KR101187658B1 - 제철소용 배열회수장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고로, 소결로와 같은 제철소에서 발생하는 철광석 분진 및 유독성 성분을 가진 고온, 고압의 배가스에서 이산화탄소의 저감과 동시에 저압증기의 생산에 유용한 열에너지를 흡수하는 배열회수장치의 전열면적 대비 높은 열효율, 제작과 교체 그리고 정비 및 내부 청소 편의가 제공되는 제철소용 배열회수장치를 제공하려는 것으로서, 위로부터 과열기와 복수의 증발기, 절탄기의 순으로 내장되고, 보일러의 케이싱은 내압 및 기밀성을 위한 원통형 압력용기 형상에 내열, 내마모성을 고려하여 내부에 단열과 경질 이중 성형 캐스타블로 보호되며, 상기 보일러 케이싱을 기능별로 소분(小分)하여 조립하는 개별 케이싱으로 모듈화하며, 각 케이싱의 평면은 원통형 구조로 전열면이 배열되며 이에 따라 발생되는 사각지대의 정비, 청소를 위한 접근용 챔버를 배치하여 편류방지 및 열효율을 높이고, 과열기용 튜브 상부 제1열 상부면의 배가스가 직접 접촉되는 부위를 용사 코팅하여 고온의 단열성 및 내구성을 향상시킨 제철소용 배열회수장치를 특징으로 한다.

Description

제철소용 배열회수장치{WASTE HEAT RECOVERY BOILER SYSTEM FOR IN IRON WORKS}

본 발명은 제철소의 제반 공정에서 발생하는 철광석 분진 및 유독성 성분을 가진 고온, 고압의 배가스로부터 열을 회수하여 산업용 저압 증기, 온수의 열원으로 사용하는 제철소용 배열회수장치에 관한 것이며, 특히 보일러 원통형 케이싱 내부의 사각지대 배제 및 정비 공간 확보에 의한 편류 방지와 전열면적의 극대화에 따른 열효율 향상, 내압 기밀성 및 내마모성, 수리 공간 확보 등에 유효한 제철소용 배열회수장치에 관한 것이다.

제철소의 고로, 유동로, 소결공장 등에서는 마모성이 강한 미세한 철광석분진이 섞인 고온, 고압의 유독성 배가스가 대량으로 발생한다. 이 배가스로부터 열을 회수하여 산업용 저압 증기나 온수 생산용 열원으로 사용하게 된다.

제철소의 각종 공장에서 발생하는 고온의 배가스 중에서 폐열을 회수하는 배열회수장치(A)는 도 1에 예시한대로 단일체형 케이싱(1)에 위로부터 과열기(2), 1차 증발기(3), 2차 증발기(4), 3차 증발기(5), 4차 증발기(6), 절탄기(7)의 순으로 적층하여 내장한 대형 강구조물이다.

이러한 배열회수장치는 고로, 유동로(B) 등등을 거쳐 오는 450℃ 내외의 폐열을 유입덕트(8)로 도입하여 상기 배열회수장치 내부로 통과시키면서 증기와 온수 생산에 활용하고, 여기서 생산되는 공정용 증기, 온수는 설비용으로 쓰이며, 열 교환이 이뤄진 후에 배기덕트(9)로 배출되어 각종 연소로나 발전소 연료 가스 등으로 사용된다.

본 발명에 참고가 될 만한 배열회수장치로 실용신안등록 제0338231호가 있다. 이 선행기술은 과열기와 1차~2차 증발기, 고압절탄기, 저압절탄기가 일렬종대로 수용된 보일러 본체가 장척의 단일 몸체여서 과열기와 복수의 증발기, 절탄기 중에서 기능에 이상이 발견된 경우 해당 열교환 유닛의 정비 또는 교체가 필요한 경우 배열회수장치의 내부 작업공간이 협소하여 안전성과 작업성에서 불합리했던 점을 개선하기 위하여 케이싱을 상체와 중간체 및 하체로 분할 제작한 것이다.

그러나 새로이 드러난 문제점은 유독성의 고압 배가스의 경우 기밀성 유지를 위해 분할 제작이 불가하고 청소 및 정비 작업 시 사람이 직접 케이싱 안으로 들어가 전열부에 접근이 용이한 안전공간이 필요하며, 케이싱이 사각통형으로 설계할 경우 내압을 견디기가 어려워 압력용기 형태인 원통형으로 설계하여 내부에 전열면적을 원통형 케이싱 특성상 발생하는 전열면을 배치할 수 없는 사각지대가 발생하며, 케이싱 내부에 내열 내마모성을 위한 성형 캐스타블을 시공하는데 교체나 청소 정비를 위해서는 시공된 캐스타블을 제거해야 접근이 가능해지므로 내부정비가 불편하다는 것이다.

따라서 본 발명의 목적은 제철소에서 배출되는 철광석 분진을 다량 함유한 유독성 고압 배가스로부터 이산화탄소의 저감과 동시에 저압증기의 생산에 유용한 열에너지를 흡수하는 배열회수장치의 케이싱 구조를 개선하고 케이싱 내부에 최대 열효율을 가지면서 사각지대를 최소화 할 수 있게 하며 전열면 배치와 내부 단열, 내마모성을 향상시키게 하고 열교환 유닛의 정비 및 내부 청소편의가 제공되는 제철소용 배열회수장치를 제공하는 것이다.

이들 과제는 위로부터 과열기와 복수의 증발기, 절탄기의 순으로 내장되는 보일러 본체가 고온의 배가스 도입용 유입덕트가 딸린 상체와 열교환으로 인하여 온도가 저하된 폐열의 배기를 돕는 배기덕트가 딸린 하체 그리고 상기 상체와 하체 사이에 위치하여 상기한 복수의 증발기 그리고 절탄기로 조립하도록 된 제철소용 배열회수장치를 바탕으로 하되, 상기 보일러 본체를 기능별로 소분(小分)한 케이싱으로 하여 조립이 용이하게 모듈화하며, 모든 중간체는 사각지대가 없어 전열면적 대비 열효율이 높은 원통형으로 하고, 원통형 내부에 최대 열효율을 가지면서 전열면을 설치할 수 없는 사각지대를 최소화할 수 있도록 전열면 배치와 중간체의 내주면을 캐스타블로 단열하며 소분된 보일러 본체 중에서 고온의 배가스와의 격렬한 마찰이 불가피한 과열기용 케이싱의 상단 튜브 중 제1열 튜브의 배가스가 직접 접촉되는 부분을 용사코팅하여 내구성을 높인 제철소 배열회수장치로 달성할 수 있다.

원통형 보일러 본체는 사각지대를 최소화하여 전열면 배치가 용이하고 편류가 일어나지 않으며, 전열면적 대비 열효율이 높아 열교환을 통한 증기생산성이 우수하고, 각형 보일러에 비해 보일러의 슬림화설계도 가능하다.

또, 성형 캐스타블의 시공으로 내부단열 및 내마모성이 향상된 각 모듈은 보일러 본체의 조립과 정비 및 내부 청소에도 편의가 제공된다.

그리고 과열기용 중간체 상부 튜브 1열의 상부 배가스가 직접 접촉되는 부분은 용사 코팅되어 분진이 포함된 배가스와의 격렬한 마찰로 인한 마모가 억제 내지는 방지되기에 내구성도 향상된다.

도 1은 종래 제철소용 배열회수설비의 개념도
도 2는 본 발명에 의한 제철소용 배열회수장치의 모형도
도 3은 본 발명 과열기용 중간체의 평면도
도 4는 본 발명 중간체의 내주면 구조를 보인 예시도
도 5는 본 발명의 과열기 상부 첫열 튜브 상부유입가스에 배가스가 직접 마찰할 가능성이 있는 부위 용사코팅부
도 6은 종래의 열교환 튜브군의 설치상태를 보인 평면예시도
도 7은 본 발명 원형 케이싱의 내부 곡면을 따라서 튜브 외단부를 설치한 상태를 보인 평면 예시도

도 2에서, 보일러 케이싱(1) 내에 위로부터 과열기(2), 1차 증발기(3), 2차 증발기(4), 3차 증발기(5), 4차 증발기(6), 절탄기(7)의 순으로 기능별 열교환 유닛이 적층 설치되고, 이들 열교환 유닛은 각기 배관을 보일러 케이싱(1) 외부로 연결되어 유입덕트(8)를 통해 유입되는 고온(450℃ 내외)의 공기로부터 열을 회수하여 증기와 온수에 이용하고, 열교환으로 인하여 온도가 저하된 공기는 배기덕트(9)로 배출되도록 한 제철소용 배열회수장치가 있다.

본 발명은 이러한 제철소용 배열회수장치에서 상기 보일러 케이싱(1)을 원통형으로 하면서 기능별로 분할하여 모듈화한 것이 특징이다. 즉, 보일러 케이싱(1)은 유입덕트(8)가 딸린 과열기용 상체(10)와, 증발기용 케이싱(11)(12)(13)(14)과, 절탄기용 케이싱(15) 및 배기덕트(9)와 플랜지로 연결되는 하체(16)가 모두 원통형으로 분할 제작되어 용접 또는 플랜지 연결되며, 상체(10)는 원형 역깔데기형이고 하체(16)는 상체(10)의 대칭형이다.

또, 상체(10)의 하단과 각 케이싱(11～15)의 상?하단 및 하체(16)의 상단 둘레는 각각 용접 체결되어있으며, 상체 내부에는 과열기(2), 케이싱(11) 내부에는 1차 증발기(3), 그 아래 케이싱(12)에는 2차 증발기(4), 그 다음 케이싱(13)에는 3차 증발기(5), 케이싱(14)에는 4차 증발기(6), 최하단 케이싱(15)에는 절탄기(7)가 지지빔(21)에 장착되어 있다.

도 3에서, 각 케이싱(11～15)에는 기능별 열교환 유닛이 들어갈 유닛실(18)과 이 유닛실(18) 주위에 포진한 고온 공기막이용 차단막(19)이 형성되어 있고, 주벽의 대략 중간 높이에는 고온 공기와의 열교환에 의하여 생산될 증기도관(導管.20)이 유닛실(18) 내부와 통하도록 부착되어 있고, 이와는 별도로 유닛을 고정하기 위한 빔(21)은 케이싱(11～15)의 주벽과 그 유닛실(18)을 직선상으로 가로지르게 부착되어 있다.

원통형 보일러 케이싱(1)은 사각통형 보일러 본체와는 달리 고온 공기가 통과할 때 사각지대가 없으므로 편류 발생이 현저히 줄어들며, 전열면적 대비 열효율도 비할 수 없이 높아 증기 및 온수생산성이 향상되고, 사각통형 보일러 본체에 비해 보일러의 슬림화설계도 가능하다.

보일러 케이싱의 열교환 기능별 소분에 따른 모듈화는 보일러 본체의 조립과 정비 및 내부 청소 편의가 제공된다.

도 4에서, 상기한 각 증발기와 절탄기의 케이싱(11~15)의 내주면 및 상하체 내주면 부위에 경질 캐스타블(51)로 1차 시공하고 이 경질 캐스타블(51)의 내주면에 단열 캐스타블(52)로 2차 시공함으로써 방산열을 낮춰 고온에 대한 단열성과 열효율을 더욱 높이고 내부의 배가스에 대한 내마모성을 높인 것이다.

도 5에서, 과열기용 케이싱(11)에 장입된 튜브 중에서 상부의 제1열 열교환튜브(60)는 압력과 유속이 불규칙하고 마찰력도 큰 배가스의 최초 접촉에 따라 그 아래쪽에 위치한 다른 튜브보다는 마모, 열부하가 크고, 그 영향으로 휨 등의 변형과 기계적 수명단축으로 인한 불이익을 당할 개연성이 크다.

이 점을 고려하여, 도 5와 같이 과열기용 케이싱(11) 내의 제1열 열교환튜브(60)는 외주면을 용사코팅(70)하여 내마모성을 높인다. 용사코팅(70)은 코팅비용의 절감과 배가스 외의 마찰로 인한 휨을 방지하려는 의도에서 유입되는 배가스가 직접 마찰할 가능성이 있는 부분에만 제한적으로 실시한다. 바람직한 용사코팅범위는 제1열 열교환튜브(60)의 외주면에서 정점을 기준으로 유입가스에 직접적으로 접촉되는 부위에 되어 있다.

도 6은 종래의 튜브 설치군을 보인 것으로, 통상의 제철소용 배열회수장치에서 과열기(2)와 2차 내지 4차 증발기(3~6) 및 절탄기(7)에는 헤더(62)의 좌우에 U자형으로 절곡된 열교환튜브(61a~61f)가 부착된 열교환기가 내장되어 있는데, 이를 위에서 내려다보면 사각형 케이싱의 윤곽에 맞춰 케이싱 내면과의 사이에 일정한 칫수로 된 공간(62a,62b)이 사방에 남는 만큼 전열면적이 적으며, 전열면적이 적으니 열교환율도 낮을 수밖에 없다.

이 점을 고려한 본 발명은 도 7에서 보듯이 모두 U자형으로 절곡되어 이룬 열교환튜브(63a~63f)의 외측단에 놓이는 절곡점(64)이 이들이 바라보는 원통형 케이싱(11～15)의 내주면까지 연장되어 열교환튜브(63a~63f)의 종래 길이방향 쪽에 남았던 도 6의 공간(62b)을 없애 전열면적을 확장함으로써 열교환효율을 극대화한 것도 특징 중의 하나다.

A: 배열회수장치
B: 유동로
1: 보일러 케이싱
2: 과열기
3: 1차 증발기
4: 2차 증발기
5: 3차 증발기
6: 4차 증발기
7: 절탄기
8: 유입덕트
9: 배기덕트
10: 상체
11～15: 케이싱
16: 하체
51: 경질 캐스타블
52: 단열 캐스타블
60: 제1열 열교환튜브
62: 헤더
70: 용사코팅

Claims (2)

1. 위로부터 과열기, 1차~4차 증발기와 절탄기의 순으로 내장되는 보일러 본체가 고온의 배가스 도입용 유입덕트가 딸린 상체와, 폐열의 배기를 돕는 배기 덕트가 딸린 하체, 그리고 상기 상체와 하체 사이에 위치하여 상기한 각 증발기와 절탄기를 수용하는 복수의 케이싱으로 분할 제작하여 조립하도록 된 제철소용 배열회수장치에 있어서,
   
   상기 케이싱을 각 열교환 기능별로 분할하여 모듈화하고 상체와 하체를 비롯한 모든 케이싱을 원통형으로 형성하며, 상기 과열기, 증발기 및 절탄기용 케이싱의 내주면을 경질 캐스타블과 단열 캐스타블로 형성하고 과열기용 케이싱 측 상부 제1열의 튜브의 외주면을 정점을 기준으로 유입가스에 배가스가 직접 마찰할 가능성이 있는 부위를 용사코팅한 것을 특징으로 하는 제철소용 배열회수장치.
   
2. 제1항에 있어서, 과열기와 2차 내지 4차 증발기 및 절탄기의 열교환튜브는 외측단을 원형케이싱의 내주면까지 연장하여 전열면적을 확장한 것을 특징으로 하는 제철소용 배열회수장치.

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