설정값(tic_out)에 따라 결정된 연료의 증감량을 피드백 제어하고, 상기 산화제증감선택부는, 상기 연료의 증감량에 따른 산화제유량 환산치[F(x2)]에 대한 신호를 수신받아 상기 온도설정값(tic_out)에 따라 결정된 산화제의 증감량을 피드백 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 산화제의 증감량에 따른 연료의 유량 환산치[F(x1)]는, [산소유량 현재치(Qo2 _ pv) / 이론산소량(Ao2) / 과잉공기비(u)] + [공기유량 현재치(Qair _ pv) / 이론공기량(Ao) / 과잉공기비(u)]이고, 상기 연료의 증감량에 따른 산화제유량 환산치[F(x2)]는, [연료유량 현재치(Qgas _ pv) × 이론공기량(Ao) × 과잉공기비(u)]인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 산화제연계조절부는, 상기 산화제증감선택부로부터 결정된 산화제의 증감량과 산소유량 설정치에 따른 공기유량 환산치[F(x3)]로 변환하여 공기의 증감량을 결정하는 공기증감선택부와, 상기 공기증감선택부로부터 결정된 공기의 증감량에 따라 상기 공기공급라인으로부터 상기 버너로 공급되는 공기유량을 조절하는 공기유량지시조절부와, 상기 산화제증감선택부로부터 결정된 산화제의 증감량과 산소유량 설정치에 따른 산소유량 환산치[F(x4)]로 변환하여 산소의 증감량을 결정하는 산소증감선택부와, 상기 산소증감선택부로부터 결정된 산소의 증감량에 따라 상기 산소공급라인으로부터 상기 연소챔버로 공급되는 산소유량을 조절하는 산소유량지시조절부를 포함하고, 상기 공기증감선택부는, 상기 연소챔버로 공급되는 산소의 공기량 환산치[F(x5)]에 대한 신호를 수신받아 상기 공기의 증감량을 피드백 제어하고, 상기 산소증감선택부는, 상기 버너로 공급되는 공기의 산소량 환산치[F(x6)]에 대한 신호를 수신받아 상기 산소의 증감량을 피드백 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 산화제의 증감량과 산소유량 설정치에 따른 공기유량 환산치[F(x3)]는, [온도설정값(tic_out) × 연료유량 최대치(Qgas _ max) - 산소유량 설정치(Qo2 _ sv) / 이론산소량(Ao2) / 과잉공기비(u)] × 이론공기량(Ao) × 과잉공기비(u)이고, 상기 산화제의 증감량과 산소유량 설정치에 따른 산소유량 환산치[F(x4)]는, 온도설정값(tic_out) × 연료유량 최대치(Qgas _ max) × 산소유량 설정치(Qo2 _ sv) × 이론산소량(Ao2) × 과잉공기비(u)이고, 상기 연소챔버로 공급되는 산소의 공기량 환산치[F(x5)]는, [연료유량 현재치(Qgas _ pv) - 산소유량 현재치(Qo2 _ pv) / 이론산소량(Ao2) / 과잉공기비(u)] × 이론공기량(Ao) × 과잉공기비(u)이고, 상기 버너로 공급되는 공기의 산소량 환산치[F(x6)]는, [연료유량 현재치(Qgas _ pv) - 공기유량 현재치(Qair _ pv) / 이론공기량(Ao) / 과잉공기비(u)] × 이론산소량(Ao2) × 과잉공기비(u)인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 가열로의 산소랜싱 연소제어장치는, 종래 단일의 산화제인 공기 중의 질소(N2) 증가로 인해 NOX의 배출이 증가하던 것과 달리 투입되는 연료의 산화제인 공기와 함께 별도로 산소를 공급하여 NOX의 발생을 감소시킬 수 있다.
특히, 공기와 별도로 산화제인 산소를 투입시 버너를 통해 산소를 공급하지 않고, 가열로의 연소챔버 내부로 산소를 직접 투입함으로써 연료의 완전연소를 효율적으로 달성할 수 있고, 복사효율의 증대로 연료를 절감할 수 있다.
한편, 공급되는 연료, 공기 및 산소의 유량을 각각 자동제어할 수 있는 트리플-크로스 제어(triple-cross controll)를 통해 각각의 연료, 공기 및 산소의 투입량 등을 최적으로 피드백 제어할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 가열로의 연소제어장치를 도시한 개략도이고,
도 2는 도 1의 실시예의 연소제어과정을 도시한 블럭도이며,
도 3은 본 발명에 따른 가열로의 산소랜싱 연소제어장치를 도시한 개략도이고,
도 4는 도 3의 실시예의 연소제어과정을 도시한 블럭도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 가열로의 산소랜싱 연소제어장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 가열로의 산소랜싱 연소제어장치는 도 3 및 4에 도시된 바와 같이 가열로(10), 버너(20), 연료공급라인(30), 공기공급라인(40), 산소공급라인(50) 및 연소제어부(60)를 포함하여 이루어진다. 또한, 상기 연소제어부(60)는 온도지시지조절부(100), 연료증감선택부(200), 연료유량지시조절부(300), 산화제증감선택부(400) 및 산화제연계조절부(500)를 포함하고, 상기 산화제연계조절부(500)는 공기증감선택부(510), 공기유량지시조절부(520), 산소증감선택부(530) 및 산소유량지시조절부(540)를 포함한다.
먼저 본 발명에 따른 가열로의 산소랜싱 연소제어장치는, 도 3에 도시된 바와 같이 내부의 연소챔버(11)에 가열소재(미도시)가 수용되는 가열로(10)가 구비된다. 가열로(10)의 연소챔버(11)에 수용되는 가열소재는 슬라브, 블룸, 빌렛 등으로서 후공정에서 압연이 가능하도록 상기 가열로(10)의 연소챔버(11)에 들어와 가열된다. 가열로(10)의 경우 통상적으로 예열대, 가열대, 균열대로 이루어질 수 있고, 각각은 가열소재의 추출 목표온도와 체류시간 등을 고려하여 연소챔버(11) 내부에 분위기온도로 설정된다.
버너(20)는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 가열로(10)에 설치되고, 연료와 공기를 공급받아 상기 가열로(10)의 연소챔버(11)에 연소시킨다. 버너(20)에 의해 연료가 연소되면서 화염이 일어나고, 가열로(10)의 연소챔버(11) 내부에 수용된 가열소재는 가열된다. 상기 버너(20)로 연료 및 공기가 공급되도록 연료공급라인(30)과 공기공급라인(40)이 설치된다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이 연료공급라인(30)은 상기 버너(20)로 연료를 공급하고, 공기공급라인(40)은 상기 버너(20)로 공기를 공급한다. 연료공급라인(30)과 공기공급라인(40)을 통해 버너(20)로 공급되는 연료 및 공기의 유량을 조절하도록 밸브(미도시)가 설치되는데, 이는 후술할 연소제어부(60)를 통해 연료 및 공기의 유량이 제어된다.
상술한 가열로(10), 버너(20), 연료공급라인(30) 및 공기공급라인(40)은 종래 일반적인 가열로의 연소제어장치와 동일하며, 연료 및 공기의 유량만을 제어하는 더블-크로스 제어는 널리 알려져 있다. 본 발명에서는 연료의 연소를 위한 산화제인 공기와 함께 순수한 산소를 별도로 공급하고, 후술할 연소제어부(60)가 연료의 유량과 함께 공기 및 산소의 연계제어를 하는 트리플-크로스 제어를 실현하고자 한다. 그에 따라, 종래 단일의 산화제인 공기 중의 질소(N2) 증가로 인해 NOX의 배출이 증가하던 것과 달리 투입되는 연료의 산화제인 공기와 함께 별도로 산소를 공급하여 NOX의 발생을 감소시킬 수 있는 것이다.
이를 위하여, 산소공급라인(50)이 도 3에 도시된 바와 같이 별도로 설치되는데, 산소공급라인(50)은 상기 가열로(10)의 연소챔버(11) 내부로 산소를 직접 공급한다. 공기공급라인(40)이 버너(20)로 공기가 공급되는 것과 달리, 산소공급라인(50)은 가열로(10)의 연소챔버(11) 내부로 산소를 직접 공급하는데, 이는 가열로(1)의 연소챔버(11) 내부로 투입되는 산소의 공급위치, 각도 및 속도 등을 적절히 조절함으로써 버너(20)의 화염에 직접 투입에 의해 예상되는 NOx의 상승을 막고, 연소챔버(11) 내부의 열순환을 개선하고자 하는 것이다. 이를 통한 효과는, 공급되는 공기의 일부를 산소로 대체함으로써 산화제의 질소(N2) 비율을 떨어뜨려 연소의 효율을 높일 수 있다. 즉, 공기와 별도로 산화제인 산소를 투입함으로써 공기 중 질소(N2)로 인한 연소효율저하를 방지하여 연료절감 효과를 가져오며, 연소챔버(11) 내부의 전체적인 복사효율 상승으로 가열소재의 가열능력을 증가시켜 생산성 향상을 가져올 수 있다.
상기와 같이 연료, 공기 및 산소의 공급에 따라, 연소제어부(60)는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 연료공급라인(30), 공기공급라인(40) 및 산소공급라인(50)과 각각 연결되고, 상기 연소챔버(11) 내부의 분위기온도를 수신받아 변환하고자 하는 목표온도에 도달하도록 상기 버너(20) 및 가열로(10)의 연소챔버(11)에 공급되는 연료, 공기 및 산소의 유량을 각각 제어한다. 연소제어부(60)가 연소챔버(11) 내부의 분위기온도를 수신받기 위해서는 도면상 도시되어 있지 않으나 가열로(10)의 연소챔버(11)의 온도를 감지하는 온도감지센서가 당연히 구비되고, 연료공급라인(30), 공기공급라인(40) 및 산소공급라인(50) 상에는 유량제어밸브(미도시)가 구비되어 상기 연소제어부(60)의 제어를 받아 버너(20) 및 가열로(10)의 연소챔버(11)에 공급되는 연료, 공기 및 산소의 유량이 제어될 것이다.
이러한 연소제어부(60)의 연소제어과정을 도 4를 참조하여 연소제어부(60)의 구체적인 구성을 살펴보면, 연소제어부(60)는 온도지시조절부(100), 연료증감선택부(200), 연료유량지시조절부(300), 산화제증감선택부(400) 및 산화제연계조절부(500)를 포함한다.
온도지시조절부(100)는 TIC(Temperature Indicator Controll)라고 불리는 구성으로, 상기 연소챔버(11)의 분위기온도를 수신받아 상기 목표온도와 비교하여 온도설정값(tic_out)을 출력한다. 온도지시조절부(100)는 명칭 그대로 연소챔버(11)의 분위기온도를 수신받아 지시하는 것은 물론, 변환하고자 하는 목표온도를 설정하여 수신받은 분위기온도와 목표온도를 비교해 온도설정값(tic-out)을 출력하게 된다. 온도설정값(tic_out)은 분위기온도와 목표온도의 차이값으로, 온도설정값(tic_out)에 따라 연소부하의 변환값을 나타낸다. 예컨대, 분위기온도가 500이고, 목표온도가 510이라 가정하면, 그 차이값은 +10이 된다. 여기서 출력되는 온도설정값(tic_out)은 단순히 온도차 +10이 아니고, 분위기온도 500에서 목표온도 510으로 +10만큼 상승하기 위한 연소부하의 변환값를 나타낸다. 물론, 온도지시조절부(100)로부터 출력된 온도설정값(tic_out)을 단순히 온도차 +10으로 두고, 온도설정값(tic_out)을 수신받는 기능부에 맞게 다른 변환값으로 변환할 수도 있을 것이다.
연료증감선택부(200)는 상기 온도지시조절부(100)로부터 상기 온도설정값(tic_out)을 수신받아 연료의 증감량을 결정한다. 즉, 분위기온도 500에서 목표온도 510의 차이값인 +10인 온도설정값(tic_out)을 수신받으면, 연료의 공급을 더 증가(+)해야 한다는 것을 결정하고, 분위기온도 500에서 목표온도 510을 상승시키기 위하여 얼마의 양을 더 증가시킬 것인가를 결정하는 것이다.
연료유량지시조절부(300)는 FFIC(Fuel Flow Indicator controll)로 불리우며, 상기 연료증감선택부(200)로부터 결정된 연료의 증감량에 따라 상기 연료공급라인(30)으로부터 상기 버너(20)로 공급되는 연료유량을 조절한다. 연료유량지시조절부(300)는 유량제어밸브로서의 기능을 하면서, 현재 연료의 유량이 얼만큼 버너(20)로 공급되는지를 지시한다.
상기 연료증감선택부(200) 및 연료유량지시조절부(300)를 통해 연료가 버너(20)로 공급됨과 동시에 연료의 연소를 위해 산화제가 함께 공급되어야 한다. 이를 위하여 산화제증감선택부(400) 및 산화제연계조절부(500)가 구비된다.
산화제증감선택부(400)는 상기 온도지시조절부(100)로부터 상기 온도설정값(tic_out)을 수신받아 산화제의 증감량을 결정한다. 즉, 상술한 연료증감선택부(200)에 의해 결정된 연료의 증감에 따라 완전연소에 필요한 산화제의 양을 결정하는 것이다.
산화제연계조절부(500)는 상기 산화제증감선택부(400)로부터 결정된 산화제의 증감량과 산소유량 설정치에 따라 상기 공기 및 산소유량을 상호 연계하여 조절한다. 가열로(10)의 연소챔버(11) 내부를 연소시키는 연료의 산화제로 공기 및 산소를 함께 공급하므로 산화제인 공기 및 산소의 유량을 상호 연계하여 조절하는 것이다. 이때, 산화제의 증감량과 함께 산소유량 설정치(Qair_sv)를 미리 설정하여 둔다. 즉, 산소유량 설정치(Qair _ sv)를 산화제의 증감량의 20%라고 둔다면, 공기유량은 80%가 될 것이다. 즉, 산화제의 증감량이 +10이라고 할때, 산소유량은 +2가 되고, 공기유량은 +8이 될 것이다. 다만, 산소유량 설정치(Qair _ sv)는 가열소재의 종류나 가열로(1)의 크기 및 형상, 또는 연소효율의 극대화를 위해 산소유량 설정치(Qair _ sv)를 변화시킬 수 있다.
이때, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 연료증감선택부(200)는 상기 산화제의 증감량에 따른 연료유량 환산치[F(x1)]에 대한 신호를 수신받아 상기 온도설정값(tic_out)에 따라 결정된 연료의 증감량을 피드백 제어하고, 상기 산화제증감선택부(400)는 상기 연료의 증감량에 따른 산화제유량 환산치[F(x2)]에 대한 신호를 수신받아 상기 온도설정값(tic_out)에 따라 결정된 산화제의 증감량을 피드백 제어한다. 즉, 연료증감선택부(200)에 의해 연료유량이 결정되어 연료유량 현재치(Qgas _ pv)가 버너(20)로 공급될 때, 연료유량 현재치(Qgas_pv)에 맞는 산화제유량 현재치가 제대로 공급되고 있는지를 체크할 필요가 있다. 따라서, 산화제의 증감량에 따른 연료유량 환산치[F(x1)]에 대한 신호를 연료증감선택부(200)가 수신받아 연료유량 현재치(Qgas _ pv)를 피드백 제어하는 것이다. 또한, 산화제증감선택부(400) 역시 산화제유량이 결정되어 산화제유량 현재치가 공급될 때, 공급되는 산화제유량 현재치에 맞는 연료유량 현재치(Qgas _ pv)가 제대로 공급되고 있는지를 역으로 체크할 필요가 있고, 그에 따른 상호 피드백 제어를 하는 것이다.
상기 산화제의 증감량에 따른 연료의 유량 환산치[F(x1)]는, 산화제가 공기 및 산소의 2종류이므로, [산소유량 현재치(Qo2 _ pv) / 이론산소량(Ao2) / 과잉공기비(u)] + [공기유량 현재치(Qair _ pv) / 이론공기량(Ao) / 과잉공기비(u)]가 된다. 또한, 연료의 증감량에 따른 산화제의 유량 환산치[F(x2)]는, [연료유량 현재치(Qgas _ pv) × 이론공기량(Ao) × 과잉공기비(u)]가 된다.
산화제연계조절부(500)는 공기 및 산소의 연계조절을 위해, 도 4에 도시된 바와 같이 공기증감선택부(510), 공기유량지시조절부(520), 상소증감선택부(530) 및 산소유량지시조절부(540)를 포함한다.
공기증감선택부(510)는 상기 산화제증감선택부(400)로부터 결정된 산화제의 증감량과 산소유량 설정치(Qair _ sv)에 따른 공기유량 환산치[F(x3)]로 변환하여 공기의 증감량을 결정한다. 즉, 상기 산화제의 증감량과 산소유량 설정치에 따른 공기유량 환산치[F(x3)]는, [온도설정값(tic_out) × 연료유량 최대치(Qgas _ max) - 산소유량 설정치(Qo2 _ sv) / 이론산소량(Ao2) / 과잉공기비(u)] × 이론공기량(Ao) × 과잉공기비(u)이다. 따라서, 공기증감선택부(510)에 의해 결정된 공기의 증감량은 온도지시조절부(100)로부터 신호를 수신받은 산화제증감선택부(400)로부터 결정된 산화제의 증감량을 기준으로 산소유량 설정치(Qair _ sv)에 대한 값을 뺀 만큼의 양이 공기의 증감량이 된다.
공기유량지시조절부(520)는 AFIC(Air Flow Indicator Controll)로서, 상기 공기증감선택부(510)로부터 결정된 공기의 증감량에 따라 상기 공기공급라인(40)으로부터 상기 버너(20)로 공급되는 공기유량을 조절한다.
또한, 산소증감선택부(530)는 상기 산화제증감선택부(400)로부터 결정된 산화제의 증감량과 산소유량 설정치(Qair _ sv)에 따른 산소유량 환산치[F(x4)]로 변환하여 산소의 증감량을 결정한다. 즉, 상기 산화제의 증감량과 산소유량 설정치에 따른 산소유량 환산치[F(x4)]는, [온도설정값(tic_out) × 연료유량 최대치(Qgas _ max) × 산소유량 설정치(Qo2 _ sv) × 이론산소량(Ao2) × 과잉공기비(u)]이다. 따라서, 산소증감선택부(510)에 의해 결정된 산소의 증감량은 온도지시조절부(100)로부터 신호를 수신받은 산화제증감선택부(400)로부터 결정된 산화제의 증감량을 기준으로 기설정된 산소유량 설정치(Qair _ sv)에 대한 값이 되는 것이다.
산소유량지시조절부(540)는 OFIC(O2 Flow Indicator Controll)로서, 상기 산소증감선택부(530)로부터 결정된 산소의 증감량에 따라 상기 산소공급라인(50)으로부터 상기 연소챔버(11)로 공급되는 산소유량을 조절한다.
한편, 산화제증감선택부(400)로부터 결정된 산화제의 증감량과 산소유량 설정치(Qo2 _ sv)에 따라 상기 공기증감선택부(510)에 의해 결정되어 공급되는 공기유량 현재치 및 산소증감선택부(530)에 의해 결정되어 공급되는 산소유량 현재치의 값이 실제 공급되는 각각의 유량 현재치와 매칭이 되는지를 피드백 받아 확인할 필요가 있고, 그에 따라 상호 연계하여 피드백 제어할 필요가 있다.
이를 위하여, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 공기증감선택부(510)는 상기 연소챔버(11)로 공급되는 산소의 공기량 환산치[F(x5)]에 대한 신호를 수신받아 상기 공기의 증감량을 피드백 제어하고, 상기 산소증감선택부(530)는 상기 버너(20)로 공급되는 공기의 산소량 환산치[F(x6)]에 대한 신호를 수신받아 상기 산소의 증감량을 피드백 제어한다.
즉, 상기 연소챔버(11)로 공급되는 산소의 공기량 환산치[F(x5)]는, [연료유량 현재치(Qgas _ pv) - 산소유량 현재치(Qo2 _ pv) / 이론산소량(Ao2) / 과잉공기비(u)] × 이론공기량(Ao) × 과잉공기비(u)이다. 따라서, 공기증감선택부(510)는 산화제증감선택부(400)로부터 결정된 산화제의 증감량 및 산소유량 설정치(Qo2 _ sv)에 따라 결정된 공기유량과, 실제 연료유량 현재치(Qgas _ pv)를 통한 산화제유량 현재치에서 산소유량 현재치(Qo2_pv)에 대한 값을 뺀 실질적인 공기유량 현재치(Qair_pv)의 값을 상호 비교하여 피드백 제어할 수 있는 것이다.
또한 역시, 상기 버너(20)로 공급되는 공기의 산소량 환산치[F(x6)]는, [연료유량 현재치(Qgas _ pv) - 공기유량 현재치(Qair _ pv) / 이론공기량(Ao2) / 과잉공기비(u)] × 이론산소량(Ao) × 과잉공기비(u)이다. 따라서, 산소증감선택부(530)는 산화제증감선택부(400)로부터 결정된 산화제의 증감량 및 산소유량 설정치(Qo2 _ sv)에 따라 결정된 산소유량과, 실제 연료유량 현재치(Qgas _ pv)를 통한 산화제유량 현재치에서 공기유량 현재치(Qo2_pv)에 대한 값을 뺀 실질적인 산소유량 현재치(Qair_pv)의 값을 상호 비교하여 피드백 제어할 수 있는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 가열로의 산소랜싱 연소제어장치는, 종래 단일의 산화제인 공기 중의 질소(N2) 증가로 인해 NOX의 배출이 증가하던 것과 달리 투입되는 연료의 산화제인 공기와 함께 별도로 산소를 공급하여 NOX의 발생을 감소시킬 수 있다.
특히, 공기와 별도로 산화제인 산소를 투입시 버너(20)를 통해 산소를 공급하지 않고, 가열로(10)의 연소챔버(11) 내부로 산소를 직접 투입함으로써 연료의 완전연소를 효율적으로 달성할 수 있고, 복사효율의 증대로 연료를 절감할 수 있다.
한편, 공급되는 연료, 공기 및 산소의 유량을 각각 자동제어할 수 있는 트리플-크로스 제어(triple-cross controll)를 통해 각각의 연료, 공기 및 산소의 투입량 등을 최적으로 피드백 제어할 수 있다.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
10 : 가열로 11 : 연소챔버
20 : 버너
30 : 연료공급라인
40 : 공기공급라인
50 : 산소공급라인
60 : 연소제어부
100 : 온도지시조절부
200 : 연료증감선택부
300 : 연료유량지시조절부
400 : 산화제증감선택부
500 : 산화제연계조절부
510 : 공기증감선택부 520 : 공기유량지시조절부
530 : 산소증감선택부 540 : 산소유량지시조절부

Claims (5)

  1. 내부의 연소챔버에 가열소재가 수용되는 가열로와, 상기 가열로에 설치되고, 연료와 공기를 공급받아 상기 가열로의 연소챔버에 연소시키는 버너와, 상기 버너로 연료를 공급하는 연료공급라인과, 상기 버너로 공기를 공급하는 공기공급라인과, 상기 가열로의 연소챔버 내부로 산소를 직접 공급하는 산소공급라인과, 상기 연료공급라인, 공기공급라인 및 산소공급라인과 각각 연결되고, 상기 연소챔버 내부의 분위기온도를 수신받아 변환하고자 하는 목표온도에 도달하도록 상기 버너 및 가열로의 연소챔버에 각각 공급되는 연료와 산화제인 공기 및 산소의 유량을 각각 제어하는 연소제어부를 포함하고,
    상기 연소제어부는,
    상기 연소챔버의 분위기온도를 수신받아 상기 목표온도와 비교하여 온도설정값(tic_out)을 출력하는 온도지시조절부와,
    상기 온도지시조절부로부터 상기 온도설정값(tic_out)을 수신받아 연료의 증감량을 결정하는 연료증감선택부와,
    상기 연료증감선택부로부터 결정된 연료의 증감량에 따라 상기 연료공급라인으로부터 상기 버너로 공급되는 연료유량을 조절하는 연료유량지시조절부와,
    상기 온도지시조절부로부터 상기 온도설정값(tic_out)을 수신받아 산화제의 증감량을 결정하는 산화제증감선택부와,
    상기 산화제증감선택부로부터 결정된 산화제의 증감량과 산소유량 설정치에 따라 상기 공기 및 산소유량을 상호 연계하여 조절하는 산화제연계조절부를 포함하고,
    상기 연료증감선택부는,
    상기 산화제의 증감량에 따른 연료유량 환산치[F(x1)]에 대한 신호를 수신받아 상기 온도설정값(tic_out)에 따라 결정된 연료의 증감량을 피드백 제어하고,
    상기 산화제증감선택부는,
    상기 연료의 증감량에 따른 산화제유량 환산치[F(x2)]에 대한 신호를 수신받아 상기 온도설정값(tic_out)에 따라 결정된 산화제의 증감량을 피드백 제어하는 것을 특징으로 하는 가열로의 산소랜싱 연소제어장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 산화제의 증감량에 따른 연료의 유량 환산치[F(x1)]는,
    [산소유량 현재치(Qo2_pv) / 이론산소량(Ao2) / 과잉공기비(u)] + [공기유량 현재치(Qair_pv) / 이론공기량(Ao) / 과잉공기비(u)]이고,
    상기 연료의 증감량에 따른 산화제유량 환산치[F(x2)]는,
    [연료유량 현재치(Qgas_pv) × 이론공기량(Ao) × 과잉공기비(u)]인 것을 특징으로 하는 가열로의 산소랜싱 연소제어장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 산화제연계조절부는,
    상기 산화제증감선택부로부터 결정된 산화제의 증감량과 산소유량 설정치에 따른 공기유량 환산치[F(x3)]로 변환하여 공기의 증감량을 결정하는 공기증감선택부와,
    상기 공기증감선택부로부터 결정된 공기의 증감량에 따라 상기 공기공급라인으로부터 상기 버너로 공급되는 공기유량을 조절하는 공기유량지시조절부와,
    상기 산화제증감선택부로부터 결정된 산화제의 증감량과 산소유량 설정치에 따른 산소유량 환산치[F(x4)]로 변환하여 산소의 증감량을 결정하는 산소증감선택부와,
    상기 산소증감선택부로부터 결정된 산소의 증감량에 따라 상기 산소공급라인으로부터 상기 연소챔버로 공급되는 산소유량을 조절하는 산소유량지시조절부를 포함하고,
    상기 공기증감선택부는,
    상기 연소챔버로 공급되는 산소의 공기량 환산치[F(x5)]에 대한 신호를 수신받아 상기 공기의 증감량을 피드백 제어하고,
    상기 산소증감선택부는,
    상기 버너로 공급되는 공기의 산소량 환산치[F(x6)]에 대한 신호를 수신받아 상기 산소의 증감량을 피드백 제어하는 것을 특징으로 하는 가열로의 산소랜싱 연소제어장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 산화제의 증감량과 산소유량 설정치에 따른 공기유량 환산치[F(x3)]는,
    [온도설정값(tic_out) × 연료유량 최대치(Qgas _ max) - 산소유량 설정치(Qo2 _ sv) / 이론산소량(Ao2) / 과잉공기비(u)] × 이론공기량(Ao) × 과잉공기비(u)이고,
    상기 산화제의 증감량과 산소유량 설정치에 따른 산소유량 환산치[F(x4)]는,
    온도설정값(tic_out) × 연료유량 최대치(Qgas _ max) × 산소유량 설정치(Qo2 _ sv) × 이론산소량(Ao2) × 과잉공기비(u)이고,
    상기 연소챔버로 공급되는 산소의 공기량 환산치[F(x5)]는,
    [연료유량 현재치(Qgas _ pv) - 산소유량 현재치(Qo2 _ pv) / 이론산소량(Ao2) / 과잉공기비(u)] × 이론공기량(Ao) × 과잉공기비(u)이고,
    상기 버너로 공급되는 공기의 산소량 환산치[F(x6)]는,
    [연료유량 현재치(Qgas _ pv) - 공기유량 현재치(Qair _ pv) / 이론공기량(Ao) / 과잉공기비(u)] × 이론산소량(Ao2) × 과잉공기비(u)인 것을 특징으로 하는 가열로의 산소랜싱 연소제어장치.
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