KR100731250B1 - 입자순환식 배가스 냉각용 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 입자순환에 따른 전열성능의 향상으로 규모를 작게 제작할 수 있고, 분진에 의한 전열면의 오염이 거의 생기지 않으며, 부식환경에서도 안정적으로 운전할 수 있는 배가스 냉각용(또는 폐열회수용) 열교환기에 관한 것이다.

본 발명에 따른 입자순환식 배가스 냉각용 열교환기는 상단부에 배가스배출관이 연결되고 하단부에 배가스흡입관이 연결된 전열냉각관 과, 상기 전열냉각관에 연결된 순환입자공급수단 과, 상기 전열냉각관의 하단부에 연결된 순환입자배출수단 및 상기 전열냉각관의 외면에 둘러싸인 냉각재킷 을 포함한다.

열교환기, 입자순환, 냉각, 다이옥신, 소각시설, 소각로

Description

입자순환식 배가스 냉각용 열교환기{Heat exchanger for heat recovery or cooling}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배가스 냉각용 열교환기의 모형도.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배가스 냉각용 열교환기의 모형도.

[도면 부호의 설명]

10… 전열냉각관 20… 순환입자공급수단

30… 순환입자배출수단 40… 냉각재킷

41… 입수구 43… 배수구

50… 코일냉각기 60… 배가스흡입관

70… 배가스배출관 80… 에어벤트

90… 드레인

본 발명은 입자순환에 따른 전열성능의 향상으로 규모를 작게 제작할 수 있고, 분진에 의한 전열면의 오염이 거의 생기지 않으면서 부식환경에서도 운전에 전혀 문제가 없어 운전의 편의성 및 안정성이 획기적으로 개선되는 배가스 냉각용(또 는 폐열회수용) 열교환기에 관한 것이다.

폐기물 처리시설 중 소각시설에 대한 설치기준(폐기물관리법시행규칙 별표 7)에 따르면, 불완전연소로 인한 다이옥신의 생성을 방지하고 대기오염물질의 발생량을 줄이기 위해, 연소실 출구에서 측정한 배가스의 온도가 850℃ 이상으로 유지되도록 규제되고 있다. 또한, 배가스 중에 포함된 분진을 제거하기 위해 후처리시설(집진시설)을 갖추도록 되어 있는데, 상기 연소실에서 배출된 고온의 배가스(exhaust gas)가 후처리시설에 그대로 제공될 경우 고온의 영향으로 인해 후처리시설이 오작동할 우려가 있어 배기가스 온도를 300℃ 이하로 낮출 수 있는 냉각시설이나 폐열회수시설을 상기 연소실과 후처리시설 사이에 두도록 되어 있다.

상기 냉각시설이나 폐열회수시설로는 열교환기(절탄기)가 주로 이용되며, 상기 열교환기에서 배가스의 온도가 충분히 감온되어야만 다이옥신 등의 유해물질이 재생성되는 것을 근원적으로 억제할 수 있다.

그런데 대부분의 열교환기는 연관(flue) 둘레에 냉각재킷을 씌워 놓은 형태이기 때문에, 열을 빼앗긴 분진이 상기 연관의 내면(전열면)에 달라붙어 경시적으로 열교환기의 성능이 낮아지는 문제가 있다. 이와 같이, 열교환기에서 공통으로 나타나는 전열면의 오염은 대부분은 관리자(작업자)가 직접 오염된 전열면을 청소하여 제거하지만 이는 매우 번거로운 일이기 때문에 일부에서는 soot blower를 사용하기도 한다. 그러나 soot blower는 증기나 공기의 분류(噴流)를 전열면에 내 뿜어 분진을 떨어내는 장치이므로 시스템 운전 중에는 사용할 수 없고, 증기나 공기 중에 포함된 수분으로 인해 전열면이 부식(腐蝕)되는 문제가 있다.

본 발명은 상술한 종래 문제점을 획기적으로 개선하기 위해 안출된 것으로서, 입자순환에 따른 전열성능의 향상으로 규모를 작게 제작할 수 있고, 시스템 운전 중에 분진을 제거할 수 있으며, 분진에 의한 전열면의 오염이 거의 생기지 않고, 부식환경에서도 안정적으로 운전할 수 있는 배가스 냉각용(또는 폐열회수용) 열교환기를 제공하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 소각시설의 냉각장치로 사용할 수 있는 열교환기를 제공하는데 다른 목적이 있다.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 입자순환식 배가스 냉각용 열교환기는 상단부에 배가스배출관이 연결되고 하단부에 배가스흡입관이 연결된 전열냉각관 과, 전열냉각관에 연결된 순환입자공급수단 과, 전열냉각관의 하단부에 연결된 순환입자배출수단 및 전열냉각관의 외면에 둘러싸인 냉각재킷 을 포함하여 구성된다.

바람직하게는, 전열냉각관의 내부에 관(管)이 코일 모양으로 된 보조냉각관 을 삽입하여 상기 보조냉각관의 양단이 냉각재킷과 연통되도록 전열냉각관의 벽면 에 관통·고정하는 것이다. 또한, 상기 냉각재킷에 에어벤트 를 설치하거나 상기 전열냉각관의 상단부에 배플 을 설치할 수 있다.

Ⅰ) 특허청구범위와 첨부된 도면에서 참조되듯이, 상기 전열냉각관은 깔때기 모양(cyclone)의 하단부에 배가스흡입관이 기밀(氣密)하게 접속되고 상단부에는 배가스배출관이 기밀하게 접속되어, 하단부에서 상단부 쪽으로 배가스가 상승·유동한다.

Ⅱ) 상기 순환입자 는 전열냉각관을 지나는 배가스의 흐름 속에서 받는 부력(buoyancy)과 중력(무게) 중 어느 쪽이 크냐에 따라 부력이 크면 상승하고 중력이 크면 하강한다. 순환입자는 전열냉각관의 내면이나 보조냉각관의 외면에 달라붙은 분진을 제거하기 위한 것으로 도자(陶瓷)분말과 같은 무기질의 세라믹소재인 것이 바람직하고, 크기는 배가스의 흐름 속에서 부력을 받아 배가스배출관의 입구부분까지 상승할 수 있는 정도이면 충분하다.

Ⅲ) 상기 순환입자공급수단 은 탱크나 호퍼 등의 저장용기에 파이프의 한쪽 끝이 연결되고 상기 전열냉각관의 내부로 돌출시킨 파이프의 다른 쪽 끝에 삿갓이나 솥뚜껑 모양의 분산판이 설치된 구성으로 제작될 수 있다. 상기 분산판은 파이프의 다른 쪽 끝을 통해 공급되는 순환입자가 상기 전열냉각관의 내부에 골고루 퍼지게 분산시키는 작용을 한다.

Ⅳ) 상기 순환입자배출수단 은 상기 전열냉각관의 하단에 파이프를 연결한 구성으로 제작될 수 있다.

Ⅴ) 상기 냉각재킷 은 고온의 배가스가 지나는 전열냉각관의 벽면에 냉각유체 를 접촉시켜, 상기 벽면을 통해 열전달 또는 열교환이 일어나게 함으로써 상기 배가스의 온도를 급감시키는 구성요소이다. 한편, 벽면을 통한 열교환 과정에서 냉각유체의 온도가 상승하고 그 결과 냉각유체의 체적이 증가하여 장치가 파손될 우려가 있고 또한 체적팽창과정에서 생긴 기포로 인해 전열성이 저하될 수 있기 때문에, 기포의 배출과 압력의 조절이 원활히 이루어질 수 있도록 상기 냉각재킷의 입수구에 연결되는 파이프 지름을 크게 한다든지 별도로 에어벤트를 설치하는 것이 바람직하다.

Ⅵ) 상기 보조냉각관 은 전열냉각관을 지나는 고온의 배가스로부터 더욱 많은 에너지(폐열)를 흡수하여 상기 배가스의 출구온도를 좀 더 낮추는 구성요소로서, 냉각재킷의 입수구에서 출수구 쪽으로 유동하는 냉각유체가 전열냉각관의 내부를 지나도록 예를 들면 코일냉각기(coiled pipe cooler)의 형상으로 설계되어 있다. (청구범위 제2항, 제5항 참조)

Ⅶ) 청구범위 제4항에 기재된 배플(baffle plate) 은 전열냉각관의 내측 상단부 또는 배가스배출관의 입구 측 내면에 고정적으로 설치되어, 배가스가 바깥으로 배출되는 것은 허용하면서 순환입자는 바깥으로 배출되지 않도록 억제하는 역할을 한다. 배플의 형상은 평평한 판 모양이거나 삿갓 모양일 수 있으며, 다수의 미세한 배출구멍이 형성된 다공판일 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 입자순환식 배가스 냉각용 열교환기는 운전조건(배가스의 유량, 순환입자의 크기나 중량)에 따라 상기 배플이 생략될 수도 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 입자순환식 배가스 냉각용 열교환기의 구조 및 작용에 대해 설명한다.

실시예

도 1 및 도 2는 본 발명의 2가지 실시예에 따른 입자순환식 배가스 냉각용 열교환기의 모형도로서 실험실 수준으로 작게 제작한 예를 나타낸 것이다.

양 실시예 모두 안지름 200㎜×길이 1050㎜의 냉각재킷(40) 안에 외경 150㎜×길이 1050㎜의 원통형 전열냉각관(10)이 삽입되어 있다. 따라서, 상기 냉각재킷(40)의 외주면 하단에 형성된 입수구(41)를 통해 약 0.033㎥의 물(냉각수)이 냉각재킷의 내부에 채워질 수 있다.

또한, 상기 입수구(41)로부터 위쪽에 배수구(43)를 형성하여 열교환으로 뜨거워진 고온의 냉각수가 상기 배수구(43)를 통해 다음 공정이나 외부로 배출될 수 있게 하였고, 상기 냉각재킷(40)의 하단에는 밸브로 개폐하는 드레인(90)을 설치하여 냉각재킷(40)의 내부 바닥에 쌓인 슬러지(sludge)나 슬러리(slurry) 등의 오염물이 간헐적인 물청소로 제거될 수 있게 하였다.

또한, 냉각재킷(40)의 상단 일측에 에어벤트(80)를 설치하여 열교환과정에서 생긴 기포(bubble)가 제거될 수 있도록 하였고 냉각수의 체적팽창에 따른 내부압력의 상승효과도 감소하도록 하였다.

전열냉각관(10)의 하부는 냉각재킷(40)의 벽면을 관통한 배가스흡입관(60)이 하단부(cyclone)에 접속됨으로써 위치가 고정되며, 냉각재킷(40)의 하면을 관통한 순환입자배출수단(30)에 의해 고정상태가 더욱 견고하게 유지된다.

이에 반해, 전열냉각관(10)의 상부는 상기 냉각재킷(40)의 상면을 관통한 배가스배출관(70)의 후드(hood)에 연결됨으로써 그 위치가 고정된다.

또한, 전열냉각관(10)의 내부로 공급되는 순환입자가 골고루 분산되도록 상기 후드의 정중앙에 순환입자공급수단(20)의 토출부분을 위치시키고 상기 토출구의 아래쪽에는 삿갓 모양의 분산판을 설치하였다.

따라서, 상기 전열냉각관(10)의 내부에서 중력의 작용으로 낙하하던 순환입자는 깔때기 모양의 하단부에서 상단부 쪽으로 올라오는 배가스로부터 부력을 받아 위로 상승하다가 배가스의 유속이 어느 정도 줄어들면 다시 중력의 작용을 받아 낙하하게 되고 이러한 일이 반복되어 상기 순환입자가 순환하게 된다. 이러한 순환과정에서, 상기 순환입자는 전열냉각관(10)의 내면을 위·아래로 훑어 내면에 부착된 분진이나 그을음을 모두 떨어내게 되므로 결과적으로는 전열면이 자동으로 청소되어 열전달특성이 나빠지는 일이 없이 항상 일정하게 유지된다.

한편, 도 2의 경우에는 전열냉각관(10)의 내부에 안지름 13.8㎜, 외경 15.9㎜, 전체길이(일직선으로 펼친 길이) 7.2m의 코일냉각기(50)가 추가로 설치되어 있는데, 코일냉각기(50)의 일단은 냉각재킷(40)의 하부에 연통되어 있고 타단은 입수구(41) 쪽의 냉각수 공급라인에 연결되어 있다.

따라서, 상기 타단을 통하여 코일냉각기(50)에 공급된 냉각수는 상기 코일냉각기의 일단을 통해 냉각재킷(40) 쪽으로 유동하게 된다.

이와 같이 구성된 본 실시예의 2가지 사례 중, 도 2에 개시된 입자순환식 배가스 냉각용 열교환기를 아래의 조건에서 운전한 결과는 다음과 같다.

운전조건(정상운전상태)

- 순환입자의 크기 및 공급량: 400∼600㎛

- 입수구 측 냉각수의 온도: 26℃

- 냉각수의 유량: 8ℓ/min

- 배가스의 흡입 온도: 715℃

- 배가스의 공급 압력 : 35mmAq

운전결과

- 배수구 측 냉각수의 온도: 66℃

- 배가스의 배출 온도: 287℃

- 다이옥신의 검출 여부: 미검출

상기 운전결과에서 알 수 있듯이 본 발명에 따르면 배가스의 배출온도가 300℃ 아래로 떨어질 수 있고 다이옥신의 재생성이 방지될 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 따른 입자순환식 배가스 냉각용 열교환기는 종래보다 전열면이 넓게 된 전열냉각관의 외면을 냉각재킷으로 에워싸고, 상기 전열냉각 관 내에 보조냉각관을 추가로 설치하여 저온의 냉각유체가 상기 보조냉각관을 지나면서 고온의 배가스와 열교환이 되도록 함으로써 보다 더 많은 열이 회수되어 배가스의 배출온도가 현저히 낮아지게 한 장점이 있다.

또한, 중력과 부력의 작용을 받아 계속해서 순환하는 순환입자가 전열냉각관의 내면에 달라붙은 그을음이나 분진을 떨어내므로, 상기 전열냉각관이 부식되는 문제를 개선할 수 있다.

또한, 배가스가 지나는 전열냉각관의 통로는 순환입자의 크기에 비해 매우 크므로 상기 순환입자가 전열냉각관 안에서 정체되는 일이 없어 장시간 운전이 가능하고, 결과적으로 시스템의 작동성이 매우 좋아지게 된다.

또한, 넓은 전열면을 통해 열교환이 이루어지므로 장치를 소형화할 수 있다.

또한, 부식의 문제가 생기지 않으므로 장치의 내구수명이 증가한다.

또한, 실시예에서 언급된 바와 같이 본 발명의 냉각용 열교환기를 통과한 배가스에서는 다이옥신이 전혀 검출되지 않으므로, 배가스의 배출기준이 엄격한 도시형 소각설비 등에 적용할 경우 매우 바람직하다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 배가스배출관이 상단부에 연결되고, 배가스흡입관이 하단부에 연결된 전열냉각관;

   상기 전열냉각관에 연결된 순환입자공급수단;

   상기 전열냉각관의 하단부에 연결된 순환입자배출수단;

   상기 전열냉각관의 외면을 둘러싼 냉각재킷; 및

   상기 전열냉각관의 내부에 삽입·설치되되, 양단이 상기 전열냉각관의 벽면에 각각 관통·결합되어 상기 냉각재킷과 연통된 보조냉각관; 을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 입자순환식 배가스 냉각용 열교환기.
3. 제2항에 있어서,

   상기 냉각재킷에 에어벤트가 설치된 것을 특징으로 하는 입자순환식 배가스 냉각용 열교환기.
4. 삭제
5. 제2항에 있어서,

   상기 보조냉각관은 코일냉각기(coiled pipe cooler)인 것을 특징으로 하는 입자순환식 배가스 냉각용 열교환기.

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