KR101341180B1 - 폐열 회수 장치 - Google Patents

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Abstract

가열로(furnace)에서 배출되는 배가스로부터 열에너지를 회수하기 위한 폐열 회수 장치가 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 폐열 회수 장치는 가열로의 배가스가 배출되는 연도상에 설치된 열교환기; 열교환기의 전류측과 열교환기의 후류측 연도를 연결하도록 제공된 배가스 우회유로; 및 열교환기의 입구 또는 배가스 우회유로를 개폐하도록 제공된 개폐부;를 포함한다.

Description

폐열 회수 장치 {WASTE HEAT RECOVERY APPARATUS}
본 발명은 가열로(furnace)에서 배출되는 배가스로부터 열에너지를 회수하기 위한 폐열 회수 장치에 관한 것이다.
일반적으로 가열로(furnace)에서 소재를 가열하는 경우, 연료를 연소시키는 버너를 통해 발생된 배가스는 가열로 내에서 소재를 가열한 이후 가열로 밖으로 방출되게 되며 방출되는 배가스의 열량은 가열로의 손실 열량 중에서 가장 큰 비율을 차지하고 있다.
표 1에 가열로에 대한 열정산의 예를 나타내었다.
Figure 112011027075524-pat00001
표 1에 나타난 바와 같이 배가스의 손실열량이 가열소재에 의한 열량에 이어 두번째로 많은 비율을 차지하고 있으며, 이러한 측면에서 배가스 열량의 감소화 혹은 배가스 열량 중 일부를 회수하게 된다면 전체적인 열효율 향상을 얻을 수 있으므로 통상 배가스의 열회수를 위한 폐열 회수 장치를 설치하게 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 배가스의 폐열 회수 장치를 간략하게 도시한 단면도이다.
도 1을 참고하면, 일반적으로 연도 라인(flue line)(10)에 설치되는 열교환기(20)는 해당 가열로에 요구되는 연소용 공기량을 근거로 최대한도의 배가스 배출용량 및 적정 노압을 유지하기 위해 열교환 면적과 열교환기의 내부에 구비되는 (도시되지 않은) 전열 파이프(heating pipe) 형태를 결정하게 된다.
이때, 열교환기(20)의 내부에 설치된 전열 파이프에 의해 배가스(G)의 배출 저항이 발생하며 내부의 압력이 증가하게 된다.
따라서 가열로 내부에서 발생된 배가스(G)의 원활한 배출과 노내 압력 제어를 위해 스텍(stack)과 댐퍼(damper)(30)를 설치하며, 이러한 스텍을 통해 배가스(G)의 배출을 위한 드레프팅(drafting)을 얻고, 댐퍼(30)를 통해 노내 압력 증가를 부여하게 된다.
즉, 스텍을 통해 배가스(G)의 유출을 확보하고, 배가스(G) 배출이 너무 빠르게 일어나면 댐퍼(30)를 통해 배가스의 유출 속도를 제어하게 된다.
통상 설치되는 스텍과 연도 라인(10)의 구성은 설비비와 관계되어서 가능한 낮은 높이의 스텍과 좁은 단면적의 연도를 설계하게 되는데, 설치되는 연소장치, 즉 가열로의 최대 발생가능 배가스 배출량을 기준으로 설계되게 된다.
한편, 가열로의 경우, 초기에 설치된 경우와 달리 가열능력 증대를 위한 개수작업이 이루어지고, 이를 위해서 추가적인 열량 공급을 위한 버너의 설치가 이루어지게 된다.
그러나, 종래에는 가열로의 추가 연소를 위해 설치된 버너 등으로 인해 배가스량이 증가할 경우, 노압제어에 장애가 발생할 수 있다. 즉, 배가스량이 초기에 비해 증가하였지만, 스텍의 높이는 변화가 없으므로 원활한 배가스 배출이 이루어지기 어렵게 된다.
이에 따라, 종래에는 연소에 의한 배가스(G)를 연도 라인(10)이 아닌 버너측으로 배출하는 축열방식 버너를 사용하여 배가스(G)의 배출량을 감소시키도록 하고 있으나, 이러한 축열방식 버너는 지속적으로 사용함에 따라 초기 성능에 비해 배가스(G)의 방출량이 증가하고, 버너의 성능이 저하되는 문제가 있다.
이와 같이, 종래에는 축열방식 버너의 지속적인 사용에 따른 문제가 발생함에도 배가스의 배출량을 감소시키기 위한 대안이 제시되고 있지 못한 상황이다.
본 발명의 일 실시예는 열교환기의 구조를 개선함으로써, 추가적인 버너의 설치로 인해 증가된 가열능력에 의해 배가스량이 증가하거나 배가스의 온도가 상승하는 것을 방지할 수 있고, 원활한 배가스의 방출과 노압을 적정압력을 유지시킬 수 있도록 한 폐열 회수 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 폐열 회수 장치는 가열로와 스텍 사이를 연결하는 연도에 설치되어 가열로로부터 배출되는 배가스로부터 폐열을 회수토록 제공되는 폐열 회수 장치에 있어서, 가열로의 배가스가 배출되는 연도의 내부면과 이격된 상태로 배치되는 열교환기; 연도의 내부면과 열교환기 사이의 공간에 제공되어 열교환기의 전류측과 열교환기의 후류측 연도를 연결하는 배가스 우회유로; 및 열교환기로 유입되는 배가스량을 조절하기 위해 열교환기의 입구 일부 또는 상기 배가스 우회유로를 개폐하도록 제공된 개폐부;를 포함한다.
개폐부는 열교환기의 입구측에 회전 가능하게 설치되어 배가스 우회유로 또는 열교환기의 입구를 차폐하는 가변형 덮개를 포함할 수 있다.
가변형 덮개는 배가스 우회유로를 폐쇄시 열교환기의 입구측으로 경사지게 설치될 수 있다.
삭제
연도의 일측에 형성되어 열교환기가 설치된 부분의 단면적을 확대시키는 단면확대부를 포함할 수 있다.
삭제
열교환기의 후류측에 설치되어 연도의 개폐를 제어하는 댐퍼를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 열교환기의 주변부에 형성된 배가스 우회유로를 통해 배가스가 배출될 수 있어, 버너의 가열 능력 증대가 가능하며, 이에 따라 다양한 방식의 버너를 사용할 수 있어 설계상의 제약을 줄일 수 있다. 또한, 본 실시예는 추가적인 연도의 설치나 스텍의 보완없이 배가스의 배출 능력을 증가시킬 수 있으므로, 설치비용의 절감이 가능하며, 버너의 가열 능력 증대에 따른 제조 및 운용비용을 절감할 수 있다.
또한, 배가스의 용량이 적게 발생할 경우, 배가스가 열교환기로 공급되도록 하여 유로를 제어하여 열회수량을 증가시킬 수 있다. 또한, 배가스의 온도가 상승할 경우, 열교환기로 공급되는 배가스량을 줄여 열교환기의 열화와 같은 열적 손상을 방지할 수 있다.
또한, 본 실시예는 배가스의 배출이 원활해지므로, 이로 인해 가열로의 노압 제어를 용이하게 할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 배가스의 폐열 회수 장치를 간략하게 도시한 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가열로에 적용된 폐열 회수 장치를 도시한 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배가스의 폐열 회수 장치를 간략하게 도시한 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배가스의 폐열 회수 장치가 배가스 우회유로를 개방한 상태의 단면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배가스의 폐열 회수 장치가 열교환기의 입구를 일부 닫은 상태의 단면도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배가스의 폐열 회수 장치를 간략하게 도시한 단면도.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배가스의 폐열 회수 장치를 간략하게 도시한 단면도.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 단, 동일하거나 대응하는 구성요소에는 동일한 참조번호를 부여하고, 이에 대하여 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가열로에 적용된 폐열 회수 장치를 도시한 구성도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배가스의 폐열 회수 장치를 간략하게 도시한 단면도이다.
도 2와 도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 폐열 회수 장치는 가열로의 배가스(G)가 배출되는 연도(flue line)(110) 상에 설치되며, 배출되는 배가스(G)의 열량을 회수하여 열량 손실을 줄이도록 제공될 수 있다.
본 실시예에서 가열로는 소재를 가열하기 위해 내부의 공기, 즉 분위기를 가열하는 버너를 포함하고 있으며, 이 버너가 내부 분위기를 가열하는 과정에서 많은 열량을 소비하고 있다. 이와 같이, 소재의 가열을 위해 고온으로 가열된 공기는 소재를 가열한 후 배가스(G)로 배출된다.
한편, 가열로에는 이러한 배가스(G)를 배출하기 위한 연도(110)가 연결되며, 연도(110)를 통해 배가스(G)를 배출함에 따라 가열로의 내부 압력을 적정하게 유지할 수 있다.
그리고, 이 연도는 스텍(stack)(115)과 연결되며, 이 스텍(115)을 통해 가열로로부터 배출된 배가스가 외부로 배출될 수 있다.
이와 같이 배출되는 배가스(G)는 고온 상태로 배출되며, 이에 따라 배가스의 열량이 회수되지 못한 상태로 배출될 수 있다.
따라서, 연도의 일측에는 배가스의 열량을 회수하기 위한 폐열 회수 장치(120)가 설치될 수 있다.
본 실시예에서 폐열 회수 장치(120)는 연도의 일측에 설치되는 열교환기(122)를 포함할 수 있으며, 이 열교환기(122)는 배가스(G)와 접촉하는 과정에서 배가스(G)의 열량을 회수할 수 있다.
또한, 본 실시예의 폐열 회수 장치(120)는 열교환기(122)의 전류측 연도로 공급되는 배가스(G)를 열교환기(120)의 후류측 연도 또는 스텍(115)으로 배출하기 위한 배가스 우회유로(124)를 포함할 수 있다.
일례로, 본 실시예에서 열교환기(122)는 연도(110)의 내부면과 소정 거리 이격된 상태로 배치될 수 있으며, 배가스 우회유로(124)는 연도(110)의 내부면과 열교환기(122) 사이의 공간으로 제공될 수 있다.
한편, 본 실시예의 폐열 회수 장치(120)는 열교환기(122)의 입구 일부 또는 배가스 우회유로(124)를 선택적으로 개폐하도록 제공되는 개폐부(126)를 포함할 수 있다.
여기서, 개폐부(126)는 열교환기(122)의 입구측 일부 및 배가스 우회유로(124)의 개폐를 위한 다양한 구성을 가질 수 있다. 일례로, 개폐부(126)는 열교환기(122)의 입구측 일부 및 배가스 우회유로(124)에 각각 개별적으로 설치될 수 있다.
또한, 개폐부(126)는 본 실시예에서 개시된 바와 같이, 열교환기(122)의 입구측에 회전 가능하게 설치된 가변형 덮개(127)를 포함할 수 있다.
가변형 덮개(127)는 열교환기(122)의 입구측에서 회전에 의해 그 설치된 형태가 가변되며, 열교환기(122)의 입구측으로 회전됨에 따라 열교환기(122)의 입구를 막을 수 있다. 또한, 가변형 덮개(127)는 배가스 우회유로(124) 측으로 회전되어 배가스 우회유로(124)를 막도록 제공될 수 있다.
이를 위해, 가변형 덮개(127)는 일단에 구비된 회전축(128)이 열교환기(122)의 일측에 힌지 등의 연결수단으로 결합되어 회전 가능하게 설치될 수 있다. 또한, 가변형 덮개(127)의 회전축에는 (도시되지 않은) 모터가 설치될 수 있으며, 제어부의 제어신호에 따라 모터가 작동하여 가변형 덮개(127)를 회전 시킬 수 있다.
가변형 덮개(127)는 배가스 우회유로(124)의 단면적, 즉 연도(110)와 열교환(122) 사이의 길이보다 길게 형성되며, 이에 따라 가변형 덮개(127)이 배가스 우회유로(124)를 폐쇄시 연도(110)의 내부면에 닿게 되어 열교환기(122)의 입구측으로 경사지게 설치될 수 있다.
따라서, 가변형 덮개(127)가 배가스 우회유로(124)를 폐쇄시, 배가스(G)는 연도(110)를 통해 배출되는 과정에서 가변형 덮개(127)에 의해 열교환기(122) 측으로 안내되어 배출될 수 있다.
한편, 가열로에 설치된 버너의 출력을 증가시키거나, 버너 등을 추가 설치하여 가열 능력을 증대시킬 경우, 배가스(G)의 배출량이 증가할 수 있다.
일례로, 가열로의 가열 능력을 증가시키기 위해 가열로에 일반적인 버너를 설치하게 되면, 투입된 열량과 비례하여 배가스(G)의 배출량이 증가할 수 있다. 이때, 배출되는 배가스(G)의 대부분, 일례로 100%가 연도를 통해 배출될 수 있다.
한편, 가열로에 축열방식의 버너가 설치될 경우, 원활한 성능을 지속적으로 유지되는 상태에서 발생된 배가스(G)의 일부, 일례로 20~30%만이 연도(110)로 배출될 수 있다.
더불어, 가열로에 산소부하 또는 순산소 연소 방식의 버너가 설치될 경우, 일반적인 버너에 비해 배가스(G)의 발생량이 20% 수준으로 감소될 수 있다.
이와 같이, 가열로의 가열 능력을 증가시킬 경우, 버너의 연소방식에 따라 차이가 있지만, 배가스(G) 발생량은 필연적으로 증가하게 된다. 이와 같이, 배가스(G)의 발생량이 증가하게 되면, 가열로의 노압이 증가하게 되며, 안정적인 가열로의 내부 압력을 유지하기 위해서는 스텍(115)을 통해 배출되는 배가스(G)의 배출량을 증가시켜야 한다.
Figure 112011027075524-pat00002
표 2는 증가된 배가스(G)의 배출량으로 인한 열교환기(122)에서 발생하는 압력증대를 나타낸 것으로, 배가스(G)의 배출량이 26,700 nm3/Hr 일 경우, 가열로의 노내 압력은 기준압력 대비 약 10mmH2O 일 수 있으며, 배가스(G)의 온도가 변하지 않은 상태에서 배가스(G)의 배출량이 37,000 nm3/Hr으로 약 38% 증대될 경우, 가열로의 노내 압력은 기준압력 대비 약 20mmH2O로, 대략 2배 정도 증가될 수 있다. 여기서, 배가스(G) 배출량의 단위 nm3/Hr는 normal m3/Hr로도 표시될 수 있다.
또한, 증가된 배가스(G)의 배출량 10,300 nm3/Hr 정도가 열교환기(122)를 통과하지 않을 경우, 열교환기(122) 부위에 의한 압력 증가는 10mmH2O 보다 약간 증가한 상태가 될 수 있다. 또한, 희석공기를 투입한 배가스(G)의 온도가 통상적인 금속재 열교환기(122)의 한계인 900 ~ 920℃를 상회하는 경우, 열교환기(122)는 열적 손상을 입을 수 있다.
따라서, 본 실시예와 같이, 고온의 배가스(G)의 일부가 열교환기(122)를 통화하지 않도록 함으로써 열교환기(122)를 통과하는 배가스(G)의 열량, 즉 엔탈피를 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 열교환기(122)의 열적 손상을 방지할 수 있다.
이를 위해, 본 실시예에서 폐열 회수장치(120)는 배가스(G)의 배출량이 증가하게 되면 배가스 우회유로(124)를 덮고 있는 가변형 덮개(127)를 개방할 수 있다.
이와 같이 배가스 우회유로(124)의 개방량이 증가하게 되면, 배가스(G)의 배출이 원활하게 되어 가열로의 노내 압력을 적정하게 유지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배가스의 폐열 회수 장치가 배가스 우회유로를 개방한 상태의 단면도이다.
이때, 배가스(G)의 배출량이 최대로 증가하게 되면, 도 4에 도시된 바와 같이, 가변형 덮개(127)는 배가스(G)의 진행방향에 대해 평행하게 열린 상태, 즉 90°로 개방된 상태이며, 이에 따라 열교환기(122) 입구와 배가스 우회유로(124)가 모두 개방된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배가스의 폐열 회수 장치가 열교환기의 입구를 일부 닫은 상태의 단면도이다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 배가스(G)의 배출량이 증가함과 동시에 배출온도가 증가하게 되면 가변형 덮개(127)가 열교환기(122)의 입구를 폐쇄하도록 가변될 수 있다. 이와 같이, 가변형 덮개(127)가 열교환기(122)의 입구의 일부를 폐쇄하게 되면, 열교환기(122)로 유입되는 배가스(G)의 배출량을 줄일 수 있고, 이에 따라 열교환기(122)로 유입되는 배가스(G)의 열량, 즉 엔탈피가 감소됨에 따라 열교환기의 열적 손상을 방지할 수 있다.
본 실시예에서 폐열 회수 장치(120)는 기존의 연도(110)를 변경하지 않은 상태로 적용될 수 있다.
즉, 폐열 회수 장치(120)는 기존의 연도(110) 내부에 형성될 수 있으며, 배가스 우회유로(124)의 형성을 위해 열교환기(122)의 열교환 유효 단면적 크기를 줄일 수 있다.
한편, 폐열 회수 장치(120)는 설계시 열교환기(122)의 열교환 유효 단면적 크기를 감소하여 설계할 수 있으며, 이때 감소되는 열교환 유효 단면적 크기에 대응하여 열교환기(122)의 열교환 유효 길이가 증가되도록 설계에 반영할 수 있으며, 이에 따라 열교환기(122)의 열교환 성능을 일정하게 유지할 수 있다. 즉, 폐열 회수 장치(120)에서 회수되는 열량은 열교환 유효 단면적과 열교환 유효 길이의 배수로 결정될 수 있다. 따라서, 폐열 회수 장치(120)의 열교환 유효 단면적의 크기가 감소될 경우, 열교환 유효 길이를 증가함으로써 전체적인 폐열 회수 장치(120)에서 회수되는 열량을 일정하게 유지할 수 있다.
더불어, 본 실시예에서 배가스 우회유로(124)는 연도(110)와 일체로 형성되어 변형없이 적용되는 것으로 설명하고 있으나, 연도(110)의 일부를 변형하는 것도 가능하다.
일례로, 본 실시예에서 폐열 회수 장치(120)는 기존의 열교환기(122)를 사용하기 위해 연도(110)의 일부를 변형할 수 있다. 이를 위해, 폐열 회수 장치(120)는 연도(110)의 일측에 열교환기(122)의 전류측과 열교환기(122)의 후류측을 연통하도록 설치된 (도시되지 않은) 덕트부재를 포함할 수 있으며, 이 덕트부재를 배가스 우회유로로 사용할 수 있다.
이와 같이 덕트부재로 제공된 배가스 우회유로로는 열교환기(122)의 전류측의 배가스(G) 일부가 유입될 수 있으며, 이에 따라 배가스(G)의 일부가 열교환기(122)를 거치지 않고 후류측으로 배출되어 스텍(115)을 통해 외부로 배출될 수 있다.
또한, 본 실시예에서 열교환기(122)는 연도(110)의 중앙부에 설치되고, 배가스 우회유로(124)가 열교환기(122)의 외곽부에 형성된 것으로 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않다.
일례로, 폐열 회수 장치는 열교환기가 연도(110)의 주변부에 형성되고, 배가스 우회유로는 열교환기의 중앙부에 제공되는 것도 가능하다. 이때, 가변형 덮개는 중앙부에 제공되는 배가스 우회유로를 개폐하도록 설치될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배가스의 폐열 회수 장치를 간략하게 도시한 단면도이다.
한편, 본 실시예에서 폐열 회수 장치(120)는 개폐부(126)의 설치로 인해 가열로의 내부 압력을 적정하게 유지할 수 있으며, 도 6과 같이 열교환기(122)의 후류측 연도에 댐퍼(130)를 설치하여 가열로의 내부 압력을 추가적으로 제어하는 것도 가능하다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배가스의 폐열 회수 장치를 간략하게 도시한 단면도이다.
도 7을 참고하면, 본 실시예의 폐열 회수 장치(220)는 연도(110)의 일측에 형성되어 열교환기(222)가 설치된 부분의 단면적을 확대시키는 단면확대부(112)를 포함할 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에서 연도(110)의 일측에 단면확대부(112)가 형성됨에 따라 단면확대부(112)의 내부면과 열교환기(222) 사이에 배가스 우회유로(224)를 형성할 수 있다.
또한, 개폐부(226)은 열교환기(222)의 입구측에 회전 가능하게 설치된 가변형 덮개(227)가 단면확대부(112)의 내부면 또는 열교환기(222)의 입구 일부를 개폐 제어하도록 제공될 수 있다.
이와 같이 구성된 폐열 회수 장치(220)는 연도(110)의 일부에 단면확대부(112)를 형성하고, 이 단면확대부(112)와 열교환기(222) 사이에 형성되는 배열 회수 유로(224)를 통해 동일한 효과를 달성할 수 있으며, 설계변경에 따른 비용 증가를 최소화할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
110 : 연도 115 : 스텍
120 : 폐열 회수 장치 122 : 열교환기
124 : 배가스 우회유로 126 : 개폐부
127 : 가변형 덮개 128 : 회전축
130 : 댐퍼

Claims (7)

  1. 가열로와 스텍 사이를 연결하는 연도에 설치되어 상기 가열로로부터 배출되는 배가스로부터 폐열을 회수토록 제공되는 폐열 회수 장치에 있어서,
    상기 가열로의 배가스가 배출되는 연도의 내부면과 이격된 상태로 배치되는 열교환기;
    상기 연도의 내부면과 상기 열교환기 사이의 공간에 제공되어 상기 열교환기의 전류측과 상기 열교환기의 후류측 연도를 연결하는 배가스 우회유로; 및
    상기 열교환기로 유입되는 배가스량을 조절하기 위해 상기 열교환기의 입구 일부 또는 상기 배가스 우회유로를 개폐하도록 제공된 개폐부;
    를 포함하는 폐열 회수 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 개폐부는 상기 열교환기의 입구측에 회전 가능하게 설치되어 상기 배가스 우회유로 또는 상기 열교환기의 입구를 차폐하는 가변형 덮개를 포함하는 폐열 회수 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 가변형 덮개는 상기 배가스 우회유로를 폐쇄시 상기 열교환기의 입구측으로 경사지게 설치되는 것을 특징으로 하는 폐열 회수 장치.
  4. 삭제
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 연도의 일측에 형성되어 상기 열교환기가 설치된 부분의 단면적을 확대시키는 단면확대부를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열 회수 장치.
  6. 삭제
  7. 청구항 1 내지 청구항 3 및 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기의 후류측에 설치되어 상기 연도의 개폐를 제어하는 댐퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열 회수 장치.
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