순산소 연소 및 재가열로에서의 응용

산소 연료 연소 및 재가열로에서의 적용

철강 재가열은 재가열로 내에서 균일한 온도 분포를 요구하는 에너지 집약적 공정입니다. 역사적으로, 복열기는 연소 공기를 예열하여 에너지를 절약하는 데 사용되었습니다. 보다 최근의 혁신에는 산소(O2) 농축과 복열기보다 더 높은 예열 공기 온도를 제공하는 재생 버너의 사용이 포함됩니다. 이러한 공정은 특수 장비를 사용하지 않는 한 장비 노후화, 시간 경과에 따른 에너지 효율 감소, 높은 유지 보수 비용, 증가된 공기 예열 온도에 따른 NOx 배출 증가와 같은 한계가 있습니다.

연소의 시작과 지속에는 세 가지가 필요합니다. 이들은 연료, 산소 및 점화에 필요한 충분한 에너지입니다. 연료와 산소가 아무런 제한 없이 만나 반응할 수 있는 경우 연소 과정의 효율성이 가장 높습니다. 그러나 난방 연습 중에는 효율적인 연소 외에도 열 전달도 실제 고려 사항입니다.

연소에 사용되는 일반 공기에는 산소 외에 질소(N2)와 아르곤(Ar)이 포함되어 있습니다. 공기 – 연료 버너에서 버너 화염에는 연소 공기의 질소가 포함됩니다. 상당한 양의 연료 에너지가 이 질소를 가열하는 데 사용됩니다. 뜨거운 질소는 스택을 통해 빠져나가 에너지 손실을 발생시킵니다. 따라서 공기는 열 전달뿐만 아니라 연소를 위한 최적의 조건을 제공하지 않습니다. 질소에 의해 흡수된 열은 낭비되거나 에너지 보존을 위해 회수됩니다. 현재 최고의 재가열로 공기 연료 가열 시스템은 압연을 위한 철강 제품의 적정 온도를 달성하기 위해 철강 톤당 최소 310M Cal이 필요합니다.

역사적으로 순산소 연소의 주요 용도는 금속, 특히 강철의 용접 및 절단에 있었습니다. 순산소는 공기 연료 화염으로 달성할 수 있는 것보다 더 높은 화염 온도를 허용하기 때문입니다. 철강 재가열을 위한 혁신적인 산소 연료 버너 기술(100% 산소 사용)의 도입은 비교적 최근의 현상입니다. 산소 – 연료 연소의 개념은 1982년 Abraham이 이산화탄소(CO2)가 풍부한 연도 가스를 제공하는 맥락에서 제안했습니다. 잠재적인 이점으로 인해 Argonne National Laboratory(ANL)는 해당 주제에 대한 테크노 경제 연구 및 파일럿 규모 연구를 포함한 일부 연구 활동을 수행했습니다.

산소 – 연료는 연소용 산화제의 공급원인 공기를 산업용 등급의 ​​산소로 완전히 대체하는 관행을 나타냅니다. 산업용 산소는 기체 또는 현장에서 생성된 산소로 기화된 액체 산소 공급으로 정의됩니다. 액체 산소 공급 장치의 순도는 일반적으로 99.99% 이상인 반면 현장에서 생성되는 산소 순도는 일반적으로 90% ~ 93%입니다. 현장에서 생성된 산소를 사용하는 이점은 제품을 액화하거나 운송할 필요가 없고 전력 소비를 최소화하기 위해 더 낮은 압력으로 전달되기 때문에 비용이 저렴하다는 것입니다. 제강용 공기 분리 플랜트가 있는 일관제철 플랜트에서는 공기 분리 플랜트의 파이프라인을 통해 고순도 산소(99.99%)를 공급할 수 있습니다.

산소-연료 연소의 경우와 같이 산업용 등급의 ​​산소를 사용하여 질소 가스를 피하면 연소 자체가 더 효율적일 뿐만 아니라 열 전달도 더 효율적입니다. 산소 – 연료 연소는 여러 가지 방식으로 연소 과정에 영향을 미칩니다. 첫 번째 명백한 결과는 감소된 배기 가스 부피로 인한 열 효율의 증가이며, 이는 모든 유형의 순산소 버너에 기본적이고 유효한 결과입니다. 또한, 연소의 고방사 생성물인 CO2 및 H2O의 농도는 노 분위기에서 증가합니다. 난방 작동의 경우 이 두 가지 요소는 연료에 황이 포함된 경우 더 높은 난방 속도, 연료 절약, CO2 및 NOx 배출량 감소, SOx 배출량 감소로 이어집니다. 그림 1은 Oxy – 연료 및 공기 – 연료 연소 과정을 보여줍니다.

그림 1 산소 – 연료 및 공기 – 연료 연소 과정

산소 - 연료 연소는 감소된 화염 온도 및 지연된 화염 점화를 포함하여 여러 면에서 공기 연소와 다른 것으로 밝혀졌습니다. 순산소 연료 연소의 많은 효과는 각각 순산소 연료와 공기의 주요 희석 가스인 CO2와 N2 사이의 가스 특성 차이로 설명할 수 있습니다. CO2는 열 전달 및 연소 반응 역학 모두에 영향을 미치는 N2와 다른 특성을 가지고 있습니다. 이러한 차이점은 아래에 설명되어 있습니다.

• 밀도 - CO2의 분자량은 N2의 경우 28에 비해 44이므로 순산소 연소 시 연도 가스의 밀도가 더 높습니다.
• 열용량 -CO2의 열용량은 N2보다 높습니다.
• 확산율 – CO2의 산소 확산 속도는 N2의 0.8배입니다.
• 로 가스의 복사 특성:-산소 – 연료 연소는 더 높은 CO2 및 H2O 수준을 가지며 둘 다 높은 방출력을 가집니다.

공기 연료와 비교하여 순산소 연료는 철강 제품을 훨씬 더 효율적이고 빠르게 가열합니다. 순산소 연료의 열효율은 공기 연료의 효율이 약 40~60%인 것에 비해 약 80%입니다. 순산소 연료를 사용하면 철강 제품을 원하는 온도로 가열하기 위해 생산성이 향상되고 연료 소비가 감소합니다. 산소 연료를 사용하면 온도 균일도가 향상되고 환경에 대한 배출량도 줄어듭니다.

공기를 산업용 산소로 대체하는 일반적인 이점은 연소 과정에서 공기를 사용하는 질소 함량이 거의 또는 완전히 제거된다는 것입니다. 연소 시 질소의 감소는 더 낮은 연소 가스 부피가 화염으로부터 빼앗아 배기로 손실되는 열의 양을 감소시키기 때문에 더 높은 화염 온도와 연소 효율을 허용합니다. 산소 – 연료 연소 중에 주로 CO2와 물로 구성된 가스가 생성됩니다.

산소-연료 연소에 의한 열전달은 높은 방사율(화염 내 CO2 및 H2O의 상당한 농도)과 감소된 화염 부피로 인해 상당한 국부적 전달이 특징이며, 이는 먼저 에너지를 부하로 전달하는 능력을 향상시키고 두 번째는 추가 이득을 가져옵니다. 에너지 효율성 측면에서.

연속 가열 작업의 경우 가열로 입구 측에서 더 높은 온도에서 재가열로를 경제적으로 작동하는 것도 가능합니다. 이는 재가열로의 가능한 처리량을 더욱 증가시킵니다. 산소-연료 연소의 에너지 효율은 고도로 예열된 연소 공기용 장비가 있는 재가열로와 동일하거나 더 나은 것으로 관찰되었습니다. 따라서 공기-연료 연소에 비해 순산소 연료를 사용하는 이점은 다음과 같습니다.

• 산소 연료는 공기 연료 연소에 비해 사용 가능한 열(총 에너지 입력에서 배기로 손실되는 에너지를 뺀 값)을 상당히 증가시킵니다. 사용 가능한 열의 증가는 에너지 소비 감소와 직접적인 관련이 있습니다.
• 가용 연소열이 증가한다는 것은 배기가스로 손실되는 열이 줄어들고 총 에너지 투입량의 더 많은 비율이 용광로에서 작업을 위해 남겨진다는 것을 의미합니다. 따라서 사용 가능한 열이 증가하면 일정한 양의 일을 하는 데 필요한 총 에너지 입력량이 감소합니다.
• 가열 속도를 높이면 생산량이 증가합니다. 생산량 증가에 대한 실질적인 한계는 부하가 열을 흡수하는 능력과 부하가 열에 노출되는 시간과 온도에 따라 달라집니다. 다양한 순산소 연료 설비의 경험에 따르면 이미 설정된 온도 램프 한계를 충족하는 재가열로를 제외하고 대부분의 작업에서 노 온도 설정점을 높이지 않고도 제품 처리량이 증가할 수 있습니다. 사용 가능한 열의 증가 외에도 높은 순산소 화염 온도와 연소 가스의 복사 가능성은 가열 용량과 생산 속도에 긍정적인 영향을 미칩니다.
• 복사 열 전달은 소스에서 수신기까지의 4승의 온도 차이에 의존하기 때문에 순산소 연소로 인해 화염 대 부하 복사 전위가 크게 증가합니다. 순산소 연료의 연소 생성물은 복사열 전달의 더 나은 원천이기도 합니다. 이는 대부분의 공기 연료 연소 생성물이 산소 연료 연소 생성물의 대부분을 구성하는 이산화탄소 및 수증기만큼 효율적인 복사 열 전달 메커니즘이 아닌 질소이기 때문입니다.
• 로 배출 감소 – 순산소 연료를 사용하면 배기 가스 양이 상당히 줄어듭니다. 순산소 연료를 포함한 총 배기량은 일반적으로 총 공기 연료 배기량보다 70~90% 적습니다. 순산소 연료 사용의 가장 분명한 결과는 연료 소비가 감소된다는 것입니다. 연료 소비가 감소함에 따라 CO2 배출량은 주어진 시간 동안 또는 가열된 부하 단위당 더 낮아집니다. 순산소 연소를 사용하면 연소 생성물의 질소 부분압이 급격히 감소하여 높은 화염 온도에서도 NOx 형성 가능성이 낮아집니다.
• 연도 가스의 오염 물질 농도가 높아 분리가 용이함
• 연도 가스는 주로 CO2이며 격리에 적합합니다.

위에서 언급한 이점 외에도 순산소 연소를 사용하는 옵션은 복열기 또는 배기 가스 제어 장비와 같은 효율성을 개선하는 다른 방법과 비교하여 자본 투자를 낮추는 결과를 낳을 수 있습니다. 산소 – 연료 연소를 통해 모든 설치 파이프와 플로우 트레인을 환열 또는 재생 열 회수 장치 없이도 컴팩트하게 만들 수 있습니다. 또한 버너, 용광로 및 연도 가스 덕트의 물리적 크기를 크게 줄이고 전기 환기 팬이 필요하지 않습니다. 또한 연소 공기 송풍기 및 관련 저주파 소음 문제가 방지됩니다. 또한 어떤 경우에는 산소 – 연료 연소로 전환하면 더 나은 제어와 더 짧은 가열 시간으로 인해 스케일 손실이 줄어듭니다.

순산소 화염은 공기 연료 화염보다 더 적은 부피와 길이로 더 높은 온도를 갖는다. 철강 재가열 응용 분야를 위한 순산소 버너 시스템을 설계할 때 순산소 연료의 화염 특성을 고려해야 합니다. 일반적으로 철강 가열은 제품의 국부적인 과열 또는 과열을 방지하기 위해 균일한 온도 분포를 요구합니다. 순산소 버너의 유형과 배치는 용광로의 유형과 강철 제품에 대한 화염의 근접성에 따라 다릅니다.

효율성에 상당한 이점을 제공하지만, 순산소 연료를 사용하는 연소 생성물의 양이 적기 때문에 연소 제어 시스템을 설계할 때 몇 가지 특별한 주의가 필요합니다. 연소 생성물이 가열 분위기를 구성하고 궁극적으로 스케일 형성 속도 및 유형에 영향을 미치기 때문에 연소 비율의 적절한 제어는 철강 가열 공정에서 매우 중요합니다. 공기-연료 연소 시스템에서 공기와 함께 연소 과정으로 유입되는 다량의 질소는 공기 대 연료 비율의 변화에 ​​대한 댐퍼 또는 안전 요소를 제공합니다. 순산소 연료를 사용하면 이 댐퍼가 거의 완전히 제거됩니다. 이것은 순산소 연료 비율의 산소 대 연료 비율 변화가 공기 연료의 동일한 변화보다 가열로 분위기에 더 큰 영향을 미친다는 것을 의미합니다.

산소 연료를 사용하는 용광로 분위기의 변화는 스케일 형성에 해로운 영향을 미치지 않으며 일부 경우에는 이점이 있는 것으로 입증되었습니다. 연소 생성물에서 CO2 및 H2O의 더 높은 부분압은 더 효율적인 열 전달 메커니즘을 제공하여 스케일 형성을 위한 시간 요소를 줄이는 가열 속도를 증가시킵니다. 또한 공기 연료와 순산소 연료를 비교하면 순산소 연료에 따라 스케일 형성의 특성이 변하는 것을 알 수 있습니다. 강철 표면에 형성되는 스케일은 공기 연료 소성으로 형성되는 것보다 더 얇은 층에 있습니다. 스케일 특성이 변화하는 이유는 순산소 분위기가 더 이상의 산화 및 스케일 형성을 방지하는 얇고 조밀한 산화물 층을 빠르게 생성하기 때문인 것으로 생각됩니다.

무화염 산소 – 연료 연소

최근 몇 년 동안 '무화염 산소 - 연료 연소'가 사용되었습니다. 이 표현은 연소 유형의 시각적 측면, 즉 화염이 더 이상 육안으로 보이지 않거나 사람의 눈으로 쉽게 감지되지 않는다는 것을 전달합니다. 또 다른 설명은 연소가 시간과 공간에서 '확장'된다는 것일 수 있습니다. 연소는 많은 양으로 퍼져 있기 때문에 때때로 '체적 연소'라고 합니다. 이러한 불꽃은 균일하고 낮은 온도를 가지지만 동일한 양의 에너지를 포함합니다.

무화염 산소 – 연료 연소에서 화염은 뜨거운 노 가스에 의해 희석됩니다. 이것은 화염 온도를 낮추어 열적 NOx 생성을 방지하고 강철을 보다 균일하게 가열합니다.

무화염 산소 연료에서 연료와 산화제의 혼합물은 화염 부피를 통해 균일하게 반응하며 속도는 반응물의 분압과 온도에 의해 제어됩니다. 무화염 산소 – 연료 버너가 연소 가스를 퍼니스 전체에 효과적으로 분산시켜 제한된 수의 버너가 설치된 경우에도 재료의 더 효과적이고 균일한 가열을 보장합니다 – 분산된 화염은 여전히 ​​동일한 양의 에너지를 포함하지만 더 큰 부피로 퍼집니다. . 낮은 화염 온도는 낮은 NOx 형성을 실질적으로 감소시킨다. 낮은 NOx 배출은 지구 ​​온난화 관점에서도 중요합니다. NO2는 CO2의 거의 300배에 달하는 소위 지구 온난화 잠재력을 가지고 있습니다. 또한 최근 강조되고 있는 고로 상부 가스 등의 저열량 연료 사용이 가능합니다.

산소 – 연료 버너는 항상 강력하고 컴팩트했으며, 차세대 화염 없는 산소 – 연료 버너는 이미 설치된 산소 – 연료 버너의 교환을 용이하게 하고 공기 – 연료 설비를 쉽게 개조할 수 있도록 컴팩트한 디자인을 유지했습니다. 또한, 무화염 산소 – 연료 연소는 추가적인 이점을 제공할 뿐만 아니라 새로운 응용 분야를 열어 모든 환경에 미치는 영향을 크게 줄여줍니다.

순산소 연소 기술이 이미 구현된 제철소에서는 다음과 같은 결과를 얻고 있습니다.

• 최대 50% 수준까지 재가열로의 처리 능력 향상
• 최대 50% 수준의 연료 소비 절감
• CO2 배출량을 최대 50%까지 감소
• NOx 배출량 감소
• 재가열 중 스케일 손실 감소
• 강철의 표면 품질에 부정적인 영향이 없습니다.
• 강의 온도 균일성에 긍정적인 영향이 있음
• 제어 시스템이 제안하는 이상적인 가열 곡선을 보다 쉽게 ​​달성할 수 있습니다.
• 로 스택에서 발생하는 연기가 적어 공장 환경이 크게 개선됩니다.

  
  

  
  
  강철의 비파괴 검사 재가열로의 버너 유형