KR101288716B1 - 가스로부터 열을 추출하고 응축물을 회수하기 위한 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉각 자켓에 의해 둘러싸인 회전 대칭을 가지는 쉘(13)을 구비한 적어도 하나의 열 교환기(4)를 포함하며, 응축물을 회수하기 위해 오염물 및/또는 응축 가능한 물질을 포함하는 가스 중에서도 특히 연소 가스로부터 열을 추출하기 위한 장치에 있어서, 상기 쉘의 내면을 처리하기 위한 최적의 계면 활성제 혼합물이 통과하기 위한 개구(9)를 포함하고, 상기 쉘(13)은 쉘의 적어도 일부에서 대략 나선형 회전 가스 스트림을 생성시키기 위해 적어도 하나의 수단(18)을 더 구비한 것을 특징으로 하는 열 추출 장치에 관한 것이다.

냉각 자켓, 셀, 열 교환기, 응축, 오염물, 연소 가스

Description

가스로부터 열을 추출하고 응축물을 회수하기 위한 장치 {DEVICE FOR EXTRACTING HEAT FROM GAS AND FOR RECOVERING CONDENSATES}

본 발명은 고온 가스, 특히 연소 가스의 처리 분야 관한 것인데, 한편으로는 이러한 가스에 의해 전달되는 열을 회수하고, 다른 한편으로는 가스 내에 존재하는 응축 가능한 물질을 회수하기 위한 것이다. 더 상세하게, 본 발명은 특히 유리나 유사한 광물질을 용융시키기 위한 노에서 발생될 수 있는 오염물 및/또는 응축 가능한 물질을 함유하는 가스의 처리에 관한 것이다.

유리 노(glass furnace)에서, 유리 배치(batch) 물질은 특히 가스 버너에 의해 제공되는 에너지를 이용하여 약 1200℃ 내지 1300℃의 온도에서 용융 상태로 가열된다. 연소 가스는 유리 배치의 휘발성 성분으로부터 유도된 붕소와 같은 물질을 상당한 양 동반하여 노로부터 약 1000℃ 내지 1200℃의 온도로 방출된다.

통상적으로 노의 가스 출구 구역은 1차 연소 공기를 가열하는데 재사용하기 위해 연소 가스의 열의 일부를 회수하고, 휘발성 물질을 분리시키기 위해 응축시키며, 냉각된 가스를 대기로 방출시키기 위한 냉각 타워가 구비되어 있다.

통상적으로 냉각 타워는 냉각 유체가 대기이며 열 교환기로부터 약 600℃의 온도로 나와서 산화 공기로서 버너로 재생될 수 있으며 처리된 연소 가스는 약 700 ℃의 온도로 나오는 제1 스테이지와, 냉각 유체가 물이며 처리된 연소 가스에 직접 분사되어 응축 가능한 물질의 오염물로 응고시키는 제2 스테이지를 포함한다. 그 후, 냉각된 가스, 증기 및 오염물의 혼합물은 오염물을 포획하고 약 400℃의 온도로 가스를 방출하는 정전 필터로 분리된다.

이러한 대기로의 방출은 산업용 유리 생산 설비 작동에서 시간당 수 메가와트에 해당할 수 있는 상당한 에너지 손실을 의미한다.

그러나, 고온 가스에 제곱 미터당 수 그램의 응축 가능한 물질이 존재하기 때문에 종래의 열 교환기에서는 이러한 가스의 처리가 불가능한데, 응축된 오염물에 의해 매우 빠르게 막힐 수 있기 때문이다. 세척 싸이클에 의해 중단되는 짧은 싸이클에서만 작동 가능하기 때문에, 본질적으로 기술적인 어려움을 발생시키고 유리의 생산을 방해할 수 있다.

실제로, 응축 가능한 물질의 대기로의 방출은 환경 법에 의해 곧 금지될 예정이다. 그러므로, 방출 전에 연소 가스로부터 응축 가능한 물질을 제거할 필요가 있다.

본 발명의 목적은 이러한 연기 오염 제어 문제를 해결하고, 생산을 방해하지 않으면서 상기 가스가 발생되는 동안 항구적으로 고온 가스로부터 열을 추출할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.

이와 관련하여, 본 발명은 냉각 자켓에 의해 둘러싸여 회전 대칭을 가지는 쉘을 구비한 적어도 하나의 열 교환기를 포함하며, 오염물 및/또는 응축 가능한 물질을 포함하는 가스 중에서도 특히 연소 가스로부터 열을 추출하고 응축물을 회수하기 위한 장치에 관한 것으로서, 상기 쉘의 내면을 처리하기 위한 최적의 계면 활성제 혼합물이 통과하기 위한 개구를 포함하며, 상기 쉘은 튜브에서 동축으로 배열된 적어도 하나의 나선 스크류를 더 구비한 것을 특징으로 한다.

가스 스트림의 이러한 회전 유동 덕분에, 오염물 및/또는 물질은 처리 챔버의 냉각 벽에 부딪히고, 상기 오염물 및/또는 물질은 부착된 냉각 벽에서 응축되며, 챔버를 통해 계면 활성제가 통과한 다음 축적된 고체가 연마에 의해 파괴된다.

냉각 자켓에서 유동하는 유체는 공통적으로 채용되는 타입, 특히 오일이나 물일 수 있다.

다른 바람직한 특징에 따르면, 장치는 대체적으로 원통형, 원추형, 절두 원추형 또는 적어도 하나의 원통부와 적어도 하나의 원추대 또는 절두 원추대의 조합으로부터 선택된 형상을 가진다.

장치는 바람직하게 수평으로 배열된다.

장치의 크기와 장치 내에 합체된 챔버의 개수는 가스를 발생시키는 설비에 따라 피처리 가스의 체적에 적합하게 이루어진다.

대략 나선형인 회전 가스 스트림을 포함하는 부분은 바람직하게 스트림이 적어도 두 번, 적어도 4번, 특히 적어도 5번의 나선형 회전을 할 수 있을 만큼 충분히 길다.

회전 가스 스트림을 생성시키기 위한 수단은 튜브에서 동축으로 배열된 적어도 하나의 나선형 스크류를 포함한다.

바람직한 실시예에서, 회전 가스 스트림을 생성시키기 위한 수단은 한편으로는 처리 장치에 접선 방향으로 고온 가스를 이송하기 위한 수단과, 다른 한편으로는 나선형 스크류를 포함한다. 나선형 회전 운동은 선택적으로 스크류의 전체 길이를 따라서 일정하지 않을 수도 있는 가스 입구 속도와 스크류 피치를 선택하여 소정의 길이를 따라 쉽게 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 각각의 챔버의 내면의 표면 처리, 좀더 상세히 말하면 내면의 세척은 고체 계면 활성제를 회전 가스 스트림에 전달하기 위한 수단 덕분에 장치의 작동 중에 연속적일 수 있다.

오염물과 같이 계면 활성제는 원심력 효과로 챔버의 내각 벽에 충돌되며, 고체 계면 활성제의 운동 에너지는 냉각 벽에 부착된 오염물의 퇴적물을 벗기기에 충분하다.

장치의 재료 및 퇴적물의 타입에 따라서, 챔버의 벽에 부착된 퇴적물을 벗겨내기 위해 계면 활성제가 선택될 수 있다.

바람직하게, 계면 활성제는 유리 배치 조성물에 재활용하기 위해 노에서 초기에 사용된 유리 배치 조성물의 성분들로부터 선택된다.

그러므로, 장치는 계면 활성제를 이송하고 수집하기 위한 장치를 오염물 또는 응축된 고체를 회수하거나, 및/또는 계면 활성제를 재생시키기 위해 회전 가스 스트림을 포함하는 장치 부분의 상류와 하류 각각에 포함한다. 가스는 종래의 방식대로, 특히 원통형 쉘에 대한 쉘의 축에 접선 방향으로 또는 축방향으로 나올 수 있다.

바람직한 실시예를 따르면, 처리 장치와 상기 처리 장치의 냉각 자켓은 복수의 튜브에 의해 관통된 차단벽에 의해 제한된 내부 체적의 경계를 한정하고 열 교환 챔버를 형성하는 외부 자켓으로 구성되고, 이러한 각각의 챔버는 나선형 스크류를 수용한다.

한편으로, 상기 처리 장치는 매우 높은 내부 압력을 견디는 이중 벽으로 구성된다. 다른 한편으로, 원형 단면의 튜브의 병치로 인해서 평면으로 제공된 영역보다 더 높은 열 교환 영역이 제공된다.

전술된 장치의 다른 적용에 따르면, 본 발명은 노 중에서도 특히 오염물 및/또는 응축 가능한 물질을 포함하는 고온 가스용이며 상기 고온 가스를 냉각시키기 위한 유닛이 구비된 출구 구역을 포함하며 유리나 유사한 광물질을 용융시키기 위한 노에 관한 것으로서, 냉각 유닛은 열을 추출하고 전술된 바와 같이 응축 가능한 물질을 응축시키기 위한 적어도 하나의 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이러한 적용에서, 오염물의 일부는 처리 챔버의 내벽에 계속 부착되기에 너무 미세할 수 있다. 그럴 경우, 노는 오염물을 포획하고 여과된 가스를 대기로 배출하기 위한 필터에 냉각 유닛에서 냉각된 가스를 전달하기 위한 수단을 더 포함한다.

연소 가스에 동반된 응축 가능한 물질과 오염물을 회수하기 위해 설계된 본 발명을 따른 열 교환 장치 덕분에, 공정 중에서도 특히 용융 공정의 수율이 교환기에 의해 수집된 오염물과 재료를 노에서 처리될 배치 물질로 재도입하거나 노 내로 직접 재도입하여 개선될 수 있다.

오염물과 응축 가능한 물질이 계면 활성제를 이용하여 마멸에 의해 회수된다면, 유리 배치 재료의 성분, 특히 계면 활성제로 사용된 모래의 사용은 특히 유리 노에서 바람직한데, 오염물과 함께 유리 배치에 대한 원재료로서 재생될 수 있기 때문이다.

열 교환기는 증기를 발생시키기 위해 충분한 양의 열을 추출하도록 치수 결정될 수 있다. 이러한 목적을 위해, 본 발명을 따른 장치의 자켓에서 물이 냉매로 직접 사용될 수 있다. 이러한 경우, 챔버와 자켓의 형상과 구조는 자켓에서 증기 압력에 의해 가해진 하중을 견딜 수 있도록 선택된다.

본 발명의 다른 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참고로 더욱 명백해질 것이다.

도1은 본 발명을 따른 장치를 구비한 유리 노를 도식적으로 도시한다.

도2는 본 장치의 사시도를 도시한다.

명확하게 하기 위해서, 도면에 도시된 성분들은 비율을 맞추기 위해 반드시 재형성필요는 없으며, 어떤 치수는 커지거나 축소되었고, 일부 구조적인 상세한 부분은 본 발명을 이해하는데 필수적이 아닌 경우 생략될 수 있다.

도1에 도시된 설비는 공통의 적절한 수단(2)에 의해 유리 배치가 공급되는 유리 노(1)를 기본적으로 포함하며, 용해 에너지는 가스 버너(3)에 의해 공급된다.

노에서 생산된 유리는 특히 패딩(padding), 그물형 제품(netting) 및 기타 제품 등의 유리면(glass wool) 또는 유리 섬유계 제품 등의 다양한 제품으로 도시되지 않은 수단에 의해 형성될 수 있거나, 다양한 유기 재료 또는 무기 재료가 유리에 추가될 수 있다. 노의 일단부에서, 특히 유리 배치의 휘발성 성분으로부터 유도된 가스 화합물에 포함된 연소 가스가 냉각 유닛(4)으로 보내져서, 약 1000℃의 온도에서 약 200℃의 온도로 냉각된다.

이러한 냉각 유닛은 대기(6)를 냉각 유체로 이용하는 제1 열 교환기(5)를 포함한다.

이러한 열 교환기는 대기(6)에 의해 추출된 열로 인해서 대기의 온도가 600℃까지 상승하므로 버너(3)에 재도입된 고온 산화제(7)로 바람직하게 이용될 수 있도록 치수 결정된다.

제1 열 교환기를 떠나는 연소 가스의 온도는 약 700℃도이다. 이러한 온도에서, 유리 배치의 휘발성 성분으로부터 유도된 응축 가능한 물질은 여전히 가스 상태이며, 열 교환기(5)는 어떠한 고체 재료에도 노출되지 않았다.

냉각 유닛(4)은 가스의 온도를 응축 가능한 휘발성 재료의 응고점 이하로 낮춰서 700℃까지 냉각된 가스로부터 열을 추가적으로 추출하기 위해 제1 열 교환기(5)와 직렬인 제2 열 교환기(8)를 포함한다.

열 교환기(8, 도2에 상세히 도시됨)는 열 교환기 수단이 배열되는 기다란 원통형 본체의 형상을 기본적으로 가지는 본 발명을 따른 장치로 구성된다. 열 교환기는 관형 본체의 축에 접선 방향인 가스 입구(9)와, 공급측에 대향한 측에 배치된 축방향 가스 출구(10)를 포함한다.

열 교환기는 장치를 떠나는 처리된 가스가 약 200℃의 온도로 냉각되도록 치수 결정된다.

가스는 적어도 부분적으로 오염물이 더 제거되며, 오염물은 수집기(11)에 수집된다. 장치를 떠나는 가스는 대기로 방출되기 전에 공지된 유형일 수 있는 필터(12)나 바람직하게 단순한 직물 필터를 이용하거나, 통상적으로 물 분무식 냉각 타워를 떠나는 고온 가스를 처리하는데 채용되는 것과 같은 정전 필터를 이용하여 처리될 수 있다.

장치의 내부 구조는 도2에 사시도로 도시되었다.

장치의 챔버(13)의 원통형 부분은 외측 튜브로 형성된 쉘, 및 처리 챔버의 경계를 한정하는 복수의 내측 튜브(14)로 구성되며, 튜브(14) 사이에는 라인을 통해 유입되고 방출되는 물과 같은 냉각 유체(15)의 스트림이 유동한다.

튜브는 복수의 플랜지(16, 17)(도2에 두 개가 도시됨)를 이용하여 쉘의 내부 위치에 고정되며, 이러한 플랜지(16, 17)는 챔버의 메인 축에 대해서 대략 방사상으로 위치된다.

각각의 튜브(14)에는 열 교환 표면에서 냉각 유체와 더 좋은 열 전달 계수를 얻기 위해 튜브 내의 가스 유동의 난류를 증가시키기 위한 장치가 포함된다.

도면은 선택적으로 전체 길이를 따라 스크류 피치가 가변적인 나선형 스크류(18)를 도시한다.

또한, 스크류(18)의 상류 부분과 하류 부분 사이에 높은 온도 구배가 존재하기 때문에, 스크류(18)는 그 상류 부분(높은 구배)이 스테인리스 스틸로 만들어지 고, 하류 부분은 카본 스틸로 만들어지며, 상류/하류 방향은 제1 열 교환기(5)에서 나온 가스의 유동 방향에 의해 형성된다.

피처리 가스는 플랜지(16) 근방의 원통형 부근의 일측에 배치된 접선 방향 입구(9)와 소통하는 라인을 통해 이송된다. 각각의 튜브 주연에서 접선 방향으로 유입된 가스는 각각의 튜브 내에서 회전 운동을 시작하다.

도면에 미도시된 변형예에서, 각각의 튜브와 그 스크류는 입구 라인에 의해 피처리 가스가 공급되며, 각각의 튜브는 튜브의 냉각 벽에서 응축된 오염물을 제거하기에 적절한 계면 활성제를 주입하기 위한 장치도 자체적으로 가진다.

이러한 회전 운동은 각각의 튜브의 주연부에 접선 방향 입구의 위치와, 튜브(14)의 내측에 프로펠러 또는 스크류(18)가 존재하기 때문에 발생되며, 이러한 구성으로 인해서 대략 원통형 부분 전체적으로 회전 가스 스트림이 발생되는 것을 보장한다.

이러한 기하학적인 형상으로 인해 각각의 튜브 내측에서 계면 활성제가 최적으로 분배 또는 혼합되는 것이 보장된다.

장치는 송풍기를 장치의 상류측, 예컨대 라인 상에 설치하여 장치를 통해 가스를 밀어내거나, 출구의 하류측에 설치하여 처리된 가스를 흡인하여 외부로 보내도록 하는 압력 또는 진공 하에서 각각 작동할 수 있다. 장치에서 가스의 속도는 높은 것이 바람직한데, 특히 고온 가스 입구에서 약 10 내지 40 m/s이며, 이는 냉각된 가스 출구에서 약 10 내지 30 m/s에 대응한다.

작동시, 붕소와 같이 응축 가능한 물질(600℃ 이하의 온도, 바람직하게 600 내지 200℃ 사이의 온도에서 응축됨)을 포함하는 가스는 튜브(14) 내측에서 가스에 의해 형성된 경로를 따라가며, 냉각수에 의해 냉각되는 벽을 따라 유동한다. 이렇게 하여, 가스 온도는 내려가고, 응축 가능한 물질은 냉각 벽과 접촉할 때, 특히 원심력 효과로 냉각 벽에 부착되어 오염물로 응고되며, 튜브의 길이 중 적어도 일부에 퇴적물을 형성한다.

이러한 퇴적물로 인해서 두께가 두꺼워지므로 문제점이 발생할 수 있는데, 벽을 단열시켜서 열 전달 효율을 낮추며, 결과적으로 가스의 통과를 방해한다.

그러나, 장치의 형상은 다음과 같은 수단을 이용하여 벽을 매우 간단히 세척할 수 있다.

장치는 특히 모래 등의 연마용 미립자 재료인 계면 활성제 저장소(19)(도1에 도시됨)를 포함하며, 라인의 분기부를 통해서 또는 챔버 내로 직접적으로 피처리 가스의 스트림에 상기 재료를 전달할 수 있다. 연마제 공급은 밸브나 유사한 공급 수단(20)에 의해 제어될 수 있다.

벽에 형성된 퇴적물을 제거하기 위해서, 상당히 느릴 수 있는 연마제의 유동을 피처리 가스와 함께 전달하는 것으로도 충분하다.

연마제의 입자들은 회전 가스 스트림에 동반되어 원심력에 의해 벽에 충돌되어 퇴적물을 분리시키고 튜브의 내벽의 표면을 세척한다.

연마제와 표면으로부터 분리된 퇴적물은 가스 스트림에 의해 장치의 하류에 동반되어 임의의 적절한 장치에 의해 수집된다.

사용된 연마제가 모래일 경우, 설비는 분리된 고체를 수집기로부터 노에 유 리 배치를 공급하기 위한 수단으로 이송하기 위한 수단을 포함할 수 있는데, 모래와 퇴적물이 유리 배치의 조성물에 혼합되기 때문이다.

가스 유동을 중단시키지 않으므로 장치의 상류측 공정을 방해하지 않고 퇴적물을 표면에서 제거하여 다시 최적의 열 교환 효율에 도달하는 것은 매우 짧은 처리시간만으로 충분하다. 참고로, 전술된 열 교환 조건(고온 가스 및 저온 가스 온도, 가스 속도)에서, 열 교환기는 3리터의 모래를 사용하여 10분간의 세척 싸이클로 표면을 완전히 세척한 후에 8시간 연속적으로 만족스럽게 작동할 수 있다.

가스가 필터에 도달하기 전에 모래, 및 선택적으로 오염물을 완전히 분리하기 위해 가스 출구 라인에 필터(12)가 설치될 수 있다.

본 발명은 원통형 부분을 가지는 장치의 경우만 도시되었지만, 이러한 특정한 실시예에 한정되지 않으며, 다른 형태도 가능하다.

유사하게, 본 발명은 유리 용융 설비의 경우만 개시되었지만, 다른 산업용 연도 가스 처리에도 적용된다. 특히, 본 발명의 장치의 일부를 형성하는 냉각 유닛은 추가의 열 교환기가 있거나 없도록 다르게 설계될 수 있으며, 도1에 도시된 형태에 제한되지 않는다.

Claims (12)

1. 냉각 자켓에 의해 둘러싸인 회전 대칭을 가지는 쉘(13)을 구비한 적어도 하나의 열 교환기(8)를 포함하며, 응축물을 회수하기 위해 오염물과 응축 가능한 물질 중 적어도 하나를 포함하는 가스 중에서도 특히 연소 가스로부터 열을 추출하기 위한 장치에 있어서,

   상기 열 교환기(8)는 상기 쉘의 내면을 처리하기 위한 계면 활성제 혼합물이 통과하기 위한 개구(9)를 포함하고, 상기 쉘(13)은 튜브(14)를 더 구비하고, 상기 튜브(14)는 튜브(14) 내에 동축으로 배열된 적어도 하나의 나선형 스크류(18)를 포함하고,

   계면 활성제를 이송 및 수집하기 위한 수단을, 회전 가스 스트림을 포함하는 장치 부분의 상류와 하류에 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 열 추출 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 쉘은 원통형, 원추형, 절두 원추형, 또는 적어도 하나의 원통부와 적어도 하나의 원추대 혹은 절두 원추대의 조합으로부터 선택되는 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 열 추출 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 고체 계면 활성제를 회전 가스 스트림에 이송하기 위한 수단 덕분에 장치의 작동 중단없이 튜브(14)의 내면의 표면 처리가 연속적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 열 추출 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 계면 활성제는 튜브(14)의 벽에 부착된 퇴적물을 벗겨내기 위해 선택되는 것을 특징으로 하는 열 추출 장치.
5. 제4항에 있어서, 계면 활성제는 유리 배치(batch) 조성물로 재활용하기 위해 노(furnace)에서 초기에 사용된 유리 배치 조성물의 성분으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 열 추출 장치.
6. 삭제
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 쉘(13)은, 열 교환 챔버를 형성하는 튜브(14)로 관통된 차단벽(16, 17)에 의해 제한된 내부 체적의 경계를 한정하는 외부 자켓을 포함하며, 열 교환 챔버는 나선형 스크류(18)를 수용하는 것을 특징으로 하는 열 추출 장치.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 나선형 스크류(18)의 피치는 가변적인 것을 특징으로 하는 열 추출 장치.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 나선형 스크류(18)는 두 부분으로 만들어지는데, 각각 다른 재료, 특히 스테인리스강과 탄소강으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 열 추출 장치.
10. 노 중에서도 특히 유리나 유사한 광물질을 용융시키기 위한 노(1)에 있어서,

    오염물과 응축 가능한 물질 중 적어도 하나를 포함하는 고온 연소 가스용으로서, 상기 가스를 냉각시키기 위한 열 교환기(5)를 구비하는 출구 구역과,

    제1항 또는 제2항에 따른 적어도 하나의 열 추출 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 노.
11. 제10항에 있어서, 여과된 가스를 대기로 방출시키는 필터(12)에 열 교환기(5)에서 냉각된 가스를 전달하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 노.
12. 제10항에 있어서, 상기 열 추출 장치는 제8항에 따른 열 추출 장치이며, 수집된 고체를 노에서 처리될 배치 재료로 재도입시키거나 노에 직접 재도입시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 노.

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