KR100316214B1 - 폐열보일러를작동시키는방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐열보일러를 작동시키는 방법에 관한 것으로서, 원통형 셸 내부에 유입구 단부 및 배출구 단부를 갖춘 복수의 열교환튜브, 상기 셸에 부착되어 있으며, 상기 튜브의 셸측 상에 물을 유입시키는 수단, 증기를 발생시키고 유입된 프로세스 가스 스트림을 냉각시키기 위해서 상기 튜브의 유입구 단부로 고온 프로세스 가스 스트림을 유입시키고 상기 튜브의 셸측 상의 물과 간접적인 열교환으로 상기 튜브를 통하여 가스 스트림을 통과시키는 수단, 발생된 물/증기를 회수하는 수단, 그리고 냉각된 가스 스트림을 회수하는 수단을 포함하고 있고, 튜브는 가스 유동 제어수단을 각각 구비하고 있는 적어도 두 개의 튜브다발에 배치되어 있는 폐열보일러를 작동시키는 방법으로서, 상이한 오염 및 부하 조건에서 가스 스트림의 소정의 배출구 온도를 얻기 위하여 증기의 발생 및 프로세스 스트림의 냉각을 제어하기 위해 다른 튜브다발 사이의 고온 가스 스트림의 유동 분배 및 유동률을 조절하는 단계를 포함하고 있다.

Description

폐열 보일러를 작동시키는 방법{Waste Heat Boiler}

본 발명은 화학반응에 의한 폐열의 재생에 관한 것이며, 보다 상세히는 냉각효율에 대한 개량된 제어를 제공하는 폐열 보일러를 작동시키는 방법에 관한 것이다.

폐열 보일러는 고온 프로세스 가스 스트림에서 재생되는 폐열에 의해 증기를 발생시키는데 통상 사용된다. 일반적으로, 이러한 보일러는 원통형 셸내에 배열된 복수의 열교환 튜브를 갖춘 셸-튜브 교환기로서 설계되어 있다.

물/증기 혼합물이 튜브를 통하여 유량하는 수관형과 튜브내에 가열용 프로세스 가스 스트림을 갖는 연관형의 2개의 기본적인 형태의 셸-튜브 교환기가 산업분야에 사용되고 있다.

보일러의 특성을 규정짓는 중요한 구성요소 중에는 튜브다발(tube bundle)과 튜브쉬이트(tube sheet)가 있는데, 이 튜브다발과 튜브쉬이트는 튜브의 개수, 튜브의 치수, 튜브다발의 형상, 연관 보일러의 증기에 있어서의 튜브쉬이트의 레이-아웃과 관련하여 보일러의 특성을 결정짓는다. 튜브쉬이트는 한쪽면에서 물/증기측 압력셸에 연결되고 다른쪽면에서 연소가스(프로세스 가스) 압력셸에 연결되어, 물/증기 챔버와 연소가스 챔버를 분리시키는 역할을 한다. 튜브다발은 전열면적을 크게 하도록 연소가스가 유량하는 복수의 튜브들로 구성되고, 물/증기측 압력셸내에 배치된다. 연관 보일러에서 증기발생은 보일러 튜브를 통하여 유량하는 고온 프로세스 가스 스트림과의 간접적인 열교환에 의해 튜브의 셸 측면상에서 이루어진다. 이 셸 측면은 다수의 상승관과 하강관을 통해 증기 드럼에 연결되어 있으며, 보일러 셸의 상부에 배열될 수 있다.

셸-튜브 교환기형 보일러의 기계적인 설계, 특히 열교환 표면의 면적 설정에는 다소의 문제점이 있다. 보일러의 적용에는 셸측과 튜브측 사이의 상당한 온도차와 셸 측면상의 고압을 수반한다.

프로세스 가스 스트림의 오염 및 부식특성에 대해서 특별한 고려가 있어야 한다.

보일러에 대한 오염 또는 부식성을 감안하여, 보일러는 심각한 오염 및 부식 상태에서도 수명을 보장하기 위하여 요구되어지는 것보다 더 높은 성능으로 설계되어야 한다. 보일러 튜브의 열전달 표면은 상기 프로세스 가스 스트림의 예상되는 오염 및 부식성 인자에 대해 적합해야 한다. 보일러의 장기간 작동중에 소정의 일정한 냉각효과를 제공하기 위하여, 적절한 열전달 및 온도제어가 필요하다.

종래식으로 설계된 보일러는 대직경 튜브의 바이패스관을 갖추고 있으며, 이것은 보일러 셸의 내부 또는 외부에 있을 수 있다. 이 바이패스관은 통상 유량제어밸브가 구비된 단열튜브로서 구성되어 있다. 보일러의 초기작동중에 고온 프로세스 가스 스트림 일부분은 열전달을 요구 수준내로 한정하기 위하여 열전달 튜브에서분기 유동된다.

다소의 시간이 지난후에 프로세스 가스 스트림에 의한 바이패스관의 오염과 부식이 증가하여 열전달을 감소시킨다. 그래서 분기 유동되는 프로세스 가스 스트림의 양이 감소되어져서, 열전달 튜브를 통한 프로세스 가스 스트림의 더 높은 유동을 가능하게 하여 요구된 냉각효과를 유지시켜 준다.

상기 타입의 공지된 보일러의 주된 결점은 1000 ℃정도 고온의 냉각되지 않은 프로세스 가스 스트림과 접촉하는 바이패스관과 유량제어밸브의 금속표면에 부식이 많이 생기는 것이다.

가스를 포함하는 더스트를 가지고서 열교환용으로 사용되는 복수의 튜브다발에 배치된 튜브를 가진 셸-튜브 열교환기 타입의 보일러가 DE-A-30 17 411에 개시되어 있다.

부분 부하 하에서 과도한 튜브 오염을 방지하고 보일러의 작업중지시 편리한 청소가 가능하도록 하기 위해, 튜브다발은 제어수단 즉 스톱밸브를 각각 가진 별개의 가스 출구 챔버에 연결되어 있다. 따라서, 튜브 내측 가스의 온도는 튜브의 셸측상의 냉매의 온도조절을 통해서 제어된다.

본 발명의 주된 목적은 보일러의 오염 및 부하조건을 변화시킬 때 소정의 열전달 및 온도조절을 할 수 있도록 공지된 셸-튜브 열교환기 타입의 폐열보일러를 작동시키는 방법을 제공하는 것이다.

따라서, 본 발명은 폐열보일러를 작동시키는 방법에 관한 것으로서, 원통형 셸내부에 유입구 단부 및 배출구 단부를 갖춘 복수의 열교환튜브, 상기 셸에 부착되어 있으며, 상기 튜브의 셸측 상에 물을 유입시키는 수단, 증기를 발생시키고 유입된 프로세스 가스 스트림을 냉각시키기 위해서 상기 튜브의 유입구 단부로 고온 프로세스 가스 스트림을 유입시키고 상기 튜브의 셸측 상의 물과 간접적인 열교환으로 상기 튜브를 통하여 가스 스트림을 통과시키는 수단, 발생된 물/증기를 회수하는 수단, 그리고 냉각된 가스 스트림을 회수하는 수단을 포함하고 있고, 튜브는 가스 유동 제어수단을 각각 구비하고 있는 적어도 두 개의 튜브다발에 배치되어 있는 폐열보일러를 작동시키는 방법으로서, 상이한 오염 및 부하 조건에서 가스 스트림의 소정의 배출구 온도를 얻기 위하여 증기의 발생 및 프로세스 스트림의 냉각을 제어하기 위해 다른 튜브다발 사이의 고온 가스 스트림의 유동 분배 및 유동률을 조절하는 단계를 포함하고 있다.

본 방법 발명에 의하면, 열전달 제어는 서로 다른 튜브다발 사이에 고온 프로세스 가스 스트림을 분배함으로써 실행된다. 하나의 튜브다발내의 튜브를 통하는 고온 프로세스 가스 스트림의 감소된 유량으로 다른 튜브다발내의 튜브를 통하는 유속은 보일러를 통하는 고온 프로세스 가스 스트림의 일정 유량에 상응하여 증가한다. 프로세스 가스 스트림의 질량속도의 증가는 열전달의 증가를 동반한다. 그래서, 서로 다른 튜브다발내의 고온 프로세스 가스 스트림의 유량의 적절한 조절에 의해, 프로세스 가스 스트림과 보일러에서 배출되는 증기의 열전달 및 온도를 오염성 인자 조건의 변화를 수반하여 제어하는 것이 가능하다.

튜브다발 사이에서 그리고 튜브를 통하여 유입되는 프로세스 가스 스트림의 유량분배 제어는 튜브의 배출구측 튜브다발에 인접하게 배열된 배출챔버내의 제어밸브에 의해 이루어질 수 있다.

단열 바이패스 튜브를 갖춘 종래의 보일러에 반해, 고온의 냉각되지 않은 프로세스 가스 스트림과의 접촉에 의한 튜브와 밸브내의 금속표면의 심한 부식이 회피되어 진다. 본 발명에 따른 보일러내의 튜브와 밸브의 금속표면은 튜브의 셸 측면상에서의 물/증기와의 열교환을 통하여 보다 저온의 냉각된 프로세스 가스 스트림에 노출되어진다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 보일러의 튜브다발들은 서로 다른 갯수의 튜브를 구비하고 있으며, 이것은 속도 및 열교환면적의 제어를 허용하여 결과적으로 보일러내의 온도를 보다 정밀하게 제어할 수 있게 해준다.

상기 실시예에 부가하여, 또는 대안으로서, 튜브다발에는 서로 다른 다발내에 서로 다른 직경을 갖춘 튜브가 구비될 수 있다.

따라서, 온도제어는 서로 다른 양의 고온 프로세스 가스 스트림을 튜브 직경이 서로 다른 다발에 분배함으로써 실행되며, 여기에서 튜브의 직경이 작으면 작을수록 더높은 열전달 계수를 생기게 하고, 그래서 보다 작은 직경의 튜브를 통하여 증가하는 유동에서 프로세스 가스 스트림을 보다 효율적으로 냉각한다.

서로 다른 양의 고온 프로세스 가스 스트림을 열교환 튜브를 통하여 튜브다발로 분배할 때, 보일러내의 튜브와 밸브의 금속표면을 보일러내의 심각한 부식을 초래하는 고온에 노출시키지 않고 보일러의 오염과 부하에 적합하게 열전달을 변화시키는 것이 가능하다.

본 발명의 상기 이점과 특징은 이하 특정 실시예의 상세한 설명으로부터 보다 명료하게 알 수 있다.

실시 모델에 있어서, 각각의 튜브 다발내에 서로 다른 직경을 갖춘 튜브가 구비된 2 개의 튜브다발과 튜브의 배출구 단부측에서 배출챔버내에 제어밸브 형태의 유량제어 시스템을 가지고 있는 본 발명에 따른 셸-튜브 교환기형의 폐열 보일러는 입구온도가 950 ℃인 449,782 Nm³/h의 재생가스를 사용하여 작동된다. 이 보일러는 원통형 셸내에 상기 셸의 축선둘레에 배열된 외경 3인치, 길이 5.5m 인 150 개의 튜브로 이루어진 제1 튜브다발과 상기 제1 튜브다발의 둘레에 동심으로 장착된 외경 2인치, 길이 5.5m 인 450개의 튜브를 내포하는 제2 다발을 갖추고 있다.

각각의 튜브다발로 부터의 냉각된 프로세스 가스 스트림의 온도와 2개의 다발로의 서로 다른 유량분배에서 혼합냉각된 프로세스 가스 스트림의 출구온도가 0 및 6×10^-4의 서로 다른 오염계수(fouling factor)에 대해 표1과 표2 에 각각 도시되어 있다.

표에서 알 수 있는 바와 같이, 냉각된 프로세스 가스 스트림의 온도는 고온의 유입 프로세스 가스 스트림을 제1 및 제2 튜브다발로 서로 다르게 분배함으로써 제어된다. 일례로서, 냉각된 프로세스 가스 스트림내의 필요 배출구온도 590℃에 대해서는, 10%의 고온 프로세스 가스 스트림이 소직경 튜브를 통과하고, 그 나머지는 보일러내에서 오염되지 않은 상태로 대직경 튜브를 통과한다. 변화된 오염상태, 즉, 6×10^-4의 오염계수에서는 소직경 튜브를 통하는 유량은 필요 배출구온도 590℃를 얻기 위하여 30% 로 증가되어야 한다.

이에 의해, 온도제어는 보일러의 금속표면을 심각한 부식을 초래하는 고온에 노출시키지 않고 얻어진다.

Claims (5)

1. 원통형 셸 내부에 유입구 단부 및 배출구 단부를 갖춘 복수의 열교환 튜브, 상기 셸에 부착되어 있으며, 상기 튜브의 셸측 상에 물을 유입시키는 수단, 증기를 발생시키고 유입된 프로세스 가스 스트림을 냉각시키기 위해서 상기 튜브의 유입구 단부로 고온 프로세스 가스 스트림을 유입시키고 상기 튜브의 셸측 상의 물과 간접적인 열교환으로 상기 튜브를 통하여 가스 스트림을 통과시키는 수단, 발생된 물/증기를 회수하는 수단, 그리고 냉각된 가스 스트림을 회수하는 수단을 포함하고 있고, 상기 튜브는 가스 유동 제어수단을 각각 구비하고 있는 적어도 두 개의 튜브다발에 배치되어 있는 폐열보일러를 작동시키는 방법에 있어서, 상이한 오염 및 부하 조건에서 가스 스트림의 소정의 배출구 온도를 얻기 위하여 증기의 발생 및 프로세스 스트림의 냉각을 제어하기 위해 다른 튜브다발 사이의 고온 가스 스트림의 유동 분배 및 유동률을 조절하는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 폐열보일러를 작동시키는 방법.
2. 제1항에 있어서, 가스 유동 제어수단은 튜브다발내의 튜브의 배출구 단부에서 각각의 튜브다발에 장착된 배출구 챔버내의 제어밸브를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 폐열보일러를 작동시키는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 튜브다발은 서로 다른 갯수의 튜브를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 폐열보일러를 작동시키는 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 서로 다른 튜브다발내의 튜브는 서로 다른 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 폐열보일러를 작동시키는 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 튜브다발은 서로 다른 튜브다발내에 서로 다른 직경을 갖춘 서로 다른 갯수의 튜브를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 폐열보일러를 작동시키는 방법.