KR101867725B1 - 가열 시스템 - Google Patents

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KR101867725B1
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heating furnace
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heating
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이승진
시성규
이준태
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주식회사 포스코
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 가열 시스템은, 가열로, 일단이 상기 가열로의 상부에 연결되고 타단은 연도에 연결되어 상기 가열로 상부의 배가스를 외부로 배출하는 제1 배기라인, 일단이 상기 가열로의 입구 측 하부에 연결되어 상기 가열로 하부의 배가스를 외부로 배출하는 제2 배기라인, 및 제2 배기라인 상에 배치되는 열교환부를 포함할 수 있다.

Description

가열 시스템{SYSTEM FOR FURNACE}
본 발명은 배가스의 현열을 효율적으로 사용할 수 있는 가열 시스템에 대한 것이다.
일반적으로 가열로에서는 발생되는 연소 배가스는 1200℃를 상회하는 고온 가스이다. 따라서 그 현열을 이용하기 위한 방법이 모색되어 왔다.
도 1의 종래의 가열로와 현열 회수 시스템을 나타내는 구성도이다.
이를 참조하면 종래의 가열로는 장입대(2), 예열대(3), 가열대(4), 및 균열대(5)를 포함한다.
장입대(2)는 소재(M)가 장입되는 부분으로 버너(B) 등에 의해 소정의 온도로 가열되는 구간이고, 예열대(3)는 장입대(2)에서 가열된 소재(M)를 목표 설정 온도로 가열하기 위해 버너(B) 등에 의해 예열하는 구간이며, 가열대(4)는 소재(M)의 온도가 목표 설정온도에 이르도록 버너(B) 등을 통해 본격적으로 가열하는 구간이다. 그리고 균열대(5)는 가열된 소재(M)의 표면과 중심의 온도 편차를 줄이기 위한 구간이다.
종래의 가열로는 소재(M)를 가열한 후 발생된 1200℃를 상회하는 연소 배가스가 배기라인(1)을 통하여 연돌(6)로 배출된다. 이 과정에서 배가스는 열교환기(7)에 열을 공급한다.
그런데 열교환기(7)를 구성하는 재질이 1200℃의 고온을 견딜 수 없기 때문에, 배가스의 온도를 약 860℃ 이하로 냉각시킨 후 열교환기(10)로 공급하며, 이를 위해 배기라인(1)에는 희석팬(8, dilution fan)이 설치된다.
이처럼 종래의 가열로는 배가스의 온도를 강제적으로 낮추고 있어 열효율이 저하되고 에너지가 낭비되는 문제가 있다. 따라서 배가스의 현열을 보다 효율적으로 활용할 수 있는 방법이 요구되고 있다.
한국공개특허 제2010-0084905호
본 발명의 목적은 배가스의 현열을 효율적으로 활용할 수 있는 가열로를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가열 시스템은, 가열로, 일단이 상기 가열로의 상부에 연결되고 타단은 연도에 연결되어 상기 가열로 상부의 배가스를 외부로 배출하는 제1 배기라인, 일단이 상기 가열로의 입구 측 하부에 연결되어 상기 가열로 하부의 배가스를 외부로 배출하는 제2 배기라인, 및 제2 배기라인 상에 배치되는 열교환부를 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 제1 배기라인은, 상기 배가스를 상기 가로부 내부로 재공급하는 적어도 하나의 분기라인을 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 분기라인은, 상기 가열로의 가열대 또는 균열대 중 적어도 어느 한 곳에 연결될 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 제2 배기라인은, 상기 가열로의 입구를 통해 상기 가열로 내부로 유입되는 차가운 공기를 흡입하는 순환 팬을 적어도 하나 구비할 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 제2 배기라인을 통해 배출되는 상기 배가스는, 860℃ 이하의 온도를 가질 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 제2 배기라인의 일단은, 상기 가열로의 장입대 또는 예열대 중 적어도 어느 한 곳에 연결될 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 제1 배기라인에는, 상기 배가스의 현열을 이용하여 증기를 생산하는 증기 발생부가 설치될 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 증기 발생부는, 유체를 예열하여 증기 탱크로 공급하는 절탄기 및 상기 배가스의 현열을 이용하여 상기 증기 탱크에 저장된 유체를 이용하여 증기를 생성하는 증발기를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 가열 시스템은, 차가운 공기가 예열대를 지나 가열대나 균열대로 유입되는 것을 최소화할 수 있으므로 가열로 내부로 차가운 공기가 유입되더라도 가열로 내부의 환원 분위기를 유지시킬 수 있다.
또한 열교환기에 이용 가능한 범위의 온도로 배가스를 흡입 및 배출하는 제2 배기라인을 구비하므로, 종래와 같이 강제로 배가스의 온도를 낮출 필요가 없어 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1의 종래의 가열로와 현열 회수 시스템을 나타내는 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가열 시스템을 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가열 시스템을 개략적으로 도시한 도면.
도 4는 도 3의 증기 발생부를 구체적으로 도시한 도면.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음을 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가열 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 가열 시스템(100)은 가열로(110), 제1 배기라인(160), 및 제2 배기라인(180)을 포함한다.
가열로(110)는 장입대(120), 예열대(130), 가열대(140), 및 균열대(150)를 포함한다.
장입대(120)는 소재(M)가 장입되는 부분으로 버너(B) 등에 의해 소정의 온도로 가열되는 구간이고, 예열대(130)는 장입대(120)에서 가열된 소재를 목표 설정 온도로 가열하기 위해 버너(B) 등에 의해 예열하는 구간이며, 가열대(140)는 소재(M)의 온도가 목표 설정온도에 이르도록 버너(B) 등을 통해 본격적으로 가열하는 구간이다.
제1 배기라인(160)은 일단이 가열로(110)의 상부에 연결되고 타단은 연돌(190)에 연결된다.
제1 배기라인(160)은 가열로(110)의 입구 측 상부에 배치된다. 따라서 가열로(110)가 장입대(120)를 구비하는 경우, 제1 배기라인(160)은 장입대(120)의 상부에 연결된다. 그러나 가열로(110)에 장입대(120)가 구비되지 않고 가열로(110)의 입구가 예열대(130)에 위치하는 경우, 제1 배기라인(160)은 예열대(130)의 상부에 연결될 수 있다.
본 실시예에서 제1 배기라인(160)은 장입대(120)의 상부에 연결되어 장입대(120) 상부에 위치하는 배가스가 배출되는 경로로 이용된다. 따라서 제1 배기라인(160)을 통해서는 약 1200℃에 달하는 고온의 배가스가 배출된다.
제1 배기라인(160)은 적어도 하나의 분기라인(161a, 161b)을 통해 가열로(110)와 연결된다. 본 실시예에서 분기라인은 가열대(140)와 연결되는 제1 분기라인(161a)과, 균열대(150)로 연결되는 제2 분기라인(161b)을 포함한다. 분기라인(161a, 161b)을 통해 제1 배기라인(160)의 배가스 일부는 가열대(140)와 균열대(150)로 유입된다.
가열로(110) 내부는 공기 중에 탄소 함량이 클수록 소재(M)에 스케일 생성이 저하된다. 그러나 소재(M)가 가열로(110) 내부로 장입될 때, 소재(M)와 함께 가열로(110) 내부로 차가운 공기가 유입되며, 이러한 차가운 공기는 탄소 함량이 작고 산소 함량이 크므로 소재(M)에 스케일 생성을 촉진하게 된다.
그러나 본 실시예에 따른 가열 시스템(100)은 제1 배기라인(160)으로 배출된 고온의 배가스를 다시 가열로(110) 내부로 유입시켜 배가스를 순환시킨다.
이에 따라 가열로(110) 내부에는 제1 배기라인(160)을 통해 재 공급된 배가스로 인해 양압이 발생되므로, 소재(M)가 가열로(110) 내부로 장입될 때, 차가운 공기가 쉽게 가열로(110) 내부로 유입되지 못하게 된다.
따라서 가열로(110) 내부에 탄소 함량을 일정 수준 이상으로 유지할 수 있으므로 가열로(110) 내의 환원분위기를 유지할 수 있다.
또한 가열로(110) 내에 산소의 유입을 최소화할 수 있으므로 소재(M)에 스케일이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
더하여, 차가운 공기의 유입을 최소화하므로 소재(M) 장입 시 가열로(110) 내부의 온도가 낮아지는 것을 최소화할 수 있으므로 버너(B)의 사용 시간도 줄일 수 있어 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
제1 배기라인(160)의 끝에는 연돌(190, stack)이 배치된다. 따라서 가열로(110)로 재 투입되지 못한 잔여 배가스는 연돌(190)을 통해 외부로 배출될 수 있다.
또한 배가스의 원활한 순환을 위해, 제1 배기라인(160) 상에는 적어도 하나의 순환 팬(F, Circulation　Fan)이 설치될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 배기라인(180)은 장입대(120)의 하부나 예열대(130)의 하부 중 적어도 한 곳에 연결되어 장입대(120) 하부 또는 예열대(130) 하부에 위치하는 배가스를 배출되는 경로로 이용된다.
장입대(120) 하부나 예열대(130) 하부는 소재(M)를 가열로(110)에 장입하는 과정에서 소재(M)와 함께 가열대(140)로 유입되는 차가운 공기가 배치된다.
차가운 공기는 배가스의 양압, 그리고 배가스와의 온도 차에 의해 장입대(120)의 하부를 따라 예열대(130) 측으로 유입된다. 따라서 장입대(120) 하부에는 장입대(120) 상부에 위치하는 배가스보다는 낮은 온도의 배가스가 위치하게 된다.
예를 들어 제2 배기라인(180)을 통해서는 약 860℃ 이하의 온도를 갖는 배가스가 배출된다.
제2 배기라인(180)은 연돌(190, stack)과 연결된다. 또한 제2 배기라인(180)으로 배가스가 원활하게 유입될 수 있도록 제2 배기라인(180) 상에는 적어도 하나의 순환 팬(F)이 설치된다.
제2 배기라인(180) 상에는 열교환기(170)가 배치된다. 열교환기(170)로는 환열기(Recuperator)가 이용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
전술한 바와 같이 본 실시예에 따른 제2 배기라인(180)을 통해서는 860℃ 이하의 온도를 갖는 배가스가 배출된다. 따라서 제2 배기라인(180)에 열교환기(170)가 배치되는 경우, 제2 배기라인(180)에는 종래와 같이 별도의 희석팬(dilution fan)이 구비될 필요가 없다.
열교환기(170)는 배가스의 열을 활용하여 연소용 공기를 예열한다. 열교환기(170)에 의해 예열된 연소용 공기는 가열로(110)의 버너(B)로 공급된다.
이러한 제1 배기라인(160)과 제2 배기라인(180)에는 필요에 따라 하나 또는 다수의 밸브가 배치될 수 있다.
이와 같이 구성되는 본 실시예에 따른 가열 시스템(100)은, 소재(M)가 가열로(110) 내부로 장입될 때, 소재(M)와 함께 가열로(110) 내부로 유입되는 차가운 공기가 장입대(120) 또는 예열대(130)에서 제2 배기라인(180)으로 유입된다.
따라서 차가운 공기가 예열대(130)를 지나 가열대(140)나 균열대(150)로 유입되는 것을 최소화할 수 있으므로 가열로(110) 내부로 차가운 공기가 유입되더라도 가열로(110) 내부의 고온 환원 분위기를 유지시킬 수 있다.
또한 제2 배기라인(180)은 상기한 차가운 공기를 활용하므로, 별도의 희석 팬(dilution fan)이 없더라도 열교환기(170)에 이용 가능한 범위의 온도로 배가스의 온도가 유지된다.
따라서 종래와 같이 강제로 배가스의 온도를 낮출 필요가 없어 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않으며 다양한 변형이 가능하다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가열 시스템을 개략적으로 도시한 도면이고 도 4는 도 3의 증기 발생부를 구체적으로 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 가열 시스템(200)은 적어도 하나의 증기 발생부(163)를 구비한다.
증기 발생부(163)는 제1 배기라인(160) 상에 배치된다.
증기 발생부(163)는 제1 배기라인(160)으로 배출되는 배가스의 현열을 이용하여 증기를 생산한다.
증기 발생부(163)에는 유체(예컨대, 물 또는 순수)이 공급되며, 공급된 유체는 증기 발생부(163)를 구성하는 절탄기(164, economizer)와 증발기(165, evaporator)에 의해 고온의 배가스와 열교환이 이루어지면서 열을 공급받게 된다.
이에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 실시예에 따른 증기 발생부(163)는 공급 탱크(166), 증기 탱크(167), 절탄기, 및 증발기(165)를 포함하여 구성된다.
공급 탱크(166)는 유체(예컨대, 물 또는 순수)를 저장하며 절탄기(164)로 유체를 공급한다.
절탄기(164)는 제1 배기라인(160)을 통해 유체를 예열하며 유체를 증기 탱크(167)로 이송한다.
증발기(165)는 제1 배기라인(160)을 통해 증기 탱크(167)에 위치하는 유체를 가열하여 증기를 생성한 후, 생성된 증기를 다시 증기 탱크(167)로 보낸다.
증기 탱크(167)는 절탄기(164)를 통해 예열된 유체와, 증발기(165)를 통해 생성된 증기가 함께 공존한다. 또한 증기 배출구를 통해 증기는 외부로 배출되어 증기를 활용하는 장치에 공급된다.
절탄기(164)와 증발기(165)는 유체 또는 증기의 이송을 위해 펌프(P)를 구비할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이어서, 증기 발생부(163)의 동작을 간단히 설명하면 다음과 같다.
공급 탱크(166)에 저장된 유체는 절탄기(164)를 거치며 예열되어 일부는 증기의 상태로, 나머지 일부는 유체 상태로 증기 탱크(167)에 유입된다. 이때 절탄기(164)는 제1 배기라인(160)의 배가스 현열을 이용하여 유체를 가열한다.
이어서, 증발기(165)는 증기 탱크(167)에 유입된 유체를 가열하여 증기로 변환하고, 이를 다시 증기 탱크(167)에 저장한다. 이때 증발기(165)는 제1 배기라인(160)의 배가스 현열을 이용하여 유체를 가열한다.
증발기(165)에서 실질적인 증발이 일어나므로, 증발기(165)에 보다 높은 열이 공급될 필요가 있다. 따라서 증발기(165)와 절탄기(164)는 모두 제1 배기라인(160)으로부터 열을 공급받기 위해 제1 배기라인(160)에 결합되나, 보다 온도가 높은 전방에 증발기(165)가 배치되고, 절탄기(164)는 증발기(165)의 후방에 배치될 수 있다. 여기서 전방은 제1 배기라인(160) 중 가열로(110)와 연결되는 방향을 의미하며, 후방은 연돌(190)과 연결되는 방향을 의미한다.
이와 같은 과정을 통해 고온/고압의 증기가 증기 탱크(167) 내에 저장되며, 저장된 증기는 기타 증기 활용 시설로 공급되어 이용될 수 있다.
한편, 본 실시예에서 제1 배기라인(160)은 제1 분기라인(도 2의 161a)과 제2 분기라인(도 2의 161b)을 구비하지 않는다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니며, 전술한 실시예와 마찬가지로 분기라인을 포함하도록 구성될 수도 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
100, 200: 가열 시스템
110: 가열로
120: 장입대
130: 예열대
140: 가열대
150: 균열대
160: 제1 배기라인
161a: 제1 분기라인
161b: 제2 분기라인
163: 증기 발생부
164: 절탄기
165: 증발기
166: 공급 탱크
167: 증기 탱크
170: 열교환기
180: 제2 배기라인
190: 연돌
F: 순환 팬
B: 버너

Claims (8)

  1. 가열로;
    일단이 상기 가열로의 상부에 연결되고, 타단은 연도에 연결되어 상기 가열로 상부의 배가스를 외부로 배출하는 제1 배기라인;
    일단이 상기 가열로의 입구 측 하부에 연결되어 상기 가열로 하부의 배가스를 외부로 배출하는 제2 배기라인;
    제2 배기라인 상에 배치되며 상기 가열로의 버너에 공급되는 연소용 공기를 예열하는 열교환부; 및
    상기 제1 배기라인 상에 배치되며 상기 배가스의 현열을 이용하여 증기를 생산하는 증기 발생부;
    를 포함하며,
    상기 제2 배기라인을 통해 배출되는 상기 배가스는 860℃ 이하의 온도를 가지며,
    상기 제1 배기라인을 통해 배출되는 상기 배가스는 상기 제2 배기라인을 통해 배출되는 상기 배가스보다 고온인 것을 특징으로 하는 가열 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 배기라인은,
    상기 배가스를 상기 가열로 내부로 재공급하는 적어도 하나의 분기라인을 포함하는 가열 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 분기라인은,
    상기 가열로의 가열대 또는 균열대 중 적어도 어느 한 곳에 연결되는 가열 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2 배기라인은,
    상기 가열로의 입구를 통해 상기 가열로 내부로 유입되는 차가운 공기를 흡입하는 순환 팬을 적어도 하나 구비하는 가열 시스템.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 제2 배기라인의 일단은,
    상기 가열로의 장입대 또는 예열대 중 적어도 어느 한 곳에 연결되는 가열 시스템.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 상기 증기 발생부는,
    유체를 예열하여 증기 탱크로 공급하는 절탄기; 및
    상기 배가스의 현열을 이용하여 상기 증기 탱크에 저장된 유체를 이용하여 증기를 생성하는 증발기;
    를 포함하는 가열 시스템.
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