KR101421886B1 - The heat exchanger for direct-contact heat transfer from low-temperature hot gas to cold liquid - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 저온 배기가스로부터 폐열을 회수하기 위한 직접 접촉 열교환기의 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 100℃ 이하 저온의 배기가스로부터 폐열을 회수하여 70℃ 이상의 열수를 생산할 수 있는 저온 배기가스로부터 폐열을 회수하기 위한 직접 접촉 열교환기의 구조에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE
화석 연료의 효율적인 사용은 유한한 자원의 절약 측면에서 매우 중요한 문제일 뿐만 아니라 공해 문제에도 바로 직결되므로 항시 염두에 두어야 한다. 단위 기기 중 가장 많은 에너지를 사용하는 장치는 보일러이며, 이의 사용에 따른 폐열과 공해 문제는 우리가 해결하여야 할 과제이다. 현재 보일러에서 대기로 배출되는 배기가스의 온도는 대개의 경우 200~300℃가 되며 특별한 경우 100℃ 정도까지는 폐열을 회수하고 있다. Effective use of fossil fuels is not only a very important issue in terms of saving finite resources, but it is also directly related to pollution problems and should be kept in mind at all times. The equipment that uses the most energy among unit devices is a boiler, and the problem of waste heat and pollution due to its use is a problem that we must solve. The temperature of the exhaust gas discharged from the boiler to the atmosphere is usually from 200 to 300 ° C in the present case, and the waste heat is recovered up to about 100 ° C in special cases.
그러나 폐열을 회수하기 위해서는 종래의 간접 접촉식 열교환기로는 저온 부식에 의한 재료의 내구성 때문에 열교환기의 표면 온도가 황 응축 온도인 130℃ 이상을 유지해야 하며 따라서 이 방법으로는 열교환기 출구에서 배기가스의 온도가 200℃ 이상 되어야 한다. However, in order to recover the waste heat, the surface temperature of the heat exchanger must be maintained at 130 ° C. or more, which is the sulfur condensation temperature, because of the durability of the material due to the low temperature corrosion in the conventional indirect contact type heat exchanger. Should be at least 200 ° C.
저온 부식에 영향을 많이 주지 않는 LNG와 같은 청정 가스 연료를 사용하여 황 응축 온도 이하로 배기가스의 온도를 떨어뜨린다 하여도 열 교환이 간접 접촉 방식에 의해 이루어지기 때문에 열 회수율이 높지 않은 문제점이 있으며, 더욱 100℃ 이하 저온 영역에서는 서로 열 교환하는 더운 유체와 찬 유체 사이의 온도 차이가 작음에 따라 열전달 속도가 매우 느려 회수율은 더 떨어지고 열 교환 장치가 커져야 하므로 문제는 더욱 심각하다.Even when the temperature of the exhaust gas is lowered below the sulfur condensation temperature by using a clean gas fuel such as LNG which does not affect the low temperature corrosion, the heat recovery is not high because the heat exchange is performed by the indirect contact method , And the temperature difference between the hot fluid and the cold fluid which are exchanged with each other in the low temperature region below 100 ° C is so small that the heat transfer rate is very slow and the recovery rate is further lowered and the heat exchanger becomes larger.
본 발명은 배기가스의 온도를 최대한 내려 폐열 회수 효율을 최대한 높이고자 한다. 특히 고유가 시대가 지속되는 환경에서 많은 에너지를 사용하는 발전 설비의 효율 개선은 국가적 에너지 절약 효과가 매우 클 것으로 판단된다. The present invention aims to maximize the waste heat recovery efficiency by minimizing the temperature of the exhaust gas. Especially, in the environment where the high oil price era continues, it is considered that the energy efficiency improvement of the power generation facilities using a lot of energy is very effective.
특히 청정 연료인 LNG를 연료로 사용하는 복합 화력의 경우에는 그 동안 많은 노력을 통하여 열효율 개선을 진행하여 왔으며, 이러한 노력으로 대기로 배출되는 배기가스의 온도가 80℃~90℃ 수준에 이르고 있다. 배기가스 온도 80℃~90℃까지 폐열을 회수하는 것은 발전 설비에서 매우 높은 수준으로 폐열을 회수하는 것으로 평가될 수 있으나, 최근의 에너지 가격을 고려할 경우 청정 연료를 사용하는 복합 화력의 배기가스가 가지고 있는 에너지는 충분히 경제성이 있는 폐열 에너지이고, 발전소 주변에 화훼 단지, 비닐하우스 단지, 또는 최근에 조성되고 있는 식물 공장, 대형 수영장 등이 형성될 경우 80℃ 정도의 배기가스가 가지고 있는 에너지는 활용 가치가 큰 에너지로 평가받고 있다. Particularly, in the case of combined-cycle power using LNG as a fuel, the thermal efficiency has been improved through a lot of efforts. The temperature of the exhaust gas discharged to the atmosphere reaches 80 ~ 90 ℃. The recovery of waste heat from the exhaust gas temperature of 80 ° C to 90 ° C can be evaluated as recovering the waste heat to a very high level in power generation facilities. However, considering the recent energy price, exhaust gas of combined- If energy is waste heat energy which is economical enough and plant park, vinyl house complex, recently plant plant, large swimming pool, etc. are formed around the power plant, the energy of the exhaust gas at about 80 ° C is utilized value Is considered to be a big energy.
이러한 저온의 배기가스 에너지를 회수하기 위해서는 일반적인 간접 전열 방식으로는 장치의 규모가 상당히 커져야 하기 때문에 설치 공간에 대한 문제 및 투자비에 대한 경제성 결여 등으로 상용화하기 어렵다. 따라서 저온의 배기가스가 가지고 있는 에너지를 회수하기 위해서는 새로운 폐열 회수 시스템이 개발되어야 한다. 또한 저온의 배기가스로부터 폐열을 회수할 경우 배기가스 온도가 매우 낮은 온도로 배출됨에 따른 백연 형성의 문제도 해결하여야 한다.In order to recover such low-temperature exhaust gas energy, it is difficult to commercialize it because of the problem of installation space and lack of economical efficiency of investment, since the size of the apparatus must be considerably increased with a general indirect heat transfer method. Therefore, a new waste heat recovery system must be developed to recover the energy of low temperature exhaust gas. Also, when the waste heat is recovered from the exhaust gas at a low temperature, it is necessary to solve the problem of the formation of white smoke as the exhaust gas temperature is discharged at a very low temperature.
이와 같은 저 열원으로부터 폐열을 회수하기 위해서는 종래의 간접 접촉 방식의 열교환기보다는 작동 유체들의 직접 접촉 방식에 의한 열 교환 장치의 개발이 필요하다. 직접 접촉 열교환기는 배기가스와 물을 향류로 직접 접촉시킴으로써 배기가스의 현열뿐만 아니라 배기가스 중의 수분을 일부 응축시킴으로써 잠열도 회수할 수 있는 장점을 가지고 있다.
In order to recover the waste heat from such a low heat source, it is necessary to develop a heat exchanger by direct contact type of working fluid rather than a conventional indirect contact type heat exchanger. The direct contact heat exchanger has the advantage of recovering not only the sensible heat of the exhaust gas but also the latent heat by partially condensing water in the exhaust gas by direct contact of exhaust gas and water with countercurrent.
본 발명의 목적은 화석 연료를 사용하는 연소 설비로부터 배출되는 100℃ 이하 저 열원의 배기가스로부터 폐열을 효과적으로 회수하여 70℃ 이상의 열수를 생산하고 배기가스의 배출로 인한 백연 현상을 방지할 수 있는 저온 배기가스로부터 폐열을 회수하기 위한 직접 접촉 열교환기의 구조를 제공하는데 있다.An object of the present invention is to effectively recover waste heat from an exhaust gas of a low heat source at a temperature lower than 100 ° C discharged from a combustion facility using fossil fuel to produce hot water of 70 ° C or higher and to prevent a white smoke And a structure of a direct contact heat exchanger for recovering waste heat from the exhaust gas.
그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
However, the object of the present invention is not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본 발명은 가스터빈 복합화력 발전소 보일러에서 나오는 저온 배기가스의 폐열 회수를 위한 직접 접촉 열교환기의 구조에 있어서, 상기 저온 배기가스의 온도는 100℃ 이하이고 상기 배기가스는 상기 직접 접촉 열교환기의 하부로 유입되어 상부로 배출되고, 상기 직접 접촉 열교환기는 탑(tower)의 형태로서 간접 접촉 열교환기, 데미스터(demister), 분배기(distributer), 구조 형 충전물(structured packing)로 구성되고, 상기 간접 접촉 열교환기는 배기가스의 온도를 높여 외기로 배출될 때 백연 현상을 막아주고, 상기 데미스터는 배기가스 중에 포함될 수 있는 운무(mist)를 제거시켜 주고, 상기 분배기는 직접접촉 열교환기에서 냉수가 탑의 단면을 고루 흐를 수 있도록 하여 주고, 상기 구조 형 충전물은 상기 배기가스와 물의 접촉 면적과 열전달 속도를 높이기 위하여 스테인리스 철망으로 만들어 지고, 냉수는 20℃~40℃ 온도 범위 이고 직접 접촉 열교환기의 상부로 유입되어 하부에서 열수로 배출되고, 상기 배기가스와 상기 냉수는 상기 스테인리스 철망의 표면에서 향류로 직접 접촉되는 형태로 만들어지는 것에 특징이 있다.
The present invention relates to a structure of a direct contact heat exchanger for recovering waste heat of a low temperature exhaust gas from a gas turbine combined-cycle power plant boiler, wherein the temperature of the low temperature exhaust gas is 100 ° C or less, And the direct contact heat exchanger is configured in the form of a tower as an indirect contact heat exchanger, a demister, a distributor, a structured packing, and the indirect contact heat exchanger The heat exchanger increases the temperature of the exhaust gas to prevent the white smoke when it is discharged to the outside air. The demister removes mist that may be contained in the exhaust gas, and the distributor allows the cold water in the direct contact heat exchanger And the structural filler is used to increase the contact area between the exhaust gas and the water and the heat transfer rate Wherein the cold water is in the temperature range of 20 ° C to 40 ° C and flows into the upper portion of the direct contact heat exchanger and is discharged as hot water in the lower portion, and the exhaust gas and the cold water are directly contacted with countercurrent from the surface of the stainless steel wire net It is characterized by being made in the form of.
본 발명은 구조 형 충전물의 재질로서 열전달 효과가 뛰어난 스테인리스 철망을 직접 접촉 열교환기에 처음 사용함으로써 직접 접촉 열교환기의 크기를 현격히 줄일 수 있고 기존에 사용하여 왔던 다른 형태의 충전물 즉, 트레이 형태, 불규칙 충전물(random packing) 등의 압력 손실보다 압력 손실을 또한 현격히 줄일 수 있다.The present invention can greatly reduce the size of the direct contact heat exchanger by first using a stainless steel wire netting material having excellent heat transfer effect in the contact heat exchanger as a material of the structural filler, and it is possible to reduce the size of the direct contact heat exchanger, the pressure loss can be remarkably reduced as compared with the pressure loss such as random packing.
도 1은 본 발명에 의한 직접 접촉 열교환기의 형태 및 구조와 유체의 흐름 관계를 보여주는 도면이다.
도 2는 직접 접촉 열교환기 내부에 충전되는 스테인리스 철망으로 만든 구조 형 충전물(structured packing)의 사진이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a view showing a flow relationship between a direct contact heat exchanger according to the present invention and a shape and a structure thereof.
Figure 2 is a photograph of a structured packing made of a stainless steel wire mesh filled into a direct contact heat exchanger.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.The present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings.
그러나 본 발명의 명세서에서 제시되는 실시 예에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능한 것으로 이해되어야 할 것이다.However, the scope of the present invention is not limited by the embodiments shown in the description of the present invention, and it should be understood by those skilled in the art that the technical idea of the present invention and the claims It should be understood that various modifications and changes may be made without departing from the scope of the present invention.
또한, 실시 예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술분야에 익히 알려져 있고, 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.Further, in describing the embodiments, description of technical contents which are well known in the technical field of the present invention and are not directly related to the present invention will be omitted. This is for the sake of clarity of the present invention without omitting the unnecessary explanation.
도 1은 80℃의 배기가스로부터 직접 접촉 열교환기를 사용하여 배기가스의 온도를 42℃까지 내려 배기가스가 가지고 있는 폐열을 회수하는 예시를 보여준다. 배기가스는 직접 접촉 열교환기(1)의 하부로 유입되어 직접 접촉 열교환기(1)의 내부를 위로 흘러 직접 접촉 열교환기(1)의 상부로 배출된다. Fig. 1 shows an example in which the temperature of the exhaust gas is lowered to 42 deg. C by using a direct contact heat exchanger from the exhaust gas at 80 deg. C to recover the waste heat of the exhaust gas. The exhaust gas flows into the lower portion of the direct
냉수는 직접 접촉 열교환기(1) 내부에 들어 있는 분배기(2)를 통하여 구조 형 충전물(3)의 상부로 유입되어 구조 형 충전물(3)의 내부를 아래 방향으로 흘러 내려 직접 접촉 열교환기(1)의 하부로 배출된다. The cold water flows into the upper part of the
직접 접촉 열교환기(1)의 내부에는 더운 배기가스와 찬 냉수의 넓은 접촉 면적을 제공하기 위하여 구조 형 충전물(3)이 들어있다. 이 구조 형 충전물(3) 사이를 고온의 배기가스는 위로 그리고 저온의 냉수는 아래로 흐르면서 구조 형 충전물(3) 표면에서 배기가스와 냉수가 직접적으로 접촉하게 되면서 열 교환이 일어난다. The inside of the direct contact heat exchanger (1) contains a structured packing (3) in order to provide a large contact area of hot exhaust gas and cold cold water. Heat exchange occurs between the exhaust gas and the cold water in direct contact between the
구조 형 충전물(3)은 열전도도가 높은 스테인리스 철망으로 만들어져 전열 속도가 빠른 특성을 갖는다. 배기가스는 직접 접촉 열교환기(1)의 상부로 올라갈수록 온도가 떨어지면서 점점 수분으로 포화되고 포화 온도(보통 30~40℃)에 이르면 배기가스 중의 수분이 응축하기 시작한다. The structural filler (3) is made of a stainless steel wire netting having high thermal conductivity and has a characteristic of high heat transfer rate. As the temperature of the exhaust gas rises to the upper portion of the direct
배기가스가 직접 접촉 열교환기(1)의 하부로 유입되어 포화 온도에 이르기까지의 영역은 배기가스의 현열이 냉수에 전달되는 영역이고, 이후 배기가스의 온도가 포화 온도에 이른 다음부터 직접 접촉 열교환기(1)의 상부로 배출될 때까지의 영역은 배기가스 중의 수분이 응축되면서 내놓는 잠열이 냉수에 전달되는 영역이다. The region where the exhaust gas flows directly into the lower portion of the
직접 접촉 열교환기(1)의 상부로 유입되는 냉수는 구조 형 충전물(3) 상부로 냉수가 균일하게 공급되도록 분배기(2)를 거쳐 구조 형 충전물(3) 위로 분사되고 직접 접촉 열교환기(1)의 상부 잠열이 전달되는 영역에서 배기가스 중의 수분이 응축되면서 잠열에 의해 가온된다. The cold water flowing into the upper portion of the direct
배기가스의 잠열이 냉수로 전달되는 이 과정에서 냉수는 배기가스 중의 수분이 응축하기 시작하는 온도인 최고 응축 온도(보통 30~40℃)까지 가온된다. 배기가스는 잠열 전달 과정을 지난 후 배기가스와 함께 딸려 나올 수 있는 미세한 물방울(mist)을 제거시키기 위해 데미스터(5)를 거쳐 간접 열교환기(6)에 유입된다. In this process, the latent heat of the exhaust gas is transferred to the cold water. The cold water is warmed up to the maximum condensation temperature (usually 30 to 40 ° C.), at which the moisture in the exhaust gas starts to condense. The exhaust gas flows into the
간접 열교환기에 유입된 배기가스는 열수 공급 펌프(4)에 의해 직접 접촉 열교환기(1) 하부로 배출되는 열수와 열 교환하여 5℃ 정도 가온된 후 배출된다. 여기서 중요한 특성을 가지는 것은 직접 접촉 열교환기(1)의 내부에 들어 있는 구조 형 충전물(3)이다. The exhaust gas flowing into the indirect heat exchanger is heat-exchanged with hot water discharged directly to the lower portion of the
직접 접촉 열교환기(1)의 구조는 기본적으로 화공 장치인 흡수 탑(absorber), 세정 탑(scrubber) 등과 같은 형태의 것으로 이러한 형태의 장치는 열 교환 목적으로 사용되기보다는 물질의 분리 목적으로 화공 분야에서 많이 사용된다. 그러므로 장치의 사용 목적에 따라 충전물의 형태가 달라져야한다. The structure of the direct
직접 접촉 열교환기(1)는 물질의 분리가 목적이 아니고 열 교환이 목적이므로 충전물은 열전도도가 높아야 한다. 이러한 기능을 충족시키기 위하여 열전도도가 높은 스테인리스 철망으로 만들어진 구조 형 충전물(3)을 선택한 것이 본 발명의 특징이다.The direct contact heat exchanger (1) is not intended for separation of substances and is intended for heat exchange, so that the packing must have a high thermal conductivity. It is a feature of the present invention that a structural filler (3) made of a stainless steel wire net having a high thermal conductivity is selected to satisfy such a function.
직접 접촉 열교환기(1) 상부에서 배출되는 배기가스는 수분으로 포화되어 있으므로 외기와 접하게 되면 즉시 수분이 응축하여 백연 현상을 일으킨다. 이와 같은 백연 현상은 바람직하지 않으므로 백연 현상을 막아 주기 위해 다음으로 간접 열교환기(6)에서 열수에 의해 5℃ 정도 가온된 후 배기가스는 굴뚝으로 배출되고 열수는 간접 열교환기(6)에서 배기가스를 가온시킨 후 3~5℃ 정도 떨어져 75℃ 정도의 열수로 사용처에 공급된다.
본원발명은 국책 연구과제 수행 과정에서 도출된 것입니다.
국책 연구과제와 관련한 정보는 하기와 같습니다.
[이 발명을 지원한 국가연구개발사업]
[과제고유번호] 2011T100200186
[부처명] 지식경제부
[연구사업명] 전력산업융합원천기술개발사업
[연구과제명] 복합화력발전소 발전설비 초청정 탈질/배가스 폐열 회수설비
[주관기관] 한모기술주식회사
[연구기간] 2011.07.01. ~ 2014.06.30.The exhaust gas discharged from the upper portion of the direct contact heat exchanger (1) is saturated with moisture, and when it comes into contact with the outside air, water condenses immediately and causes white smoke. Since the white flue phenomenon is not desirable, the flue gas is heated to about 5 캜 by the hot water in the
The present invention was derived from the process of carrying out national research projects.
Information on national research projects is as follows.
[National R & D Project Supporting the Invention]
[Assignment number] 2011T100200186
[Ministry of Knowledge Economy] Ministry of Knowledge Economy
[Name of Research Project] Source Technology Development Project
[Project title] Combined Cycle Power Plant Power Plant Super Clean Denitrification / Waste Heat Recovery Plant
[Organizer] Hanmo Technology Co., Ltd.
[Research period] 2011.07.01. ~ 2014.06.30.
Claims (1)
상기 직접 접촉 열교환기(1)는, 하부 측에 상기 보일러에서 나오는 배기가스가 유입되는 유입구가 구성되고;
상기 유입구 상부측으로 구조형 충전물(3)과;
상기 구조형 충전물(3)의 상부 측에 냉수를 상기 구조형 충전물(3)에 균일하게 분포되도록 하는 분배기(2);
상기 분배기(2)의 상부 측에 배기가스와 함께 딸려나갈 수 있는 운무(mist)를 제거하는 데미스터(5);
상기 데미스터(5)의 상부 측에 구성되고 하부 측에 유입구를 통해 유입된 배기가스와 열교환되어 하부측에 수집된 열수를 열공급폄프(4)로 공급받아 상기 데미스터(5)를 통해 상승하는 배기가스를 열교환을 통해 일정온도 가온시켜 백연 현상을 막아주도록 하는 간접열교환기(6)를 포함하고;
상기 구조형 충전물(3)은, 배기가스와 분배기(2)를 통해 분배되는 냉수와의 열교환이 용이하게 이루어지도록 열전도성이 높은 스테인리스 철망;
으로 구성되는 것을 특징으로 하는 저온 배기가스로부터 폐열을 회수하기 위한 직접 접촉 열교환기의 구조.A structure of a direct contact heat exchanger for recovering waste heat of a low temperature exhaust gas from a gas turbine combined cycle power plant boiler,
The direct contact heat exchanger (1) has an inlet port through which exhaust gas from the boiler flows into the lower side;
A structured packing (3) on the upper side of the inlet;
A distributor (2) for uniformly distributing cold water to the structured packing (3) on the upper side of the structured packing (3);
A muffler (5) for removing mist which can accompany the exhaust gas on the upper side of the distributor (2);
The demister (5) is provided on the upper side of the demister (5). The heat pump (4) receives the hot water collected on the lower side by heat exchange with the exhaust gas flowing through the inlet on the lower side, And an indirect heat exchanger (6) for warming the exhaust gas through a heat exchange so as to prevent the white smoke phenomenon;
The structured packing (3) is made of a stainless steel wire net having high thermal conductivity so that heat exchange between the exhaust gas and the cold water distributed through the distributor (2) is facilitated;
Wherein the direct contact heat exchanger is configured to collect waste heat from the low temperature exhaust gas.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20180716 Year of fee payment: 5 |
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| FPAY | Annual fee payment |
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