고효율 저공해 공업용 가열로 개발

김기홍, 조길원, 강덕홍, 이용국

포항산업과학연구원 에너지화성연구팀

Development of High Performance Industrial Reheating Furnace

Ki-Hong Kim, Kil-Won Cho, Deok-Hong Kang, Yong-Kuk Lee

Energy&Chemical Research Team, Research Industrial Science & Technology

서론

국가 총에너지소비의 약 12%를 점하고 있는 공업로(가열로, 용해로, 단조로 등)의 열효율은 선진국 수준에 크게 미치지 못하여 관련산업의 국가경쟁력 강화에 걸림돌이 되어 왔으며, 열설비의 운전효율 역시 열악하여 기술적 개선의 여지가 많았다.

공업로는 연료의 연소기술, 피열물의 전열기술, 로체의 단열기술 및 운전제어기술이 복합적으로 요구되는 열설비이기 때문에 요소기술 개선을 위한 노력이 병행하여 추진될 필요가 있다. 그 중에서 에너지절감 및 생산성향상을 단기간내에 효과를 거둘 수 있는 연소 및 전열효율 향상기술에 대하여 집중적으로 기술개발 투자를 함으로서 선진국과의 기술격차를 다소 해소시킬 수 있을 것으로 판단된다.

따라서 에너지절감성이 매우 우수한 축열연소시스템의 도입과 그에 따른 공업로내 전열특성을 고려하여 공업로 구조 및 열효율향상을 도모하고자 국가차원의 연구,개발 필요성이 대두되어 왔다. 그 일환으로 본 연구는 공업로의 에너지절감율을 20% 이상으로 달성하기 위하여 고온 배가스 현열의 85% 이상 회수가능한 축열연소시스템의 개발과 가열로의 기본 설계기술 확립을 위해  축열연소 시스템의 설계기술과 가열로의 기본 설계 방법을 정립하였으며 개발된 축열연소시스템을 채용한 10 Ton/hr급 가열로 시뮬레이터를 설계,제작을 통하여 고성능 가열로의 국산화 설계기술을 확립하였다.

가열로의 기본 설계

가열로의 기본설계시 고려해야할 기본사항으로서 제일 먼저 강재의 처리량, 즉 생산계획이 세워져야 하며 이를 바탕으로 노의 기본사양이 결정된다. 가열로의 기본사양 결정시 고려되어야할 항목으로는 가열능력, 피가열 소재의 종류와 가열패턴, 강재내 온도차(균열도), 사용연료 조건, 목표 원단위 등을 들 수 있다. 노의 기본사양이 결정되면 노형식을 어떻게 할 것인가에 따라서 장입 및 추출방법등이 결정되어야 한다. 노의 형식이 결정되고 나면 노의 크기를 어떻게 정해야 하느냐는 문제가 대두되는 데, 노의 크기 결정이 가열로 기본설계의 핵심이라고 할 수 있다. 즉 가열로의 기본설계란 생산계획에 부합되도록 노의 길이와 폭 그리고 높이를 최적화하는 작업이라고 할 수 있으며, 기본설계 결과에 따라 가열로의 각 대별 연료투입량 및 버너의 사양 등을 결정할 수 있다.

10 T/hr 급가열로시뮬레이터의 설계 및 제작

개발된 축열연소 시스템과 가열로 기본설계를 바탕으로 10ton/hr급 가열로 시뮬레이타의 상세 설계 및 제작을 목표로 각 요소장치의 설계기준 정립 및 소재의 최적가열을 위한 연소제어 모델의 적용성 확보를 위해 계장제어 시스템의 설계 및 제작을 행하였다. 10ton/hr급 시뮬레이타는 기본적으로, 상온으로 장입되는 billet을 추출시 1200±50℃로 가열해 주는 설비로서 소재의 특성가열패턴을 만족시키도록 하였다. 로의 기본 형태는 walking beam type의 이대식 연속식 가열로로서 축열식버너 시스템을 전면 채용하였다. 로장 산정모델을 이용하여 로장산정 및 각 대길이를 산정하였으며, 그 입력 데이터 및 계산결과는 Table 1(a),(b)에 나타내었다. 로장 산정시 기본 소재는 160mm(두께)×160mm(폭)×4000mm(길이)의 일반강(0.08% C)을 사용하여, 추출목표온도가 1220℃, 균열도는 ≤5 ℃가 되도록 Table 1(a)에 나타낸 기준 조건들을 이용하여 유효 로장 및 각대 길이산정을 실시하였다.

Table 5-1(a) 10ton/hr 축열식 가열로 로장모델 입력데이타

시뮬레이타의 유효로장은 7.2m이고 가열대 5.2m 그리고 균열대 2m로 계산되었으나 실제 가열로 제작시는 버너배치 및 사절벽 설치위치 등을 고려하여 본 시뮬레이타 설계시는 가열대 4.84m, 균열대 2.56m로 총 유효길이는 7.4m로 결정하였다.

유효로폭은 소재길이가 4m로 로내 소재이송 편이성 및 로벽과의 간격을 고려하여 5m로 결정하였다. 대별 연료유량 산정모델을 이용하여 각 대의 버너 개수 및 용량을 산정히였으며, 이때 대별 길이는 전절에서 구한 가열대 4.84m, 균열대 2.56m를 사용하였다.  대별 필요공급 열량은 가열대 상부 801,206 kcal/hr, 가열대 하부 950,454 kcal/hr, 균열대 상부 127,592 kcal/hr, 균열대 하부 277,892 kcal/hr 로 나타났다. 실제 10ton/hr 급 가열로 시뮬레이타 제작시는 열량변화폭을 고려한 여유율을 감안하여 가열대는 상하 모두 110만 kcal/hr, 균열대는 30만 kcal/hr로 버너용량을 결정하였다.

Table 1(b) 10ton/hr 축열식 가열로 로장산정 결과

Fig. 2는 축열식버너시스템을 전면 채용한 10T/hr급 가열로 시뮬레이터의 전경이다. Skid beam배열은 고온에서의 billet 처짐량을 고려하여 설계하였으며, 본 10ton/hr급 가열로 시뮬레이타의 경우 기본 배열은 고정빔 3열과 2열의. 이동빔으로 구성하고, Walking beam의 분할은 2분할로 하였다.   외피표면온도가 150℃를 초과하지 않도록 단열을 시켰으며, 천장 및 측면벽부의 단열재는 세라믹 모듈 블

Fig. 2 10ton/hr급 가열로 시뮬레이타 전경

록(block)을 사용하였으며, 그리고 바닥부의 단열재는 기존의 정형 내화단열재로 되어있다.

시뮬레이터 성능실험 결과

가열로 시뮬레이터의 종합성능은 기계장치의 원활한 작동유무와 축열식버너의 제반성능 조사 및 가열로 연소제어시스템의 적정 제어성능을 평가하였다.

개발된 고효율 저공해 가열로의 성능은 가열로내 NOx 발생량이 평균 60ppm으로 기존의 버너보다 현저히 낮게 나타났으며 세라믹볼을 내장한 축열체의 배가스 온도회수율은 90%정도로 양호한 성능을 나타내었다. 한편, 개발된 가열로의 연소제어시템은 로의 효율적인 조업을 위해 원할하게 작동됨을 알 수 있었다. Fig. 3(a),(b)는 연소제어시스템의 일부화면으로 가열소재의 온도이력 및 분위기온도 설정상황을 보여주는 그림이다.

Fig. 3(a) 소재온도이력 예측상황

Fig. 3(b) 로내분위기온도 제어상황

결론

고효율 저공해를 지향한 축열연소시스템을 전면 채용한 고성능 가열로의 국산화 설계기술을 확립하였으며 기술 보급확대를 통해 국가 에너지절약에 상당한 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.