KR100425274B1

KR100425274B1 - 폐열 회수 시스템과 그 방법

Info

Publication number: KR100425274B1
Application number: KR10-2001-0026965A
Authority: KR
Inventors: 김수철
Original assignee: 삼성비피화학(주)
Priority date: 2001-05-17
Filing date: 2001-05-17
Publication date: 2004-03-30
Also published as: KR20020088484A

Abstract

본 발명은 폐열 회수 시스템 및 그 방법에 관한 것이다. 더욱 자세하게는 고온 유체의 냉각을 통해 저압스팀을 발생하는 저압스팀 발생장치, 상기 저압스팀발생장치에 연결되고 저압스팀의 압력이 제1설정압력이상일 경우 개방되는 제1밸브, 상기 저압스팀발생장치에 연결되고 저압스팀의 압력이 제1설정압력보다 큰 제2설정압력이상일 경우 개방되는 제2밸브, 상기 제1밸브와 연결되는 기계적 증기 재압축 승압장치(MVR : Mechanical vapor recompression system), 상기 제2밸브와 연결되는 열증기 재압축 승압장치(TVR : Thermo-vapor recompression system)를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열 회수 시스템과 상기 저압스팀 발생장치에서 저압스팀을 발생시키는 단계, 상기 저압스팀이 제1설정압력이상일 경우 제1밸브를 개방하는 단계, 상기 제1밸브의 개방에 따라 상기 기계적 증기 재압축 승압장치에 의해서 스팀을 압축하는 단계, 상기 기계적 증기 재압축 승압장치의 정지시, 스팀압력의 상승에 따라 스팀압력이 제1설정압력보다 큰 제2설정압력이상일 경우 제2밸브를 개방하는 단계, 상기 제2밸브의 개방에 따라 상기 열증기 재압축 승압장치에 의해서 스팀을 압축하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열 회수방법에 관한 것이다.

Description

폐열 회수 시스템과 그 방법{Waste heat collection system using dual recompression systems and its method}

일반적으로 종래에 사용되어진 폐열 회수 시스템으로는 기계적 증기 재압축 승압장치(MVR : Mechanical Vapor Recompression System)와 열증기 재압축 승압장치(TVR : Thermo-Vapor Recompression System)을 들 수 있는데 이들이 각각의 적절한 응용분야에서 독립적인 시스템으로만 운용되어 졌다.

즉, MVR은 화학공장의 공정운전에서 원하는 제품을 얻기 위해서는 수많은 Heating과 Cooling이라는 반복과정을 필요로 하는데 이때 사용후 최종적으로 발생되는 에너지는 최초에 투입되는 에너지(보일러 Steam)에 비해 상당히 낮은질의 에너지로 변형되어 시스템외로 버려지게 되는데, 이때 버려지는 낮은 질의 에너지를 회수하여 시스템에 재이용하기 위한 에너지절약 시스템의 하나로써 냉각과정에서 발생되는 폐증기(저압스팀)를 기계적으로 재압축하는 시스템으로서 장치의 설계에 따라서 압축비를 원하는 공정에 맞게 조절이 가능한 시스템이고, TVR은 제트 펌프(Jet Pump) 또는 이젝터(Ejector)의 여러 기능중에서 고압의 증기를 구동원(Motive Steam)으로 하여 저압의 폐증기를 흡입 압축한 후 압축된 토출증기를 가열열원으로 재사용하는 기능을 이용한 폐열회수 시스템으로서 특히, Steam Ejector는 정제탑에는 일반적으로 적용하지 않고 시설투자비가 낮고 기기의 설치 운전의 용이하며, 별도의 동력원을 필요로 하지 않으므로 일반적인 산업현장에서 발생되는 저온 폐열을 회수하기 위한 목적으로 사용하고 있다.

그러나 MVR의 경우는 기계적 압축을 위하여 별도의 전기에너지를 필요로 하는 단점이 있고, TVR의 경우는 공정에 적절한 승압 및 연속적인 스팀공급이 어려운 단점을 가지고 있다. 따라서 상기 두 승압장치의 적절한 조합 및 이에 따른 제어 시스템의 개발로 장점만을 채택할 수 있다.

본 발명의 목적은 화학공장의 고온 유체의 냉각과정에서 발생되는 저압 스팀을 회수함에 있어서 상기 기술한 두 승압장치의 장점만을 얻기 위한 MVR 및 TVR을 조합하여 타 공정에 사용이 가능한 일정 압력으로 승압된 스팀으로 공급할 수 있는이중 승압장치를 이용한 폐열 회수 시스템과 이를 최적화하기 위한 제어방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 고압스팀을 열원으로 하는 리보일러 시스템을 TVR과 기존의 고압스팀의 일부만을 이용하여 저압스팀을 리보일러 시스템의 열원으로 활용하도록 하는 폐열회수 시스템을 제공하는 것이다.

제1도는 본 발명을 정제탑의 에너지 회수에 적용한 실시예를 나타낸 시스템 개략도이다.

제2도는 본 발명의 폐열 회수 시스템을 초산 공정에 적용하여 기타 폐열 회수 시스템과 집적한 실시예를 나타낸 시스템 개략도이다.

<도면의 부호에 대한 간단한 설명>

10: 저압스팀발생장치 20: 기계적증기 재압축 승압장치

30: 열증기 재압축 승압장치

100: 밸브 1 110: 밸브 2

120: 밸브 3

본 발명은 이중 승압장치를 이용한 폐열 회수 시스템 및 그 방법에 관한 것이다. 더욱 자세하게는 고온 유체의 냉각을 통해 저압스팀을 발생하는 저압스팀 발생장치, 상기 저압스팀발생장치에 연결되고 저압스팀의 압력이 제1설정압력이상일 경우 개방되는 제1밸브, 상기 저압스팀발생장치에 연결되고 저압스팀의 압력이 제1설정압력보다 큰 제2설정압력이상일 경우 개방되는 제2밸브, 상기 제1밸브와 연결되는 기계적 증기 재압축 승압장치(MVR : Mechanical vapor recompression system), 상기 제2밸브와 연결되는 열증기 재압축 승압장치(TVR : Thermo-vapor recompression system)를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열 회수 시스템과 상기 저압스팀 발생장치에서 저압스팀을 발생시키는 단계, 상기 저압스팀이 제1설정압력이상일 경우 제1밸브를 개방하는 단계, 상기 제1밸브의 개방에 따라 상기 기계적 증기 재압축 승압장치에 의해서 스팀을 압축하는 단계, 상기 기계적 증기 재압축 승압장치의 정지시, 스팀압력의 상승에 따라 스팀압력이 제1설정압력보다 큰 제2설정압력이상일 경우 제2밸브를 개방하는 단계, 상기 제2밸브의 개방에 따라 상기 열증기 재압축 승압장치에 의해서 스팀을 압축하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열 회수방법에 관한 것이다.

이하 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 구체예를 상세하게 설명한다.

도1은 본 발명을 정제탑의 에너지 회수에 적용한 실시예를 나타낸 시스템 개략도이다. 본 발명의 실시예로서 도1에 나타낸 바와 같이 정제탑에 저압스팀 발생장치(10)를 설치후 MVR(20)과 TVR(30)을 동시 적용하여 에너지 회수효율 및 운전성을 향상시키기 위한 것이다. 즉, 정제탑의 고온 유체를 냉각을 위하여 저압스팀발생장치를 통과시키면 고온 유체의 냉각과 함께 저압스팀이 발생한다. 발생되어진 저압스팀은 정제탑의 정상운전중에는 게이지 압력이 0.9Kg/cm²이상이 되면 밸브1(100)을 통하여 MVR에 공급되고 이에 따라 2단 MVR(20)의 운전을 통하여 스팀압력을 0.9Kg/cm²(게이지압력)에서 4.9 Kg/cm²(게이지압력)로 승압하여 타 공정에 사용될 수 있는 중압의 스팀을 발생시킬 수 있다.

그런데 MVR에 문제가 발생하거나 정지시에는 스팀 공급관의 압력이 올라가게 되고 승압된 스팀의 게이지압력이 1.6Kg/cm²이상이 되면 밸브2(110)가 열리게되고 이와 함께 자동으로 TVR(30)이 운전되어 공정운전에 안정성을 크게 향상시킴과 동시에 TVR작동 시의 공급압력은 일반적으로 저압스팀발생장치에서 발생되는 스팀압력보다 높은 1.6Kg/cm²이상이 되므로 TVR을 통하여 제공되어지는 스팀압력은 2단 MVR을 통하여 발생되어지는 중압의 스팀이 된다. 다시 말하면, 밸브1(100)이 열린 상태에서 밸브1(100)과 연결된 MVR(20)이 정지하는 경우뿐만 아니라, MVR(20)이 처리할수 있는 용량을 초과하는 스팀이 공급되는 경우 등과 같은 문제가 발생하여 스팀 공급관의 압력이 상승하여 승압된 스팀의 게이지압력이 1.6Kg/cm²이상이 되면 밸브2(110)가 열리게 되고 이와 함께 자동으로 TVR(30)이 운전된다. 또한, 밸브1(100)이 닫힌 상태가 되는 경우 당연히 MVR(20)은 공급되는 스팀이 없으므로 작동을 멈추게 되고, TVR(30)은 게이지압력이 1.6Kg/cm²이상인가의 여부에 따라 그 작동 여부가 결정된다. 왜냐하면, 게이지압력이 1.6Kg/cm²이상인 경우에만 밸브2(110)가 열리게 되기 때문이다. 즉, 밸부2(110)는 밸브1(100)의 개폐 여부와 상관없이 게이지압력에 따라 그 개폐 여부가 결정되고 밸브2(110)와 연결된 TVR(30)의 작동 여부도 밸브1(100)의 개폐 여부와 상관없이 게이지압력에 따라 그 작동 여부가 결정된다. 따라서 본 시스템을 통하여 MVR과 TVR의 시스템에 무관하게 동일한 압력으로 승압된 스팀을 발생시킬 수 있다.

뿐만 아니라 MVR과 TVR에서 동시에 문제가 발생하는 경우는 설정압력이 1.8Kg/cm²(게이지압력)로 되어있는 밸브3(120)이 열리게되고 고온 유체의 냉각을 통하여 발생되어진 스팀은 대기로 방출되어 기존 공정에 영향을 주지 않게 된다. 다시 말하면, 밸브3(120)의 경우도 밸브1(100) 및 밸브2(110)의 개폐 여부 또는 MVR(20) 및 TVR(30)의 작동 여부와 상관없이 게이지압력에 따라 그 개폐 여부가 결정된다. 따라서 상기운전 방식에 따를 경우, 어떠한 조건에서도 운전이 가능하며 기존공정에 영향을 주지 않으면서 자동운전으로 폐열 에너지를 회수할 수 있다.

도2는 본 발명의 폐열 회수 시스템을 초산 공정에 적용하여 기타 폐열 회수 시스템과 집적한 실시예를 나타낸 시스템 개략도이다. 도2의 A부(200)는 본 발명의 내용으로서 MVR과 TVR을 조합하여 정제탑의 저압스팀발생장치(10)로부터 중압의 스팀을 발생시키는 부분이고, B부(210)는 정제탑에 저압스팀 발생장치를 설치후 TVR을 설치하여 무동력으로 압력을 승압시킬 수 있도록 구성한 부분이며 C부(220)는 정제탑(정제1)의 리보일러(Reboiler)에 TVR을 설치하여 저압스팀을 승압시켜 스팀에 의한 가열을 통하여 정제탑을 운전함으로 에너지 효율을 증대시키도록 구성한 부분이고, D부(230)는 반응기 시스템내의 반응열을 냉각수 대신에 스팀을 발생시켜 반응열을 제거시키고 이때 발생된 스팀을 저압스팀으로 사용하도록 구성한 부분이다.

즉, B부는 정제탑에 일반적인 MVR을 적용하지 않고 TVR만을 적용하여 스팀을 0.9Kg/cm²(게이지압력)에서 2.0Kg/cm²(게이지압력)로 압력을 승압시키고 TVR은 구동스팀(Motive Steam)(40Kg/cm²(게이지압력), 5.1톤/Hr)을 사용하여 스팀을 중압보다는 낮은 2.0Kg/cm²(게이지압력)로 승압시켜 필요한 공정에 사용하도록 한다. 상기 B부는 동력이 별도로 사용되지 않으므로 에너지 절감이 크며 운전이 간단한 장점이 있다. C부는 정제탑의 중압 스팀을 열원으로 사용하는 리보일러(Reboiler) 스팀 공급설비를 대체하기 위하여, 중압스팀을 구동스팀으로 저압스팀을 승압하는 TVR과 상기 TVR에서 승압된 스팀을 열원으로 하는 리보일러을 포함하는 리보일러(Reboiler) 스팀 공급설비를 적용한 것으로 기존에는 중압인 14Kg/cm²(게이지압력)의 스팀 8.2 톤/Hr을 제어 밸브를 통하여 6Kg/cm²(게이지압력)로 압력을 낮추어 리보일러 스팀으로 공급하던 설비를 TVR을 이용하여 5.5Kg/cm²(게이지압력)의 압력을 갖는 스팀 5.5 톤/Hr을 TVR시스템과 구동스팀으로서 기존의 중압(14Kg/cm²(게이지압력)) 스팀 2.7톤/Hr을 공급하여 스팀압력이 6Kg/cm²(게이지압력)인 스팀 8.2톤/Hr으로 승압하여 공급하는 리보일러 스팀 공급장치로 대체한 것이다. 이를 통하여 저압(5.5Kg/cm²(게이지압력))스팀을 중압(14Kg/cm²(게이지압력))스팀 사용효과가 있어 에너지 최적화 및 에너지비용을 절감할 수 있다. 마지막으로 D부는 반응기의 반응열(8.8 Gcal/Hr)중 일부만 회수(4.4Gcal/Hr)하고 나머지는 냉각수로 반응열을 제거하였다. 즉, 저압스팀발생장치를 새로 설치하여 기존 저압스팀발생장치와 약 7.5 Gcal를 회수하여 추가로 약 3.1GCal/Hr을 스팀으로 발생하여 에너지를 회수하였다. 기존 냉각수 열교환기의 Heat Duty변화는 미세 조절 밸브를 사용하여 미세제어를 실시하였다.

본 발명은 폐열 회수 시스템 및 그 방법에 관한 것이다. 더욱 자세하게는 고온 유체의 냉각을 통해 저압스팀을 발생하는 저압스팀 발생장치, 상기 저압스팀발생장치에 연결되고 저압스팀의 압력이 제1설정압력이상일 경우 개방되는 제1밸브, 상기 저압스팀발생장치에 연결되고 저압스팀의 압력이 제1설정압력보다 큰 제2설정압력이상일 경우 개방되는 제2밸브, 상기 제1밸브와 연결되는 기계적 증기 재압축 승압장치(MVR : Mechanical vapor recompression system), 상기 제2밸브와 연결되는 열증기 재압축 승압장치(TVR : Thermo-vapor recompression system)를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열 회수 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서 승압비가 다른 MVR과 TVR을 동시에 적용하여 두 승압장치로부터 유사한 압력으로 승압된 스팀을 얻을 수 있다.

또한 고압스팀을 감압하여 리보일러에 사용하던 리보일러 시스템을, 버려지는 저압스팀을 기존의 감압전의 고압스팀의 일부를 구동스팀으로 하여 TVR을 통하여 승압하여 리보일러의 열원으로 사용함으로써 고에너지인 고압스팀의 사용량은 줄이고 버려지는 저압스팀을 재사용하여 전체 에너지 효율을 높일 수 있다.

이를 통하여 화학공장과 같은 에너지 다소비 업체의 고유가에 따른 에너지비용 증대를 막을 수 있고, 에너지사용의 최적화를 통한 에너지 절감 및 에너지 경쟁력향상을 꾀할 수 있다. 즉, 고열을 발생하는 화학공장의 각 공정내 잠열회수를 통해 스팀을 생산하여 연료 납사 비용을 절감하고, 납사 사용량 감소뿐만 아니라 연료사용의 감소로 대기로의 이산화탄소 방출량도 감소시킬 수 있어서 이를 통하여 환경 친화적 화학공장을 구성할 수 있다.

Claims

고온 유체의 냉각을 통해 저압스팀을 발생하는 저압스팀 발생장치;

상기 저압스팀발생장치에 연결되고 저압스팀의 압력이 제1설정압력이상일 경우 개방되는 제1밸브;

상기 저압스팀발생장치에 연결되고 저압스팀의 압력이 제1설정압력보다 큰 제2설정압력이상일 경우 개방되는 제2밸브;

상기 제1밸브와 연결되는 기계적 증기 재압축 승압장치(MVR : Mechanical vapor recompression system); 및,

상기 제2밸브와 연결되는 제1열증기 재압축 승압장치(TVR : Thermo-vapor recompression system)를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열 회수 시스템.
제1항에서,

고압스팀을 구동스팀으로 하여 저압스팀을 승압하는 제2열증기 재압축 승압장치와 상기 제2열증기 재압축 승압장치에서 승압된 스팀을 열원으로 하는 리보일러을 포함하는 리보일러(Reboiler) 스팀 공급설비를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열 회수 시스템.
저압스팀 발생장치에서 저압스팀을 발생시키는 단계;

상기 저압스팀이 제1설정압력이상일 경우 상기 저압스팀발생장치의 출구단에 연결된 제1밸브를 개방하는 단계;

상기 제1밸브의 개방에 따라 상기 제1밸브의 출구단에 연결된 기계적 증기 재압축 승압장치에 의해서 스팀을 압축하는 단계;

상기 기계적 증기 재압축 승압장치의 정지시, 스팀압력의 상승에 따라 스팀압력이 제1설정압력보다 큰 제2설정압력이상일 경우 상기 저압스팀발생장치의 출구단에 연결된 제2밸브를 개방하는 단계; 및,

상기 제2밸브의 개방에 따라 상기 제1밸브의 출구단에 연결된 열증기 재압축 승압장치에 의해서 스팀을 압축하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열 회수방법.