KR0118983B1 - 축열식 열교환기를 이용한 가열로의 연소용 공기예열방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가열로 연소가스의 현열을 회수하여 연소용 공기를 예열하는 방법에 관한 것으로서, 연소가스의 통로의 연도에 복수개의 축열식 열교환기를 설치하고 각각의 열교환기가 교대로 배기 혹은 축열기능과 예열기능을 가지도록 제어운전함으로서 가열로 연소가스의 현열 회수율을 증대할 수 있는 연소용 공기의 예열방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

본 발명은 가열로에서 방출되는 연소가스의 현열을 회수하여 연소용 공기를 예열하는 방법에 있어서, 연도(3)상에 제1축열기(71)와 제2축열기(72)를 설치하고 상기 제1, 제2축열기(71,72)의 전후에 제1절환변(12)과 제2절환변(13)을 설치하여 상기 제1, 제2절환변(12,13)을 연동제어함에 의해 상기 제1,제2축열기(71,72)가 교대로 축열 및 예열기능으로 작동되도록 하여 가열로의 연소용 공기를 예열하는 방법을 그 요지로 한다.

Description

축열식 열교환기를 이용한 가열로의 연소용 공기예열방법

제1도는 종래의 레큐퍼레이터에 의한 공기예열방법에 따라 연소용 공기를 예열하기 위한 시스템의 개략도.

제2도 및 제3도는 종래의 축열식 연소방법을 구현하기 위한 시스템의 개략도.

제4도는 본 발명에 따라 가열로의 연소용 공기를 예열하기 위한 시스템의 일례를 나타내는 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 가열로 2 : 버너

3 : 연도 6 : 송풍기

12 : 제1절환변 13 : 제2절환변

20,21,22 : 댐퍼 50 : 공기헤더

71 : 제1축열기 72 : 제2축열기

73 : 제3축열기 81,82,83,84 : 제1,제2,제3,제4연도

85 : 배출연도 201 : 제1공기관

202 : 제2공기관

본발명은 가열로 연소가스의 현열을 횟하여 연소용 공기를 예열하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세히는, 연소가스의 통로인 연도에 복수개의 축열식 열교환기를 설치하고 각각의 열교환기가 교대로 배기 혹은 축열기능과 예열기능을 가지도록 제어 운전함으로써 가열로 연소가스의 현열 회수율을 증대할 수 있는 연소용 공기의 예열방법에 관한 것이다.

가열로는, 통상, 버너에 의해 연료를 연소시켜 피가열물을 승온, 가열시키는 설비로서 대개 1200℃이상이 고온으로 유지되는 에너지 다소비 설비이다. 그러므로 가열로의 열효율을 향상시켜 연료 원단위를 낮추는 것이 매우 중요한 것으로 인식되어 왔으며, 이를 위하여 각종의 열회수장치가 개발되어 사용되어져 왔다.

가열로에서 방출되어지는 폐옐증에서 가장 큰 부분을 차지하는 것이 연소가스의 현열임은 이미 잘 알려져 있으며, 연소가스의 현열회수를 위한 방법으로써 일반적으로 연소용 공기 예열용의 레큐퍼레이터(recuperator)를 설치하여 운용하고 있는데,이 방법에 대하여 그 일례를 나타내고 있는 제1도를 통해 설명하면 다음과 같다.

통상, 가열로(1)에는 다수개(30개 내지 50개)의 버너(2)가 설치되어 정해진 연소부하로 연료 및 공기의 유량이 제어되어 버너(2)에 공급되므로서 연속적으로 화염(7)이 형성된다. 연도(3)를 통해 배출되는 연소가스는 연도(3)상에 설치된 레큐퍼레이터(4)에서 송풍기(6)로부터 공급되는 냉풍과 열교환되어 온도가 저하된 상태로 연돌(5)을 통하여 대기중으로 배출된다. 레큐퍼레이터(4)에서 예열된 공기는 공기헤더(50)를 통하여 각각의 버너(2)로 공급된다. 가열로의 열효율은 레큐퍼레이터(4)에서 배출되는 연소가스의 온도가 낮을수록 상승되므로 공기 예열기에서 연소가스의 현열을 회수하여 가능한 한 공기온도를 높게 예열시키는 것이 요망된다. 그러나 레큐퍼레이터(4)를 이용하는 상기 방식에서는 레큐퍼레이터(4)에서의 회수효율이 70%미만으로서 공기온도를 600℃이상으로 예열하는 것은 곤란하여 현열회수 극대화(회수율 80%이상)에는 문제점이 있는 것이었다. 또한 레큐퍼레이터(4)의 재질적인 측면에서도 전열관의 보호를 위하여 가열로(1) 출구의 온도를 850℃이상으로 유지하는 것은 곤란하여 가열로의 출구부인 예열대의 온도를 높게 관리할 수 없으므로 상대적으로 가열로의 길이가 길어지게 되는 단점을 가지고 있는 것이었다.

이와같은 레큐퍼레이터식 공기 예열방식의 문제점을 해소하기 위한 다른 종래 방법으로서 미국특허 4,604,051호 및 미국 특허 4,878,480호와 같은 교호연소식 축열식 연소방법이 알려져 있다. 즉 제2도와 제3도는 종래의 축열식 연소방법의 실시예를 나타낸 것으로 제2도는 버너(102, 103)와 축열실(108,109)이 분리되어 있는 경우이며, 제3도는 이들이 일체화되어 있는것을 보여준다.

종래의 교호연소식 축열식 연소방법을 제2도를 기준으로 하여 설명하면 다음과 같다. 교호연소식 축열식 연소방법에서는 2대의 버너가 1개조로 운용되는 것이 기본으로서 쌍을 이루는 1개버너가 연소시 다른 버너는 연소되지 않고 연소가스의 통로가 된다. 즉 설명의 편의상 화염(7)이 그려져 있는 일측버너(102)를 기준버너라고 할 때 기준버너(102)가 연소상태일 때는 상대쌍버너(103)를 통과하는 고온의 연소가스는 축열실(109)내의 축열물질에 열을 전달해 주고 온도가 저하된 상태로 절환변(9)을 통하여 연돌(5)로 배출되게 된다. 이때 송풍기(6)에서 공급되는 공기는 절환변(9)을 통하여 이미 축열된 상태에 있는 축열실(108)을 통하면서 고온으로 예열되어 연소모드에 있는 기준버너(102)로 공급된다. 이와 반대로 상대쌍버너(103)가 연소 모드일 때는 연소용 공기는 축열실(109)에서 예열되어 상대쌍버너(103)으로 공급되고 연소가스는 기준버너(102)를 통과하여 축열실(108)에 열을 전달해 주고 온도가 저하된 상태로 절환변(9)을 통과하여 연돌(5)로 배출된다. 이때 절환변(9)내의 댐퍼(20)는 점선으로 표시한 위치로 방향이 절환된다. 제3도는 버너(102,103)와 축열실(100,101)이 일체화되어 있는 축열식 버너를 나타낸다.

위와 같은 교호연소식 축열식 연소법은 종래의 레큐퍼레이터식 공기예열방식의 열회수율 상한을 극복하여 최대90%까지의 열회수가 가능한 것으로 알려져 있다. 그러나 위에서 설명한 바와 같이 교호연소식 축열식 연소법에서 2대의 버너가 1개조로 운용되므로 버너조별로 절환변(9)이 설치되어야 하며 특히 많은 수의 버너가 사용되는 대형 가열로에서는 버너의 연소조작에 많은 수의 절환변(9)과 제어장치가 설치되어야 하는 단점을 가지고 있는 것이었다. 또한 버너수별로 연료공급제어변(60)이 설치되어 버너가 연소 혹은 배기 모드로 운전됨에 따라 개폐가 반복되어야 하는 것이었다. 통상 절환변(9)과 연료공급제어변(60)은 20초 내지 90초의 범위 내에서 작동이 반복되는 바, 버너의 교대적인 점화, 소화 조작에 따른 노내압의 변동을 제어하기 위한 곤란한 문제점을 내포하고 있는 것이었다. 특히 이러한 현상은 대용량버너를 사용하는 경우에 큰 문제점으로 대두된다. 즉 일반적인 가열로 조업에서는 가열조건에 맞게 노온을 설정하고 설정노온을 추종하도록 버너에서의 연료분사량이 조절된다. 이 경우 정상적인 운전조건에서는 버너별 연료량이 거의 일정하게 유지되는 것이다.그러나 교호연소식 버너의 경우는 연료공급제어변(60)의 개폐에 따라 연료가 분사 혹은 차단되므로 연료량의 일정유지가 곤란하며, 따라서 노온 균일화에 문제가 있는 것이다. 통상 버너의 운용에 있어서는 안전조작을 위하여 점화시에는 소량의 연료를 공급하고 착화후에 점차 연료유량을 일정량까지 증가시키는 것이 기준이다. 그러나 교호연소식 버너에 있어서 연료의 차단 및 분사에도 불구하고 연료유량을 일정하게 유지하기 위해서는 연료 공급제어변(60)의 개방과 동시에 다량의 연료가 순간적으로 공급되어 연소되어야 하므로 초기연소가 불안정하며 심지어는 노내 폭발의 위험성을 내포하게 되는 문제점이 있는 것이다. 따라서 상기의 교호연소식 축열식 연소방법은 버너의 용량이 작고 적은 수의 버너가 사용되는 연소로에의 적용은 가능하나 다수의 대용량 버너가 사용되어야 하는 가열로에의 적용은 곤란한 것이었다.

이와같이 교호연소식 축열식 연소방법은 많은 수의 절환변(9)과 연료공급제어변(60)을 동시에 제어하여야 하고, 대용량 버너의 경우에는 노압 및 노온조절과 안정상의 문제를 가지고 있는 것이었다.

본 발명자들은 상기한 레큐퍼레이터에 의한 공기예열방법과 종래의 교호연소식(축열식)연소방법의 문제점을 해결하기 위하여 연구를 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로써, 본 발명은 연소가스의 통로인 연도에 복수개의 축열식 열교환기를 설치하고 각각의 열교환기가 교대로 배기 혹은 축열기능과 예열기능을 가지도록 제어 운전함으로써 가열로 연소가스의 현열 회수율을 증대할 수 있는 가열로의 연소용 공기의 예열방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 가열로에서 방출되는 연소가스의 현열을 회수하고 연소용 공기를 예열하는 방법에 있어서, 연도상에 제1축열기와 제2축열기를 설치하고 상기 제1, 제2축열기의 전후에 제1절환변과 제2절환변을 설치하여 상기 제1, 제2절환변을 연동 제어함에 의해 상기 제1, 제2축열기가 교대로 축열 및 예열기능을 작동되도록 하여 가열로의 연소용 공기를 예열하는 방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 도면에 의해 상세히 설명한다.

본 발명에 따라 가열로의 연소용 공기를 예열하기 위해서는 우선, 제4도와 같이 본 발명의 연소용 공기 예열시스템을 구성하여야 한다.

즉, 제4도에 나타난 바와 같이, 연도(3)로 배출되는 연소가스를 순환시키기 위한 제1연도(81), 제2연도(82), 제3연도(83), 제4연도(84) 및 배출연도(85)를 구성하고, 제1댐퍼(21)를 구비한 제1절환변(12)을 상기 연도(3), 제1연도(81)와 제2연도(82)가 가스소통관계로 연결되도록 이들 사이에 설치하고, 제1공기관(201)을 거쳐 가열로(1)의 공기헤더(50)와 가스소통관계로 연결되어 있는 제1축열기(71)를, 상기 제 1연도(81)와 제3연도(83)가 가스소통관계로 연결되도록 이들 사이에 설치하고, 제2댐퍼(22)를 구비하고, 송풍기(6)에 가스소통관계로 연결된 제2절환변(13)을, 제3연도(82), 제4연도(84)와 배출연도(85)가 가스소통 관계로 연결되도록 이들 사이에 설치하여야 한다.

상기와 같이 연소 공기예열시스템을 구성한 다음, 제 1축열기(71)와 제2축열기(72)를 교대로 축열 또는 예열모드로 운전하여 연소공기를 예열하게 되며, 상기 축열기(71) 및 (72)의 운전모드 절환은 제1절환변(12)과 제2절환변(13)을 연동 제어함으로써 이루어지는데, 이를 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 제1축열기(71)가 예열모드에 있고 제2축열기(72)가 축열모드에 있다고 하자.

송풍기(6)에서 공급되는 연소용 공기는 제2절환변(13)을 거쳐 제3연도(83)를 통과하고 제1축열기(71)에서 고온으로 예열된다.

예열된 공기는 제1공기관(201)을 거쳐 가열로(1) 좌우의 공기헤더(50)를 경유하여 각각의 버너(2)로 공급된다.

이때 가열로(1)에서 발생되는 연소가스는 연도(3)를 거쳐 제1절환변(12)을 경유하여 제2연도(82)와 연결된 제2축열기(72)를 지나게 되고 이때 제2축열기(72)내의 축열 물질에 열을 전달해준 후 온도가 저하된 상태로 제4연도(84)와 제2절환변(13) 및 배출연도(85)를 통하여 연돌(5)로 배출되게 된다.

이 경우 제1절환변(12)과 제2절환변(13) 내의 댐퍼(21,22)는 제4도에 실선으로 표시한 위치에 놓이게 된다.

한편, 작동모드가 바뀌면 제1축열기(71)는 축열모드로, 제2축열기(72)는 예열모드로 절환되며, 이때 제1,제2절환변(12,13)내의 댐퍼(21,22)는 제3도중의 점선으로 표시한 부분으로 위치가 전환된다. 즉 송풍기(6)에서 공급되는 공기는 제2절환변(13)에서 방향이 절환되어 제4연도(84)를 흐르게 되고, 이미 축열상태에 있는 제2축열기(72)에서 예열되어 제2공기관(202)을 거쳐 공기헤더(50)을 통과하여 각각의 버너(2)로 공급된다. 이때 연도(3)를 통하여 배출되는 연소가스는 제1절환변(12)을 통하여 제1연도(81)쪽으로 흐르게 되며 제1축열기(71)내의 축열물질에 열을 전달해준 후 제2절환변(13) 및 배출연도(85)를 통하여 연돌(5)로 배출하게 된다.

각 축열기내의 축열물질에는 제한이 없으며 열전도도가 높은 세라믹(예,탄화규소)제의 구슬이나 하니컴(honeycomb)등을 사용할 수 있다. 한편 각각의 모두 절환시 공기의 역류를 방지하기 위하여 적절한 수단을 사용할 수 있는데, 예를 들면 제1공기관(201)과 제2공기관(202)상에 역지변을 설치함으로써 해결할 수 있다. 제1절환변(12)과 제2절환변(13)내의 댐퍼(21,22)의 절환은 상호 연동되도록 제어계를 구성할 수 있으며 절환시간은 가열로(1)의 연소부와 및 축열기(71,72)의 크기에 맞추어 가변적으로 조절할 수 있다.

이와같이 구성된 본 발명에 의하면 축열기(71,72)를 이용하여 공기를 고온으로 예열하는 것이 가능하므로 레큐퍼레이터식 공기예열 방법의 문제점을 해결할 수 있는 것이다. 또한 단지 제1절환변(12)과 제2절환변(13)만을 제어함에 의해 축열모드와 예열모드의 변경이 가능하므로 버너별로 절환변이 설치되고 제어되어야 하는 교호 연소식 축열식 연소방법의 일 문제점도 해결가능하게 된다. 또한 본 발명에서는 축열기(71,72)의 모드만 변경될뿐 버너(2)별 연료의 절환이 불필요(버너 전체가 연소상태)하므로 버너별 연료절환 및 점, 소화에 따른 노온 및 노압조절과 안전상의 문제를 가지고 있는 교호연소식 축열식 연소방법의 단점을 효과적으로 해소할 수 있는 것이다.

한편, 본 발명의 구성에서 연도(3)상에 제3축열기(73)를 설치하여 제1, 제2축열기(71,72)와 교대로 운전할 수 있으며, 이때 작동방법의 일례로서 제1축열기 (71)는 예열모드, 제2축열기(72)는 축열모드, 제3축열기(73)는 축열이 끝나고 예열을 대기하는 대기모드로 운전함에 의해 모드절환시 절환변 내의 댐퍼작동시에 수반될 수 있는 시간지연에 따른 안전상의 문제를 완벽하게 해소할 수 있다. 축열기를 3대 설치하는 구성에서의 축열기 및 절환변의 배치 및 제어는 앞에서 설명한 축열기2대 작동시의 구성을 참조하여 여러 가지의 방법이 가능하다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 레큐퍼레이터식 공기 예열방법과 종래의 교호연소식 축열식 연소방법의 단점을 해소하면서, 상기 방식들의 장점은 그대로 반영할 수 있는 유익한 효과가 있을 뿐만 아니라, 신설 가열로에는 물론 기존의 대부분의 가열로에서 채용하고 있는 레큐퍼레이터식 공기예열방식을 축열식으로 변경할 경우에도 버너의 교체없이 적용이 가능하여(교호연식 축열식 버너를 적용시는 버너전체의 교체가 필요)적용범위가 넓고 실시가 용이한 부가적인 효과도 있는 것이다.

Claims (1)

1. 연도(3)를 구비한 가열로에서 방출되는 연소가스의 현열을 회수하여 연소용 공기를 예열하는 방법에 있어서, 상기 연도(3)로 배출되는 연소가스를 소통시키기 위한 제1연도(81), 제2연도(82), 제3연도(83), 제4연도(84) 및 배출연도(85)를 구성하고, 제1댐퍼(21)를 구비한 제1절환변(12)을, 상기연도(3), 제1연도(81)와 제2연도(82)가 가스소통관계로 연결되도록 이들 사이에 설치하고, 제1공기관(201)을 거쳐 가열로(1)의 공기헤더(50)와 가스소통관계로 연결되어 있는 제1축열기(71)를 상기 제1연도(81)와 제3연도(83)가 가스소통관계로 연결되도록 이들 사이에 설치하고, 제2공기관(202)을 거쳐 가열로(1)의 공기헤더(50)와 가스소통관계로 연결되어 있는 제2축열기(72)를, 상기 제2연도(82)와 제4연도(84)가 가스소통관계로 연결되도록 이들 사이에 설치하고, 제2댐퍼(22)를 구비하고, 송풍기(6)에 가스소통관계로 연결된 제2절환변(13)을, 상기 제3연도(83), 제4연도(84)와 배출연도(85)가 가스소통관계로 연결되도록 이들 사이에 설치한 다음, 상기 제1절환변(12)과 제2절환변(13)을 연동 제어하여 상기 제1축열기(71)와 상기 제2축열기(72)가 교대로 축열 및 예열기능으로 작동되도록 하여 가열로의 연소용 공기를 예열하는 것을 특징으로 하는 축열식 열교환기를 이용한 가열로의 연소용 공기예열방법.