산업용 용광로: 분류, 에너지 절약 및 오염 제어

1. 산업용 용광로의 역사, 현황 및 분류

제련, 로스팅, 소결, 용융, 가열 등의 공정에 사용되는 산업용 용광로와 가마는 상나라 시대부터 중국에 존재해 왔으며, 용광로 온도는 1200°C에 달할 수 있었습니다.

춘추 시대에는 용광로 기술의 발달로 주철이 생산되었습니다.

1794년, 세계는 주철 제련을 위한 직선형 원통형 큐폴라를 도입했습니다.

그 후 1864년 프랑스의 마르탱은 영국의 지멘스가 개발한 재생로 원리를 기반으로 가스를 연료로 사용하는 최초의 개방형 용광로를 만들었습니다. 이 용광로는 재생 챔버의 공기와 가스를 예열하여 제강에 필요한 1600°C의 온도에 도달할 수 있었습니다.

1920년대에는 충분한 전력 공급이 가능해지면서 저항로, 전기 아크 용광로, 코어 유도 용광로가 산업에서 널리 사용되기 시작했습니다. 동시에 기계화 및 자동 용광로의 도입으로 생산성과 작업 조건이 모두 개선되었습니다.

1950년대에 노심 없는 유도로는 급격한 성장을 경험했습니다. 이후 전자빔을 사용하여 고체 연료에 충격을 가해 융점이 높은 재료를 가열하고 녹이는 전자빔 용광로가 발명되었습니다.

현재 중국에는 약 13만 개의 산업용 용광로가 있으며, 주로 야금, 건축 자재, 기계 및 화학 산업에 위치하며 전체 용광로 수의 85% 이상을 차지합니다.

이 용광로의 연간 에너지 소비량은 국가 에너지 소비량의 25%이며, 연료 용광로와 전기 용광로가 거의 같은 비중을 차지합니다.

중국의 산업용 용광로는 구식 연소 방식, 높은 노동 강도, 환경 오염, 과도한 재연소, 낮은 열 효율, 부적절한 자동 모니터링 및 제어 시스템 등 몇 가지 주요 과제를 안고 있습니다.

산업용 용광로는 다음을 기준으로 분류할 수 있습니다. 프로세스 특성작동 온도, 열 작동 특성 및 작업 시스템.

산업용 용광로 및 가마의 일반적인 유형에는 제련로, 용해로, 가열로, 석유화학로, 열처리로, 소결로, 화학 작업로, 소성로 및 가마, 건조로 및 가마, 전기 아크로, 고온 제련용 유도로, 코크스 오븐, 소각로 등이 있습니다.

산업용 용광로의 분류 코드 표

2. 산업용 용광로의 에너지 절약 현황

산업용 용광로의 에너지 소비는 다양한 요인에 의해 영향을 받지만, 현재 에너지 절약을 위한 주요 방법으로는 설계 최적화, 장비 개선, 폐열 활용, 모니터링 제어 및 생산 관리 강화 등이 있습니다.

1. 열 테스트

중국의 경우, 전 세계적으로 첨단 기술을 보유하고 있음에도 불구하고 많은 산업용 용광로에는 한계가 있습니다. 이는 높은 교체 비용과 에너지 소비의 현저한 증가와 맞물려 있습니다. 따라서 과학 및 기술 혁신이 매우 중요합니다.

에너지 절약형 기술 혁신을 달성하려면 과학적인 테스트 방법이 필수적입니다. 이러한 방법은 산업용 용광로의 열 프로세스를 포괄적으로 이해하고, 문제를 분석 및 진단하며, 근본 원인을 파악하는 데 도움이 됩니다.

사용 가능한 열 테스트 방법 중 열 균형 테스트가 널리 인정받고 있습니다. 산업용 용광로의 열 효율을 측정하여 열 효율을 개선하고 단위 소비를 줄이며 용광로 작동의 다양한 경제적 및 기술적 성능 지표를 결정합니다.

가열로의 작동 조건을 분석하여 최적의 작동 상태에 도달하도록 작업 조건을 조정하여 에너지 절약을 위한 효과적인 방법과 방향을 찾을 수 있습니다. 이것이 열 테스트의 주요 목표입니다.

그러나 열 테스트 방법에는 테스트의 복잡성, 안정적인 생산 조건을 정확하게 시뮬레이션하기 어렵고 테스트 결과와 실제 성능 사이에 큰 차이가 발생할 수 있는 어려움 등 몇 가지 문제가 있습니다.

따라서 향후 테스트 기술 개발은 전문가와 학자들의 연구 초점이 될 것입니다.

2. 용광로 구조, 용광로 건축 자재 및 연소 기술

테스트를 수행한 후, 우리는 이제 기술 혁신의 기반이 되는 용광로에 대한 예비적 이해를 갖게 되었습니다.

퍼니스를 설계할 때는 가능한 한 생산 공정 요구 사항을 충족하는 새로운 에너지 절약형 퍼니스를 채택하는 것이 좋습니다.

설계 과정에서 일반적으로 용광로 유형, 재료, 씰, 열 전달(연소) 프로세스 및 온도 분포와 같은 요소를 고려합니다.

이용 가능한 데이터에 따르면 다음은 주요 에너지 절약 조치입니다:

(1) 박스 퍼니스 대신 원형 퍼니스를 사용하면 공작물에 대한 균일 한 열 전달을 향상시키고 퍼니스 벽에서 열 방출을 줄이며 퍼니스 내에 열 교환 시스템을 만들어 발열체, 퍼니스 라이닝 및 공작물 간의 열 교환을 용이하게 할 수 있습니다.

퍼니스 공간을 최적화하고 내벽 면적을 늘려 열교환 면적을 증가시킴으로써 열교환 효율을 향상시킬 수 있습니다.

(2) 퍼니스에 팬을 설치하면 대류 열 전달을 향상시킬 수 있습니다. 고속 기류가 공작물 표면의 용광로 가스의 정체 된 경계 층을 방해하고 공작물 온도 상승을 가속화하여 가열 시간을 단축 할 수 있으므로 이는 소형 가열 용광로에 특히 중요합니다.

(3) 퍼니스 본체 밀봉은 퍼니스, 퍼니스 쉘 및 퍼니스 도어 밖으로 이어지는 다양한 구성 요소의 밀봉을 포함하여 매우 중요합니다.

용광로 본체를 제대로 밀봉하지 않으면 화재가 발생하고 누수가 발생하여 에너지 낭비, 장비 손상, 환경 악화로 이어질 수 있습니다.

따라서 공작물의 품질과 에너지 소비는 용광로 본체 씰링에 직접적인 영향을 받습니다. 또한 씰링은 용광로 내부의 대기를 제어하는 데에도 매우 중요합니다.

내화 섬유 제품의 등장으로 용광로 본체를 밀봉하는 문제를 해결할 수 있는 기회가 생겼고 부드러운 밀봉을 달성했습니다.

(4) 전체적으로 내화 주조 가능한 가열로는 고강도, 무결성, 기밀성 및 긴 서비스 수명을 가지고 있습니다.

(5) 퍼니스 라이닝 구조를 최적화하기 위해 새로운 퍼니스 소재를 활용합니다.

퍼니스의 구조적 강도와 내열성을 보장하는 동시에 퍼니스 라이닝은 단열 능력을 개선하고 열 저장을 줄이는 것을 목표로 해야 합니다. 단순히 라이닝 두께를 늘려 퍼니스 벽 온도를 낮추면 라이닝 열 저장량이 증가하고 비용이 증가하며 퍼니스 바닥 면적의 활용도가 감소합니다.

단열층은 내화 섬유와 암면으로 구성되어 있으며, 퍼니스 본체 라이닝은 가벼운 벽돌로 만들어져 축열 손실을 줄이고 단열을 강화하며 퍼니스 벽의 방열 손실을 줄입니다.

(6) 퍼니스 내벽에 고온, 고방사 코팅을 적용하면 퍼니스의 복사열 전달이 향상되어 열 에너지의 완전한 활용을 촉진합니다. 이 에너지 절약 방법은 3% ~ 5%의 효과가 있으며 가까운 장래에 고급 에너지 절약 방법으로 간주됩니다.

(7) 화염 조절 버너, 플랫 플레임 버너, 고속 노즐, 자체 예열 버너, 저질소산화물 버너, 새로 개발된 재생 버너 등 작업 조건에 따라 다양한 버너를 사용하여 가스 및 디젤 사용에 적합한 다양한 고급 버너를 제공합니다.

효율적인 고급 버너를 올바르게 사용하면 일반적으로 5% 이상의 에너지를 절약할 수 있습니다. 플랫 플레임 버너는 가열로에 가장 적합하고 고속 버너는 다양한 열처리로 및 가열로에 적합합니다.

버너, 열교환기, 연기 배출 장치가 결합된 자가 예열 버너는 가열, 용융, 열처리 등 다양한 산업용 용광로에 적합합니다.

(8) 효율적인 팬, 오일 펌프, 밸브, 열 감지 및 자동 제어 시스템과 함께 에너지 효율적인 연소 장치를 선택하면 연료 유형에 따라 에너지 절감 효과를 크게 향상시킬 수 있습니다.

기존의 에너지 절약 연소 기술에는 고온 공기 연소, 산소 농축 연소, 중유 유화, 고로용 산소 농축 미분탄 주입, 일반 용광로 연료의 자화 처리 등이 있습니다.

이 중 고온 공기 연소와 산소 농축 연소가 가장 널리 사용되고 있습니다.

고온 공기 연소 기술은 1990년대에 개발되었으며 재생 연도 가스 회수를 통해 공기 예열을 통해 연도 가스 온도를 95%에 도달할 수 있습니다. 그 결과 ≤± 5℃의 균일한 용광로 온도와 80%의 연소 열효율을 달성할 수 있습니다.

이 기술은 고효율, 에너지 절약, 환경 보호, 저공해, 안정적인 연소, 넓은 연소 면적, 넓은 연료 적응성, 쉬운 연소 제어, 장비 투자 감소, 용광로 수명 연장, 쉬운 작동 등 여러 가지 장점이 있습니다.

그러나 제어 및 조절 시스템 최적화, 열 매개변수와 설계 구조, 가스 품질과 재생기 간의 관계 개선, 재생기와 재생 가열로의 수명 등 해결해야 할 몇 가지 과제가 남아 있습니다.

산소 농축 연소 기술은 연소 시 산소 농도가 21%보다 높은 가스를 사용하는 기술입니다. 산업용 용광로에 적합한 버너를 개발하는 것이 목표입니다.

이 기술은 퍼니스 배기로 인한 열 손실 감소, 화염 온도 상승, 퍼니스 수명 연장, 출력 증가, 장비 크기 감소, 생산 청결도 향상, CO2 및 SO2의 회수, 종합 활용 및 저장 용이성 등 여러 가지 이점이 있습니다.

그러나 산소 농축 연소 시 산소 함량이 증가하면 온도가 급격히 상승하고 NOx가 증가하여 다양한 분야에서 채택이 제한됩니다. 산소가 풍부한 공기를 연소에 사용하도록 산업용 용광로를 설계할 때는 용광로 내 온도 필드가 고르지 않도록 하는 것이 중요합니다.

3. 폐열 회수 및 활용

폐열은 고온 폐가스 등 7가지 유형으로 분류할 수 있습니다, 냉각 매체폐증기 및 물, 고온 제품 및 슬래그, 화학 반응, 가연성 폐가스, 고압 유체의 잔류 압력 등이 있습니다.

조사에 따르면 다양한 산업에서 발생하는 폐열은 총 연료 소비량의 17%에서 67%에 이르며, 이 중 60%가 재활용 가능한 폐열 자원입니다.

연도 가스는 연료 용광로에서 공급되는 총 열량 중 30%~70%를 빼앗아갑니다.

따라서 연도 가스에서 폐열을 회수하고 활용하는 것은 에너지 절약에 매우 중요합니다. 이는 다음을 통해 달성할 수 있습니다:

(1) 예열기를 설치하여 연소 보조 공기 및 연료를 연소 가스를 사용하여 예열합니다.

(2) 생산 또는 가정용 온수 또는 증기를 생성하기 위해 폐열 보일러를 설치하는 경우.

(3) 저온 용광로의 열원으로 연도 가스를 사용하거나 차가운 공작물 또는 용광로 충전을 예열하는 경우.

중국에서는 1950년대부터 산업용 용광로에서 예열된 공기를 위한 예열기가 주로 관형, 원통형 복사형 및 주철 블록 열교환기 형태로 사용되어 왔습니다. 그러나 교환 효율이 낮습니다.

1980년대에는 중저온 응용 분야의 폐열 회수 문제를 해결하기 위해 제트식, 제트 복사식, 더블 테이블식 등의 가정용 열교환기가 연이어 개발되었습니다. 이러한 개발로 인해 100°C 이하의 온도에서 연도 가스의 폐열 회수가 크게 개선되었습니다.

그러나 고온에서는 낮은 서비스 수명, 높은 유지보수 요구 사항, 높은 비용 등 열교환기 재료의 한계로 인해 이러한 시스템의 보급과 사용에 여전히 어려움이 있습니다.

21세기 초, 중국은 가마 가구와 동일한 생산 공정을 가진 세라믹 열교환기를 개발했습니다. 사용된 재료의 주요 응용 특성은 열전도율과 내산화성입니다. 이 열교환기는 차가운 공기에 노출되거나 고온 보호가 필요하지 않고 온도가 높은 연도 배출구 근처에 배치하여 작동합니다.

용광로 온도가 1250~1450°C일 때 연도 배출구 온도는 1000~1300°C가 되어야 합니다. 세라믹 열교환기는 최대 450-750°C까지 폐열을 회수할 수 있습니다. 회수된 뜨거운 공기는 다시 용광로로 보내져 연소를 위한 연료 가스와 혼합되어 에너지 사용량이 35%-55% 감소하고 그에 따른 생산 비용도 감소합니다.

세라믹 열교환기는 금속 열교환기가 부식과 고온 저항으로 인해 제한을 받는 경우에 유용한 솔루션으로 입증되었습니다. 우수한 열전도율, 고온 강도, 우수한 내산화성, 내열 충격성, 긴 서비스 수명, 낮은 유지보수 요구 사항, 안정적인 성능 및 간단한 작동 등의 장점이 있습니다.

세라믹 열교환기는 고온 연도 가스에서 폐열을 회수하기 위해 야금, 비철, 내화물, 화학 및 건축 자재를 포함한 다양한 산업에서 널리 사용됩니다. 중국에서 인기를 끌고 있는 다른 유형의 고효율 열교환기에는 시트 열교환기, 다양한 제트 열교환기, 인서트 튜브 열교환기, 사이클론 튜브 열교환기, 튀김 반죽 트위스트 튜브 열교환기, 다양한 복합 열교환기, 가스 튜브 열교환기 및 축열식 열교환기가 포함됩니다.

재생 열교환기는 열 이용 후 배기가스 배출 온도가 200°C 이하일 때 30% 이상의 에너지 절감 효과를 얻을 수 있어 향후 기술 개발 트렌드가 될 것으로 예상됩니다.

초전도 히트 파이프는 폐열 회수 시스템의 주요 열 전도 구성 요소이며 기존 열교환기에 비해 이점을 제공합니다. 히트 파이프 폐열 회수 시스템의 열 교환 효율은 기존 열교환기로는 달성할 수 없는 98% 이상에 달할 수 있습니다. 또한 이러한 시스템은 크기가 일반 열교환기의 1/3에 불과하여 더 작습니다.

4. 열 감지 및 제어

현재 우리나라의 산업 용광로는 많은 양의 에너지를 소비하고 상당한 폐기물을 발생시킵니다. 과도한 공기 초과 계수 문제도 흔합니다.

이는 주로 낡은 규제 방식, 근로자의 높은 노동 강도, 이상적인 연소 조건을 유지하기 어렵기 때문입니다.

따라서 열 감지 및 제어 수준을 개선하면 상당한 에너지 절감 효과를 얻을 수 있습니다.

산업용 용광로 자동 제어의 발전 방향은 첨단 자동 제어 기술, 특히 마이크로 컴퓨터 제어 시스템으로 향하고 있습니다.

자동 제어 시스템을 구현하면 가열로 주요 공정 변수 정밀 제어, 온도 및 연료 유량 캐스케이드 제어, 연료 및 연소 공기 비율 제어, 연소가스 산소 함량 제어 등 관련 시스템의 효율적이고 정확한 조정 및 제어를 통해 에너지를 절감할 수 있습니다.

3. 결론

결론적으로, 용광로 산업은 향후 몇 년 동안 에너지 효율, 열 감지 기술, 폐열 활용 분야에서 성장과 개선의 여지가 충분합니다.

당분간은 전통적인 저울 방식이 열 감지의 주된 방법으로 남겠지만, 새로운 방법을 지속적으로 모색하고 개발하는 것이 중요합니다.

또한, 산업용 용광로의 주 에너지원을 화석 연료에서 청정 및 재생 에너지원으로 전환하고 배출량을 줄이는 것은 앞으로 중요한 연구 분야가 될 것입니다.