로는 피가열물(로에서 가열할 재료) 가열과 화학 반응을 위해 열이 필요합니다. 열에너지의 세 가지 공급원은 (i) 연료 연소, (ii) 전기 에너지, (iii) 발열 반응을 통한 화학 에너지입니다. 전열로를 제외하면 이 열 요구량(화학 에너지 제외)은 연료 연소로 충족됩니다. 연료는 기체 연료(코크스 오븐 가스, 고로 가스, 전로 가스 같은 부생가스, 천연가스, LPG 등), 액체 연료(중유, 타르 등), 고체 연료(석탄, 코크스 등)일 수 있습니다.
모든 연료는 위치 에너지를 포함합니다. 연소 시 이 위치 에너지는 연소 생성물(POC)로 방출됩니다. 연소는 일반적으로 연료와 산화제 사이의 화학 반응에서 열과 에너지가 제어된 방식으로 방출되는 것으로 간주됩니다. 거의 모든 산업 공정의 연소는 탄화수소 연료를 사용합니다. 대표적인 탄화수소 연료의 일반화된 연소 반응식은 '연료 + 산화제 = 이산화탄소(CO₂) + 수증기(H₂O) + 기타 물질'입니다. '기타 물질'은 사용된 산화제 종류와 연료-산화제 비율에 따라 달라집니다. 가장 흔한 산화제는 공기로, 부피 기준 약 79%가 질소(N₂)며 연소 과정에서 거의 그대로 통과합니다. 연료 과잉 연소(산소 부족) 시 미연 탄화수소가 배기 생성물에 남고 여분 O₂는 거의 없습니다. 연료 부족 연소(산소 과잉) 시 배기 생성물에 과잉 O₂가 존재합니다.
연료는 로 연소 시스템의 열전달에 큰 영향을 미칩니다. 가장 중요한 특성 중 하나는 연료의 발열량입니다. 이는 가열할 재료의 목표 생산량을 처리하기 위해 얼마나 많은 연료를 태워야 하는지 결정하는 데 쓰입니다. 발열량은 고위 발열량(HHV)과 저위 발열량(LHV)으로 표시됩니다.
LHV는 기화열(액체 물을 증기로 바꾸는 데 필요한 에너지)을 제외합니다. 즉, LHV는 모든 POC가 기체 상태라고 가정하는데, 이는 거의 모든 산업 연소 적용 사례에 해당합니다. 연소 생성물이 물이 기체에서 액체로 응축될 만큼 충분히 낮은 온도에서 공정을 떠나면 응축열이 추가 에너지원으로 공정에 방출됩니다. HHV는 이 추가 에너지를 포함합니다.
연료 조성은 POC 조성과 연료 연소에 필요한 산화제 양을 결정하는 데 중요합니다. 연료 밀도는 로 연료 공급 시스템의 유량과 관련 배관 크기 결정에 필요합니다.
배기 가스 조성은 로 내 열전달 결정에 매우 중요합니다. 배기 중 미연 탄화수소는 연료가 완전히 타지 않았음을 의미하며, 이용 가능한 열이 모두 방출되지 않았음을 나타냅니다. 배기 가스의 높은 과잉 O₂ 농도는 산화제가 과다 공급되었음을 뜻합니다. 과잉 산화제는 현열을 배기 가스로 빼앗아 갑니다. 이는 다시 연료의 이용 가능 열이 피가열물 가열에 충분히 활용되지 못했음을 의미합니다. 산화제가 공기라면 연료의 이용 가능 에너지의 큰 부분이 배기 생성물과 함께 굴뚝으로 빠져나갑니다.
POC는 열에너지를 피가열물에 전달해 목표 온도까지 올린 뒤 로를 떠납니다. 임계 공정 온도에서 POC의 현열은 로에 이용할 수 없습니다. 공정 임계 온도가 높을수록 POC의 현열이 커집니다. 이 POC 현열은 연료 이용률 관점에서 매우 중요합니다.
산업 연소 공정에서 흔히 쓰이는 산화제는 두 가지입니다. 대다수 공정은 공기를 산화제로 쓰지만, 고온 공정 다수는 공기 중 산소 농도(부피 기준 약 21%)보다 높은 산화제를 씁니다. 이를 O₂ 농축 연소라 합니다. 많은 경우 가열 공정에서 생산 속도를 O₂ 농축만으로도 크게 높일 수 있습니다.
여러 사례에서 공기/연료 버너는 최대 약 30% O₂ 함유 산화제로도 거의 개조 없이 운전 가능합니다. 더 높은 O₂ 농도에서는 공기/연료 조건용으로 설계된 버너에서 화염이 불안정해지거나 화염 온도가 너무 높아질 수 있습니다. 고온 적용 분야에서 고순도 O₂의 이점이 추가 비용을 정당화하면 더 고순도 산화제(90% 이상 O₂)를 쓸 수 있습니다. 고순도 O₂로 가열 공정이 크게 강화됩니다. 산화제 순도는 연소 시스템 열전달에 큰 영향을 미칩니다.
연소 시스템에서 중요한 측면은 연료와 산화제의 비율입니다. 이를 지정하는 방법은 여러 가지가 있는데, 여기서는 간략히 다룹니다. 연료로 CH₄(메탄)를 쓰는 전반적 연소 반응은 'CH₄ + (xO₂ + yN₂) = CO, CO₂, H₂, H₂O, N₂, NOx, O₂, 미량 성분'으로 쓸 수 있습니다. 반응의 화학량론은 주어진 연소 시스템에서 O₂와 연료의 비율을 나타냅니다. 화학량론을 정량화하는 한 방법은 산화제 중 O₂만 고려하는 것입니다. 산화제의 불활성 기체는 반응에 필요 없기 때문입니다. CH₄를 연료로 쓸 때 공기와의 전반적 간이 화학량론 반응은 'CH₄ + (2O₂ + 7.52N₂) = CO₂ + 2H₂O + 7.52N₂'로 쓸 수 있습니다. 여기서 공기는 2O₂ + 7.52N₂로 표현되며, 화학량론 비율은 2입니다. CH₄ 분자 1개를 태우는 데 O₂ 분자 2개가 필요하기 때문입니다.
이 화학량론 비율 지정법은 O₂ 농축 연소 시스템에서 주로 쓰입니다. 연소 시스템에 공급되는 O₂ 양이 중요하기 때문입니다.
실제 화염은 연료 완전 연소를 위해 약간의 과잉 O₂를 필요로 합니다. 이는 연료와 산화제 사이 불완전한 혼합 때문입니다. CH₄ 연료 과잉 연소 시 화학량론 비율은 2 미만입니다. CH₄ 연료 부족 연소 시 화학량론 비율은 2 초과입니다. 따라서 산화제 조성이 중요합니다. 산화제 조성을 지정하는 일반적인 방법은 산화제 중 O₂ 몰분율을 계산하는 것입니다.
많은 산업 연소 공정은 이론적으로 완벽한 연소에 필요한 양보다 약 3% 더 많은 O₂로 운전합니다. 이는 미연 탄화수소 배출을 최소화하고 연료 완전 연소를 보장하는 데 필요한 과잉 O₂ 양인 경우가 많습니다. 특히 비예혼합 시스템에서 연료와 산화제 사이 혼합 한계 때문일 수 있습니다.
과도한 과잉 O₂는 여분 연소 공기를 데우는 데 에너지가 낭비되어 피가열물 가열에 쓰이지 않음을 의미합니다. 따라서 CO(일산화탄소) 배출을 낮추는 데 딱 필요한 만큼만 과잉 O₂를 쓰는 것이 바람직합니다. CH₄에 3% 과잉 O₂를 적용한 간이 전반적 반응 예시는 'CH₄ + (2.06O₂ + 7.75N₂) = CO₂ + 2H₂O + 0.06O₂ + 7.75N₂'입니다.
대부분 산업 화염은 난류이며, 일반적으로 난류 레이놀즈 수(Re)로 결정됩니다. 난류 특성 길이 척도는 보통 콜모고로프 길이라 부릅니다. 콜모고로프 길이는 소산이 일어나는 차원을 나타냅니다. 테일러 길이 척도는 변형률과 점성력의 비율로 정의됩니다. 다양한 길이를 이용해 화염을 특성화할 수 있습니다. 화염은 (i) 주름 화염, (ii) 심한 주름 화염, (iii) 와도 내 화염소, (iv) 분산 반응 전선일 수 있습니다. 무차원 담쾰러 수(Da)는 특정 연소 반응 유형에 중요한 반응 시간 유형을 나타냅니다. 이 수는 반응 시간과 유속의 비율입니다.
산업 적용에서 일반적으로 쓰이는 정상 연소 특성은 (i) 연소 생성물 조성, (ii) 화염 온도, (iii) 이용 가능 열, (iv) 연소 후 배가스 부피입니다. 이들은 화염과 배기 가스에서 로와 피가열물로의 열전달 계산에 중요합니다.
연소 생성물에 큰 영향을 미치는 변수가 여럿 있습니다. 중요한 변수로는 산화제 조성, 혼합비, 공기와 연료 예열 온도, 연료 조성 등이 있습니다.
CH₄ 연소 예로 들면, 공기와의 화학량론 연소는 'CH₄ + 2O₂ + 7.52N₂ = CO₂, 2H₂O, 7.52N₂, 미량 성분'으로 표현됩니다. 배기 가스의 70 부피% 이상이 N₂임을 알 수 있습니다. 마찬가지로 화학량론적 O₂/CH₄ 연소는 'CH₄ + 2O₂ = CO₂, 2H₂O, 미량 성분'으로 표현됩니다. N₂ 제거로 배기 가스 부피가 크게 줄어듭니다. 일반적으로 화학량론적 O₂ 농축 CH₄ 연소는 'CH₄ + 2O₂ + xN₂ = CO₂ + 2H₂O + xN₂ + 미량 성분'으로 표현됩니다.
연소 반응의 실제 배기 생성물 조성은 산화제 조성, 가스 온도, 당량비 등 여러 요인에 따라 달라집니다. 당량비는 실제 연료/공기 비율과 화학량론적 연료/공기 비율의 비율로 정의됩니다. 화학량론적 연소는 모든 O₂가 반응에서 소모되어 생성물에 분자 O₂가 없을 때 발생합니다.
단열 과정이란 반응 중 열 손실이 없거나 반응이 완전 단열 챔버에서 일어남을 뜻합니다. 실제 연소 과정에서는 화염으로부터 복사로 열이 손실되므로 이는 해당하지 않습니다. 산화제 조성에 따른 단열 평형 연소 시 예측되는 주 생성물은 CH₄의 경우 산화제 조성의 함수입니다.
평형 과정이란 화학 반응에 무한한 시간이 주어지거나 반응 생성물이 화학 반응 속도에 제한되지 않음을 뜻합니다. 그러나 실제 조건에서는 연소 반응이 1초도 안 돼 완료됩니다. 또한 산화제에서 N₂가 제거되면 배기 생성물의 N₂ 농도도 그에 따라 감소합니다. 마찬가지로 CO, CO₂, H₂O 농도는 증가합니다. 이 단열 과정에서 산화제 내 O₂ 수준이 높을 때 상당한 양의 CO가 발생합니다.
라디칼 생성물 H, O, OH 모두 산화제 내 O₂와 함께 증가합니다. NO(일산화질소)는 초기에 증가하다 산화제 내 O₂ 약 60% 이후 감소하는데, 시스템에서 N₂가 더 많이 제거되기 때문입니다. 산화제가 순수 O₂면 N₂가 없으므로 NO는 생성되지 않습니다. 미연 연료 형태인 H₂와 미반응 산화제 형태인 O₂도 산화제 내 O₂ 농도와 함께 증가합니다. 이 라디칼 농도 증가, 미연 연료(CO, H₂) 증가, 미반응 O₂ 증가는 모두 고온에서 일어나는 화학적 해리 때문입니다.
실제 화염 온도는 불완전 연소와 화염 복사 때문에 단열 평형 화염 온도보다 낮습니다. 실제 화염 온도는 화염이 열을 얼마나 잘 복사하는지, 연소 시스템(피가열물과 내화 벽 포함)이 그 복사를 얼마나 잘 흡수하는지에 따라 결정됩니다.
높은 발광 화염은 일반적으로 비발광 화염보다 화염 온도가 낮습니다. 실제 화염 온도는 피가열물과 벽이 더 복사 흡수적일 때도 낮아집니다. 이는 피가열물과 벽이 더 낮은 온도이고 더 높은 복사 흡수율을 가질 때 발생합니다.
기체 연소 생성물이 화염을 떠나 연소실을 통과하면서 대류와 복사로 더 많은 열을 잃습니다. 연소 공정의 목적은 연료에 담긴 화학 에너지를 피가열물에, 경우에 따라 연소실에 전달하는 것입니다. 연소 공정이 열적으로 더 효율적일수록 연소 생성물에서 피가열물과 연소실로 더 많은 열이 전달됩니다. 따라서 열효율 좋은 가열 공정에서는 배기 스택의 가스 온도가 화염 온도보다 훨씬 낮게 유지하는 것이 바람직합니다. 연소 생성물 조성은 가스 온도에 따라 변합니다.
배기 가스 중 O₂와 N₂ 농도는 당량비가 증가함에 따라 엄격히 감소합니다. H₂O와 CO₂ 농도는 화학량론 조건에서 정점을 이룹니다. 이는 두 기체 모두 비발광 기체 복사를 일으키므로 중요합니다. 미연 연료 형태인 H₂와 CO는 당량비와 함께 증가합니다. 이는 이용 가능 열에 반영되는데, 모든 연료가 완전히 타지 않기 때문입니다.
많은 산업 연소 공정에서 열을 회수해 공정 전반의 열효율을 높이고 운전 비용을 줄입니다. 회수 열은 주로 연소 공기 예열에 쓰이고, 때로는 연료 예열에도 쓰입니다. 공기나 연료 예열은 연소 생성물 조성에 영향을 줍니다. 공기 예열 시 화학적 해리로 CO₂, H₂O, N₂ 모두 배기 가스에서 감소합니다. 안전 고려사항과 연료 공급 배관 그을음 발생 가능성 때문에 높은 연료 예열 온도는 대부분 조건에서 실용적이지 않거나 권장되지 않습니다. 주요 성분 농도는 약간만 감소하고 미량 성분 농도는 약간만 증가하는 것으로 보입니다. 이는 연료 질량이 연소 시스템에 공급되는 연소 공기 질량에 비해 상대적으로 작기 때문입니다. 이는 주어진 예열 온도에서 연소 공기 예열이 연료 예열보다 훨씬 더 큰 영향을 미친다는 뜻입니다.
연소 생성물은 연료 조성에 따라 달라집니다. 다양한 운전 조건에서 다른 연료의 예측 연소 생성물 조성을 계산할 수 있습니다. 가장 흔한 기체 연료는 H₂(수소), CH₄, C₃H₈(프로판), H₂와 CH₄ 혼합물입니다. 이들은 산업 적용에서 일반적으로 쓰이는 연료를 대표합니다. 발광성 측면에서 H₂는 비발광 화염, CH₄는 저발광 화염, C₃H₈는 고발광 화염을 만듭니다.
화염 온도는 화염에서 피가열물로의 열전달을 결정하는 중요한 변수입니다. 단열 화염 온도는 산화제와 연료 조성, 혼합비, 공기와 연료 예열 온도에 영향을 받습니다. 그러나 실제 화염 온도는 단열 화염 온도만큼 높지 않지만, 경향은 비교 가능하고 실제 조건을 대표합니다.
공기를 O₂로 대체하면 화염 온도가 크게 상승합니다. N₂가 희석제 역할을 해 화염 온도를 낮추기 때문입니다. 화염 온도는 보통 공기와 순수 O₂ 사이에서 변합니다. 공기에서 산화제 내 약 60% O₂까지 화염 온도가 급격히 상승합니다. 더 높은 O₂ 농도에서는 상승률이 느려집니다. 연료 조성도 화염 온도에 강한 영향을 미칩니다. H₂와 CH₄ 혼합 연료에서 H₂ 함량이 증가하면 온도도 상승합니다. 이 증가는 선형이 아니며, 높은 H₂ 수준에서 더 급격히 상승합니다. H₂가 CH₄와 C₃H₈에 비해 상대적으로 비싸 많은 산업 적용에서 쓰이지 않습니다. 그러나 고 H₂ 연료는 많은 탄화수소 적용 분야에서 쓰이는데, 이들은 화학 제조 공정의 부산물이라 산업 가스 공급업체에서 H₂를 구매하는 것보다 훨씬 저렴하고 다른 구매 연료보다 비용 효율적이기 때문입니다.
최고 화염 온도는 화학량론 조건에서 발생합니다. 산화제 내 O₂ 농도가 낮을수록 비화학량론 조건(연료 과잉 또는 연료 부족)에서 화염 온도가 더 많이 낮아집니다. 이는 더 높은 N₂ 농도가 열을 흡수해 전체 온도를 낮추기 때문입니다. 화학량론 조건에서는 모든 연료를 완전히 태울 만큼의 산화제가 딱 있습니다. 추가 산화제는 화염에서 현열을 흡수해 화염 온도를 낮춥니다. 실제 화염 다수는 약간 연료 부족 조건에서 최고 화염 온도가 나타납니다. 불완전 혼합으로 모든 연료를 완전히 태우려면 약간 더 많은 O₂가 필요하기 때문입니다. 거의 모든 산업 연소 적용은 CO 배출을 낮게 유지하기 위해 연료 부족 조건으로 운전합니다. 따라서 실제 버너 설계에 따라 화염 온도가 최고치에 가까울 수 있는데, 이는 열전달 극대화에 종종 바람직합니다. 화염 온도 극대화 시 흔히 겪는 문제는 NOx(질소 산화물) 배출도 극대화된다는 점입니다. NOx는 가스 온도와 대략 지수적으로 증가하기 때문입니다. 이로 인해 화염 내 최고 화염 온도를 낮춰 NOx 배출을 최소화하는 많은 설계 개념이 나왔습니다. 이는 화염으로부터의 열전달에도 영향을 줍니다.
단열 화염 온도는 공기/CH₄와 O₂/CH₄ 화염에서 산화제 예열 온도의 함수로 변합니다. O₂/CH₄ 화염에서는 화염 온도 상승이 상대적으로 작은데, O₂의 현열 증가가 연료에 담긴 화학 에너지의 일부분에 불과하기 때문입니다. 공기/CH₄ 화염에서는 공기 예열이 더 극적인 영향을 미치는데, 연소 반응에서 공기 질량이 크기 때문에 현열 증가가 매우 크기 때문입니다. 단열 화염 온도는 많은 연료에서 공기/연료 화염에 대해 급격히 상승합니다.
로 연소 시스템의 이용 가능 열은 전반적 열효율 결정에 중요하므로 공정 열전달 계산 시 요소입니다. 본질적으로 이용 가능 열이 낮은 시스템에서 열전달을 극대화하려 시도하는 것은 덜 효과적입니다. 이용 가능 열은 연료의 총 발열량에서 뜨거운 배기 가스가 연소 공정 밖으로 가져가는 에너지를 뺀 값으로 정의됩니다.
로 내 총 이용 가능 열(GAH)은 'GAH = 연료 발열량 + 반응물 현열 - 로를 떠나는 POC가 가져가는 열'로 구합니다. GAH는 임계 공정 온도에서 이용 가능한 열을 나타냅니다. 다양한 손실 때문에 주어진 기능을 수행하는 데 이용 가능한 열을 나타내지는 않습니다. 서로 다른 연료-연소 시스템을 비교하는 기준으로 쓸 수 있습니다.
또한 로에는 공정 임계 온도, 내화 라이닝 두께, 내화물 열전도율에 의해 결정되는 열손실이 있습니다. 따라서 로 내 순 이용 가능 열(NAH)은 'NAH = GAH - 열손실'입니다. NAH는 서로 다른 로의 제련/용해/가열 효율을 비교하는 기준으로 쓸 수 있습니다.
로 개구부를 통한 열손실, 로 벽을 통한 열손실, 공기 침투 열손실은 공정 의존적이므로 이론적 이용 가능 열 계산에 포함되지 않습니다. 이론적 이용 가능 열은 실제 공정에서 피가열물이 실제 흡수하는 에너지 양에 비례하며, 이는 시스템 열효율과 직접 관련됩니다. 따라서 이론적 이용 가능 열은 일반적으로 배기 가스 온도, 산화제와 연료 조성, 혼합비, 공기 및 연료 예열 온도의 함수로 열효율 경향을 보이는 데 쓰입니다.
이용 가능 열은 배기 가스 온도의 함수로 변하며, 배기 가스 온도와 함께 급격히 감소하고 연료 조성에는 상대적으로 무관합니다. 따라서 공정 열효율을 극대화하려면 배기 가스 온도를 최소화하는 것이 바람직합니다. 이는 보통 배기 가스에서 피가열물(과 로 벽)로의 열전달을 극대화하고, 배기 가스 열 일부를 회수해 산화제 및/또는 연료를 예열함으로써 달성합니다.
배기 가스 온도가 상승하면 더 많은 에너지가 연소 시스템 밖으로 빠져나가고 시스템에 남는 에너지는 줄어듭니다. 이용 가능 열은 단열 평형 화염 온도에서 0이 되는데, 여기서는 가스에서 열이 손실되지 않기 때문입니다. CH₄/O₂ 연소 시스템은 배기 가스 온도 약 2000°C에서도 이용 가능 열이 여전히 57%입니다. 또한 CH₄/공기 시스템을 고온 가열 및 용해 공정에 쓰는 것은 보통 경제적이지 않습니다. 배기 온도 약 1300°C에서 CH₄/공기 시스템의 이용 가능 열은 30%를 겨우 넘습니다. 고온 가열 공정에서는 열 회수(예열 공기 형태)를 일반적으로 써서 로 열효율을 높입니다.
배기 가스 온도가 상승하면 배기 가스와 함께 더 많은 에너지가 빠져나가 이용 가능 열이 감소합니다. 산화제 내 O₂ 농도가 공기 중 21%에서 증가함에 따라 이용 가능 열이 초기에 급격히 증가합니다. 이는 O₂ 농축이 인기 있는 기술인 이유 중 하나인데, 효율 증분이 매우 크기 때문입니다. CH₄/공기 시스템의 열효율은 공기를 약 1100°C로 예열하면 2배가 됩니다.
CH₄/O₂ 시스템에서는 O₂ 예열로 효율 증가가 훨씬 덜 극적입니다. 무예열 시 초기 효율이 이미 70%이고, O₂ 질량이 연소 반응에서 공기/연료 시스템의 공기 질량만큼 중요하지 않기 때문입니다. 또한 뜨거운 O₂를 파이프라인, 열회수 장비, 버너로 흘릴 때 안전 우려도 있습니다. 주어진 기술의 연료 절감량은 이용 가능 열 곡선을 이용해 계산할 수 있습니다.
로 연소실을 통과하는 가스 유량은 피가열물로의 대류 열전달에 비례합니다. 이 유량에 영향을 주는 요인이 여럿 있습니다. 하나는 가스 온도인데, 고온 가스는 열팽창으로 실제 유량(㎥/h)이 더 높습니다. 이는 연료나 산화제 예열(보통 화염 온도 상승)이 더 높은 실제 유량을 만든다는 뜻입니다. 그러나 표준 온도 압력 조건(STP)으로 보정하면 가스 유량은 같습니다.
연소 시스템을 통과하는 가스 유량에 매우 강한 영향을 주는 또 다른 요인은 산화제 조성입니다. O₂ 농축 연소는 기본적으로 산화제에서 N₂를 제거하는 것입니다. 공기/연료 연소와 비교해 주요 변화는 배가스 부피 감소입니다. 이는 연료 단위 부피당 O₂/연료 연소에서는 3 정규 부피 가스가 생성되는 반면 공기/연료 연소에서는 10.5 부피가 생성됨을 뜻합니다. 이 감소는 양면적 효과가 있지만, 대류 열전달에 미치는 영향은 로실 내 평균 가스 속도 감소와 그에 따른 피가열물로의 대류 열전달 감소입니다.
로실 내 기체 성분의 수송 특성은 열전달과 유체 역학 결정에 중요합니다. 이 특성은 온도와 가스 성분에 크게 의존합니다. 산업 로실 내 열전달에 중요한 기체 특성은 연료와 산화제 조성, 혼합비, 공기 예열 온도의 함수로 변합니다. 연료 예열 온도 함수로의 특성 변동은 영향이 미미합니다. 가스 조성과 온도는 비발광 기체 복사 계산에 필요합니다. 가스 수송 특성은 대류 열전달 계수 계산에 필요하며, 이는 주로 누셀트 수(Nu) 형태로 주어집니다. Nu는 프란틀 수(Pr)와 레이놀즈 수(Re)에서 계산됩니다. 대류 열전달 계수 'h'는 Nu = hd/k에서 Nu로 계산되는데, d는 유동 시스템 특성 치수, k는 유체 열전도율입니다. Nu, Pr, Re 수 계산에 필요한 가스 특성은 아래와 같습니다.
기체 밀도는 Re 수 계산에 쓰이며, 이는 일반적으로 대류 열전달 계수 계산에 필요합니다. 밀도는 로실 내 평균 가스 속도 계산에도 쓰이며, 이 또한 대류 계수 계산에 보통 필요합니다. 기체 밀도는 가스 온도에 반비례해 온도 상승 시 밀도가 감소합니다. 밀도 감소는 절대 가스 온도의 역수에 대략 비례합니다. 또한 산화제 내 O₂ 함량 증가 시 기체 밀도가 급격히 감소합니다. 이는 화염 온도 상승 때문입니다. 다른 변수가 같다면 낮은 기체 밀도는 낮은 Re 수를 의미하므로 대류 열전달이 감소합니다. 그러나 기체 질량 유량도 감소합니다. 따라서 밀도 감소와 질량 유량 감소의 복합 효과로 평균 가스 속도는 크게 영향받지 않아 대류에 미치는 영향은 미미합니다.
기체 밀도는 중간 당량비에서 최솟값에 도달합니다. 이는 다시 단열 평형 화염 온도에 기인합니다. 또한 기체 밀도는 공기 예열 온도 증가에 따라 거의 선형적으로 감소하는데, 이는 화염 온도 곡선과 역상관관계입니다. 또한 기체 밀도는 연료 혼합 조성 함수로 선형적으로 감소하지 않는데, 이는 일반적으로 직관적으로 예상되는 것과 다릅니다. 다시 밀도는 단열 화염 온도와 역상관관계를 보입니다.
기체 비열(기체 열용량)은 로 시스템 내 대류 열전달에 영향을 주는 또 다른 수송 특성입니다. Pr 수 계산에 쓰이며, 이는 대류 열전달 계수 계산에 자주 쓰입니다. 배기 생성물 온도에 대한 기체 비열은 비선형적으로 증가합니다. 고온에서 더 급격히 증가합니다. 또한 배기 가스 비열은 산화제 내 O₂ 비율 증가에 따라 거의 선형적으로 증가합니다. 다른 조건이 같다면 이는 연소 생성물 기체에서 피가열물로의 대류 열전달을 개선합니다.
그러나 비열과 당량비 사이에는 강한 연료 의존성을 포함해 훨씬 복잡한 관계가 있습니다. 모든 연료는 당량비 증가에 따라 비열이 처음에 증가해 화학량론 조건에서 국소 최댓값에 도달합니다. 화학량론 조건을 넘으면 비열이 감소했다가 정체했다가 다시 증가합니다. CH₄의 경우 높은 당량비에서 비열이 매우 급격히 증가합니다. 비열과 당량비 관계가 꽤 복잡하지만, 현실은 대부분 산업 연소 공정이 약간 연료 부족 조건에서 운전되므로 당량비와 비열 사이에 강하지만 더 선형적인 관계가 있습니다. H₂/CH₄ 연료 혼합물에서 연료 혼합물 내 H₂ 함량이 높을 때 비열이 급격히 증가합니다. 화염 온도도 혼합물 내 H₂ 함량과 매우 유사한 관계를 보입니다.
비열과 마찬가지로 기체 열전도율은 Pr 수에 영향을 주며, 이는 다시 대류 열전달 계수에 영향을 줍니다. 여기서는 열전도율과 Pr 수 사이에 역관계가 있습니다. 열전도율이 증가(감소)하면 Pr 수는 감소(증가)하고, 다른 변수가 일정하다면 대류 계수도 감소(증가)합니다. 기체 열전도율은 대략 절대 온도의 제곱근에 비례합니다. 비열과 마찬가지로 가스 온도에 따른 비선형적 증가가 일어납니다.
또한 산화제 내 O₂ 함량 증가에 따라 열전도율이 급격히 증가합니다. 관계는 거의 선형적이지만, 산화제 내 낮은 O₂ 함량에서 높은 O₂ 함량보다 더 빠른 증가를 보입니다. 그러나 수송 특성과 당량비 사이에도 복잡한 관계가 있습니다. 화학량론 조건에서 국소 최댓값이 있습니다. H₂의 경우 국소 최댓값이 넓은 당량비 범위에서 전체 최댓값이기도 합니다. CH₄의 경우 매우 연료 과잉 조건(높은 당량비)에서 열전도율이 급격히 증가해 화학량론 조건의 국소 최댓값을 초과합니다. C₃H₈에서도 비슷하지만 덜 극적인 현상이 나타납니다. 대부분 산업 공정이 약간 연료 부족 조건에서 운전되지만, 화학량론 조건의 연료 부족 쪽에서도 열전도율이 급격히 변합니다.
전도율과 연소 공기 예열 온도 사이에는 훨씬 단순한 관계가 있습니다. 전도율은 예열 온도 증가에 따라 선형보다 약간 빠르게 증가합니다. 또한 H₂/CH₄ 연료 혼합물 내 H₂ 함량 증가에 따라 열전도율이 훨씬 더 급격히 증가합니다.
절대 또는 동적 점도는 운동량 확산 척도입니다. 기체 점도는 열전도율과 유사한 관계를 가집니다. 점도는 Pr 수와 Re 수 계산에 중요하지만 반대 방식으로 작용합니다. 기체 점도 증가(감소) 시 Pr 수는 증가(감소)하고 Re 수는 감소(증가)합니다(다른 변수 일정 시). 동점도는 동적 점도와 관련됩니다.
배기 생성물 온도에 대한 기체 점도는 거의 선형적으로 증가합니다. 기체 점도는 산화제 내 O₂ 함량 증가에 따라 증가하는데, 단열 화염 온도와 유사합니다. 기체 점도는 당량비 1.0(화학량론 조건)에서 정점을 이루고, 혼합물이 연료 과잉 또는 연료 부족이 될수록 감소합니다. 기체 점도는 공기 예열 온도 증가에 따라 증가하는데, 화염 온도와 비교 가능합니다. H₂/CH₄ 연료 혼합물 내 H₂ 함량 증가에 따라 점도도 증가합니다. 점도 증가는 높은 H₂ 함량에서 더 빠릅니다.
Pr 수는 대류 열전달 계수 계산에 자주 쓰입니다. Pr 구성요소는 비열, 점도, 열전도율입니다. 이 변수들 조합으로 형성되는 Pr 수는 연료와 산화제 조성, 혼합비, 공기 예열 온도의 함수로 변합니다. 그러나 연료 예열 온도 함수로는 Pr 수가 거의 변하지 않습니다. Pr 수는 온도 함수로 감소하지만 균일하지 않습니다. 처음엔 꽤 빠르게 감소하다가 더 느리게 감소하고, 고온에서 다시 급격히 감소합니다.
산화제 조성에 대한 Pr 수 관계도 고도로 비선형적입니다. CH₄와 C₃H₈에서 Pr 수는 처음에 급격히 감소하다 높은 O₂ 함량에서 평탄해집니다. H₂에서는 Pr 수가 산화제 내 약 50% O₂ 함량에서 최솟값을 가집니다. 당량비에 대한 Pr 수 관계도 고도로 비선형적입니다. 대부분 연료는 국소 최댓값과 최솟값을 보입니다. Pr 수는 공기 예열 온도와 함께 거의 선형적으로 감소합니다. H₂/CH₄ 연료 혼합물 내 H₂ 함량 감소에 따라 Pr 수가 감소하며, 높은 H₂ 함량에서 급격히 감소합니다.
루이스 수(Le)는 열확산율과 분자(질량) 확산율의 비율입니다. Le 수는 연소 시스템 열전달에 중요합니다. 일반적으로 Le 값이 1보다 크면 화학적 재결합 반응으로 인해 대류 열전달이 일부 향상됩니다. 연료에 따라 1200°C 이하 온도에서는 Le 수가 1이고, 더 높은 온도에서 꽤 급격히 상승합니다. 단열 평형 조건에서 모든 산화제 조성에 대해 Le 수는 1보다 큰데, 이는 해당 조건에서 가능한 최고 화염 온도와 같습니다. Le 수 값은 중간 산화제 조성에서 정점을 이루고 높은 O₂ 함량에서 감소합니다. 화학량론 조건에서 Le 수가 극적으로 정점을 이루며, 높은 당량비에서 1.0 미만으로 떨어집니다. Le 수는 단열 평형 조건에서 공기 예열 온도와 거의 선형적으로 증가합니다. H₂/CH₄ 연료 혼합물 내 H₂ 함량 증가에 따라 더 급격히 증가합니다.
피가열물로의 로 내 열전달에 영향을 주는 요인은 아래와 같습니다.
전기 가열 피가열물(피가열물이 회로에서 저항으로 쓰이거나 유도 가열되는 경우)에서는 플럭스 선이 표면 바로 안쪽에 집중됩니다. 연료 연소 가열 공정에서는 열이 피가열물 표면(복사 또는 대류)으로 들어가 전도로 전체에 퍼집니다. 이 열 흐름은 피가열물 내 온도 차이를 필요로 합니다. 평평한 피가열물을 통한 정상 열 흐름. 평평하지 않은 피가열물에서는 열 플럭스 선이 거의 평행하지 않고 드물게 정상 상태입니다. 비정상 열 흐름에서 주어진 시점과 피가열물 내 지점 온도 결정에는 유한 요소법이 필요합니다. 로 온도 상승(높은 '열두') 또는 '고속 가열'은 종종 불균일 가열을 초래해 더 긴 담금질 시간이 필요하며, 때로는 고속 가열 목적을 무효화하기도 합니다.
다양한 금속 열전도율에는 보통 큰 차이가 있어 열이 이를 통해 흐르거나 전체로 확산되는 능력에 직접 영향을 주며, 따라서 고체 내 온도 분포나 균일성에 매우 강한 영향을 미칩니다. 온도 분포에 영향을 주는 인자는 열확산율입니다. 열전도율을 고체 재료의 체적 비열로 나눈 값으로, '열확산율 = 열전도율 / (비열 × 밀도)'로 표현됩니다. 이 식에서 분자는 단위 부피 재료로 열이 유입되는 속도 척도이고, 분모는 그 단위 부피가 흡수하는 열량 척도입니다. 분자/분모 비율이 높으면 열이 재료 내로 전도되고, 분포되며, 흡수됩니다.
고체 열전도율과 확산율은 온도에 따라 크게 변합니다. 비열과 밀도는 강철의 상변태점을 제외하고는 거의 변하지 않습니다. 순수 금속 고체 열전도율은 온도 상승 시 감소하지만, 합금 고체 열전도율은 일반적으로 온도 상승 시 증가합니다.
열전도율이 열 흐름과 내부 온도 분포에 미치는 영향은 그림 1에 나와 있습니다. 세 가지 같은 크기의 철계 합금 슬래브를 양면 가열한 경우입니다. 세 경우 모두 표면 온도는 일반적으로 매우 빠르게 상승하지만, 내부 온도는 열확산율이 낮아 차등적으로 상승합니다. 슬래브들은 로 온도와 평형 상태에 도달하는 데 서로 다른 시간이 걸립니다.
그림 1 열전도율이 열 흐름과 내부 온도 분포에 미치는 영향
산업 로에서 가열되는 고체 재료는 반드시 연속적일 필요는 없습니다. 많은 경우 피가열물은 코일 스트립 재료이거나 여러 깊이로 쌓이거나 나란히 놓인 개별 조각들입니다. 이런 경우 열은 한 조각에서 인접 조각으로 표면의 작은 접촉점이나 기체 충전 공간을 통해 흐를 수 있는데, 이들의 열전도율은 매우 작습니다. 평판 적층은 매우 낮은 전도도의 예입니다. 아주 작은 간극도 고체 금속보다 큰 열저항을 만듭니다. 적층을 고체로 취급할 수 없는데, 얇은 공기층이 단열재 역할을 하기 때문입니다. 적층 내 다양한 공기 간극은 나쁜 온도 불균일을 초래합니다.
적층된 각 조각 내 급속 열 흐름은 적층 재료 사이로 뜨거운 가스를 대류와 기체 복사로 순환시킴으로써만 얻을 수 있습니다. 이 기체 질량은 새 뜨거운 가스로 끊임없이 교체되어야 하는데, 질량이 작고 비열이 낮으며 기체 빔 두께가 얇아 금방 식어 피가열물에 많은 열을 전달하지 못하기 때문입니다. 균일 가열과 정밀 재현성을 위해 재료 조각 적층은 피해야 합니다.
로 실무에서 열은 (i) 전도, (ii) 대류, (iii) 복사 세 가지 모드로 전달됩니다. 산업 로 설계자와 운영자에게 도움이 되는 열전달 필수 사항이 있습니다. 대부분 산업 로, 오븐, 킬른, 소각로, 보일러, 히터는 연료 연소를 열원으로 씁니다. 산업 로에서 쓰이는 연소는 빠르고 큰 화학 반응 속도론에서 나오며, 이는 화학 에너지를 현열(열) 에너지로 변환시킵니다. 연료와 산화제(보통 공기) 혼합 표면적 증가나 반응물 온도 상승은 더 빠른 연소 반응을 일으켜 보통 더 높은 열원 온도를 만듭니다. 연료 산화 반응은 발열성이라 폭주 상태(열에너지가 열전달로 운반될 수 있는 것보다 더 빨리 방출되는 상태)로 발전할 수 있습니다. 이 양성 피드백은 폭발을 일으킬 수 있습니다.
화염은 빠른 발열 화학 반응의 얇은 영역입니다. 예는 분젠 버너 화염입니다. 분젠 버너에서 연료 가스와 공기의 완전 예혼합 층류 스트림이 외부 열원으로 점화돼 원뿔형 반응 영역(화염 전선)이 형성됩니다. 난류는 반응 영역 두께와 표면적을 증가시켜 더 빠른 연소 속도를 만듭니다. 천연가스 층류 연소 속도는 분당 약 18미터(mpm)지만 난류 연소 속도는 2~10배 더 빠를 수 있습니다. 층류 화염에서 화학적 열 방출에 의한 열팽창이 높은 온도로 인한 반응성 증가와 결합돼 난류 화염으로 가속될 수 있습니다. 긴 발광 화염을 제외하면 대부분 산업 화염은 난류입니다.
전도 열전달은 분자 간 진동 에너지 전달로, 보통 고체 내에서 일어납니다. 피가열물로의 순수 전도 열전달은 산업 로에서 드뭅니다. 차가운 금속을 뜨거운 허스 위에 놓을 때 일어납니다. 금속 조각을 염욕이나 액체 금속 욕에 담글 때도 잠시 동안 일어납니다.
두 고체 조각이 완전히 접촉해 있으면(산화층, 공기, 기타 유체 층으로 분리되지 않음), 접촉 표면은 접촉체 온도 사이 어딘가의 동일한 온도를 즉시 가정합니다. 접촉 재료 내 온도 구배는 전도율에 반비례합니다(그림 2).
그림 2 서로 다른 온도와 전도율을 가진 두 고체가 단단히 접촉할 때 전도율과 시간에 따른 온도 구배 영향
열 플럭스(단위 면적당 열 흐름 속도)는 두 고체 온도뿐만 아니라 접촉 고체의 확산율과 형상에도 의존합니다. 실무에서는 빌렛에서 물냉각 스키드로 열이 흐르는 경우를 제외하고 전도로 피가열물에 전달되거나(또는 피가열물에서 추출되는) 열은 비교적 적습니다.
차가운 금속 조각이 액체 염, 납, 아연 또는 기타 액체 금속에 갑자기 담기면 액체가 차가운 금속 표면에서 얼고 열은 전도로만 전달됩니다. 아주 짧은 시간 후 고체 재킷(동결 층)이 다시 녹습니다. 그때부터 열은 전도와 대류로 전달됩니다.
대류 열전달은 전도와 유체 운동 결합으로, 가열(또는 냉각)된 분자를 물리적으로 다른 표면으로 운반합니다. 기체 유체 스트림이 고체 표면과 평행하게 흐르면 스트림의 진동 분자가 고체 표면에서/로 일부 열에너지를 전달합니다.
정체된, 점성, 열전도율 낮은 유체 '경계층'이 고체 표면에 달라붙어 단열 담요 역할을 하며 열 흐름을 줄입니다. 열은 정체층을 전도로 통과합니다. 주 스트림 유체 속도가 증가하면 단열 경계층을 더 얇게 문질러 대류 열전달 속도를 높입니다. 경계층 전도도(막 계수)는 질량 속도(운동량, Re 수)의 함수입니다.
600°C 이하에서 운전하는 로에서는 대류 열전달이 주요 중요성을 가지는데, 복사가 거기서 약하기 때문입니다. 현대 고속(고운동량) 버너는 높은 대류 열전달 계수를 제공합니다. 높은 속도는 단일 피가열물 주변이나 다중 피가열물 사이에서 더 균일한 온도 분포를 제공하는 경우가 많은데, 더 많은 질량 흐름이 더 온건한 온도에서 추가 현열을 운반하기 때문입니다. 낮은 로 온도에서 높은 총 열전달 속도를 얻으려면 높은 가스 속도가 필수적인데, 550°C에서 복사 열전달은 1200°C에서의 10분의 1도 안 되기 때문입니다. 고속(고운동량) 버너는 복사가 그림자 문제로 닿지 않는 곳을 메우는 데 널리 쓰입니다.
고체는 낮은 온도에서도 열을 복사합니다. 수신체에 실제 전달되는 순 복사 열은 열원에서 받은 복사 열과 수신체에서 열원으로 재방출되는 복사 열의 차이입니다. 뜨거운 몸체(열원)와 더 차가운 몸체(열수신체) 사이 순 복사 열 플럭스는 슈테판-볼츠만 방정식으로 계산할 수 있습니다.
재료의 방사율과 흡수율은 고체 간 복사에 중요한 특성입니다. 방사율은 표면에서 방출되는 복사 열로, 단위 시간 단위 면적당 최고 가능(흑체) 열 방출의 소수점으로 표현됩니다. 방사도는 겉보기 표면 단위 면적당 동일 재료의 겉보기 방사율로, 거칠기, 홈 등으로 인해 실제로는 훨씬 큽니다. 흡수율은 표면이 단위 시간 단위 면적당 흡수하는 복사 열로, 최고 가능(흑체) 열 흡수의 소수점으로 표현됩니다.
엔지니어는 일반적인 내화 라이닝 로에서 방사율 값 0.85를 씁니다. 그러나 온도, 표면 상태, 합금이 상당한 차이를 만들 수 있습니다. 예로 스테인리스 강판을 카테너리 로에서 3분 미만으로 가열하면 온도가 상온에서 1100°C로 올라도 방사율이 변하지 않을 수 있습니다. 스트립 표면 온도와 로 온도를 모두 측정해 산화가 가열 주기 동안 방사율이나 흡수율을 바꾸지 않았다고 가정하면 가열 곡선 계산을 수정할 수 있습니다.
연소 생성물에서 고체로의 복사에는 두 가지 기원이 있습니다. (i) 투명 화염과 기체로부터, (ii) 발광 화염 내 미크론 크기 그을음 입자로부터. 투명 기체 복사는 슈테판-볼츠만 4제곱 법칙을 따르지 않습니다. 분자당 원자 3개 이상(삼원자 기체)인 CO₂, H₂O, SO₂(이산화황) 같은 기체만 눈에 띄게 복사하거나 흡수합니다. 예외는 이원자 CO로, 복사가 더 적습니다. 다른 이원자 기체인 O₂, N₂(과 그 혼합물인 공기), H₂는 복사 능력이 거의 없습니다.
기체 복사는 고체(회색체)처럼 모든 파장에서 복사하지 않으므로 4제곱 법칙을 따르지 않습니다. 각 기체는 몇 개 좁은 대역에서만 복사합니다. 투명 기체 복사는 온도, 존재하는 각 삼원자 기체의 분압 또는 부피%, 기체층 두께에 의존합니다.
복사 기체 온도는 가스 진행 방향에서 낮아집니다. 활성 기체 복사를 유지하려면 새 뜨거운 가스로 끊임없이 교체해야 하는데, 이는 대류도 개선합니다. 높은 가스 공급 속도는 가스 경로 온도 강하를 줄입니다. 이 요소는 고온 산업 로에서 좋은 온도 균일성 유지에 매우 중요합니다.
로는 종종 내화물 복사가 피가열물을 가열하는 기준으로 설계되는데, 보통 합리적 결과가 나오지만 내화물 복사만으로는 설명 안 되는 상황도 있습니다. 로 기체 직접 복사가 일반적으로 열의 62%(±2%)를 피가열물에 전달하고, 내화물이 나머지 38%(±2%)를 전달합니다. 내화물과 피가열물에 열을 전달하는 데 필요한 기체 온도는 일반적으로 가정하는 것보다 훨씬 높습니다.
공기/연료 혼합물의 연료 과잉 부분이 더 뜨거운 화염 부분에서 열에 노출되면 미연 연료 분자가 중합되거나 열분해돼 무거운 고체 분자가 일부 형성됩니다. 이 그을음 입자는 뜨거우면 빛나며 발광성을 제공해 화염 총 복사 능력을 높입니다.
연료와 공기가 버너 노즐을 떠난 후 즉시 완전히 혼합되지 않으면 탄화수소가 분해(중합)되는 온도까지 가열될 수 있습니다. 추가 가열로 결과 입자가 발광 온도에 도달합니다. O₂가 그들과 혼합되면 탑니다. 화염이 진행되면서 새로운 그을음 입자 형성 속도가 이전에 형성된 입자 연소 속도와 같아질 수 있습니다. 화염 길이 더 먼 곳에서는 그을음 생성이 줄어들고 남은 모든 그을음이 소각됩니다. 이 지연 혼합 연소 공정 시리즈는 연소 가스가 굴뚝으로 들어가기 전에 완료되어야 합니다. 화염이 굴뚝 입구에서 여전히 발광하면 스택 출구에서 연기가 나타날 수 있습니다. 연기는 최소 착화 온도 아래에서 식혀진(냉각된, 담금질된) 그을음이 적절한 공기와 혼합되기 전에 생긴 것입니다.
발광 화염의 추가 복사 능력은 투명 화염보다 자연스럽게 더 빨리 식게 만듭니다. 이는 열 전달이라는 목적을 수행하는 것입니다. 이 냉각 현상은 높은 발광도(유효 방사율)에서 오는 이득을 일부 상쇄할 수 있습니다.
발광 화염은 지연 혼합 발광 화염의 추가 길이가 대형 연소실 전체에 더 균일한 온도 분포를 만들 수 있어 종종 선택되어 왔습니다. 산업 로에 매우 높은 연소 공기 예열이나 옥시-연료 연소가 공급될 때 발광 화염은 열방출 속도 증가를 가능하게 합니다.
높은 C/H₂ 비율 연료(대부분 오일과 고체 연료)는 발광 화염으로 탈 가능성이 높습니다. 낮은 C/H₂ 비율 연료(주로 기체 연료)는 (i) 지연 혼합, 동일하게 낮은 속도 공기와 가스 스트림을 나란히 주입, (ii) 고압으로 고속 연료 코어를 더 느린 공기 속으로 '쏴서' 공기 주류가 연료를 '따라잡을' 수 없게 만들어 두 스트림 사이 얇은 '슬리브' 화염 환형 계면에서 연료가 가열(중합)된 후 따라잡게 함으로써 발광 화염으로 만들 수 있습니다.
고체 연료 화염에는 재 입자가 포함될 수 있는데, 이들이 빛나며 화염 발광도를 더합니다. 액체와 기체 연료에서 화염 발광도는 보통 빛나는 C와 그을음 입자에서 옵니다. 측정된 유효 화염 방사율은 보통 POC 기체와 최대값 0.95 사이인데, 고체 입자 총 표면적에 따라 달라집니다. 일반적으로 같은 온도에서 발광 화염으로부터 열전달이 투명 화염보다 더 큽니다. 열전달 속도 차이는 강철 및 금속 재가열 로에서 꽤 뚜렷합니다. 차이는 고온에서 더 두드러지는데, 각 삼원자 기체 분자 복사력이 증가하지만 단위 부피당 복사 분자 밀도 감소로 이득이 부분적으로 상쇄되기 때문입니다.
또 다른 현상에서 기체 복사 대역은 온도에 관계없이 파장을 유지합니다. 그러나 고온에서 고체 복사(빛나는 그을음과 C 입자) 고강도 영역이 더 짧은 파장(기체 대역에서 멀어지는 방향)으로 이동합니다. 더 높은 온도 영역에서는 투명 기체 복사가 발광 화염 복사만큼 빠르게 증가하지 않습니다.
화염 복사는 연료 C/H₂ 비율, 공기/연료 비율, 공기 및 연료 온도, 연료 혼합과 분무, 화염 두께 등 많은 변수 함수입니다. 이들 중 일부는 버너 거리 따라 변할 수 있습니다. 높은 C/H₂ 비율 연료(오일 등)는 더 많은 그을음을 만들어 보통 발광 화염을 만듭니다. 다만 경질유로는 청색 화염도 가능합니다. 많은 기체는 낮은 C/H₂ 비율이라 투명하거나 청색으로 탑니다. 타르를 발광 없이 태우는 건 어렵습니다. 마찬가지로 고로(BF) 가스나 H₂로 가시 화염을 만드는 것도 똑같이 어렵습니다.
발광 화염과 비발광 화염 비교 시 (i) 그을음 복사(발광)는 보통 가시 화염 끝에서 끝나는데, 그을음은 2차 또는 3차 공기와 만나는 화염 외표면이나 피부에서 가장 자주 소각되기 때문이고, (ii) 기체 복사(비발광)는 가시 화염 봉투 안팎에서 모두 일어나 그 커버리지 균일성과 범위를 크게 늘리지만, 화염 내 기체 복사는 주변 그을음 입자나 삼원자 기체에 의해 다소 가려지고, 화염 밖 기체 복사는 더 차가운 기체에서 나올 수 있음을 기억해야 합니다.
과잉 연료가 화염 복사에 미치는 영향은 과잉 공기 부족 영향보다 훨씬 큽니다. 투명 화염과 긴 발광 화염의 장단점은 수년간 논쟁돼 왔습니다. 변형 버너와 제어 방식이 둘의 장점을 활용하는 데 도움을 주고 있습니다. 여러 버너 유형 공통 문제는 버너 입력이 낮아질 때 화염 특성이 변한다는 점입니다. 일부 투명 화염 버너 문제는 (i) 발사율 감소 시 온도 프로파일 혹이 버너 벽 쪽으로 이동, (ii) 낮은 입력 속도에서 버너 벽에서 먼 거리로 온도가 더 가파르게 떨어짐(예: 정격 용량 50% 이하 발사 버너 온도 프로파일은 버너 벽 위/근처에서 최고 온도(최대 열방출)를 보이며 버너 벽 멀어질수록 떨어짐). 낮은 발사율에서 온도 강하가 더 심해짐. 높은 발사율에서 버너 벽 온도는 최고 온도가 멀어지면서 감소. 일부 강철 재가열 로에서 최대 발사율 시 버너 벽과 최고 온도 차이가 150°C일 수 있음.
고화력 시 원벽 온도 피크 문제는 연소 가스가 화염 밑동으로 치솟아 연료와 O₂ 혼합을 지연시켜 악화됩니다. 버너 발사율 증가 시 완전 연소 생성물 치솟음이 기하급수적으로 증가. 결과 문제는 많음. 측면 발사 로에서 저 발사율 시 최고 온도는 버너 벽에 있지만 최대 발사율 시 최고 온도는 로 중앙 또는 반대 벽에 있을 수 있음. 따라서 단일 온도 제어 센서 위치는 결코 정확하지 않음. 온도 센서가 버너 벽에 있으면 저 발사율에서 최고 온도가 로 벽에 붙게 되어 버너를 저 발사율로 몰고 로 나머지 폭은 부적절한 입력을 받음. 높은 발사율에서 버너 벽 센서는 차갑지만 버너 벽에서 먼 온도는 매우 높아서, 피가열물 조각 표면 중앙/원벽에 액체 스케일 형성 가능. 이 문제 해결 위해 미숙련 작업자는 설정값 낮춰 로 가열 용량 감소시킴.
또 다른 예는 강철 재가열 로 바닥 존이 부하 이동 방향과 종방향 역류로 발사되고, 제어 센서가 (단부 발사) 버너 벽에서 3~6m 떨어진 곳에 설치된 경우. 저 발사율에서 존 온도 1300°C 설정 시 버너 벽이 1370°C 이상으로 상승 가능. 그 온도에서 스케일 녹아 바닥 존 바닥에 떨어지고 나중에 한 덩어리로 굳을 수 있음. 높은 발사율에서 최고 온도가 바닥 존 T-센서 넘어 이동 가능해 피가열물 쪽 어느 거리까지 스케일 녹일 수 있음. 다시 문제를 피하려 작업자가 온도 제어 설정 낮춰 로 용량 감소시킴.
앞서 언급한 문제 제어에는 각 존 추가 온도 센서와 온도 측정에 대응해 버너 혼합률 특성 변경 수단이 필요. 조절 가능 스핀(소용돌이) 버너로 문제 많은 부분 방지 가능, 특히 저화력 순방향 가스 또는 공기 제트를 버너 중앙 통과시키면 더 효과적. 이런 제트는 보통 최대 가스 또는 공기 유량 5%로 크기 결정.
긴 발광 화염(층류형 또는 난류형)은 온도 혹이 훨씬 적고 입력이 줄어들 때 길이 변화가 덜 급격합니다. 이들은 훌륭한 '수평기' 역할을 해 더 나은 온도 균일성 제공.
화염 내 그을음 복사와 삼원자 기체 복사 정보는 오래전부터 알려졌지만, 최근 개발이 그림을 바꿀 수 있습니다. 옥시-연료(100% O₂) 사용으로 둘 다 화염 턴다운 상승. 옥시-연료 연소 주요 이득은 POC에서 N₂ 제거로 삼원자 기체 농도 높아져 복사 열전달이 더 강해진다는 점. 이는 열을 굴뚝으로 가져가는 가스 질량 감소(스택 손실 감소)도 만듭니다. 또 다른 개발로 일부 희박 예혼합 가스 화염(저 NOx 배출 설계)이 챔버 대부분에서 편재 화염장(겉보기 투명)을 만듭니다.
제조공정
유도로 강철 생산 중주파 코어리스 유도로는 일반적으로 저용량 제강소의 강철 생산에 사용됩니다. 유도로는 전원 50Hz 주파수에서 필요한 중주파를 생성하기 위한 컨버터를 장착합니다. 이를 위해 정류기에서 직류 전압을 생성하고, 평활 초크로를 통해 인버터에 공급하며, 보상 커패시터와 노 코일 인덕턴스 도움으로 인버터에서 중주파 전압을 생성합니다. 컨버터 제어는 내장 제어 전자장치로 수행. 노 제어는 운전 캐비닛 장치로, 필요시 프로세서 도움으로 수행합니다. 변압기가 에너지 공급에 사용됩니다. 노 변압기는 전원 네트워크에 연결됩니다.
고로(BF) 부담 제조 및 장입 개요 고로(BF)는 노 바닥(hearth)을 제외하면 기본적으로 가스와 부담 입자가 반대 방향으로 흐르는 통로입니다. 안정적인 고로 조업의 기본 요건은 변동이 적은 이동 부담층을 노 내에 유지하는 것입니다. 구체적으로 안정된 가스 흐름과 혼합 부담층이 없는 부담층 구조를 형성해야 하며, 이 둘은 밀접하게 연관됩니다. 가스 흐름 안정성은 거의 전적으로 부담 투과성(permeability)에 의존하는데, 이는 부담 충전 구조(입자 크기, 입도 분포, 미분 비율 등)와 부담 하강 거동(고체 흐름)에 의해
