KR0131200B1

KR0131200B1 - 가스를 가열하기 위한 방법 및 재열기

Info

Publication number: KR0131200B1
Application number: KR1019890018244A
Authority: KR
Inventors: 파스빈더 한스-게오르크
Original assignee: 아르. 체. 루스덴. 페. -게. 만테이; 클뢰크너 체아르아 파텐트 게엠베하
Priority date: 1988-12-10
Filing date: 1989-12-09
Publication date: 1998-04-15
Also published as: EP0373450A1; HU896446D0; CN1043198A; HUT56142A; ZA899382B; AU624450B2; US5052918A; AU4567289A; CN1016993B; JP2509350B2; MX171490B; JPH02272256A; DE3841708C1; SU1739857A3; HU206745B; KR900010008A

Abstract

본원 발명은 고온가스로 열매개체를 가열한 후 열매개체에 저장된 열에너지로 저온가스를 가열하는 것을 교대적으로 행하는 가스 가열용 재열기에 관한 것이다. 본원발명의 재열기는 외벽, 내부화상 및 내부화상과 동축으로 위치하는 외부화상, 내부화상안에 위치한 고온가스 수집챔버, 외부화상 및 외벽 사이에 위치한 제2가스 수집챔버를 포함하고 있다. 그리고, 열매개체는 내부화상에 인접한 제1열저항물질로 이루어진 제1환형베드 및 제1열저항물질과 외부화상사이의 제2열저항물질로 이루어진 제2환형베드를 포함하며, 제1열저항물질은 제2열저항물질보다 열저항이 더 크다. 내부화상과 외부화상은 다른 물질로 만들어지는 것이 바람직하다. 또한, 재열기가 동작중인 어느 때라도 열매개체의 전부 또는 일부를 교체할 수 있는 수단을 더 포함하고 있다. 본원발명은 또한, 상기의 재열기로 고온가스 및 저온가스를 교대적으로 통과시키는 재생가스 가열방법을 개시하고 있다. 여기서는 열전달영역의 제1부분내의 열전달물질은 예를 들면, 금강사와 같은 물질로 구성된다.

Description

가스를 가열하기 위한 방법 및 재열기

제1도는 본 발명 재열기의 개략단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 외벽 2 : 외부화상

3 : 가스수집챔버 4 : 내부화상

6 : 열매개체 7 : 고온가스수집챔버

본 발명은 교대로 열매개체를 먼저 가열한 후 저온가스를 가열시키기 위하여 열매개체에 저장된 에너지를 이용하여 가스를 가열하는 방법 및 재열기에 관한 것이다. 재열식 가스가열의 원리는 공지되어 있으며 산업의 여러분야에서 이용되고 있다. 예를 들면, 용광로(blast furnace)용 송풍(blast)은 이러한 방법에 의해 송풍 히터(blast heater;쿠퍼)에서 약 1200℃ 온도까지 가열된다. 송풍 히터의 연소 챔버에서 용광로 가스연소로부터 얻어지는 열에너지는 내화성 스토우브 충전재의 체크워커(check worker)로 전달되며, 가열단계가 끝난 후 저온공기는 가열된 체커를 통해 송풍되며 축열(저장열; stored heat)에 의해 가열된다. 지멘스-마르틴(Siemens-Marti n) 및 유리 트로프(trough)노용 체커실이 이와 같은 방법에 의해 작동된다. 저온가스를 연속 가열하기 위하여, 상기 언급된 작동 모우드(mode)에 따라 적어도 2개의 재열기가 필요하다. 즉, 한 개의 재열기는 가열되어 축열되는 반면에, 다른 하나는 송풍된 저온가스에 축열을 방출시킴으로써 가스를 가열시킨다. 재열기를 설계하고 제작할 때는 온도조건과 제작가능성을 항상 조화시켜야 한다. 따라서, 용광로 작동시에 송풍을 가열시키기 위하여 직경과 높이비가 약 1 : 5인 원통형으로 구성된 공지된 송풍 히터가 사용된다. 가열단계에서는 가스가 상부로 부터 하부로 통과하고, 가스가열단계에서는 반대방향으로 즉, 가스가 하부로부터 상부로 유동하는 체크벽 형성체 설계는 가스가 내화성 충전재를 통과할 때 가스 및 체커벽 형성체 사이의 열전달조건 뿐만 아니라, 가스의 허용압력손실이라는 전제조건도 고려해야 한다. 이 경우, 넓은 표면과 좁은 덕트(duct)를 활용하면 열전달이 좋은 반면에, 가스의 자유유동면적이 가스흐름을 허용할 수 있는 압력손실을 유지시키도록 일정한 범위로 제한되어야 하는 문제점이 있다. 반면에, 유동덕트의 자유단면을 넓게하는 것은 열전달을 감소시키므로 열보유벽 형성체를 가열시키기 위한 연소가스의 온도를 획득할 수 있는 송풍온도에 비하여 지나치게 높게 증가시켜야 하는 문제점이 있다. 상기 언급된 용광로 송풍온도를 1200℃에 도달시키기 위해서, 약 1500℃의 가열단계의 화염온도를 필요로 한다. 이러한 화염온도는 용광로에 의해 방출된 용광로 가스로서 도달될 수 없으므로, 추가적인 풍부한가스, 즉 천연가스의 연소가 필요하며 관례로 많이 사용되고 있다. 재열기의 열효율을 개선시키는 공지된 방법은 열보유체의 표면을 확실하게 증가시키는 것이다. 이를 실천하기 위한 많은 방인이 있다. 이러한 목적을 달성하기 위해 특히 효율적인 방법으로, 체커벽 형성체를 거의 균일한 입자크기를 가진 적합한 재질의 베드에 의해 교체시키는 것이다. 예를 들면, 내화재질로 만들어진 펠릿(pellet)을 사용할 수 있다. 5㎜ 내지 15㎜범위의 직경을 가진 타원형 또는 구형의 열보유체의 적당한 베드를 가진 재열기는 체크벽 형성체와 비교할 때 화염 또는 가열단계에서 소비되는 가스온도와 가스가열단계에서 가열된 가스온도 사이의 온도차가 약 10℃정도의 적은 크기로 열 교환을 위한 유효면적을 증가시키는 것을 가능하게 한다. 그러나, 용광로 작동을 위한 보통의 송풍 히터의 체커는 이것이 베드의 큰 높이로 인하여 가스가 유동할 때 용납될 수 없는 높은 압력손실을 초래하기 때문에, 예들 들면, 상기 언급된 종류의 베드에 의해 대체될 수 없다. 종래의 구조와 비교하여 송풍 히터의 직경을 상당히 증가시키고 높이 대 직경의 역비를 취함으로써 압력손실을 회피하기 위한 공지된 방안은, 예를들면, 거의 동일한 압력손실과 상당히 증가된 열전달을 보여 주지만 다른 결점을 가지고 있다. 열매개체 베드 위의 돔(dome)은 제작상 문제점을 높이고 이러한 송풍 히터의 작동시 단점이 있다는 것이 입증되었다. 먼저, 상당한 돔 체적은 가열단계로 부터 가스가열단계로의 전환기에 상대적으로 높은 가스손실을 초래한다. 둘째로, 돔의 넓은 표면은 송풍 히터의 이러한 고온영역에서 분명히 열손실을 증가시키고 있다. 셋째로, 비교적 얇으면서 넓은 단면적을 가진 고른 두께층을 생산하는 것은 거의 불가능하며 특히 작동하는 동안 그러한 두께를 유지하기는 불가능하다. 따라서, 본 발명은 공지된 시스템의 단점없이 가스를 가열시킬 수 있고 특히 가스 유동시 비교적 낮은 압력손실과 고른 열매개체의 넓은 열교환표면적 때문에 열전달을 증가시켜 낮은 열손실의 장점을 가진 상응하는 재열기 및 가스를 가열시키기 위한 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다. 이러한 문제는 본 발명에 따라서 적어도 2개의 동축상에 그리고 동일 거리의 화상 사이에 열매개체의 느슨한 베드를 설치하는 것과, 가스를 재열기의 가열단계 동안에 내부로부터 외부로 이러한 열매개체 베드를 통해 유동하게 하고 그리고 가스가열단계동안에 역방향, 즉 외부로 부터 내부로 열매개체 베드를 통해 유동하게 하는 것에 의해서 해결된다. 본 발명의 방법은 열적인 관점 및 이러한 시스템의 관점 양면에서 공지된 재열식 고온가스생산공정과 비교할 때 많은 장점을 가지고 있다. 특히, 열손실은 재열기의 외벽으로 열류가 분명히 보다 작게 흐르기 때문에 감소된다. 왜냐하면 고온영역이 외벽의 중앙에 위치하고 외벽이 저온가스와 접촉하기 때문이다. 이것은 한편으로는 열손실을 개선시키고, 다른 한편으로는 동일한 열용량, 예를 들어, 동일한 가스유량과 동일한 가스온도를 가진 공지된 시스템과 비해서 보다 적은 치수 및 보다 낮은 온도를 요구하므로 필요한 강철 및 내화성 라이닝을 절감할 수 있으므로 재열기의 구조상 분명한 장점을 가지고 있다. 또한, 본 발명의 방법으로 매우 고른 고온가스를 얻을 수 있으므로 상응하는 온도제어는 많은 실제적용에는 불필요하다. 예를 들면, 용광로 작동용 고온 송풍 발생에서, 20℃와 40℃사이에서 배출된 가스온도에 대하여 1200℃의 송풍온도와 30분 이상의 가스가열상태의 전환시간을 기대할 수 있다. 본 발명에 의하면, 비교적 적은 온도차가 열매개체와 가스사이에 필요하다. 열매개체 자체의 가열 뿐만아니라 가열되어야 할 가스, 예를 들면, 공기의 최종 온도에 대해서도 적은 온도차가 필요하다. 열매개체를 가열시키기 위해서는 저온가스 가열오도보다 약간 더 높은 화염온도를 가진 연소 가스만이 필요하다. 예를 들어, 용광로로 부터의 용광로 가스 또는 풍부한 용광로 가스를 함유한 가스만으로 용광로 작동용 송풍의 가열수단으로 사용될 수 있다. 본 발명의 방법이 송풍을 1150℃로 예열하는데 사용될 때, 열매개체는 약 750kcal/Nm의 열량 값과 약 1200℃의 화염온도를 가진 용광로 가스에 의해 재열기내에서 가열된다. 또한, 실질적으로, 동일한 가열온도는 다른 가스, 예를 들어, 질소, 아르곤, 산소-풍부한 공기, 산소와 연소가스를 가열할 때 달성될 수 있다. 열매개체가 먼저 가열되고 열매개체에 의해 저장된 에너지가 그후 저온가스를 가열하는데 교대로 이용되는 본 발명의 재열기는 먼저 내부화상 및 내부화상으로부터 동등한 거리로 배열되어진 적어도 한 개 이상의 외부화상에 의하여 형성되는 고온가스수집챔버, 이러한 외부화상과 재열기 외부벽 사이에 위치된 가스수집챔버, 그리고 화상들 사이에 배치된 열매개체 베드를 통해 방사상으로 유동하는 가스를 대칭축 중심에 가지고 있다는 사실을 특징으로 하고 있다. 본 발명인 재열기에 있어서는 비교되는 공지된 장치에 대해서 몇가지의 명백한 장점을 가지고 있다. 송풍 가열기 충전재와 유사하게, 열매개체는 거의 균일한 입자를 가진 느슨한 몸체로 구성되어 있다. 동일한 거리의 화상 사이에 위치한 이러한 열매개체 베드로 인하여, 층두께는 가스 유동방향으로 균일하다. 더구나, 본 발명의 재열기에 있어서, 열매개체는 유동영향을 받아 움직일 수 없게 되어서 예를 들면 부분적인 유동의 과잉으로 인한 가스 돌출사태의 위험은 없어진다. 본 발명의 재열기에 있어서, 열매개체 사이와 또한 고온가스챔버 및 가스수집챔버 사이의 자유체적이 비교적 작으므로, 가열단계로부터 가스가열단계로의 전환시에 적은 가스손실을 가져온다. 열매개체는 본 발명에 있어서 작동하는 동안에 교체될 수 있다. 베드의 상부 및 하부 상의 적절한 연결 피이스(peices) 또는 플랜지는 한쪽 방향으로 열매개체를 재충전시키고 반대방향에서는 열매개체를 제거시키는 것이 가능하다. 본 재열기는 주로 내부 및 외부 화상사이에 배치된 일종의 열매개체의 균일한 베드를 가지고 있다. 그러나, 2개이상의 동축의 화상을 사용하는 것이 또한 본 발명의 범위안에 있으며, 이에 의해 복수의 동축 환형챔버를 만들 수 있다. 2개의 인접 화상 사이에서, 동일한 열매개체를 사용할 수 있다. 그러나, 각각의 환형 챔버에서 열매개체의 다른 베드를 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 예를 들면, 금강사와 같은 고온저항용 세라믹 볼이 재열기의 고온 내부상의 2개의 화상사이에서 사용될 수 있는 반면에, 외부로 향한 좀 더 낮은 온도 부분에는 멀라이트, 샤모트, 마그네시아, 크롬 등과 같은 좀 값싼 열매개체가 사용될 수 있다. 전체 베드는 재정적인 견지뿐만 아니라 작동상, 특히 열적인 이유로도 2개 이상의 베드로 구분될 수 있다. 내부베드로부터 외부베드로 갈수록 열저항이 낮은 물질을 순차적으로 배열하는 것이 열매개체의 물성유지와 내구년한의 관점에서 더욱 유리하다. 재료 및 열매개체의 크기 및 형태 양면은 본 발명에 따라서 다양화될 수 있다. 본 발명 재열기의 화상은 동일한 재료로 만들어질 수 있지만 바람직하게는 다른 재료로 만들어질 수도 있다. 예를 들면, 고온측 내부 화상은 적당한 가스 덕트를 가진 내화 벽돌과 같은 내화성 재료로 만들어질 수 있으며, 저온측 외부 화상은 강철, 비스케일 강철 또는 주철과 같은 재료로 만들어질 수 있다. 만약 기타의 화상이 내부 및 외부 화상 사이에 사용된다면, 재료는 또한 온도응력에 따라 선택되어야만 한다. 세라믹 또는 금속재질들이 주로 사용된다. 본 발명의 중요한 특징은 균일한 두께의 열매개체 베드를 조립하는 것이며, 가스를 방사 방향(radial)으로 열매개체 베드를 통하여 유동하도록 하는 것이다. 이러한 특징은 열매개체 베드가 몇 개의 층으로 분할될지라도 유지시킨다. 열매개체용으로 적당한 재질은 예를 들면, 금속재료 및 금강사, 멀라이트, 샤모트, 마그네시아, 산화 크롬, 지르코니나, 실리콘 카아바이드를 기초로한 다양한 성질의 세라믹 재질로 구성된다. 물론, 열매개체 재료는 열매개체의 온도 응역(열응력)에 따라 선택되어야만 한다. 본 발명용 열매개체 형상은 기본적으로 임의로 선택될 수 있지만, 특히 세라믹 재질의 경우에는 예를들면 펠리타이징(pelletizing)과 브리켓팅(briquetting)과 같은 경제적이고 가능한 생산방법에 따라서 형성된다. 기하학적으로 열매개체 형상은 필연적으로 타원형 또는 구형 형상이다. 그러나 어떤 스플릿(split) 및 분열구조체의 베드를 사용할 수도 있다. 본 발명의 방법 및 재열기는 철광석, 전기제련 및 용광로의 제련 환원시에 사용하는데에 특히 적당하다. 본 발명은 전형적인 실시예와 도면을 참조하여 좀 더 상세히 설명될 것이다. 본 재열기는 대략 구형 형상의 외부 강철 쉘(1)로 구성되어 있다. 재열기의 외형이 중요하지 않고 임의로 선택될 수 있을지라도, 직립의 실린더, 구형, 또는 2개의 잘려진 원뿔형이 원통형 피이스(piece)를 구비하거나 구비하지 않은 상태로 서로 맞대고 있는 것과 같은 형상을 택할 경우 생산 공학의 관점에서 실용화면에서 유용하다. 강철 쉘(1)은 원형 및 /또는 슬롯 형상의 개구부를 가진 원통형 외부화상(2)을 포함하고 있다. 이러한 화상(2)과 외부 강철 쉘(1)사이에는 저온 가스용 환형의 가스수집챔버(3)가 있다. 내부화상(4)은 적당한 가스 덕트를 가진 내화벽돌로 조립된다. 2개의 화상(2, 4)의 동축 배열은 전 원주를 따라서 이러한 2개의 화상 사이에서 동일한 거리의 공간(5)을 확실히 보장한다. 원형 단면의 이러한 공간(5)은 예를 들면 세라믹 재질의 펠릿과 같은 열매개체를 수용한다. 원형단면의 재열기 중앙에는 고온가스챔버(7)가 있다. 이러한 고온 가스실챔버(7)하단에서 용광로(8)에서 발생한 배기고온가스가 재열기의 가열동안에 유동한다. 용광로(8)는 용기뚜껑(9)을 통하여 접촉될 수 있다. 고온연소가스는 고온가스챔버(7)로 부터 화상(4)을 통하여 그리고 열매개체(6)의 베드를 통하여 챔버(5)로, 더 나아가서 화상(2)을 통하여 가스수집챔버(3)로 유동한다. 열매개체 베드(6)를 통하는 도중에, 가스는 냉각되며 거의 상온으로 가스수집챔버(3)에 도달한다. 냉각된 가스는 가스 수집실 챔버, 따라서 연결피이스(10)를 통하여 재열기를 벗어난다. 가스가열시, 압축가스는 연결피이스(11)를 통하여 가스수집챔버(3)로, 더 나아가서 화상(2) 및 열매개체(6)를 통하여 챔버(5)로, 내부화상(4)을 통하여 고온가스챔버(7)로 유동한다. 유동하는 도중에, 가스는 고온 열매개체(6)에 의하여 가열되며 연결 피이스(12)를 통해 재열기를 벗어난다. 플랜지로 폐쇄되도록 채용된 개방구(13, 14)는 재열기 용기(vessel)에 도시되어 있다. 연결 피이스(14)를 폰해 열매개체(6)는 챔버(5)로부터 제거될 수 있고 동시에 작동 또는 정비 및 수선시에도 개방구(13)를 통해 재충전할 수 있다. 따라서 연속적으로 또는 불연속적으로 챔버(5)에 있는 열매개체 전체량을 대체시키는 것이 가능하다. 각각의 산업분야에 본 발명의 방법 및 재열기를 적용하는 것은 본 발명의 범위안에 있다. 상기 언급한 대로, 화상 및 열매개체용 재질은 온도조건에 따라 조정할 수 있다. 재열기의 형상은 용도에 따라 수정될 수 있지만, 그러나 열매개체 베드를 통해 방사유동의 원리가 포함되어야 한다.

Claims

고온가스로 열매개체를 가열한후 열매개체에 저장된 열에너지로 저온가스를 가열하는 것을 교대적으로 행하는 가스 가열용 재열기에 있어서, 상기 재열기는 외벽, 내부화상 및 내부화상에서 이격되어 동축으로 위치한 적어도 하나의 외부화상, 내부화상안에 위치한 고온가스 수집챔버, 외부화상 및 외벽사이에 위치한 제2가스 수집챔버를 포함하고, 또한 상기 재열기는 대칭축을 가지며, 상기 열매개체는 상기 내부화상에 인접한 제1열저항 물질로 이루어진 제1환형베드 및 상기 제1열저항물질 및 상기 외부화상사이의 제2열저항 물질로 이루어진 제2환형베드를 포함하고, 상기 제1열저항 물질은 상기 제2열저항 물질보다 열저항이 더 큰 것을 특징으로 하는 재열기.
제1항에 있어서, 내부화상과 외부화상은 서로 다른 물질로 만들어지는 것을 특징으로 하는 재열기.
제1항 또는 제2항에 있어서, 재열기가 동작중인 어느때라도 열매개체를 적어도 부분적으로 교체할 수 있는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 재열기.
제1항 또는 제2항에 있어서, 열매개체는 브리켓트(briquet)되어 소결(燒結)된 타원형(oval shape)의 세라믹 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 재열기.
제1항 또는 제2항에 있어서, 제2가스 수집챔버가 환형형상인 것을 특징으로 하는 재열기.
제1항 또는 제2항에 있어서, 재열기내에 동축으로 배열되는 적어도 3개의 화상이 위치하는 것을 특징으로 하는 재열기.
제1항 또는 제2항에 있어서, 열매개체는 브리켓트되어 소결된 구형의 세라믹 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 재열기.
제6항에 있어서, 3개 또는 그 이상의 동축화상사이에 적어도 두 개의 환형공간이 형성되며, 가장 안쪽의 화상에 의해 한편에 형성된 공간은 열매개체로서 금강사를 포함하며, 가장 바깥쪽의 화상에 의해 한편에 형성된 공간은 멀라이트, 샤모트 및 이들의 혼합물중에서 선택되는 한 재료를 포함하고, 이들 사이의 공간은 열매개체로서, 금강사, 멀라이트, 샤모트 및 이들의 혼합물중에서 선택되는 한 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 재열기.
제1항 또는 제2항에 있어서, 고온가스 수집챔버가 원주형상인 것을 특징으로 하는 재열기.
제1항에 있어서, 열매개체는 금강사, 멀라이트, 샤모트 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 재열기.
(1)고온가스가 냉각되도록 고온가스입구 및 그로부터 외부로 방사상으로 위치한 수집영역으로부터 고온가스를, (a) 열에너지가 가스에서 제거되어 그 내부에 저장되는 미립자의 열매개체를 포함하는 균일한 환형단면의 적어도 하나의 베드로 구성되는 열전달 영역을 통하여 (b) 냉각가스입구 및 수집영역을 통과시키는 단계, 및 (2) 저온가스가 가열되도록 저온가스입구 및 그로부터 내부로 방사상으로 위치한 수집영역으로부터 저온가스를 (a) 열전달영역 및 (b) 고온가스입구 및 수집영역을 통과시키는 단계를 교대하여 행하는 재생가스가열방법에 있어서, (1)의 단계에서, 고온가스는 상기 영역의 제2부분내의 열매개체보다 높은 열저항을 가지는 물질로 이루어진 열매개체를 포함하는 열전달 영역의 제1부분내를 먼저 통과하여 부분 냉각되며, (2)의 단계에서, 저온가스는 열전달 영역의 제2부분내를 먼저 통과하여 부분가열된후 열전달 영역의 제1부분을 통과하는 것을 특징으로하는 재생가스가열방법.
제11항에 있어서, 열전달 영역의 제1부분내의 열전달물질은 금강사인 것을 특징으로 하는 재생가스가열방법.
제11항 또는 제12항에 있어서, 열전달 영역은 적어도 3개의 동축으로 배열된 환형베드로 구성되며, 고온가스입구 및 수집영역부근에 위치한 베드안의 열매개체는 금강사로 구성되고, 저온가스입구 및 수집영역 부근에 위치한 베드안의 열매개체는 멀라이트, 샤모트 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 재생가스 가열방법.