KR101561194B1 - 흡수액 유동층 열교환기를 이용한 보일러 배가스 응축열회수 시스템 및 그 시스템의 작동방법 - Google Patents

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박상일
홍성국
고창복
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한국에너지기술연구원
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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
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Abstract

본 발명은 흡수액 유동층 열교환기, 열교환방법, 그 열교환기를 이용한 보일러 배가스 응축열회수 시스템 및 그 시스템의 작동방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 일측에 연소장치에서 생성된 고온의 배가스가 유입되는 배가스 유입구와, 타단에 건가스 형태로 열교환된 배가스가 배출되는 배가스 배출구를 갖는 몸체; 및 몸체 내에 구비되어 유입된 배가스가 통과되는 다공판, 상기 다공판 상부측에 흡수액으로 구성되며 상기 배가스의 수증기를 흡수하고, 상기 배가스의 잠열과 현열을 흡수하는 흡수액 유동층, 및 상기 흡수액 유동층 내에 구비되며, 내부로 급수가 유동되어 급수가 가열되는 전열관을 갖는 열교환부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡수액 유동층 열교환기에 관한 것이다.

Description

흡수액 유동층 열교환기를 이용한 보일러 배가스 응축열회수 시스템 및 그 시스템의 작동방법{The condensing heat recovery system using absorbing liquid fluidized bed heat exchanger for boiler flue gas}
본 발명은 흡수액 유동층 열교환기, 열교환방법, 그 열교환기를 이용한 보일러 배가스 응축열회수 시스템 및 그 시스템의 작동방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 연소장치로부터 배출되는 다량의 수증기를 함유한 고온 배가스의 폐열을 회수하여 고온의 온수를 생산하기 위한 흡수액 유동층 열교환기를 적용한 응축열회수시스템에 관한 것이다.
종래의 연소 배가스의 폐열회수를 위하여 물 유동층 열교환기 또는 열매체 유동층 열교환기를 사용하여, 고온의 부식성 배가스에 함유된 수증기의 응축 잠열과 현열을 회수하였다. 기존의 열매체 유동층 열교환기를 사용하여 약 80oC 정도의 고온의 온수를 생산할 수 있으나, 주로 현열만을 회수하였다.
도 1은 종래 물 유동층 열교환기의 단면도를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 물 유동층 열교환기는, 사각동체(1)의 내저부에 설치된 열교환 전열관(2)의 저면에 다공판(3)을 설치하고 사각동체(1)의 상부에는 물방울 제거필터(4)가 설치되어 있다.
또한, 사각동체(1)의 일측으로 배기가스 유도통로(5)가 형성되게 배기유입구(6)를 갖은 사각외동체(1a)를 설치하여 다공판(3)의 저면에서 점차 경사진 배기가스 유도통로(5a)를 이루도록 사각외동체(1a)의 저면판(1b)을 경사지게 형성하되 사각외동체(1a)와 저면판(1b)의 연접부를 도 1에서와 같이 각이 지게 연접되어 있다.
그리고 사각동체(1)의 상부 일측에 자동조절밸브(7)를 설치한 급수관(7a)을 연관시켜 이 급수관(7a)을 통하여 적당량의 물을 공급시키면 보일러 가동 중지시에는 다공판(3)을 통하여 배기가스 유도통로(5)(5a)와 사각동체(1)의 저면에 모여 있다가 보일러 가동시에는 공급되는 배기가스압력에 의하여 다공판(3)을 통하여 사각동체(1)의 내부로 유입되어 열교환 전열관(2) 사이에서 물 유동층을 형성하게 된다. 또한, 사각외동체(1a)의 상부에는 배기가스 배출구(8)와 연통되게 배기가스 바이패스(by-pass)관(9)을 설치하여 고온의 배기가스 일부가 바이패스관(9)을 통하여 배기가스 배출구(8)로 유입되어 물방울 제거필터(4)를 통과하여 나오는 냉각된 수분 포화상태의 배기가스와 혼합되므로 수분이 포화된 배기가스는 재가열되어 배기가스 배출구(8) 이후의 연도에서는 배기가스의 냉각으로 인한 수분의 응축현상을 방지할 수 있는 구성을 기재하고 있다.
그러나 이러한, 기존의 물 유동층 열교환기에서는 물 유동층에서의 배가스의 온도는 물 유동층에서의 습공기의 포화온도 이하로 제한되기 때문에 물 유동층 내에 설치한 전열관 내의 급수의 온도도 이러한 포화온도 이하로 제한된다. 따라서 일반적인 보일러의 배가스의 폐열회수의 경우, 이러한 물유동층에서의 습공기의 포화온도는 대략 55oC 이하가 된다. 이에 따라 물유동층 열교환기만을 사용하는 경우, 물유동층을 통과한 급수 온도는 약 55oC 이하로 제한된다.
또한 물유동층의 출구에서 포화 배가스가 배출되어 백연의 문제가 발생할 수 있으며, 열매체와 물이 흡수액보다 배가스 내의 수증기 흡수량이 적어서 응축열의 회수열량이 제한된다.
그리고 현재의 선진국의 경우, 배가스의 응축열회수를 위한 충진탑을 사용하여 흡수액과 배가스를 직접접촉하여 배가스 내의 수증기를 흡수하여 응축잠열을 회수하고 있다. 이 경우, 역시 흡수액을 재생하기 위하여 스팀을 사용하여 흡수액을 가열하여 물을 증발시킨다.
이러한 충진탑에서 배가스의 폐열을 회수하여 흡수액의 온도가 상승되면, 흡수액의 증기압이 높아지고, 이에 따라 흡수액의 흡수능력이 제한되어 응축회수열량이 제한된다. 이에 따라, 전체적인 배가스 응축열회수시스템의 열회수 성능이 제한될 수 있다.
즉, 기존과 같이 고온 배가스를 열매체 유동층을 통과시키는 경우, 배가스의 포화온도보다 높은 고온수를 생산하나, 열매체 유동층에서 수증기의 흡수현상이 없기 때문에 응축열을 회수할 수 없다.
또한, 기존의 물 유동층 열교환기에서는 물 유동층 열교환기에서의 급수의 생산온도는 배가스의 포화온도 이하로 제한된다. 그리고 물유동층의 출구에서 포화 배가스가 배출되어 백연의 문제가 발생할 수 있다.
그리고 선진국의 경우와 같이, 충집탑을 사용하여 배가스와 흡수액을 직접접촉시켜 배가스 내의 수증기를 흡수하는 경우, 흡수액이 배가스의 현열과 잠열을 회수하여 점차 승온된다. 이 경우, 흡수액의 온도가 상승하면서, 이와 함께 흡수액의 증기압이 상승하여 흡수능력이 줄어들어 응축열회수량이 제한될 수 있다.
대한민국 등록특허 제1118509호 대한민국 등록특허 제0242226호 대한민국 등록특허 제0578109호 대한민국 등록특허 제0213303호 대한민국 공개특허 제2013-0096317호
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 일실시예에 따르면, 연소장치로부터 배출되는 고온의 수증기를 함유한 연소 배가스로부터 폐열을 회수하여 고온의 온수를 생산하기 위하여, 기존의 물 유동층 열교환기 또는 열매체 유동층 열교환기에 유동화 물질로 물 또는 열매체 대신에 배가스 내의 수증기를 흡수하는 능력이 비교적 큰 흡수액을 적용한 흡수액 유동층 열교환기를 제공하게 된다.
본 발명의 일실시예에 따른 흡수액 유동층 열교환기를 사용하면, 흡수액 유동층에서 배가스와 흡수액이 직접접촉하여 배가스 내의 수증기를 흡수하여 기존의 충집탑과 같이 배가스의 응축 잠열의 회수열량을 증대시킬 수 있으며, 최종적으로 습도가 낮은 건가스를 배출하여 백연 문제도 해결할 수 있는 흡수액 유동층 열교환기, 열교환방법, 그 열교환기를 이용한 보일러 배가스 응축열회수 시스템 및 그 시스템의 작동방법을 제공하게 된다.
그리고, 본 발명의 일실시예에 따른 흡수액 유동층에서 흡수액이 배가스의 수증기를 흡수하는 과정에서 흡수액 유동층 내의 전열관 내에 급수를 공급하여 급수를 1차 가열하면서 흡수액의 온도를 비교적 낮게 유지하여 흡수액의 증기압의 증가를 비교적 낮게 유지할 수 있어 이에 따라, 흡수액의 배가스 내의 수증기의 흡수 능력을 증대시켜 전체 열회수 시스템의 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있는 흡수액 유동층 열교환기를 이용한 보일러 배가스 응축열회수 시스템을 제공하게 된다.
본 발명의 그 밖에 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 관련되어 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다.
본 발명의 제1목적은, 배가스의 응축열을 회수하기 위한 열교환기에 있어서, 일측에 연소장치에서 생성된 고온의 배가스가 유입되는 배가스 유입구와, 타단에 건가스 형태로 열교환된 배가스가 배출되는 배가스 배출구를 갖는 몸체; 및 몸체 내에 구비되어 유입된 배가스가 통과되는 다공판, 상기 다공판 상부측에 흡수액으로 구성되며 상기 배가스의 수증기를 흡수하고, 상기 배가스의 잠열과 현열을 흡수하는 흡수액 유동층, 및 상기 흡수액 유동층 내에 구비되며, 내부로 급수가 유동되어 급수가 가열되는 전열관을 갖는 열교환부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡수액 유동층 열교환기로서 달성될 수 있다.
또한, 상기 배가스 배출구와 상기 흡수액 유동층 사이의 상기 몸체 내에 구비되어 배가스의 액적을 제거하는 데미스터를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 열교환부는, 상기 몸체 하단측 내부에 구비되는 적어도 하나의 제1열교환부와, 상기 제1열교환부의 상부측으로 소정 간격 이격되어 구비되는 적어도 하나의 제2열교환부로 구성되며, 상기 제1열교환부와 상기 제2열교환부는 서로 다단 형식으로 연결되고, 상기 제1열교환부는, 몸체 내 하단측에 구비되어 유입된 배가스가 통과되는 제1다공판, 상기 제1다공판 상부측에 흡수액으로 구성되며 상기 배가스의 수증기를 흡수하고, 상기 배가스의 잠열과 현열을 흡수하는 제1흡수액 유동층, 및 상기 제1흡수액 유동층 내에 구비되며, 내부로 급수가 유동되어 급수가 가열되는 제1전열관을 포함하고, 상기 제2열교환부는, 몸체 내에 상단측에 구비되어 상기 제1열교환부를 통과한 배가스가 통과되는 제2다공판, 상기 제2다공판 상부측에 흡수액으로 구성되며 상기 배가스의 수증기를 흡수하고, 상기 배가스의 잠열과 현열을 흡수하는 제2흡수액 유동층, 및 상기 제2흡수액 유동층 내에 구비되며, 내부로 급수가 유동되어 급수가 가열되는 제2전열관을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 제2열교환부의 상부측 몸체 외면에 형성되어 흡수액이 유입되는 흡수액 유입관과, 상기 제2다공판과 특정간격 상부측의 몸체 외면에 형성되어 설정된 수위 이상의 흡수액이 배출되는 오버플로우 배출관과, 상기 오버플로우 배출관을 통해 배출된 흡수액이 상기 제1다공판 상부측으로 유입되는 오버플로우 유입관과, 상기 제1다공판과 특정간격 상부측의 몸체 외면에 형성되어 설정된 수위 이상의 흡수액이 배출되는 오버플로우 토출관을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은, 배가스의 응축열을 회수방법에 있어서, 연소장치에서 형성된 고온의 배가스가 흡수액 유동층 열교환기의 몸체에 구비된 배가스 유입구를 통해 몸체 내 다공판 하부로 유입되는 단계; 상기 배가스가 다공판을 통과하여 흡수액 유동층으로 유입되는 단계; 상기 흡수액 유동층의 흡수액이 상기 배가스의 수증기, 잠열, 현열을 흡수하고, 급수펌프에 의해 전열관 내부로 유입된 급수가 가열되는 단계; 및 수증기가 흡수된 배가스가 데미스터에 의해 액적이 제거되어 배가스 배출구를 통해 배출되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡수액 유동층 열교환기를 이용한 배가스의 응축열을 회수방법으로서 달성될 수 있다.
본 발명의 제3목적은, 배가스 응축열회수 시스템에 있어서, 앞서 언급한 제1목적에 따른 흡수액 유동층 열교환기; 급수를 상기 흡수액 유동층 열교환기의 제2전열관 내로 유입시키기 위한 급수펌프; 내부에 흡수액이 저장되고, 상기 흡수액 유동층 열교환기의 오버플로우 토출관을 통해 토출된 수증기를 흡수한 흡수액이 유입되는 흡수액 탱크; 상기 흡수액 탱크에 저장된 흡수액을 배출시키기 위한 흡수액 펌프; 및 상기 흡수액 유동층 열교환기의 제1전열관과 제2전열관을 통해 가열된 급수와, 다른 유동경로를 통해 상기 흡수액 탱크에서 배출된 흡수액이 열교환되는 흡수액-물 열교환기;를 포함하고, 상기 흡수액-물 열교환기에서 토출된 흡수액은 상기 흡수액 유동층 열교환기의 흡수액 유입관을 통해 상기 흡수액 유동층 열교환기의 제2열교환부 측으로 유입되는 것을 특징으로 하는 흡수액 유동층 열교환기를 이용한 보일러 배가스 응축열회수 시스템으로서 달성될 수 있다.
또한, 상기 흡수액 탱크에서 토출된 흡수액 중 일부가 유입되고, 공급되는 재생열에 의해 유입된 흡수액을 증발시켜 수증기를 발생시키는 증발기를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 증발기에서 토출된 흡수액은 다시 흡수액 탱크로 유입되며, 상기 수증기와 상기 흡수액-물 열교환기에서 토출된 급수가 열교환되는 수증기-물 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 급수펌프의 작동을 제어하여, 유동되는 급수의 유량과 유속을 조절하며, 상기 흡수액 펌프를 제어하여, 순환되는 흡수액의 유속을 조절하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제4목적은, 배가스 응축열회수 시스템의 작동방법에 있어서, 급수펌프에 의해, 급수가 흡수액 유동층 열교환기의 전열관으로 유입되는 단계; 전열관으로 유입된 급수가, 배가스의 수증기, 잠열, 현열을 흡수한 흡수액 유동층에 의해 1차 가열되는 단계; 가열된 급수가 온수배관을 통해 흡수액-물 열교환기로 유입되고, 다른 경로를 통해 유입된 흡수액 탱크 내에 저장된 흡수액의 열을 흡수하여 가열되는 단계; 및 흡수액-물 열교환기에서 토출된 급수가 수증기-물 열교환기로 유입되어, 다른경로를 통해 유입되는 수증기의 열을 흡수하여 가열되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡수액 유동층 열교환기를 이용한 보일러 배가스 응축열회수 시스템의 작동방법으로서 달성될 수 있다.
또한, 상기 유입되는 단계와 상기 1차 가열되는 단계에서, 상기 급수는 단계적으로, 제2열교환부의 제2전열관으로 유입되어 가열된 후, 제1열교환부의 제1전열관으로 유입되어 상기 온수배관으로 배출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 수증기를 흡수한 흡수액이 오버플로우 토출관을 통해 흡수액탱크로 유입되고, 흡수액 펌프에 의해 흡수액 탱크의 흡수액이 흡수액-물 열교환기로 유입되어 급수에 열을 방출하고, 저온의 흡수액이 흡수액 유입관을 통해 상기 흡수액 유동층 열교환기 내로 유입되어 순환되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 흡수액 탱크에서 토출된 흡수액 중 일부가 증발기로 유입되고, 공급되는 재생열에 의해 유입된 흡수액을 증발시켜 수증기를 발생되는 단계; 및 상기 증발기에서 토출된 흡수액은 다시 흡수액 탱크로 유입되고, 수증기-물 열교환기에서 상기 수증기에 의해 상기 흡수액-물 열교환기에서 토출된 급수가 가열되어 고온수를 생산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 수증기를 함유한 고온의 연소 배가스의 응축잠열을 흡수액 유동층 열교환기를 적용하여 온수를 생산하고, 흡수액 유동층 열교환기로부터 습도가 낮은 건가스를 배출하여 백연 문제를 해결할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 다단의 흡수액 유동층을 사용하여, 전열효율이 높고, 자체 청소 기능과 집진탈황 기능을 보유할 수 있는 장점을 갖는다.
그리고, 본 발명의 일실시예에 따르면, 흡수액 유동층 열교환기에서 1차 온수를 가열하고, 동일한 응축열을 회수하면서 흡수액의 통과 유량을 줄일 수 있어, 이에 따라, 흡수액의 재생을 위한 스팀을 사용하는 재생 열량이 줄어들어, 응축열회수 시스템의 성적계수(C.O.P)가 증대되게 되는 효과를 갖는다.
본 발명의 일실시예는, 기존의 기술에 비하여 재생열량이 줄어들어 고가의 스팀의 사용량이 줄어들고, 열회수 장치의 열회수 성능과 경제성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허 청구 범위에 속함은 자명하다.
도 1은 종래 물 유동층 열교환기의 단면도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 흡수액 유동층 열교환기를 이용한 보일러 배가스 응축열회수 시스템의 구성도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 흡수액 유동층 열교환기의 단면도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 배가스의 유동경로를 나타낸 흐름도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 배가스의 유동경로를 나타낸 흡수액 유동층 열교환기를 이용한 보일러 배가스 응축열회수 시스템의 구성도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 흡수액의 유동경로를 나타낸 흐름도,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 흡수액의 유동경로를 나타낸 흡수액 유동층 열교환기를 이용한 보일러 배가스 응축열회수 시스템의 구성도,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 고온수 생산 방법의 흐름도,
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 급수의 유동경로를 나타낸 흡수액 유동층 열교환기를 이용한 보일러 배가스 응축열회수 시스템의 구성도를 도시한 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 흡수액 유동층 열교환기(100)의 구성 그리고, 그 열교환기를 이용한 보일러 배가스 응축열회수 시스템의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 흡수액 유동층 열교환기(100)를 이용한 보일러 배가스 응축열회수 시스템의 구성도를 도시한 것이다. 도 2에서, 실선 화살표로 도시된 것은 흡수액의 유동경로이고, 점선으로 표시된 화살표는 급수가 유동하는 경로이며, 2줄 실선 화살표는 배가스의 유동경로를 나타낸 것이다.
본 발명의 흡수액 유동층 열교환기(100)를 이용한 보일러 배가스 응축열회수 시스템은 도 2에 도시된 바와 같이, 급수펌프(20)에 의해 급수가 유입되어 1차 가열되고, 연소장치(30)에서 생성된 고온의 배가스의 수증기, 현열, 잠열을 흡수하여 건가스 형태의 배가스를 배출시키는 흡수액 유동층 열교환기(100)와, 흡수액탱크(40), 흡수액펌프(41), 흡수액-물 열교환기(50), 수증기-물 열교환기(70), 증발기(60) 등을 포함하여 구성됨을 알 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 흡수액 유동층 열교환기(100)는 후에 상세히 설명되는 바와 같이, 연소장치(30)에서 발생된 수증기를 함유한 고온의 배가스가 송풍기를 통해 흡수액 유동층 열교환기(100)의 배가스유입구(111)로 공급된다. 배가스 유로에 여러 개의 다공판이 설치되고 각각의 다공판 위의 흡수액 유동층 내에 전열관 배열이 설치되게 된다.
몸체(110) 내부 가장 상부에 데미스터(140)를 설치하여, 흡수액의 액적이 상부로 배출되지 않도록 한다. 그리고, 가장 상부의 흡수액 유동층을 통과한 배가스는 데미스터(140)에서 액적이 제거된 상태로 배가스배출구(112)인 연돌을 통하여 습도가 적은 건가스의 상태로 밖으로 배출된다. 또한, 흡수액 유동층 열교환기(100)에서 급수를 가열하기 위하여, 급수펌프(20)를 사용하여 각각의 흡수액 유동층 내의 전열관 내부를 통과시키게 된다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 흡수액 유동층 열교환기(100)를 이용한 보일러 배가스 응축열회수 시스템의 일구성인 흡수액탱크(40)는 내부에 흡수액이 저장되고, 흡수액 유동층 열교환기(100)의 오버플로우 토출관(125)을 통해 토출된 수증기를 흡수한 흡수액이 유입되게 된다.
또한, 흡수액펌프(41)는, 흡수액탱크(40)에 저장된 흡수액을 배출시키기 위한 동력을 제공하며, 흡수액-물 열교환기(50)는 흡수액 유동층 열교환기(100)의 제1전열관(123)과 제2전열관(133)을 통해 가열된 급수와, 다른 유동경로를 통해 흡수액탱크(40)에서 배출된 흡수액이 열교환되게 된다.
그리고, 흡수액-물 열교환기(50)에서 토출된 흡수액은 흡수액 유동층 열교환기(100)의 흡수액유입관(134)을 통해 흡수액 유동층 열교환기(100)의 제2열교환부(130)측으로 유입되게 된다.
또한, 본 발명의 일실시예에서는, 흡수액탱크(40)에서 토출된 흡수액 중 일부가 증발기(60)로 유입되어 재생되게 된다. 즉, 증발기(60)는 공급되는 재생열에 의해 유입된 흡수액을 증발시켜 수증기를 발생시켜, 수증기가 제거된 고농도의 흡수액을 다시 흡수액탱크(40)로 유입시키게 된다.
그리고, 수증기-물 열교환기(70)는 수증기와 흡수액-물 열교환기(50)에서 토출된 급수가 열교환되게 된다. 즉, 급수는 흡수액 유동층 열교환기(100)에서 1차 가열되고, 흡수액-물 열교환기(50)에서 가열되고, 최종적으로 수증기-물 열교환기(70)에서도 수증기의 응축열을 흡수하여 고온수로서 배출되게 된다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 흡수액 유동층 열교환기(100)를 이용한 보일러 배가스 응축열회수 시스템의 제어부는 급수펌프(20)의 작동을 제어하여, 유동되는 급수의 유량과 유속을 조절하며, 흡수액펌프(41)를 제어하여, 순환되는 흡수액의 유속을 조절하게 된다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 흡수액 유동층 열교환기(100)의 구성에 대해 보다 상세하게 설명하도록 한다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 흡수액 유동층 열교환기(100)의 단면도를 도시한 것이다.
전체적으로, 흡수액 유동층 열교환기(100)는 도 3에 도시된 바와 같이, 몸체(110)와 열교환부로 구성되며, 몸체(110)의 하부측에는 연소장치(30)에서 생성된 고온의 배가스가 유입되는 배가스유입구(111)가 구비되며, 상단에는 수증기가 제거되어 잠열과 현열을 흡수액 유동층에 방출하고 액적이 제거된 배가스가 배출되는 배가스배출구(112)가 형성됨을 알 수 있다.
또한, 열교환부는, 몸체(110) 내에 구비되어 유입된 배가스가 통과되는 다공판과, 다공판 상부측에 흡수액으로 구성되며 배가스의 수증기를 흡수하고, 배가스의 잠열과 현열을 흡수하는 흡수액 유동층과, 그리고, 흡수액 유동층 내에 구비되며, 내부로 급수가 유동되어 급수가 가열되는 다수열의 전열관을 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 흡수액 유동층 열교환기(100)는 배가스배출구(112)와 흡수액 유동층 사이의 상기 몸체(110) 내에 데미스터(140)를 구비하여, 배가스의 액적을 제거하여 배출되도록 구성된다.
그리고, 본 발명의 일실시예에 따른 흡수액 유동층 열교환기는, 다단 형식으로 다수의 열교환부를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 몸체(110) 하단측 내부에 구비되는 제1열교환부(120)와, 제1열교환부(120)의 상부측으로 소정 간격 이격되어 구비되는 제2열교환부(130)로 구성될 수 있음을 알 수 있다.
이러한, 제1열교환부(120)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 몸체(110) 내 하단측에 구비되어 유입된 배가스가 통과되는 제1다공판(121)과, 제1다공판(121) 상부측에 흡수액으로 구성되며 배가스의 수증기를 흡수하고, 배가스의 잠열과 현열을 흡수하는 제1흡수액유동층(122)을 포함하며, 이러한 제1흡수액유동층(122) 내에 다수의 제1전열관(123)이 구비되어, 제1전열관(123)의 내부로 유동되는 급수가 가열되게 된다.
제2열교환부(130) 역시, 몸체(110) 내에 상단측에 구비되어 제1열교환부(120)를 통과한 배가스가 통과되는 제2다공판(131)과, 이러한 제2다공판(131) 상부측에 흡수액으로 구성되며 배가스의 수증기를 흡수하고, 배가스의 잠열과 현열을 흡수하는 제2흡수액유동층(132), 그리고, 제2흡수액유동층(132) 내에 구비되며, 내부로 유동되는 급수가 가열되는 제2전열관(133)을 포함하여 구성되게 된다.
또한, 흡수액 유동층 열교환기(100)에서의 제1흡수액유동층(122)과 제2흡수액유동층(132)을 일정한 수위로 안정적으로 형성하기 위하여 오버플로우 관들이 구비되게 된다.
구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 제2열교환부(130)의 상부측 몸체(110) 외면에는 흡수액유입관(134)이 형성되어 흡수액이 유입되게 되며, 제2다공판(131)과 특정간격 상부측의 몸체(110) 외면에 형성된 오버플로우 배출관(135)이 구비되어 설정된 수위 이상의 흡수액이 배출되게 됨을 알 수 있다.
그리고, 이러한 오버플로우 배출관(135)을 통해 배출된 흡수액은 오버플로우 유입관(124)을 통해 제1다공판(121) 상부측으로 유입되게 된다. 오버플로우 배출관(135)과 오버플로우 유입관(124) 사이는 오버플로우 파이프(136)를 통해 연결되게 된다. 또한, 제1다공판(121)과 특정간격 상부측의 몸체(110) 외면에 형성된 오버플로우 토출관(125)을 통해, 설정된 수위 이상의 흡수액이 후에 설명되는 바와 같이, 흡수액탱크(40) 측으로 배출되게 된다.
이러한 다단의 흡수액 유동층 열교환기(100)에서 수증기를 함유한 고온 배가스가 각각의 제1흡수액유동층(122)과 제2흡수액유동층(132)을 단계적으로 통과하면서, 고온 배가스가 흡수액과 전열관 외면을 직접접촉하게 되고, 이러한 과정에서 고온 배가스와 흡수액의 온도차이에 의해 배가스의 현열이 흡수액으로 전달되게 된다. 그리고, 고온 배가스와 흡수액의 증기압의 차이에 의하여 배가스 내의 수증기가 흡수액 측으로 이동하여, 배가스의 수증기의 응축잠열이 흡수액 측으로 전달되게 된다.
이에 따라, 흡수액 유동층에서 고온 배가스의 현열과 응축잠열이 흡수액 측으로 전달되어 흡수액의 온도가 상승되게 된다. 그런데 이러한 열전달 과정이 전열관 배열이 설치된 흡수액 유동층 내에서 발생되게 된다. 그리고 전열관 내부로 온도가 낮은 급수가 통과하기 때문에 흡수액으로부터 전열관 내의 급수로 열이 전달되기 때문에 흡수액의 온도의 상승은 줄어들게 되고, 전열관 내의 급수의 온도는 상승하게 된다.
이에 따라, 고온 배가스의 현열과 잠열의 일부가 흡수액을 통하여 전열관 내의 급수로 전달되어, 고온 배가스의 폐열을 일부 회수할 수 있다. 그리고, 이러한 과정에서 흡수액 유동층 부에서의 흡수액의 온도 상승이 줄어들어, 흡수액의 증기압의 증가도 줄어들게 된다. 이에 따라, 배가스와 흡수액 사이의 증기압의 차이가 증가하여, 더욱 많은 량의 배가스 내의 수증기가 흡수액 측으로 전달된다.
이하에서는 앞서 언급한 흡수액 유동층 열교환기(100)를 이용한 보일러 배가스 응축열회수 시스템의 작동방법에 대해 설명하도록 한다. 이러한 시스템에 의해 배가스의 유동경로와, 급수의 유동경로 그리고, 흡수액의 유동경로를 나누어 설명하도록 한다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 배가스의 유동경로를 나타낸 흐름도를 도시한 것이다. 그리고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 배가스의 유동경로를 나타낸 흡수액 유동층 열교환기(100)를 이용한 보일러 배가스 응축열회수 시스템의 구성도를 도시한 것이다.
먼저, 연소장치(30)에서 형성된 고온의 배가스가(S1) 다단 흡수액 유동층 열교환기(100)의 몸체(110)에 구비된 배가스유입구(111)를 통해 몸체(110) 내 제1다공판(121) 하부로 유입되게 된다(S2).
그리고, 유입된 배가스는 제1다공판(121)을 통과하여(S3) 제1흡수액유동층(122)으로 유입되게 된다. 따라서, 제1흡수액유동층(122)의 흡수액은 이러한 배가스의 수증기, 잠열, 응축현열을 흡수하고, 급수펌프(20)에 의해 제1전열관(123) 내부로 유입된 급수가 가열되게 된다(S4).
그리고, 제1흡수액유동층(122)을 통과한 배가스는 순차적으로 도 5에 도시된 바와 같이, 제2다공판(131)을 통과하여 제2흡수액유동층(132)으로 유입되게 된다. 따라서, 제2흡수액유동층(132)의 흡수액은 이러한 배가스의 수증기, 잠열, 현열을 흡수하게 되고, 제2전열관(133) 내부로 유입된 급수가 가열되게 된다.
다음으로, 수증기가 제거된 배가스는 몸체(110) 내 상부측에 구비된 데미스터(140)에 의해 액적이 제거되어(S5) 배가스배출구(112)를 통해 건가스 형태로 배출되게 된다(S6).
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 흡수액의 유동경로를 나타낸 흐름도를 도시한 것이다. 그리고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 흡수액의 유동경로를 나타낸 흡수액 유동층 열교환기(100)를 이용한 보일러 배가스 응축열회수 시스템의 구성도를 도시한 것이다.
수증기를 흡수한 흡수액은 도 7에 도시된 바와 같이, 제1열교환부(120)의 상단 몸체(110) 외면에 구비된 오버플로우 토출관(125)을 통해 흡수액탱크(40)로 유입되게 된다(S10). 그리고, 흡수액펌프(41)에 의해 흡수액탱크(40)의 흡수액이 흡수액-물 열교환기(50) 측으로 토출되게 된다(S20).
흡수액탱크(40)로 유입되는 흡수액은 앞서 언급한 바와 같이, 제2흡수액유동층(132)과 제1흡수액유동층(122)에서 배가스의 수증기를 흡수하여, 농도가 낮아지게 되며, 또한, 흡수액의 유량이 감소하게 된다. 따라서, 흡수액탱크(40)에 있는 흡수액의 농도가 낮아지게 되므로, 흡수액 내의 물을 양을 줄이는 재생공정이 필요하게 된다.
이를 위해 본 발명의 일실시예에 따른 시스템은, 도 7에 도시된 바와 같이, 흡수액-물 열교환기(50)와 흡수액탱크(40) 사이를 연결하는 흡수액관(42) 중단 일측에 저농도 흡수액관(43)이 분기되게 되고, 흡수액펌프(41)에 의해 흡수액탱크(40)에서 토출되는 흡수액 중 일부인 저농도 흡수액이 저농도 흡수액관(43)을 통해 증발기(60)로 유입되게 된다.
본 발명의 일실시예에 따른 증발기(60)로 유입된 저농도 흡수액은 재생열을 공급받아, 수증기를 발생시키게 된다(S30). 그리고, 증발기(60)에서 토출되는 수증기는 후에 설명되는 바와 같이, 수증기-물 열교환기(70)로 유입되어(수증기 유동경로는, 도 7에서 2줄 화살표로 표시됨), 다른 경로를 통해 유입된 급수에 열을 방출하여 응축되어 응축수 형태로 배출되며, 급수는 수증기의 열을 흡수하여 고온수 형태로 배출되게 된다. 반면, 증발기(60)에서 수증기를 제거한 고농도의 흡수액은 흡수액 순환관(61)을 통해 다시 흡수액탱크(40)로 유입되게 된다(S40).
또한, 흡수액펌프(41)를 통해 흡수액탱크(40)에서 토출된 흡수액 중 저농도 흡수액관(43)으로 유입되지 않은 나머지 흡수액은 흡수액-물 열교환기(50) 측으로 유입되고, 흡수액-물 열교환기(50) 측으로 다른 경로를 통해 유입된 급수와 열교환되게 된다(S50). 즉, 흡수액과 급수의 온도 차이에 의하여 흡수액으로부터 급수로 열이 전달되어 흡수액의 온도가 낮아지게 되고, 급수의 온도는 상승하게 된다. 그리고, 온도가 낮아진 흡수액은 저온 흡수관(52)을 통해 흡수액 유동층 열교환기(100)의 흡수액유입관(134)으로 유입되어 순환되게 된다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 흡수액 유동층 열교환기(100)를 이용한 보일러 배가스 응축열회수 시스템에서 고온수를 생산하는 방법을 중심으로 설명하도록 한다. 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 고온수 생산 방법의 흐름도를 도시한 것이다. 그리고, 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 급수의 유동경로를 나타낸 흡수액 유동층 열교환기(100)를 이용한 보일러 배가스 응축열회수 시스템의 구성도를 도시한 것이다.
먼저, 급수펌프(20)에 의해, 급수가 흡수액 유동층 열교환기(100)의 전열관으로 유입되게 된다(S100). 전열관으로 유입된 급수는, 배가스의 수증기, 잠열, 현열을 흡수한 흡수액 유동층에 의해 1차 가열되게 된다(S200). 보다 구체적으로, 도 9에 도시된 바와 같이, 급수펌프(20)에 의해 급수가 제2열교환부(130)의 제2흡수액유동층(132) 내에 구비된 다수의 제2전열관(133)으로 유입되고, 제2전열관(133) 내부를 유동하면서, 제2흡수액유동층(132)에서 열을 흡수하여 가열되게 되고, 순차적으로 급수는 제2전열관(133)과 연결된 제1흡수액유동층(122) 내의 제1전열관(123)으로 이동되어, 제1흡수액유동층(122)에서 열을 흡수하여 가열되게 됨을 알 수 있다.
흡수액 유동층 열교환기(100)에서 가열된 급수는 도 9에 도시된 바와 같이, 온수배관(51)을 통해 흡수액-물 열교환기(50)로 유입되게 된다. 이러한 흡수액-물 열교환기(50)에서는, 앞서 언급한 바와 같이, 다른 경로를 통해 유입되는 흡수액의 열을 흡수하여 가열되게 된다(S300).
또한, 흡수액-물 열교환기(50)에서 토출된 급수는 수증기-물 열교환기(70)로 유입되어, 앞서 언급한 바와 같이, 다른 경로를 통해 유입되는 수증기의 열을 흡수하여 가열되어 고온수를 생산하여(S400), 토출되게 된다(S500).
이에 따라, 수증기를 함유한 고온 배가스의 현열과 응축잠열을 회수하고, 흡수액-물 열교환기(50)에서 흡수액의 열을 다시 한번 회수하고, 그 후에 증발기(60)로부터 배출되는 수증기를 사용하여 수증기-물 열교환기(70)에서 급수를 더욱 가열하게 된다.
그리고 본 발명의 일실시예에 따른 흡수액 유동층 열교환기(100)를 적용하여 고온의 습가스의 현열과 잠열을 회수하는 흡수액 유동층 내의 전열관 배열에서 급수를 가열함으로써 회수열량을 더욱 증대시킬 수 있다.
이에 따라, 기존의 물 유동층 열교환기에 비하여 더욱 온도가 높은 온수를 생산할 수 있다. 그리고 기존의 열매체 유동층 열교환기에 비하여 흡수액을 사용함으로써 더욱 많은 응축 잠열을 회수할 수 있다. 흡수액 유동층 열교환기(100)에서 흡수액은 더욱 많은 수증기를 흡수하여, 흡수액의 재생을 위한 스팀의 사용량을 줄여서 기존 열회수 장치에 비하여 흡수액을 이용한 응축열회수 시스템의 성능과 경제성을 더욱 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연한것으로, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
1:사각동체
1a:사각외동체
1b:저면판
2:열교환 전열관
3:다공판
4:물방울 제거필터
5a,5b:배가스 유동통로
6:배기유도구
7:자동조절밸브
8:배기가스 배출구
9:바이패스관
10:배수구
20:급수펌프
30:연소장치
40:흡수액 탱크
41:흡수액 펌프
42:흡수액관
43:저농도 흡수액관
50:흡수액-물 열교환기
51:온수배관
52:저온 흡수관
60:증발기
61:흡수액 순환관
70:수증기-물 열교환기
100:흡수액 유동층 열교환기
110:몸체
111:배가스유입구
112:배가스배출구
120:제1열교환부
121:제1다공판
122:제1흡수액유동층
123:제1전열관
124:오버플로우 유입관
125:오버플로우 토출관
130:제2열교환부
131:제2다공판
132:제2흡수액유동층
133:제2전열관
134:흡수액유입관
135:오버플로우 배출관
136:오버플로우 파이프
140:데미스터

Claims (13)

  1. 배가스 응축열회수 시스템에 있어서,
    일측에 연소장치에서 생성된 고온의 배가스가 유입되는 배가스 유입구와, 타단에 건가스 형태로 배가스가 배출되는 배가스 배출구를 갖는 몸체와, 및 몸체 내에 구비되어 유입된 배가스가 통과되는 다공판과 상기 다공판 상부측에 흡수액으로 구성되며 상기 배가스의 수증기를 흡수하고, 상기 배가스의 잠열과 현열을 흡수하는 흡수액 유동층과, 및 상기 흡수액 유동층 내에 구비되며 내부로 급수가 유동되어 급수가 가열되는 전열관을 갖는 열교환부를 구비하고, 상기 열교환부는, 상기 몸체 하단측 내부에 구비되는 적어도 하나의 제1열교환부와, 상기 제1열교환부의 상부측으로 소정 간격 이격되어 구비되는 적어도 하나의 제2열교환부로 구성되며, 상기 제1열교환부와 상기 제2열교환부는 서로 다단 형식으로 연결되고, 상기 제1열교환부는 몸체 내 하단측에 구비되어 유입된 배가스가 통과되는 제1다공판, 상기 제1다공판 상부측에 흡수액으로 구성되며 상기 배가스의 수증기를 흡수하고, 상기 배가스의 잠열과 현열을 흡수하는 제1흡수액 유동층, 및 상기 제1흡수액 유동층 내에 구비되며, 내부로 급수가 유동되어 급수가 가열되는 제1전열관을 포함하고, 상기 제2열교환부는 몸체 내에 상단측에 구비되어 상기 제1열교환부를 통과한 배가스가 통과되는 제2다공판, 상기 제2다공판 상부측에 흡수액으로 구성되며 상기 배가스의 수증기를 흡수하고, 상기 배가스의 잠열과 현열을 흡수하는 제2흡수액 유동층, 및 상기 제2흡수액 유동층 내에 구비되며, 내부로 급수가 유동되어 급수가 가열되는 제2전열관을 포함하고, 상기 제2열교환부의 상부측 몸체 외면에 형성되어 흡수액이 유입되는 흡수액 유입관과, 상기 제2다공판과 특정간격 상부측의 몸체 외면에 형성되어 설정된 수위 이상의 흡수액이 배출되는 오버플로우 배출관과, 상기 오버플로우 배출관을 통해 배출된 흡수액이 상기 제1다공판 상부측으로 유입되는 오버플로우 유입관과, 상기 제1다공판과 특정간격 상부측의 몸체 외면에 형성되어 설정된 수위 이상의 흡수액이 배출되는 오버플로우 토출관을 포함하는 흡수액 유동층 열교환기;
    급수를 상기 흡수액 유동층 열교환기의 제2전열관 내로 유입시키기 위한 급수펌프;
    내부에 흡수액이 저장되고, 상기 흡수액 유동층 열교환기의 오버플로우 토출관을 통해 토출된 수증기를 흡수한 흡수액이 유입되는 흡수액 탱크;
    상기 흡수액 탱크에 저장된 흡수액을 배출시키기 위한 흡수액 펌프; 및
    상기 흡수액 유동층 열교환기의 제1전열관과 제2전열관을 통해 가열된 급수와, 다른 유동경로를 통해 상기 흡수액 탱크에서 배출된 흡수액이 열교환되는 흡수액-물 열교환기;를 포함하고,
    상기 흡수액-물 열교환기에서 토출된 흡수액은 상기 흡수액 유동층 열교환기의 흡수액 유입관을 통해 상기 흡수액 유동층 열교환기의 제2열교환부 측으로 유입되는 것을 특징으로 하는 흡수액 유동층 열교환기를 이용한 보일러 배가스 응축열회수 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 흡수액 탱크에서 토출된 흡수액 중 일부가 유입되고,
    공급되는 재생열에 의해 유입된 흡수액을 증발시켜 수증기를 발생시키는 증발기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흡수액 유동층 열교환기를 이용한 보일러 배가스 응축열회수 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 증발기에서 토출된 흡수액은 다시 흡수액 탱크로 유입되며,
    상기 수증기와 상기 흡수액-물 열교환기에서 토출된 급수가 열교환되는 수증기-물 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흡수액 유동층 열교환기를 이용한 보일러 배가스 응축열회수 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 급수펌프의 작동을 제어하여, 유동되는 급수의 유량과 유속을 조절하며, 상기 흡수액 펌프를 제어하여, 순환되는 흡수액의 유속을 조절하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흡수액 유동층 열교환기를 이용한 보일러 배가스 응축열회수 시스템.
  5. 배가스 응축열회수 시스템의 작동방법에 있어서,
    급수펌프에 의해, 급수가 흡수액 유동층 열교환기의 전열관으로 유입되는 단계;
    전열관으로 유입된 급수가, 배가스의 수증기, 잠열, 현열을 흡수한 흡수액 유동층에 의해 1차 가열되는 단계;
    가열된 급수가 온수배관을 통해 흡수액-물 열교환기로 유입되고, 다른 경로를 통해 유입된 흡수액 탱크 내에 저장된 흡수액의 열을 흡수하여 가열되는 단계; 및
    흡수액-물 열교환기에서 토출된 급수가 수증기-물 열교환기로 유입되어, 증발기에서 토출되어 유입된 수증기의 열을 흡수하여 가열되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡수액 유동층 열교환기를 이용한 보일러 배가스 응축열회수 시스템의 작동방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 유입되는 단계와 상기 1차 가열되는 단계에서,
    상기 급수는 단계적으로, 제2열교환부의 제2전열관으로 유입되어 가열된 후, 제1열교환부의 제1전열관으로 유입되어 상기 온수배관으로 배출되는 것을 특징으로 하는 흡수액 유동층 열교환기를 이용한 보일러 배가스 응축열회수 시스템의 작동방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    수증기를 흡수한 흡수액이 오버플로우 토출관을 통해 흡수액탱크로 유입되고, 흡수액 펌프에 의해 흡수액 탱크의 흡수액이 흡수액-물 열교환기로 유입되어 급수에 열을 방출하고, 저온의 흡수액이 흡수액 유입관을 통해 상기 흡수액 유동층 열교환기 내로 유입되어 순환되는 것을 특징으로 하는 흡수액 유동층 열교환기를 이용한 보일러 배가스 응축열회수 시스템의 작동방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 흡수액 탱크에서 토출된 흡수액 중 일부가 증발기로 유입되고, 공급되는 재생열에 의해 유입된 흡수액을 증발시켜 수증기를 발생되는 단계; 및
    상기 증발기에서 토출된 흡수액은 다시 흡수액 탱크로 유입되고, 수증기-물 열교환기에서 상기 수증기에 의해 상기 흡수액-물 열교환기에서 토출된 급수가 가열되어 고온수를 생산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흡수액 유동층 열교환기를 이용한 보일러 배가스 응축열회수 시스템의 작동방법.
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