산소 연소와 재생 버너로 강철 재가열 효율 높이기

강철 재가열은 재가열로 내 균일한 온도 분포를 요구하는 에너지 집약적 공정입니다. 역사적으로 회수기(recuperator)를 사용하여 연소 공기를 예열함으로써 에너지를 절약해 왔습니다. 더 최근의 혁신으로는 산소(O₂) 농축과 재생 버너의 사용이 있는데, 이는 회수기보다 더 높은 예열 공기 온도를 제공합니다. 이러한 공정들은 설비 열화, 시간이 지남에 따른 에너지 효율 저하, 높은 유지보수 비용, 특수 장비를 사용하지 않는 한 예열 공기 온도 증가에 따른 NOx 배출 증가 등의 한계가 있습니다.

연소의 시작과 지속에는 세 가지가 필요합니다: 연료, 산소, 점화를 위한 충분한 에너지. 연료와 산소가 제한 없이 만나 반응할 수 있다면 연소 공정의 효율은 가장 높습니다. 하지만 가열 관행에서는 효율적인 연소뿐만 아니라 열전달도 실질적인 고려 사항입니다.

연소용 일반 공기에는 산소 외에 질소(N₂)와 아르곤(Ar)이 포함됩니다. 공기-연료 버너에서 버너 화염에는 연소 공기에서 온 질소가 포함됩니다. 연료 에너지의 상당량이 이 질소를 가열하는 데 사용됩니다. 뜨거운 질소는 스택을 통해 빠져나가 에너지 손실을 만듭니다. 따라서 공기는 연소뿐만 아니라 열전달을 위한 최적 조건을 제공하지 않습니다. 질소가 흡수한 열은 낭비되거나 에너지 보존을 위해 회수되어야 합니다. 현재 재가열로의 최적 공기-연료 가열 시스템은 강철 1톤당 최소 310 M Cal이 필요하여 압연을 위한 적절한 강철 제품 온도를 달성합니다.

산소-연료 연소의 역사와 원리

역사적으로 산소-연료 연소의 주요 용도는 특히 강철의 용접과 절단이었습니다. 산소-연료는 공기-연료 화염보다 더 높은 화염 온도를 달성할 수 있기 때문입니다. 강철 재가열을 위한 혁신적인 산소-연료 버너 기술(100% 산소 사용)의 도입은 비교적 매우 최근의 현상입니다. 산소-연료 연소 개념은 1982년 아브라함이 이산화탄소(CO₂)가 풍부한 배가스를 제공하는 맥락에서 제안했습니다. 잠재적 이점 때문에 아르곤 국립 연구소(ANL)가 기술경제적 연구와 파일럿 규모 연구를 포함한 일부 연구 활동을 수행했습니다.

산소-연료는 연소용 산화제 공급원으로 공기를 산업용 등급 산소로 완전히 대체하는 관행을 말합니다. 산업용 등급 산소는 기체로 기화된 액체 산소 공급 또는 현장 생성 산소로 정의됩니다. 액체 산소 공급은 일반적으로 99.99% 이상의 순도를 가지며, 현장 생성 산소 순도는 보통 90%~93% 범위입니다. 현장 생성 산소의 장점은 제품이 액화되거나 수송될 필요가 없고 낮은 압력으로 공급되어 전력 소비를 최소화하므로 비용이 낮다는 것입니다. 제강용 공기 분리 플랜트가 있는 일관 제철소에서는 고순도 산소(99.99%)를 공기 분리 플랜트에서 파이프라인으로 공급할 수 있습니다.

산소-연료 연소에서 산업용 등급 산소를 사용하면 질소 가스가 제거되어 연소 자체뿐만 아니라 열전달도 더 효율적이 됩니다. 산소-연료 연소는 여러 면에서 연소 공정에 영향을 미칩니다. 첫 번째 명백한 결과는 배기 가스 부피 감소로 인한 열효율 증가인데, 이는 모든 유형의 산소-연료 버너에 기본적이고 타당한 결과입니다. 또한 연소 생성물인 CO₂와 H₂O의 농도가 로 분위기에서 증가합니다. 가열 작업에서 이 두 가지 요인은 더 높은 가열 속도, 연료 절감, 더 낮은 CO₂와 NOx 배출, 연료에 황이 포함된 경우 더 낮은 SOx 배출로 이어집니다. 그림 1은 산소-연료와 공기-연료 연소 공정을 보여줍니다.

그림 1 산소-연료와 공기-연료 연소 공정

산소-연료 연소는 여러 면에서 공기 연소와 다릅니다. 화염 온도 감소와 지연된 화염 점화가 포함됩니다. 산소-연료 연소의 많은 효과는 산소-연료와 공기에서 각각 주요 희석 가스인 CO₂와 N₂의 가스 특성 차이로 설명할 수 있습니다. CO₂는 N₂와 다른 특성을 가지며 열전달과 연소 반응 속도론에 모두 영향을 미칩니다. 이러한 차이는 아래에 설명되어 있습니다.

• 밀도 - CO₂의 분자량은 44로 N₂의 28에 비해 높으므로, 산소-연료 연소에서 배가스 밀도가 더 높습니다.
• 열용량 - CO₂의 열용량은 N₂보다 높습니다.
• 확산성 - CO₂ 내 산소 확산율은 N₂ 내의 0.8배입니다.
• 로 가스의 복사 특성: - 산소-연료 연소는 CO₂와 H₂O 수준이 더 높으며, 둘 다 높은 방사력을 가집니다.

공기-연료에 비해 산소-연료는 강철 제품을 훨씬 더 효율적이고 빠르게 가열합니다. 산소-연료의 열효율은 약 80%인 반면 공기-연료의 효율은 40%~60% 정도입니다. 산소-연료를 사용하면 생산성이 향상되고 강철 제품을 원하는 온도로 가열하는 데 필요한 연료 소비가 감소합니다. 산소-연료 사용은 온도 균일성을 개선하고 환경 배출을 줄입니다.

일반 공기를 산업용 등급 산소로 대체하는 일반적인 장점은 공기와 함께 연소 공정으로 들어오는 질소 함량이 거의 또는 완전히 제거된다는 것입니다. 연소에서 질소 감소는 연소 가스 부피 감소로 화염에서 빼앗겨 배기로 손실되는 열량이 줄어들어 더 높은 화염 온도와 연소 효율을 허용합니다. 산소-연료 연소 시 주로 CO₂와 수증기로 구성된 가스가 생성됩니다.

산소-연료 연소에 의한 열전달은 높은 방사율(화염 내 상당한 CO₂와 H₂O 농도)과 화염 부피 감소로 인한 상당한 국소적 전달이 특징이며, 이는 첫째 에너지를 피가열물에 전달하는 능력이 향상되고 둘째 에너지 효율에서 추가 이득을 가져옵니다.

연속 가열 작업에서는 로 입구 측에서 더 높은 온도로 재가열로를 경제적으로 운전할 수도 있습니다. 이는 재가열로의 가능한 처리량을 더욱 증가시킵니다. 산소-연료 연소의 에너지 효율이 고도로 예열된 연소 공기를 갖춘 재가열로와 동등하거나 심지어 더 나은 것으로 관찰되었습니다. 따라서 공기-연료 연소에 비해 산소-연료 사용의 이점은 다음과 같습니다.

• 산소-연료는 공기-연료 연소에 비해 가용 열(총 에너지 입력에서 배기 손실 에너지를 뺀 값)을 상당히 증가시킵니다. 가용 열 증가는 에너지 소비 감소와 직접 관련됩니다.
• 연소 가용 열 증가는 배기로 손실되는 열이 적고 총 에너지 입력의 더 큰 비율이 로 내부에서 일을 하는 데 남는다는 것을 의미합니다. 따라서 가용 열이 증가하면 일정한 양의 일을 하는 데 필요한 총 에너지 입력이 감소합니다.
• 가열 속도 증가로 생산성이 높아집니다. 생산 증가의 실제 한계는 피가열물의 열 흡수 능력과 피가열물이 열에 노출되는 시간과 온도에 달려 있습니다. 다양한 산소-연료 설치 경험에 따르면, 이미 설정 온도 램프 한계를 충족하는 재가열로를 제외하고 대부분의 작업에서 로 설정 온도를 높이지 않고도 제품 처리량을 늘릴 수 있습니다. 가용 열 증가 외에도 더 높은 산소-연료 화염 온도와 연소 가스의 복사 잠재력이 가열 용량과 생산 속도에 긍정적인 영향을 미칩니다.
• 복사 열전달이 열원과 수신자 간 온도 차이의 4제곱에 의존하므로, 산소-연료 연소는 화염-피가열물 복사 잠재력을 크게 증가시킵니다. 산소-연료의 연소 생성물은 또한 더 나은 복사 열전달원입니다. 공기-연료 연소 생성물의 대부분은 복사 열전달 메커니즘으로 이산화탄소와 수증기만큼 효율적이지 않은 질소인 반면, 산소-연료 연소 생성물의 대부분은 이산화탄소와 수증기로 구성되기 때문입니다.
• 로 배출 감소 - 산소-연료에서 배기 부피가 상당히 낮습니다. 산소-연료의 총 배기 부피는 일반적으로 공기-연료 총 배기 부피보다 70%~90% 적습니다. 산소-연료 사용의 가장 명백한 결과는 연료 소비가 감소한다는 것입니다. 연료 소비 감소로 단위 시간당 또는 단위 피가열물당 CO₂ 배출이 낮아집니다. 산소-연료 연소에서 연소 생성물의 질소 분압이 급격히 낮아져 높은 화염 온도에서도 NOx 생성 가능성이 낮아집니다.
• 배가스 내 오염 물질 농도가 더 높아 분리하기 쉽습니다.
• 배가스가 주로 CO₂여서 격리에 적합합니다.

위에서 언급한 이점 외에도, 산소-연료 연소 옵션은 회수기나 배출 제어 장비와 같은 효율 개선의 다른 방법에 비해 때때로 더 낮은 자본 투자로 이어질 수 있습니다. 산소-연료 연소는 회수식 또는 재생식 열회수 장치 없이 모든 설치 파이프와 흐름 라인을 콤팩트하게 만듭니다. 또한 버너, 로, 배가스 덕트의 물리적 크기를 크게 줄이고 전기 환기 팬이 필요하지 않습니다. 연소 공기 송풍기와 관련된 저주파 소음 문제도 피할 수 있습니다. 또한 일부 경우 산소-연료 연소로 전환하여 더 나은 제어와 더 짧은 가열 시간으로 인해 스케일 손실이 감소했습니다.

산소-연료 화염은 공기-연료 화염보다 더 높은 온도에 더 적은 부피와 길이를 가집니다. 강철 재가열 용도로 산소-연료 버너 시스템을 설계할 때 산소-연료의 화염 특성을 고려해야 합니다. 일반적으로 강철 가열은 제품의 국부적 과열 또는 과소열을 피하기 위해 균일한 온도 분포를 요구합니다. 산소-연료 버너의 유형과 배치는 로 유형과 화염이 강철 제품에 근접하는 정도에 따라 달라집니다.

효율에 상당한 이점을 제공하는 동안, 산소-연료의 낮은 연소 생성물 부피는 연소 제어 시스템 설계 시 특별한 주의를 필요로 합니다. 연소 비율의 적절한 제어는 연소 생성물이 가열 분위기를 구성하고 궁극적으로 스케일 형성 속도와 유형에 영향을 미치므로 강철 가열 공정에 매우 중요합니다. 공기-연료 연소 시스템에서는 공기와 함께 연소 공정으로 들어오는 높은 질소 부피가 공기-연료 비율 변화에 대한 댐퍼 또는 안전 계수 역할을 합니다. 산소-연료에서는 이 댐퍼가 거의 완전히 제거됩니다. 이는 산소-연료에서 산소-연료 비율의 백분율 변화가 공기-연료에서 동일한 변화보다 가열로 분위기에 더 큰 영향을 미친다는 것을 의미합니다.

산소-연료로 인한 로 분위기 변화는 스케일 형성에 악영향을 주지 않으며, 일부 경우 이점이 입증되었습니다. 연소 생성물 내 CO₂와 H₂O의 더 높은 분압은 더 효율적인 열전달 메커니즘을 제공하여 가열 속도를 높여 스케일 형성의 시간 요소를 줄입니다. 또한 공기-연료와 산소-연료를 비교하면 산소-연료에서 스케일 형성 특성이 변합니다. 강철 표면에 형성된 스케일 층이 공기-연료 연소 시보다 더 얇습니다. 스케일 특성 변화의 이유는 산소-연료 분위기가 얇고 치밀한 산화물 층을 빠르게 생성하여 추가 산화와 스케일 형성을 방지하기 때문으로 생각됩니다.

무화염 산소-연료 연소

최근 몇 년간 '무화염 산소-연료 연소'가 사용되고 있습니다. 이 표현은 연소 유형의 시각적 측면을 전달합니다. 즉, 화염이 더 이상 육안으로 보이지 않거나 쉽게 감지되지 않습니다. 또 다른 설명은 연소가 시간과 공간에서 '확장'된다는 것입니다. 즉, 큰 부피에 걸쳐 퍼져 나가기 때문에 때때로 '체적 연소'라고도 합니다. 이러한 화염은 균일하고 더 낮은 온도를 가지지만 동일한 양의 에너지를 포함합니다.

무화염 산소-연료 연소에서 화염은 뜨거운 로 가스에 의해 희석됩니다. 이는 열적 NOx 생성을 피하고 강철의 더 균일한 가열을 달성하기 위해 화염 온도를 낮춥니다.

무화염 산소-연료에서 연료와 산화제의 혼합물은 화염 부피 전체에서 균일하게 반응하며, 속도는 반응물의 분압과 온도에 의해 제어됩니다. 무화염 산소-연료 버너는 연소 가스를 로 전체에 효과적으로 분산시켜, 설치된 버너 수가 제한되어 있어도 자재를 더 효과적이고 균일하게 가열합니다. 분산된 화염은 여전히 같은 양의 에너지를 포함하지만 더 큰 부피에 퍼져 있습니다. 더 낮은 화염 온도는 저 NOx 생성을 실질적으로 감소시킵니다. 저 NOx 배출은 지구 온난화 관점에서도 중요합니다. NO₂는 CO₂의 거의 300배에 달하는 지구 온난화 잠재력을 가지기 때문입니다. 또한 저열량 연료 사용이 가능해졌는데, 이는 최근 고로 상부 가스 사용 등에서 강조되었습니다.

산소-연료 버너는 항상 강력하고 콤팩트했으며, 신세대 무화염 산소-연료 버너는 콤팩트한 설계를 유지하여 이미 설치된 산소-연료 버너 교체와 공기-연료 설비의 쉬운 개조를 용이하게 합니다. 게다가 무화염 산소-연료 연소는 추가 이점을 더할 뿐만 아니라, 환경 영향을 실질적으로 감소시키는 새로운 응용 분야를 열어줍니다.

산소-연료 연소 기술이 이미 구현된 제강소에서는 다음과 같은 결과를 얻고 있습니다.

• 재가열로 처리 용량 개선 최대 50% 수준까지
• 연료 소비 절감 최대 50% 수준까지
• CO₂ 배출 감소 최대 50% 수준까지
• NOx 배출량 감소
• 재가열 중 스케일 손실 감소
• 강철 표면 품질에 부정적 영향 없음
• 강철 온도 균일성에 긍정적 영향
• 제어 시스템이 제안한 이상적인 가열 곡선을 더 쉽게 달성 가능
• 로 스택에서 나오는 연기가 적어 공장 환경이 크게 개선됨