KR19980081692A - 미립자 분사 버너 및 그 작동 방법 - Google Patents

미립자 분사 버너 및 그 작동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 연료 및 제 1 옥시던트(oxidant) 유동의 가속이 그것과 미립자 물질과 제 2 옥시던트의 유동의 혼합 및 가속을 초래하는데 사용되는 전기 아크로(electric arc furnace)용 버너에 관한 것이다. 또한 버너는 미세한 비말 형태의 액체 물질 또는 슬러리를 혼합 및 가속하는 것이 가능하다.
고온 산소의 초음속 분사[초화학량론적(superstoichiometric) 화염]에 의해, 후기 연소(post combustion)뿐만 아니라 금속의 탈탄(脫炭)을 위해 버너를 사용하는 것이 가능하게 된다. 버너가 물 냉각 박스내에 장착될 수 있다. 이 박스가 후기 연소를 위해 추가 산소용 산소 포트와 결합될 수 있으며, 이 버너가 슬래그 포밍(slag foaming)을 위해 고온 산소 및 카본을 분사한다.

Description

미립자 분사 버너 및 그 작동 방법
본 발명은 미립자 물질과 같은 물질을 분사하기 위한 버너에 관한 것으로, 한정적이지 않으나, 특히 전기 아크로(electric arc furnace)에서 사용하기 위한 버너에 관한 것이다.
보충 산소 분사 랜스(lance)를 갖는 전기 아크로를 제공하는 것이 널리 공지되어 있으며, 이 노의 작동은 용융될 금속을 통과하는 열 전류(heating current)를 발생시키는 전극 사이의 아크 충돌(striking)과, 산소 분사 랜스를 경유하는 보충 산소의 분사를 포함하며, 보충 산소의 분사는 필요에 따라 금속에 가까워지도록 또는 금속으로부터 멀어지도록 이동될 수 있다. 아크는, 충돌될 때, 약 1620℃ 내지 1700℃의 최종 온도로 금속을 가열하도록 작용하는 반면, 산소는 금속내의 바람직하지 않은 요소들을 산화시키도록 작용하며, 이들이 금속으로부터 추출되어 용융된 금속의 표면상에서 부유하는 절연(insulating) 슬래그 층을 생성하도록 한다. 격리 슬래그 층은 용융된 금속이 튀는 것(splattering)으로부터 전극 및 노 벽을 보호하도록 작용한다. 보충 산소(oxy)/연료 버너는 전기 아크 가열 효과를 돕도록 노 벽내에 주로 제공되어 있다. 유럽 특허 공개공보 제 0764815 A 호는 이러한 문제를 감소하기 위한 산소/연료 버너를 설명한 것으로, 이 버너는 통상적인 전기 아크로에서 최종 임계 가열 단계 동안에 충분하게 슬래그 층을 통과할 수 없다.
통상적인 전기 아크로에 대한 또 다른 문제는 그 안에 발생하는 열 및/또는 화학적 처리에 대해 돕기 위하여 미립자 물질을 노 안으로 도입하는 것이 필요한 경우에 발생하게 된다. 이 미립자 물질이 노의 정확한 영역에 정확하게 분배되고 및/또는 전달되도록 보장하는 것이 어렵다.
본 발명의 목적은 미립자 물질을 전기 아크로와 같은 노 안으로 도입시키는 것과 관련한 전술한 문제를 감소시키고 가능한한 제거하는 것이다.
따라서, 본 발명은 종방향 축(X) 및 주 출구를 가지는 본체부와, 상기 주 출구의 상류(upstream)에 상기 축(X)에 대해 실질적으로 동심되게 배치되는 연료 및 제 1 옥시던트(oxidant) 출구와, 상기 연료 및 옥시던트를 수용 및 혼합하기 위한 상기 본체부내의 챔버와, 상기 연료 및 옥시던트의 혼합체가 연소를 위해 상기 주 출구를 향해 또한 상기 주 출구 외측으로 가속되도록 하기 위한 상기 챔버의 하류(downstream)에 위치된 가속 수단을 포함하며, 제 2 옥시던트내에서 운반되는 미립자 연료를 상기 가속된 연료 및 제 1 옥시던트의 유동내로 상기 가속 수단의 하류에 바로 인접하게 방출하기 위한 수단이 제공되어 있는, 전기 아크로용 버너 구비한다.
이러한 장치에 의해, 옥시던트 운반 미립자 물질은 연료 및 제 1 옥시던트의 가속된 유동내로 이끌리어 충분히 분배되고 및/또는 노내의 소망하는 위치에 도달한다. 미립자 물질이 석탄인 경우에, 부분적 또는 전체적 비휘발성 물질이 화염내에서 얻어질 수 있으며, 휘발성 물질은 연소를 위한 추가 연료를 제공하여 연료를 절감한다.
연료 및 제 1 옥시던트의 유동을 가속하기 위한 수단은 유동 방향으로 연속적으로 수렴 및 발산하는 혼합체에 대한 유동 통로를 포함하는 것이 바람직하다.
가속 수단은 축(X)에 실질적으로 동축인 라발 노즐(Laval nozzle)을 포함하며, 방출 수단은 축(X)에 대해 실질적으로 동심되게 배치되어 있다. 바람직하게는 방출 수단은 옥시던트 운반 미립자 물질을 축(X)에 대해 실질적으로 평행하게 방출되도록 구성되어 있다.
방출 수단은 편리하게 가속 수단을 둘러싸는 환형의 형상으로 될 수 있으며, 옥시던트 운반 미립자 물질을 중공형이며, 실질적으로 원통형 또는 원뿔형인 스프레이(spray) 패턴으로 방출시키기에 적합하게 되어 있다. 이러한 장치에 의하면, 방출 수단은 미립자 물질을 위한 직선의 유동 통로(즉, 그것의 길이의 상당한 부분을 따라 실질적으로 평행한 유동 통로)를 제공하도록 구성될 수 있으며, 이러한 직선 유동 통로는 미립자 물질이 탄화철(iron carbide)과 같이 상당한 연마 성질을 갖는 물질일 경우에 특히 적합하다.
다른 실시예로서, 방출 수단이 축(X)과 실질적으로 동축이 될 수 있으며, 가속 수단은 방출 수단의 주위에 동심되게 배치되어 있다. 가속 수단은 방출 수단을 둘러싸는 환형의 출구를 적절하게 구비할 수 있다.
이러한 장치에 있어서, 환형 출구로부터의 연료 및 제 1 옥시던트의 가속은 방출 수단에 인접하여 상당한 압력 감속를 제공하므로써, 미립자 물질의 혼합 및 통과를 향상시킨다. 방출 수단은 또한 그것으로부터 방출된 옥시던트 운반 미립자 물질을 가속하도록 형성 및 구성되므로써, 미립자 물질을 매우 큰 정도로 가속시킨다.
또한 본 발명은 연소를 위해 버너 본체의 주 출구쪽으로 또한 주 출구 외측으로 연료 및 제 1 옥시던트의 혼합체를 가속시키는 단계와, 연료 및 제 1 옥시던트의 가속 유동에 대해 인접하게 제 2 옥시던트내에 운반되는 미립자 물질을 방출시키는 단계를 포함하여, 상기 옥시던트 운반 미립자 물질이 상기 연료 및 제 1 옥시던트의 유동내로 유입되는, 전기 아크로용 버너의 작동 방법을 제공한다.
대부분의 전기 아크로 적용에 있어서, 연료는 천연 가스가 될 것이다. 제 1 옥시던트는 산소 또는 산소 농축 공기가 될 수 있으며, 미립자 물질을 운반하기 위한 제 2 옥시던트는 공기인 것이 바람직하나 어떤 적용에 있어서는 제 1 옥시던트와 유사하게 될 수 있다. 더욱이, 본 발명이 미립자 물질의 분사와 관련하여 기재되어 있지만, 본 발명에 따른 버너의 어떤 실시예는, (어떤 실시예에서 요구될 수 있는 것처럼, 추가의 액체 연료 또는 액체 산소와 같은 극저온 액체와 같은) 액체의 분사 또는 하수(sewage)와 같은 폐기된 슬러지의 건조 및/또는 소각에서와 같이, 슬러리(즉 액체내의 미립자 물질)의 분사에 특히 적합하다. 이러한 경우에 있어서, 액체 물질이 미립자 물질의 분사에 의해 공기내에서 비말 또는 분무 형태로 운반된다. 따라서 본 명세서, 특히 청구범위에서 사용된, 미립자 물질이라는 용어는 액체내에 운반되는 별개의 액체의 비말 및 미립자 물질의 비말을 둘러싸는 것으로 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 버너의 출구 단부의 부분 단면도,
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 버너의 출구 단부의 단면도,
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 버너의 단면도,
도 4a 내지 도 4d는 도 3의 버너의 다양한 실시예의 단면도.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 버너 3 : 노즐
5 : 내측 하우징 13 : 외측 하우징
15, 23 : 유동 통로 19 : 단부
이하 본 발명에 따른 실시예를 첨부 도면을 참조로 설명한다.
도 1은 버너(1)의 출구 단부의 개략 단면도이다[명료성을 위해 단지 버너(1)의 일부가 도 1에 도시되어 있고, 도 1의 버너는 종방향 축(X)에 대해 실제적으로 대칭적임을 이해해야 할 것이다].
버너(1)는 당분야에 주지된 로켓 버너(rocket burner) 노즐(3)을 포함한다. 노즐(3)이 옥시던트 대 연료의 몰비가 2 : 1 이하가 되도록 천연 가스 및 산소를 하우징(5)내로 방출한다. 유동 방향으로(도 1의 우측으로), 연료 가스 및 산소의 혼합을 위한 유동 통로가, 연료 및 제 1 옥시던트의 유동을 가속시키며 이들의 혼합을 향상시키는 작용을 하는 연속적인 수렴 및 발산 유동 통로인 라발 노즐을 형성하도록 도면 부호(7, 9 및 11)에서 라운드되어 있다. 하우징(5)을 둘러싸는 것은 또 다른 외측 하우징(13)으로 하우징(5)과 외측 하우징(13)의 내측부 사이의 환형 유동 경로 또는 통로(15)가 규정된다. 유동 통로(15)는 미립자 물질을 연료 및 제 1 옥시던트의 유동내로 도입하기 위해 제공된다. 공기내에서 운반되는 미립자 물질이 도면의 좌측에서 우측으로 유동 통로(15)를 따라 유동하며, 하우징(5)의 말단(17)에 인접한 영역에서 그곳을 통과하는 연료 및 옥시던트 유동의 가속에 의해 생성되는 압력 강하가 공기가 운반하는 미립자 물질을 빨아들여, 그것을 연료의 유동과 혼합시키고 또한 그것을 버너(1)의 단부(19)로부터 멀리 떨어진 버너 화염으로 추진시킴으로써, 미립자 물질이 버너(1)에 의해 제공되는 화염 안으로 완전히 분사되고 전기 아크로(도시하지 않음) 안으로 가능한 멀리 분사되도록 보장한다.
도 1의 버너(1)의 중요한 특징은 유동 통로(15)가 직선(즉 곡선 또는 그 안에 장애가 없음)이라는 것이다. 이것은, (탄화철의 경우와 같이) 특히 물질이 연마 성질(abrasive nature)이 있는 경우에, 미립자 물질에 의한 버너(1) 부분의 부식을 방지하는데 중요하다.
내측 하우징(5)은 바람직하게는 그것의 단부(21)가 물에 의해 냉각되고, 외측 하우징(13)이 냉각 목적을 위한(냉각수 또는 냉각 공기의 유동을 위한) 유동 통로(23)를 구비한다.
유동 통로(15)로부터 유동하는 미립자 물질을 운반하는 공기는 연소 처리를 위해 제 2 옥시던트의 중요한 공급원을 제공함으로써, 공지된 바와 같이 유해한 질소 산화물 방출을 감소하도록 돕는 단계적 화염(staged flame)을 제공한다는 것은 당업자에게 명백할 것이다.
도 2에 도시되는 버너(51)는 외측 하우징(53) 및 내측 하우징(55)을 포함하며, 외측 하우징 및 내측 하우징은 함께 환형 채널(59, 61)을 통해 각각 공급되는 연료(천연 가스) 및 산소, 또는 산소-농축 공기를 위한 환형의 계속적 수렴 및 발산 유동 통로(57)를 제공한다. 수렴/발산 유동 통로(57)가 차후의 연소를 위해 버너(51)의 주 출구(63)로부터 방출되는 연료 및 옥시던트의 유동을 가속하는 작용을 한다. (물에 의해 냉각되는) 하우징(53, 55)은 도 2의 좌측에서 우측으로 연속적인 수렴 및 발산 유동 통로(57)가 형성하도록 도면 부호(65a, 65b 및 65c, 65d)에서 각기 라운드되어 있다.
내측 하우징(55)은 또한 공기내에 운반되는 석탄과 같은 미립자 물질의 공급을 위한 수렴 유동 통로(67)를 규정하며, 미립자 물질의 유동이 유동 통로(57)로부터 방출된 연료 및 옥시던트 혼합체를 가속하는 환형 유동에 의해 생성되는 압력 감소에 의해 빨아들여져서 결합된 유동이 버너(51)의 단부(63)로부터 멀리 이동할 때 이들을 완전히 혼합시킨다. 도 2의 버너에 의해 제공되는 연료 및 혼합체의 유동을 가속시키는 환형은 유동 통로(67)를 따라 공급되는 미립자 물질에 상당한 당김 효과를 제공하여, 미립자 물질의 완전한 혼합 및 분사를 촉진시킨다. 이것은 특히 미립자 연료 물질을 화염 안으로 도입시키는데 적합하다.
도 2에 도시된 버너(51)에 있어서, 석탄/공기 및 천연 가스/산소 버너/랜스(lance)로 작동되는 경우, 약 35psi 또는 그 이상(약 0.24MPa 또는 그 이상)의 산소가 출구(61)를 따라 공급되며 4MW보다 큰 천연 가스가 공급되고 압력이 약 25psi 또는 그 이상(0.17MPa 또는 그 이상)인 경우에, 미립자 석탄의 최대 유량은 분당 50킬로그램 보다 크게 될 수 있다.
도 2의 버너가 화염을 음속 또는 초음속으로 전기 아크로 안으로 도입하기에 특히 적합하지만, 특히 미립자 물질이 연마성이 있는 경우 유동 통로(67)내에서의 미립자 유동이 내측 하우징(55)[특히 참조 부호(65c 및 65d)로 지시된 영역]의 수용할 수 없는 마모를 초래할 수 있다는 것을 당업자라면 알 수 있을 것이다. 따라서, 도 2의 버너는 분쇄 또는 미립자 석탄과 함께 사용하는 것이 적합할지라도, 도 2의 버너는, 분쇄된 코크스(coke) 또는 미립자 숯(char)(부분적으로 산화된 석탄) 또는 탄화철과 같은 경질의 미립자 물질과 함께 사용될 경우에 수용할 수 없는 마모가 발생할 수도 있으므로, 도 1에 도시된 버너가 이러한 유형의 미립자 물질과 함게 사용되기에 보다 적합하다.
도 3에 도시된 버너(101)는 중앙의 미립자 유동 통로(103)가 그안에 만곡부 또는 제한부 없는 것을 제외하고는 도 2의 실시예와 매우 유사하며, 그것은 큰 부피의 미립자 물질 또는 특히 마모성 물질을 분사할 경우, 또는 액체의 비말 또는 액체내의 미립자 물질의 슬러리를 분사할 경우에 특히 바람직하다.
산소와 같은 제 1 옥시던트 및 천연 가스와 같은 가스 연료는 각각 입구(105, 107)를 통해 축(X)을 중심으로 갖는 환상의 수렴/발산 유동 통로(107)내에 혼합되도록 지향된다. 유동 통로(103)를 따라 통과하는 제 2 옥시던트내에서 운반되는 미립자 물질이 유동 통로(109)로부터 방출되는 가속된 유동내로 운반되며, 미립자 물질이 연소 구역 전체에 걸쳐 충분히 분배된다.
화염에 걸친 미립자 물질의 분배는 미립자 물질이 노에 들어가기 전에 미리 가열되기 때문에 유리하게 된다. 미립자 물질이 석탄인 경우에, 미리 가열하는 것은 석탄 입자들을 부분적 또는 전체적으로 비휘발성으로 할 수 있으며, 방출된 휘발성 물질은 연소용 연료로 작용하며, 나머지는 주로 탄소로 구성된다.
도 3의 버너는 작동중인 버너를 냉각시키는 물의 유동을 위한 물 입구(111, 113) 및 대응하는 물 출구(115, 117)를 구비한다.
도 4a 및 도 4b는 부분적으로 분리된 도 3의 버너를 도시한 것이며, 도 4c 및 도 4d는 분리된 도 4b의 서브-조립체를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 도 3에 도시된 확대된 축대칭 구조는 상이한 유형 또는 유량의 연료, 옥시던트 및/또는 미립자 물질을 수용하도록 버너(101)의 신속하고 용이한 조립 및 분해, 유지 및 수리 또는 교환을 고려한 것이다.
전기 아크로내로의 미립자 석탄의 분사에 관해 주로 설명되어 있지만, 본 발명에 따른 버너는 다수의 다른 적용(예컨대, 전기 아크로내로의 재도입을 위해 쓸모없는 먼지를 예열하는 것과 같은, 비활성 고체 물질의 분사)에 사용될 수 있으며 또한 비말 또는 분무 형태의 액체 또는 슬러리와 함게 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 버너는 전기 아크로내에서의 사용에 제한되지 않으며, 큐폴라로(cupolar furnaces), DRI 및 탄화철 제조에서의 소각, 건조 및 다양한 철 및 제강 공정에 사용될 수 있다.
고온 산소의 초음속 분사[(초화학량론적 화염(superstoichiometic flame)]에 의해, (일산화 탄소의) 후기 연소뿐만 아니라 금속의 탈탄용으로 버너를 사용하는 것이 가능하다. 버너는 물-냉각 박스내에 장착될 수 있다. 이 박스는 후기 연소용 추가 산소를 도입하기 위한 산소 포트(port) 또는 랜스와 결합될 수 있으며, 버너는 슬래그 포밍(slag foaming)을 위해 고온 산소 및 탄소를 분사한다.
당업자에게 알려진 바와 같이, 도 1, 도 2 및 도 3에 도시된 버너의 상이한 부분은 이용가능한 배압(backpressures), 입자 크기 및 소망하는 유량, 달성될 유량/속도, 및 버너로부터 요구되는 발열량과 같은 변수를 고려하도록 구성 및 크기가 정해진다. 본 발명의 버너는 어떤 특정 연료/옥시던트 비율에 제한되지 않으며, 어떤 적용에 있어서 후기 연소 처리, 또는 슬래그 포밍과 같은, 옥시던트-풍부 연료/산소 혼합물(초화학량론적 수행)을 제공하는 것이 바람직하며, 다른 적용에서는 옥시던트-희박(poor)(서브화학량론) 혼합물을 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명의 버너는 연료 유동의 가속과 미립자 물질의 유동의 혼합 및 가속에 영향을 미치도록 사용되며, 액체 물질 또는 슬러리들을 적절한 비말 형태로 혼합 및 가속하는 것이 가능하다.

Claims (17)

  1. 종방향 축(X) 및 주 출구를 가지는 본체부와, 상기 주 출구의 상류(upstream)에 상기 축(X)에 대해 실질적으로 동심되게 배치되는 연료 및 제 1 옥시던트 출구와, 상기 연료 및 옥시던트를 수용 및 혼합하기 위한 상기 본체부내의 챔버와, 상기 연료 및 옥시던트의 혼합체가 연소를 위해 상기 주 출구를 향해 또한 상기 주 출구 외측으로 가속되도록 하기 위한 상기 챔버의 하류(downstream)에 위치된 가속 수단을 포함하며, 제 2 옥시던트내에서 운반되는 미립자 연료를 상기 가속된 연료 및 제 1 옥시던트의 유동내로 상기 가속 수단의 하류에 바로 인접하게 방출하기 위한 수단이 제공되어 있는, 전기 아크로용 버너.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가속 수단은 유동 방향으로 연속적으로 수렴 및 발산하는 상기 연료와 제 1 옥시던트의 혼합체를 위한 유동 통로를 포함하는 전기 아크로용 버너.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 가속 수단은 축(X)과 실질적으로 동축인 라발 노즐을 포함하며, 상기 방출 수단이 축(X)에 대해 동심되게 배치되는 전기 아크로용 버너.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 방출 수단은 상기 옥시던트-운반 미립자 물질을 실질적으로 축(X)에 평행하게 방출하도록 구성되는 전기 아크로용 버너.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 방출 수단은 상기 가속 수단을 둘러싸는 환형의 형태이며, 상기 옥시던트-운반 미립자 물질을 중공형이며, 실질적으로 원통형 또는 원뿔형인, 스프레이 패턴으로 방출하는 전기 아크로용 버너.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 방출 수단은 축(X)과 실질적으로 동축이며, 상기 가속 수단이 상기 방출 수단 주위에 동심되게 배치되어 있는 전기 아크로용 버너.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 가속 수단은 상기 방출 수단을 둘러싸는 환형의 출구를 가지는 전기 아크로용 버너.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 방출 수단은 그것을 통과하는 운반된 미립자 물질의 유동에 대해 실질적으로 방해됨이 없이 제공하도록 구성되어 있는 전기 아크로용 버너.
  9. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 방출 수단은 그것으로부터 방출되는 상기 옥시던트-운반 미립자 물질을 가속하도록 형성되고 구성되어 있는 전기 아크로용 버너.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서,
    연료, 옥시던트 및 미립자 물질의 상기 유동을 상기 버너내로 또한 상기 버너를 통과하도록 독립적으로 제어하기 위한 수단을 포함하는 전기 아크로용 버너.
  11. 연료와 제 1 옥시던트의 혼합체를 연소를 위해 버너 본체의 주 출구쪽으로 또한 상기 주 출구 외측으로 가속시키는 단계와, 상기 연료 및 제 1 옥시던트의 가속 유동에 인접하게 제 2 옥시던트내에서 운반되는 미립자 물질을 방출시키는 단계를 포함하는 버너의 작동 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 연료 및 제 1 옥시던트의 가속 유동의 원주 주위에 분산된 하나 또는 그 이상의 출구로부터 상기 옥시던트-운반 미립자 물질을 방출하는 단계를 포함하는 버너의 작동 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 연료 및 제 1 옥시던트의 혼합체를 중공형이며 실질적으로 원통형 또는 원뿔형인 스프레이 패턴으로 가속시키는 단계를 포함하며, 상기 옥시던트-운반 미립자 물질은 상기 스프레이 패턴내에 또한 상기 스프레이 패턴과 실질적으로 동축되게 방출되는 버너의 작동 방법.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 옥시던트는 상기 버너로부터 초음속으로 방출되는 버너의 작동 방법.
  15. 제 11 항 내지 제 14 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 옥시던트가 산소 또는 산소-농축 공기인 버너의 작동 방법.
  16. 제 11 항 내지 제 15 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 옥시던트가 공기인 버너의 작동 방법.
  17. 제 11 항 내지 제 16 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미립자 물질은 액체 비말 또는 고형 물질을 운반하는 액체의 비말로 형성되는 버너의 작동 방법.
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