KR100573530B1 - 노와 공기 증류 장치 조합형 플랜트 및 그 작동 방법 - Google Patents

노와 공기 증류 장치 조합형 플랜트 및 그 작동 방법 Download PDF

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레르 리뀌드, 소시에떼 아노님 아 디렉또와르 에 꽁세예 드 쉬르베양스 뿌르 레뛰드 에 렉스쁠로아따시옹 데 프로세데 죠르쥬 끌로드
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Abstract

본 발명은 송풍 기관(S)에 의해 공기가 공급되는 하나 이상의 노(FM)와; 노(FM)에 공기를 공급하는 산소 유출 라인(O)이 설치된 혼합 칼럼(CM) 및 하나 이상의 중압 칼럼(MP;medium pressure)을 구비한 하나 이상의 공기 증류 장치를 포함하는 조합형 플랜트에 관한 것으로, 증류 장치에는 공기가 송풍 기관(S)을 통해 공급되며, 적어도 혼합 칼럼(CM)으로 안내되는 압축 공기는 하나 이상의 압축기-터빈 그룹(C2-T2)에 의해 정압(正壓)으로 되며, 압축기-터빈 그룹의 터빈(T2)은 플랜트 설치 장소에서 이용 가능한, 예를 들어 노에서 발생되는 가스나 증기와 같은, 가압 유체용 회로(Fi)에 배치된다.

Description

노와 공기 증류 장치 조합형 플랜트 및 그 작동 방법 {COMBINED PLANT OF A FURNACE AND AIR DISTILLATION DEVICE, AND IMPLEMENTATION PROCESS}
도 1 내지 도 3은 본 발명의 세 개의 실시예를 도식적으로 나타낸 도면들이다.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
FM : 노
S : 송풍 기관
A : 메인 압축 공기 라인
BP : 저압 칼럼
MP : 중압 칼럼
CM : 혼합 칼럼
O : 산소 유출 라인
Ci, C1, C2 : 압축기
Ti, T1, T2 : 터빈
Fi : 유체
본 발명은 압축 공기가 공급되는 하나 이상의 노(爐)(일반적으로, 금속 가공로)와, 이 노에 공급되는 공기를 증대시키기 위하여 산소를 생성하는 하나 이상의 공기 증류 장치(air distilling device)를 조합한 조합형 플랜트(combined plant)에 관한 것이다.
공기의 유량을 증대시키기 위하여 고순도의 산소를 생성할 필요는 없으며, 브루게롤(Brugerolle)의 제US-A-4,022,030호에 개시된 바와 같은 혼합 칼럼을 구비한 증류 장치를 사용하는 것이 적당하다. 그레니어(Grenier)의 제US-A-5,244,489호 및 본 출원인의 제EP-A-0,531,182호에는 용광로와, 혼합 칼럼을 구비한 공기 증류 장치가 조합형 플랜트가 개시되어 있다. 그러나, 이 두 개의 특허들의 접근법은 서로 다르다. 제US-A-5,244,489호에서는, 용광로 송풍기로부터 송풍 분기부를 거쳐 증류 장치에 공기가 공급되며, 혼합 칼럼으로 공급되는 유동 공기 중 일부는 송풍기에 의해 약간 정압(正壓)으로 되고, 이 송풍기는 중압 칼럼(medium pressure column)으로 안내되는 유동 공기 중 일부를 감압하는 저온 유지 터빈에 의해 구동되는데, 이러한 장치에 따라서는 정압을 얻기 위해 중압 칼럼에 공급되는 공기의 상당 부분을 회전시켜야 할 필요가 있어, 추출 수율 및 에너지 손실이 발생할 뿐만 아니라 증류 장치로 공급되는 공기의 냉각 스테이션 및 정화 스테이션이 과다하게 커지게 된다. 반면에, 제EP-A-0,531,182호에는, 혼합 칼럼의 압력을 넓은 범위에 걸쳐 사전에 설정하기 위하여, 한편으로는 용광로로의, 다른 한편으로는 중압 칼럼 과 혼합 칼럼으로의, 공급 공기의 완전한 분리를 기대하고 있지만, 증류 장치의 소조립체(sub-assembly)들을 지원하는 회전 기계와 관련하여 투자 및 운전 비용이 많이 든다.
본 발명의 목적은 작동 장소 내에 보다 완전하게 통합될 수 있으며 운전 비용을 상당히 감소시킬 수 있는 전술한 유형의 조합형 플랜트를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 특징에 따르면, 조합형 플랜트는 하나 이상의 노(爐)와; 노에 연결된 메인 압축 공기 라인에 공기를 운반하는 하나 이상의 송풍 기관과; 메인 압축 공기 라인의 하류 부분으로 개방되는 산소 유출 라인이 설치된 혼합 칼럼 및 하나 이상의 중압 칼럼을 구비한 하나 이상의 공기 증류 장치와; 정화 장치를 거쳐 메인 압축 공기 라인에 연결되어 중압 칼럼과 혼합 칼럼에 공기를 공급하는 기류 분기 회로를 구비하고, 이 기류 분기 회로는 적어도 혼합 칼럼에 공급되는 분기된 공기를 압축하는 하나 이상의 압축기와 플랜트 설치 장소에서 이용 가능한 가압 유체 회로에 설치된 하나 이상의 터빈으로 구성되는 압축기-터빈 그룹을 하나 이상 구비하고 있다.
본 발명에 따른 증류 장치는, 후에 유동 공기 내로 산소를 재분사하는 것을 고려하여 송풍 기관으로부터 분기 가능한 유동 공기의 일부를 사용할 뿐만 아니라, 증류 장치 외부의 현장에서 일반적으로 이용 가능한 증기나 잔류 처리 가스와 같은 품질이 향상될 수도 있는 가압 유체로부터 추출될 수 있는 에너지를 사용한다.
본 발명은 또한, 제1 압력의 공기를 공급하는 하나 이상의 송풍 기관을 통해 서는 압축 공기가 공급되고 공기 분리 장치를 통해서는 산소가 공급되는 적어도 하나 이상의 노를 구비하고, 상기 공기 분리 장치는 송풍기를 통해 공기가 공급되는 하나 이상의 중압 칼럼과 혼합 칼럼을 구비하는 조합형 플랜트에 있어서, 적어도 혼합 칼럼에 공급되는 공기에는 현장에서 발생되는 한 종류 이상의 압축 유체를 감압하는 하나 이상의 터빈에 의해 구동되는 하나 이상의 압축기에 의해 제1 압력보다 큰 제2 압력까지 정압이 부여되는 상기 조합형 플랜트의 작동 방법에 관한 것이다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 제한 목적이 아니라 예시 목적으로 도면과 관련하여 후술되는 실시예의 설명으로부터 분명해질 것이다.
도면들은 금속 처리로와 관련 공기 증류 장치를 도식적으로 나타낸 것으로, 본 실시예에 있어서, 금속 처리로는 용광로(FM)이며, 공기 증류 장치는 이중 칼럼(DC)과, 메인 교체 라인(LE) 및 혼합 칼럼(CM)을 선택적으로 포함하고, 또한 이중 칼럼은 중압 칼럼(MP)과 저압 칼럼(BP)으로 구성되며, 이러한 노와 증류 장치에는 공통의 송풍기(S)를 통해 공기가 공급되는데, 이러한 송풍기는 용광로(FM)에 공기를 공급하는 메인 압축 공기 라인(A) 내에, 6 ×105Pa 미만의, 통상 3 ×105Pa 내지 5.5 ×105Pa의 중압의 다량의 공기(통상 100,000Nm3/h 이상)를 운반한다. 이러한 라인(A)은 또한 예를 들어, AOD 처리 전기로와 같은 다른 금속 처리로에, 동시에 또는 번갈아, 공기를 공급할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 메인 라인(A)에서부터 기류 분기 회로(D)가 시작되는데, 이 회로는 냉각 장치(R)에서 사전 냉각된 후, 통상 흡착형인 정화 장치(E)에서 정화된 공기를 증류 장치에 공급한다. 이 분기 회로(D)는 정화 장치(E)의 하류에서 제1 라인(J)과 제2 라인(L)으로 분기되는데, 제1 라인은 교체 라인(LE)을 가로질러 통과하여 중압 칼럼(MP)의 저부로 개방되며 제2 라인은 마찬가지로 교체 라인(LE)을 가로질러 통과하여 혼합 칼럼(CM)의 저부로 개방된다. 통상적으로, 중간 정도 순도의 질소 가스 라인(L)이 저압 칼럼(BP)의 상부에서 시작되고, 중간 정도 순도의 산소 라인(O)이 혼합 칼럼(CM)의 상부에서 시작되는데, 이러한 산소 라인은 본 발명에 따르면, 용광로(FM)에 공급되는 공기의 산소량을 증대시키기 위하여, 교체 라인(LE)을 가로질러 통과하여 용광로(FM)의 상류에서 메인 압축 공기 라인(A)으로 개방된다.
단지 예시 목적의 전술한 실시예에 있어서, 증류 장치는 통상적으로 이중 칼럼(DC) 유형으로, 제1 라인(M)에 의해 공급되는 유입 공기 중 일부를 저압 칼럼(BP)의 저압까지 감압하여 증류 장치를 저온으로 유지하는 역할을 하는 터빈(t)과, 저압 칼럼(BP)의 저부에서 빠져 나와 혼합 칼럼(CM)의 상부로 운반되는 액체 산소를 압축하는 펌프(W)를 구비하는데, 액체 산소는 대략 그 이슬점까지 냉각되어 라인(L)을 통해 주입되는 공기의 압력(P2)까지 압축된다. 본 발명에 따르면, 압력(P2)은 라인(A) 하류의 상온의 공기/산소 혼합 장치의 압력 손실을 고려하고 또한 전술한 공기 주입을 적절하게 조절하기 위하여, 메인 라인(A)의 압력(P1)보 다 약간 높게 선정된다. 통상 압력차(P2-P1)는 0.3 ×105Pa 내지 4 ×10 5Pa이며, 바람직하게는 0.5 ×105Pa 내지 1.5 ×105Pa이다.
본 발명에 따르면, 이러한 공기의 압력(P2)은 적어도 라인(L) 내의 공기를 압축하는 하나 이상의 압축기-터빈 그룹(C1T1)에 의해 얻어지는데, 터빈(T1)은 또한 증류 장치 외부의 플랜트 설치 장소에서 이용 가능한 통상 잔류 또는 잉여 가스와 같은 가압 유체(F)를 감압한다. 유체(F1)는 통상 증기로, 현장에서 풍부하게 발생되어 플랜트의 구성 요소들을 냉각시키며, 통상 3 ×105Pa 내지 15 ×105Pa의 압력에서 이용 가능하고, 그 중 일부는 특히 냉각 가스 또는 전력을 생성하도록 품질이 향상된다. 또한, 유체(F1)는 용광로(FM)에서 나온 상온의 잔류 가스일 수 있으며, 이러한 유체는 바로 감압되거나, 연소 가능한 가스로 부분적으로 분기되어 도 3에 도시한 바와 같은 연소실(GT)을 갖추고 있는 압축기-터빈 그룹의 연료(f)로 사용된다. 압축기-터빈 그룹은 또한 라인(N, O)에 의해 공급되는 공기 중 한 종류 이상의 가스를 사용하여 에너지를 생성하는 것이 장점이며, 이 압축기-터빈 그룹의 압축기에 의해 압축되는 유동 공기 중 일부는 터빈(T1)으로 이송된다.
도 1의 실시예에 있어서, 압축기-터빈 그룹(C2-T2)은 라인(L) 내에 위치하므로 단지 혼합 칼럼(CM)에 공급되는 유동 공기에만 정압을 부여하는 역할을 한다.
도 2의 실시예에 있어서는, 압축기-터빈 그룹(C1-T1)이 라인(D) 내의 정화 장치(E) 상류에 위치하여, 증류 장치로 운반되는 모든 공기에 정압을 부여한다. 압력(P1)과 압력(P2) 사이의 중간 정도의 압력인, 중압 칼럼(MP)에 공급되는 공기의 이러한 정압은 냉온 유지 터빈(t) 내에서 라인(L)에 배치된 송풍기(c)를 구동시키도록 사용되며, 이러한 송풍기는 혼합 칼럼(CM)의 압력(P2)에 도달하는데 필요한 정압을 생성한다.
도 3의 실시예는 도 1과 도 2의 실시예들을 결합한 것이다. 이러한 변형예에 있어서, 제1 가압 유체(F1)에 의해 구동되는 제1 압축기-터빈 그룹(C1-T1)은 라인(D) 내의 정화 장치(E) 상류에 위치하며, 제2 가압 유체(F2)에 의해 구동되는 제2 압축기-터빈 그룹(C2-T2)은 혼합 칼럼(CM)으로 연장되는 라인(L)에 위치한다. 제2 가압 유체(F2)는 전술한 바와 같이 연소실(GT)로부터 공급될 수 있으며 제1 가압 유체(F1)는 증기일 수 있다. 일점 쇄선으로 도시한 바와 같은 변형에 따르면, 두 개의 압축기(C1, C2)가 공통의 가압 유체(F1)를 감압하는 공통의 터빈(들)(T 1/T2)에 의해 구동될 수 있다.
도 3의 실시예에 있어서, 이중 칼럼에 공기를 공급하는 라인(J) 내의 압력은 송풍기(c)에 저온 유지 터빈(t)을 결합시킴으로써 상승되는데, 이러한 송풍기는 증류 장치에 출입하는 유체 중 한 종류, 예를 들어 도 3에 도시한 바와 같은 라인(N) 내의 불순한 질소에 정압을 제공하는 역할을 하며, 이와 같이 정압이 제공됨으로써 압축기-터빈 그룹의 연소실(GT) 내에 밸러스트(ballast)로서 주입되는 불순한 질소 의 품질이 향상된다.
본 발명이 특정한 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 이것으로만 한정되는 것은 아니며, 아래의 특허청구범위에 기재한 바와 같은 내용의 변형 및 수정이 당업자에게는 분명해질 것이다.
본 발명의 노와 증류 장치의 조합형 플랜트에 의해, 작동 장소 내에 플랜트가 보다 완전하게 통합될 수 있게 되며, 운전 비용이 상당히 감소된다.




Claims (15)

  1. 하나 이상의 노(FM;爐)와;
    노에 연결된 메인 압축 공기 라인(A)으로 공기를 운반하는 하나 이상의 송풍 기관(S)과;
    메인 압축 공기 라인(A)의 하류 부분으로 개방되는 산소 유출 라인(O)이 설치된 혼합 칼럼(CM) 및 하나 이상의 중압(中壓) 칼럼(MP)을 구비한 하나 이상의 공기 증류 장치와; 그리고
    정화 장치(E)를 거쳐 메인 압축 공기 라인에 연결되어 중압 칼럼(MP)과 혼합 칼럼(CM)에 공기를 공급하는 기류 분기 회로를 포함하며,
    상기 기류 분기 회로는 적어도 혼합 칼럼(CM)에 공급되는 분기된 공기를 압축하는 하나 이상의 압축기(C1)와, 상기 공기 증류 장치로 입력되거나 상기 공기 증류 장치로부터 출력되는 유체 이외의 유체에 의해 구동되는 가압 유체(F1) 회로에 위치한 하나 이상의 터빈(T1)으로 구성되는 압축기-터빈 그룹(C, T)을 하나 이상 구비하는 것을 특징으로 하는 조합형 플랜트
  2. 제1항에 있어서, 정화 장치(E) 상류측에는, 분기 회로(D)의 상류에 위치한 압축기-터빈 그룹(C1-T1)의 하나 이상의 압축기(C1)가 제공되는 것을 특징으로 하는 조합형 플랜트.
  3. 제1항 및 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 혼합 칼럼(CM)에 공기를 공급하는 라인(L) 내에는 압축기-터빈 그룹(C1-T1)의 하나 이상의 압축기(C2)가 배치되는 것을 특징으로 하는 조합형 플랜트.
  4. 제1 압력(P1)의 공기를 공급하는 하나 이상의 송풍 기관(S)을 통해서는 압축 공기가 공급되고 공기 분리 장치를 통해서는 산소가 공급되는 하나 이상의 노를 포함하고, 상기 공기 분리 장치는 송풍기를 통해 공기가 공급되는 혼합 칼럼(CM)과 중압 칼럼(MP)을 구비하는 조합형 플랜트를 작동시키는 방법으로,
    상기 공기 증류 장치로 입력되거나 상기 공기 증류 장치로부터 출력되는 유체 이외의 한 종류 이상의 압축 유체(F1)를 감압하는 하나 이상의 터빈(T1)에 의해 구동되는 하나 이상의 압축기(C1)에 의해 적어도 혼합 칼럼(CM)에 공급되는 공기는 제1 압력(P1)보다 큰 제2 압력(P2)까지 압력이 상승하는 것을 특징으로 하는 조합형 플랜트 작동 방법.
  5. 제4항에 있어서, 압력(P1)은 6 ×105Pa인 것을 특징으로 하는 조합형 플랜트 작동 방법.
  6. 제5항에 있어서, 압력차(P2-P1)는 0.3 ×105Pa인 것을 특징으로 하는 조합형 플랜트 작동 방법.
  7. 제6항에 있어서, 압력차(P2-P1)는 4 ×105Pa인 것을 특징으로 하는 조합형 플랜트 작동 방법.
  8. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 분리 장치에 공급되는 모든 유동 공기는 압축기(C1) 내에서 정압으로 되는 것을 특징으로 하는 조합형 플랜트 작동 방법.
  9. 제8항에 있어서, 혼합 칼럼(CM)으로 이송되는 유동 공기에는 반복하여 정압(C, C2)이 부여되는 것을 특징으로 하는 조합형 플랜트 작동 방법.
  10. 제9항에 있어서, 혼합 칼럼(CM)으로 이송되는 유동 공기는 압축기(C2) 내에서 반복하여 정압으로 되는 것을 특징으로 하는 조합형 플랜트 작동 방법.
  11. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 혼합 칼럼(CM)으로 이송되는 유동 공기에는 압축기(C2)에 의해 정압이 부여되는 것을 특징으로 하는 조합형 플랜트 작동 방법.
  12. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 압축 유체(F1)는 증기인 것을 특징으로 하는 조합형 플랜트 작동 방법.
  13. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 압축 유체(F1)는 노(FM)에서 발생한 가스인 것을 특징으로 하는 조합형 플랜트 작동 방법.
  14. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 압축 유체(F1)는 현장에서 이용 가능한 연료(f)를 사용하는 압축기-가스 터빈 그룹(GT)에 의해 압축되는 것을 특징으로 하는 조합형 플랜트 작동 방법.
  15. 제14항에 있어서, 압축기-가스 터빈 그룹은 공기 분리 장치를 통해 공급되는 공기(O; N)에서 분리된 한 종류 이상의 가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 조합형 플랜트 작동 방법.
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