KR102468748B1 - 폐열 회수 시스템 및 방법 - Google Patents

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박재관
오정민
박태진
서준호
김용정
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Abstract

폐열 회수 시스템 및 방법이 개시된다. 개시된 폐열 회수 시스템은 폐열 회수 보일러, 상기 폐열 회수 보일러에 폐열을 공급하도록 구성된 폐열 공급 부재 및 상기 폐열 공급 부재와 유체 연통되도록 구성된 수조를 포함한다.

Description

폐열 회수 시스템 및 방법{Waste heat recovery system and method}
폐열 회수 시스템 및 방법이 개시된다. 보다 상세하게는, 운전정지 없이 지속적인 운전이 가능한 폐열 회수 시스템 및 방법이 개시된다.
폐열 회수 보일러는 소각로, 용광로, 용해로, 화학공정 등에서 배출되는 배기가스 중의 열에너지를 회수하여 증기 및 온수를 생산하는 장치이다. 따라서, 폐열 회수 보일러는 버려지는 폐열을 재활용함으로써 에너지를 절감하고 환경을 보호할 수 있으며, 생산된 스팀이나 온수는 산업공정에 이용하거나, 증기터빈을 이용하여 전력을 생산하거나, 또는 온수를 이용해 인근 설비를 난방할 수 있다.
상기　폐열 회수　보일러는 배기가스가 유동하는 통로에　위치한 튜브 내부에 보일러수를 흐르게 하고, 배기가스의 열을 이용해 보일러수를 증발시켜 스팀을 발생시킨 후, 파이프를 통해 배출시켜　폐열을 회수하게 된다.
상기 분사된 냉각수는 배기가스의 고온에 의해 증발되면서 스팀을 발생하게 되고, 상기 스팀을 파이프를 통해 순환시켜　폐열을 회수하게 된다.
이와 같이　폐열 회수 보일러부터 회수된　폐열은 공기를 예열하거나 스팀을 생산하거나 오일 등을 가열하는 데에 사용될 수 있다.
폐열 회수 보일러와 관련된 종래 선행기술로는 한국공개특허공보 제10-2019-0071087호의 "배기가스　폐열회수장치", 한국등록특허공보 제10-0751036호의 "폐열회수보일러용 노즐" 및 한국등록특허공보 제10-0436940호의 "폐열회수보일러의 쿨러헤더용 노즐설치구조" 등이 있다.
또한 종래에는 고온(500℃ 이상)의 배기가스 내에 점착성 높은 다수의 분진이 포함된 경우, 분진 처리 및 배출이 불가능하였기 때문에, 점착성 높은 분진의 불가피한 적체로 인해 폐열 회수 보일러의 유입 덕트 내에 과도한 차압이 발생하게 되고, 설비의 셧다운(shut down) 및 내부 정비/청소/분진 제거와 같은 일련의 조치가 필연적으로 뒤따르게 되어, 정상 운전이 불가능하고 생산성을 떨어뜨리는 주요 원인이 되었다.
본 발명의 일 구현예는 운전정지 없이 지속적인 운전이 가능한 폐열 회수 시스템을 제공한다.
본 발명의 다른 구현예는 운전정지 없이 지속적인 운전이 가능한 폐열 회수 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면은,
폐열 회수 보일러;
상기 폐열 회수 보일러에 폐열을 공급하도록 구성된 폐열 공급 부재; 및
상기 폐열 공급 부재와 유체 연통되도록 구성된 수조를 포함하는 폐열 회수 시스템을 제공한다.
상기 폐열 회수 보일러는 배기가스 유로 및 상기 배기가스 유로 내에 서로 이격되게 배치된 복수개의 냉각 튜브를 포함할 수 있다.
상기 폐열 공급 부재는 메인 덕트, 유입 덕트 및 유출 덕트를 포함하고, 상기 유입 덕트는 상기 메인 덕트의 측부와 유체 연통되도록 구성되고, 상기 유출 덕트는 상기 메인 덕트의 상부와 유체 연통되도록 구성되고, 상기 수조는 상기 메인 덕트의 하부와 유체 연통되도록 구성될 수 있다.
상기 폐열 회수 시스템은 상기 폐열 공급 부재에 배기가스에서 유래된 분진이 적체된 경우, 상기 적체된 분진을 상기 수조로 강제로 이송하도록 구성된 에어 블라스터를 더 포함할 수 있다.
상기 폐열 회수 시스템은 상기 메인 덕트와 상기 수조 사이에 배치되어 이들을 서로 연결시키도록 구성된 신축 이음 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 폐열 회수 시스템은 상기 메인 덕트와 상기 수조 사이에 분진 낙하 방해 부재를 포함하지 않을 수 있다.
상기 폐열 회수 시스템은 상기 수조와 각각 유체 연통되도록 구성된 급수배관, 배수배관 및 상기 배수배관에서 분기된 순환배관을 더 포함할 수 있다.
상기 폐열 회수 시스템은 상기 수조 내에 충전된 액체의 높이를 측정하도록 구성된 수위계, 상기 수조로부터 액체를 배출시키도록 구성된 펌프 및 상기 펌프의 후단으로서 상기 순환배관의 후단에 설치되어 상기 수위계의 신호에 따라 액체의 배출량을 조절하도록 구성된 제3 유량 조절 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 폐열 회수 시스템은 상기 수조와 유체 연통되도록 구성된 균등화 수조를 더 포함하고, 상기 균등화 수조의 수압과 상기 수조의 액체 압력 간의 압력 차이에 따라 상기 균등화 수조로부터 상기 수조로 물이 공급되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면은,
500℃ 이상의 고온의 배기가스를 덕트 형상의 폐열 공급 부재에 공급하는 단계(S10);
상기 폐열 공급 부재를 통과한 상기 배기가스 중의 일부를 폐열 회수 보일러에 공급하여 폐열을 회수하는 단계(S20); 및
상기 폐열 공급 부재를 통과한 상기 배기가스 중의 나머지 일부를 수조에 공급하는 단계(S30)를 포함하는 폐열 회수 방법을 제공한다.
상기 단계(S30)는 상기 배기가스에 포함된 분진 중의 일부를 분진 낙하 방해 부재의 방해 없이 중력에 의해 상기 수조로 낙하시키도록 구성될 수 있다.
상기 폐열 회수 방법은 상기 수조 내에 충전된 액체 중 탄산나트륨의 농도를 기준치 이하로 유지시키는 단계(S40)를 더 포함할 수 있다.
상기 단계(S40)는 상기 수조 내에 물을 제1 유량으로 공급하는 단계(S40-1), 상기 수조 내에 충전된 액체를 제2 유량으로 배출시키는 단계(S40-2), 상기 단계(S40-2)에서 배출된 상기 액체 중 일부를 제3 유량으로 상기 수조로 재순환시키는 단계(S40-3) 및 상기 단계(S40-2)에서 배출된 상기 액체 중 나머지 일부를 제4 유량으로 상기 수조의 외부로 배출시키는 단계(S40-4)를 포함할 수 있다.
상기 폐열 회수 방법은 상기 수조 내에 충전된 액체의 높이를 측정하는 단계(S50)를 더 포함하고, 상기 단계(S40-4)의 상기 제4 유량은 상기 단계(S50)에서 측정된 상기 수조 내의 액체의 높이에 따라 결정될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 폐열 회수 시스템 및 방법은 다음과 같은 이점을 갖는다:
(1) 데드존(dead zone)으로 유입되는 분진을 운전 중에 지속적으로 제거함으로써 운전정지 없이 지속적인 운전이 가능하다.
(2) 폐열 회수 보일러 내에 설치된 냉각 튜브들 사이의 공간이 분진으로 막히는 현상을 개선할 수 있다.
(3) 폐열 회수 보일러 내에 설치된 냉각 튜브의 표면이 분진으로 덮여 열전달 효율을 떨어뜨리는 문제를 개선함으로써, 폐열 회수 보일러의 폐열 회수 성능이 개선되고 스팀 생산량이 증가하며 폐열 회수 용량도 증가하는 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 폐열 회수 시스템의 부분 투과 사시도이다.
도 2는 도 1의 폐열 회수 시스템의 정면도이다.
도 3은 도 1의 폐열 회수 시스템의 측면도이다.
도 4는 도 1의 폐열 회수 시스템의 투과 사시도이다.
도 5는 도 1의 폐열 회수 시스템 중 수조 및 이에 연결된 부속설비를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 도 1의 폐열 회수 시스템에 균등화 수조를 추가한 도면이다.
도 7은 도 1의 폐열 회수 시스템의 시뮬레이션 모형을 나타낸 도면이다.
도 8은 도 1의 폐열 회수 시스템의 시뮬레이션 결과로서 속도 등고선을 나타낸 도면이다.
도 9은 도 1의 폐열 회수 시스템의 시뮬레이션 결과로서 온도 등고선을 나타낸 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 일 구현예에 따른 폐열 회수 시스템을 상세히 설명한다.
본 명세서에서, "유체 연통(fluid communication)"이란 2 이상의 부재가 이들 내부를 통해 유체가 흐를 수 있도록 연결된 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 폐열 회수 시스템(100)의 부분 투과 사시도이고, 도 2는 도 1의 폐열 회수 시스템(100)의 정면도이고, 도 3은 도 1의 폐열 회수 시스템(100)의 측면도이고, 도 4는 도 1의 폐열 회수 시스템(100)의 투과 사시도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 폐열 회수 시스템(100)은 폐열 회수 보일러(미도시), 폐열 공급 부재(110) 및 수조(120)를 포함한다.
상기 폐열 회수 보일러는 그 내부에 배기가스 유로(미도시) 및 상기 배기가스 유로 내에 서로 이격되게 배치된 복수개의 냉각 튜브(미도시)를 포함할 수 있다.
상기 각각의 냉각 튜브를 통해서 냉각수가 흐를 수 있다. 따라서, 상기 배기가스 유로를 통과한 배기가스는 상기 각각의 냉각 튜브와 접촉하여 냉각되고, 이와 동시에 상기 각각의 냉각 튜브의 내부로 흐르는 냉각수가 가열될 수 있다. 상기 가열된 냉각수는 온수 또는 스팀의 형태로 회수되어 인근 설비의 난방 등에 사용될 수 있다.
상기 폐열 회수 보일러는 후술하는 폐열 공급 부재(110)의 유출 덕트(113)의 상부에 설치되되, 유출 덕트(113)의 상부와 유체 연통되도록 구성될 수 있다.
폐열 공급 부재(110)는 서로 유체 연통된 메인 덕트(111), 유입 덕트(112) 및 유출 덕트(113)를 포함할 수 있다.
유입 덕트(112)는 메인 덕트(111)의 측부와 유체 연통되도록 구성될 수 있다.
유출 덕트(113)는 메인 덕트(111)의 상부와 유체 연통되도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 메인 덕트(111), 유입 덕트(112) 및 유출 덕트(113)는 서로 일체로 형성될 수 있다.
소각로, 용광로, 용해로, 화학공정 등에서 배출된 배기가스는 폐열 공급 부재(110)로 공급된 후, 그 중 대부분이 상기 폐열 회수 보일러로 유입되어 냉각 튜브와의 열교환에 의해 열을 빼앗겨 냉각되고, 이렇게 냉각된 상태에서 상기 폐열 회수 보일러를 떠날 수 있다.
상기 배기가스에는 분진이 함유되어 있는데, 이러한 분진은 저밀도, 고점착성 및 고수용성이라는 특징을 갖는다.
또한, 상기 분진이 폐열 회수 보일러 설비의 하단(즉, 폐열 공급 부재(110)의 하단)에 집중적으로 쌓이게 되면, 폐열 회수 보일러로 향하는 배기가스의 통로를 막음으로써 과다한 차압을 유발하게 되어 설비의 정상적인 운전이 불가능해지며, 특히 500℃ 이상의 고온 하에서는 이런 분진들의 처리가 매우 곤란해지게 된다.
또한, 상기 배기가스 중 일부는 후술하는 수조(120)로 유입되고, 이때 상기 배기가스에 함유된 분진이 중력에 의해 수조(120)로 낙하할 수 있다. 이와 같이 상기 배기가스에 함유된 분진 중 일부가 수조(120)로 낙하한 후 상기 폐열 회수 보일러의 가동 중에 수조(120)로부터 온라인으로 제거됨으로써 폐열 공급 부재(110) 내의 분진 축적을 방지하여 폐열 공급 부재(110)의 내부에서 발생하는 차압을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 상기 폐열 회수 보일러로 공급되는 분진량도 줄일 수 있어서, 상기 폐열 회수 보일러의 내부에 설치된 냉각 튜브들 사이의 공간이 분진으로 막히는 현상을 개선(예를 들어, 5~10% 개선)함과 동시에, 상기 냉각 튜브들의 표면이 분진으로 덮여 열전달 효율이 떨어지는 문제를 개선하여 상기 폐열 회수 보일러의 폐열 회수 성능을 개선하고 온수 또는 스팀 생산량을 증가시키며 폐열 회수 용량을 증가시키는 효과를 기대할 수 있다.
수조(120)는 이에 유입된 분진을 물과 혼합하여 수용액화하는 역할을 수행한다.
또한, 수조(120)는 폐열 공급 부재(110)와 유체 연통되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 수조(120)는 메인 덕트(111)의 하부와 유체 연통되도록 구성될 수 있다. 따라서, 수조(120)는 유입 덕트(112), 메인 덕트(111) 및 유출 덕트(113)를 차례로 통과하는 고온의 배기가스의 메인 스트림에서 벗어난 영역, 즉 데드존(dead zone)에 설치되어 고온의 영향을 덜 받을 수 있다.
만일, 폐열 회수 시스템(100)에 수조(120)가 설치되지 않는 경우에는 폐열 공급 부재(110) 내에 적체된 분진을 온라인으로 배출하는 것이 불가능해져서 내부 막힘이 발생하고 나서야 설비 전체를 셧다운하고 냉각한 후 그 내부에 들어가서 적체된 분진을 청소하여 바깥으로 배출해야 하므로, 그에 따른 경비 및 운전 정지 비용이 발생하는 문제점이 있다.
또한, 폐열 회수 시스템(100)은 폐열 공급 부재(110)에 배기가스에서 유래된 분진이 적체된 경우, 상기 적체된 분진을 수조(120)로 강제로 이송하도록 구성된 에어 블라스터(air blaster)(미도시)를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 에어 블라스터는 폐열 공급 부재(110)(예를 들어, 유입 덕트(112))에 적체된 분진에 압축공기를 분사하여 상기 적체된 분진을 수조(120)로 강제로 쓸어 담도록 구성될 수 있다.
또한, 폐열 회수 시스템(100)은 신축 이음 부재(flexible joint)(미도시)를 더 포함할 수 있다.
상기 신축 이음 부재는 메인 덕트(111)와 수조(120) 사이에 배치되어 이들을 서로 연결시키도록 구성될 수 있다. 이러한 신축 이음 부재는 메인 덕트(111)와 수조(120)의 열팽창시와 열수축시에 이들 열팽창과 열수축을 수용하여 메인 덕트(111)와 수조(120) 간의 긴밀한 연결을 상시 보장하는 역할을 수행한다.
또한, 폐열 회수 시스템(100)은 메인 덕트(111)와 수조(120) 사이에 분진 낙하 방해 부재(미도시)를 포함하지 않을 수 있다.
상기 분진 낙하 방해 부재는 상기 배기가스 중에 함유된 분진이 중력에 의해 메인 덕트(111)로부터 수조(120)로 낙하하는데 방해가 되는 일체의 부재를 의미한다. 예를 들어, 상기 분진 낙하 방해 부재는 전기 집진기, 필터 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
만일, 메인 덕트(111)와 수조(120) 사이에 분진 낙하 방해 부재가 설치되면, 점착성이 높은 분진이 상기 분진 낙하 방해 부재에 들러 붙어 분진 적체가 유발되고, 시간이 경과함에 따라 분진 적체가 누적되어 폐열 공급 부재(110)의 내부까지 분진 적체가 발생하여 수조(120)를 설치한 본래의 목적을 달성하지 못하는 문제점이 있다.
배기가스 공급 부재(100)의 형상 및 크기, 그리고 수조(120)의 형상 및 크기는 특별히 제한되는 것은 아니며, 도 1 내지 도 4에 예시되어 있다.
또한, 폐열 회수 시스템(100)은 수조(120)와 각각 유체 연통되도록 구성된 급수배관(L1), 배수배관(L2, L4) 및 순환배관(L3)을 더 포함할 수 있다.
급수배관(L1)은 수조(120)에 물을 공급하는 역할을 수행한다.
배수배관(L2)은 수조(120)로부터 액체(즉, 물과 분진의 혼합액)를 배출시키는 역할을 수행한다.
순환배관(L3)은 배수배관(L2)에서 분기된 것으로, 배수배관(L2)을 통해 흐르는 액체 중 일부를 수조(120)로 재순환시키는 역할을 수행한다.
배수배관(L4)은 배수배관(L2)을 통해 수조(120)로부터 배출된 액체 중 일부를 외부로 배출시켜 제거하는 역할을 수행한다.
또한, 폐열 회수 시스템(100)은 제1 유량 조절 밸브(V1) 및 제2 유량 조절 밸브(V2)를 더 포함할 수 있다.
제1 유량 조절 밸브(V1)는 급수배관(L1)에 설치되어 급수배관(L1)을 통해 수조(120)로 공급되는 물의 유량을 조절하는 역할을 수행한다.
제2 유량 조절 밸브(V2)는 순환배관(L3)에 설치되어 배수배관(L2)을 통해 수조(120)로부터 배출된 액체 중 순환배관(L3)을 통해 수조(120)로 재순환되는 액체의 유량을 조절하는 역할을 수행한다.
제1 유량 조절 밸브(V1) 및 제2 유량 조절 밸브(V2)는 글로브 밸브(globe valve)일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 폐열 회수 시스템(100)은 수위계(LT), 펌프(P) 및 제3 유량 조절 밸브(V3)를 더 포함할 수 있다.
수위계(LT)는 수조(120) 내에 충전된 액체의 높이를 측정하도록 구성될 수 있다.
펌프(P)는 수조(120)로부터 액체를 강제로 배출시키도록 구성될 수 있다.
제3 유량 조절 밸브(V3)는 펌프(P)의 후단으로서 순환배관(L3)의 후단에 설치되어 수위계(LT)의 신호에 따라 액체의 배출량을 조절하도록 구성될 수 있다. 제3 유량 조절 밸브(V3)를 통과한 액체는 배수배관(L4)을 통해 외부로 배출될 수 있다.
또한, 배수배관(L2) 및 순환배관(L3)에는 유량계(FT)가 각각 설치될 수 있다.
본 발명의 다른 구현예는 상술한 폐열 회수 시스템(100)을 이용하여 수행될 수 있는 폐열 회수 방법을 제공한다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 구현예에 따른 폐열 회수 방법을 상세히 설명한다.
상기 폐열 회수 방법은 500℃ 이상의 고온의 배기가스를 덕트 형상의 폐열 공급 부재(110)에 공급하는 단계(S10), 폐열 공급 부재(110)를 통과한 상기 배기가스 중의 일부를 폐열 회수 보일러(미도시)에 공급하여 폐열을 회수하는 단계(S20), 및 폐열 공급 부재(110)를 통과한 상기 배기가스 중의 나머지 일부를 수조(120)에 공급하는 단계(S30)를 포함한다.
상기 단계(S30)는 상기 배기가스에 포함된 분진 중의 일부를 분진 낙하 방해 부재(미도시)의 방해 없이 중력에 의해 수조(120)로 낙하시키도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 폐열 회수 방법은 수조(120) 내에 충전된 액체 중 탄산나트륨의 농도를 기준치(예를 들어, 10중량%) 이하로 유지시키는 단계(S40)를 더 포함할 수 있다.
상기 단계(S40)는 수조(120) 내에 물을 제1 유량(예를 들어, 10m3/hr)으로 공급하는 단계(S40-1), 수조(120) 내에 충전된 액체를 제2 유량(예를 들어, 60m3/hr)으로 배출시키는 단계(S40-2), 상기 단계(S40-2)에서 배출된 상기 액체 중 일부를 제3 유량(예를 들어, 50m3/hr)으로 수조(120)로 재순환시키는 단계(S40-3) 및 상기 단계(S40-2)에서 배출된 상기 액체 중 나머지 일부를 제4 유량(예를 들어, 10m3/hr)으로 수조(120)의 외부로 배출시키는 단계(S40-4)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 폐열 회수 방법은 수조(120) 내에 충전된 액체의 높이를 측정하는 단계(S50)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 단계(S40-4)의 상기 제4 유량은 상기 단계(S50)에서 측정된 수조(120) 내의 액체의 높이에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 수조(120)로 유입되는 배기가스의 양이나 온도가 증가할수록 수조(120)부터 증발되는 물의 함량이 증가하게 되는데, 이런 상황에 적절히 대처하기 위하여 상기 제4 유량을 감소시킬 수 있다.
도 6은 도 1의 폐열 회수 시스템(100)에 균등화 수조(130)를 추가한 도면이다.
도 6을 참조하면, 폐열 회수 시스템(100)은 균등화 수조(130)를 더 포함할 수 있다.
균등화 수조(130)는 수조(120)로부터 다량의 물이 일시적으로 증발하거나 누수로 인해 다량의 물이 배수되는 등의 비상상황에 적절하게 대처하기 위한 것으로, 그러한 비상상황하에서도 수조(120) 내에 물이 고갈되는 것을 방지하는 역할을 수행한다.
균등화 수조(130)는 수조(120)와 유체 연통되도록 구성될 수 있다. 이러한 균등화 수조(130)에는 물이 충전될 수 있다. 이 경우, 폐열 회수 시스템(100)은 균등화 수조(130)의 수압과 수조(120)의 액체 압력 간의 압력 차이에 따라 균등화 수조(130)로부터 수조(120)로 물이 공급되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 수조(120)와 균등화 수조(130)는 바닥끼리 균등화 배관(EQL)을 통해 유체 연통되게 연결되고, 상술한 압력 차이가 발생할 경우 균등화 배관(EQL)을 통해 균등화 수조(130)로부터 수조(120)로 물이 공급되고, 이어서 균등화 수조(130)에 설치된 수위계(LT)에서 측정된 수위 부족 신호에 따라 유량 조절 밸브(V4)가 작동되어 급수배관(L5)를 통해 물이 외부에서 균등화 수조(130)로 공급되어 균등화 수조(130)의 수위가 일정하게 유지될 수 있다. 예를 들어, 수조(120) 내에 충전된 액체의 온도는 80℃를 초과하고, 균등화 수조(130) 내에 충전된 물은 50℃ 미만일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 7은 도 1의 폐열 회수 시스템(100)의 시뮬레이션 모형을 나타낸 도면이고, 도 8은 도 1의 폐열 회수 시스템(100)의 시뮬레이션 결과로서 속도 등고선(velocity contour)을 나타낸 도면이고, 도 9은 도 1의 폐열 회수 시스템(100)의 시뮬레이션 결과로서 온도 등고선(temperature contour)을 나타낸 도면이다.
이하 도 7 내지 도 9을 참조하여, 도 1의 폐열 회수 시스템(100)을 이용하여 배기가스로부터 폐열을 회수하면서 수조(120)를 이용하여 온라인으로 적체 분진 및 낙하 분진을 제거하는 폐열 회수 방법을 시뮬레이션한 결과를 설명한다.
상기 시뮬레이션은 상용 CFD(Computational Fluid Dynamics) 소프트웨어(Fluent 2020 R1)를 사용하여 수행되었으며, 이에 적용된 기하학적 구조(geometry), 경계 조건(boundary condition) 및 셋업 조건은 다음과 같았다.
<기하학적 구조>
도 2에 도시된 바와 같이, d11을 3,883mm로 설정하고, d12를 3,200mm로 설정하고, d13을 2,882mm로 설정하고, d21을 1,752mm로 설정하고, d22를 3,441.5mm로 설정하고, d23을 850mm로 설정하고, d24를 950mm로 설정하였다.
또한 도 3에 도시된 바와 같이, d14를 793mm로 설정하고, d15를 1,885mm로 설정하였다.
또한, 폐열 공급 부재(110)의 재질을 125mm 두께의 내화재와 6mm 두께의 CS steel(carbon steel)로 구성된 복합재로 설정하고, 수조(120)의 재질을 6mm 두께의 SS steel(stainless steel)로 설정하였다.
또한, 내화재, CS steel 및 SS steel의 밀도, 열전도도 및 비열을 하기 표 1과 같이 설정하였다.
재료 밀도 열전도도 비열
kg/m3 (W/m·K) J/kg·K
내화재 1,150 0.3 700
CS steel 7,801 43 473
SS steel 7,850 14 490
또한, 풍속을 2.5m/s로 설정하고, 주위온도를 45℃로 설정하였다.
<경계 조건 >
폐열 공급 부재(110)로 공급되는 배기가스는 분자량을 26.61로 설정하고, 유량을 115,676kg/hr로 설정하고, 온도를 600℃로 설정하였다.
또한, 폐열 공급 부재(110)로부터 배출되는 배기가스는 압력을 70mbar(게이지 압력)로 설정하였다.
또한, 수조(120)에 연결된 급수배관(L1)은 내경을 1.5인치로 설정하고, 유량을 2ton/hr로 설정하고, 온도를 40℃로 설정하였다.
또한, 수조(120)에 연결된 배수배관(L2)은 내경을 3인치로 설정하고, 유량을 12ton/hr로 설정하였다.
또한, 수조(120)에 연결된 순환배관(L3)은 내경을 3인치로 설정하고, 유량을 10ton/hr로 설정하고, 온도를 60℃로 설정하였다.
또한, 수조(120)에 충전된 액체는 밀도를 1,150kg/m3으로 설정하고, 수위를 1,650mm로 설정하였다.
<셋업 조건>
도 7에 도시된 바와 같이 폐열 공급 부재(110)의 내부 공간에 해당하는 배기가스 유로를 다수의 메쉬로 나누어 시뮬레이션을 수행하였다(비대칭도: 0.84 이하). 셋업 조건을 정리하여 하기 표 2에 나타내었다.
Simulation set-up list Input parameter
Simulation type Transient
Turbulence model Realizable K-epsilon
Wall function Scalable wall functions
Two-phase model Mixture
Pressure-velocity coupling SIMPLE
Number of mesh elements Around 3 million
CFD S/W Fluent 2020 R1
Number of iterations Around 30,000
<시뮬레이션 결과>
도 8을 참조하면, 좌측 도면은 폐열 공급 부재(110)의 내부 공간에 해당하는 배기가스 유로를 통해 흐르는 배기가스의 속도 등고선을 나타낸 도면이고, 우측 도면은 좌측 도면의 사각형 점선 부분을 확대하여 도시한 도면이다. 도 8의 우측 도면에 도시된 바와 같이, 배기가스 중의 일부는 하방으로 흘러 수조(120)로 유입됨을 확인할 수 있다. 이 경우, 배기가스에 함유된 분진이 중력에 의해 수조(120)로 낙하하게 된다.
도 9을 참조하면, 폐열 공급 부재(110)로 600℃의 배기가스가 공급된 경우 폐열 공급 부재(110)를 통과하여 상부로 배출되는 배기가스의 온도는 594℃이고, 수조(120)에 충전된 액체 표면의 온도는 108℃임을 확인할 수 있다. 이와 같이 수조(120)에 충전된 액체 표면의 온도가 108℃에 불과하므로 수조(120)로부터 증발되는 물의 양이 과다하지 않을 뿐만 아니라 수조(120) 및 주변 설비의 열손상도 무시할만한 수준이다. 이러한 결과로부터, 폐열 회수 보일러에 500℃ 이상의 고온의 배기가스를 공급하여 폐열을 회수하는 경우에도, 차압 증가를 초래하는 분진을 제거하기 위한 폐열 회수 시스템(100)의 셧다운 없이, 폐열을 연속적으로 회수하면서 분진을 온라인으로 제거할 수 있음을 확인할 수 있다.
본 발명은 도면을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 구현예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 폐열 회수 시스템 110: 폐열 공급 부재
111: 메인 덕트 112: 유입 덕트
113: 유출 덕트 120: 수조
130: 균등화 수조 L1: 급수배관
L2, L4: 배수배관 L3: 순환배관
V1, V2, V3: 밸브 LT: 수위계
FT: 유량계 P: 펌프

Claims (15)

  1. 폐열 회수 시스템으로서, 상기 폐열 회수 시스템은,
    폐열 회수 보일러;
    상기 폐열 회수 보일러에 폐열을 공급하도록 구성된 폐열 공급 부재;
    상기 폐열 공급 부재와 유체 연통되도록 구성된 수조;
    상기 수조와 유체 연통되도록 구성된 균등화 수조;
    상기 수조와 각각 유체 연통되도록 구성된 급수배관, 배수배관 및 상기 배수배관에서 분기된 순환배관;
    상기 급수배관에 설치된 제1 유량 조절 밸브 및 상기 순환배관에 설치된 제2 유량 조절 밸브; 및
    상기 수조 내에 충전된 액체의 높이를 측정하도록 구성된 수위계, 상기 수조로부터 액체를 배출시키도록 구성된 펌프 및 상기 펌프의 후단으로서 상기 순환배관의 후단에 설치되어 상기 수위계의 신호에 따라 액체의 배출량을 조절하도록 구성된 제3 유량 조절 밸브를 포함하고,
    상기 수조는 이에 유입된 분진을 물과 혼합하여 수용액화하도록 구성되고,
    상기 폐열 회수 시스템은 상기 수조 내에 충전된 액체 중 탄산나트륨의 농도를 기준치 이하로 유지시키도록 구성되고,
    상기 폐열 회수 시스템은 상기 균등화 수조의 수압과 상기 수조의 액체 압력 간의 압력 차이에 따라 상기 균등화 수조로부터 상기 수조로 물이 공급되도록 구성되는 폐열 회수 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 폐열 회수 보일러는 배기가스 유로 및 상기 배기가스 유로 내에 서로 이격되게 배치된 복수개의 냉각 튜브를 포함하는 폐열 회수 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 폐열 공급 부재는 메인 덕트, 유입 덕트 및 유출 덕트를 포함하고, 상기 유입 덕트는 상기 메인 덕트의 측부와 유체 연통되도록 구성되고, 상기 유출 덕트는 상기 메인 덕트의 상부와 유체 연통되도록 구성되고, 상기 수조는 상기 메인 덕트의 하부와 유체 연통되도록 구성된 폐열 회수 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 폐열 공급 부재에 배기가스에서 유래된 분진이 적체된 경우, 상기 적체된 분진을 상기 수조로 강제로 이송하도록 구성된 에어 블라스터를 더 포함하는 폐열 회수 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 메인 덕트와 상기 수조 사이에 배치되어 이들을 서로 연결시키도록 구성된 신축 이음 부재를 더 포함하는 폐열 회수 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 메인 덕트와 상기 수조 사이에 분진 낙하 방해 부재를 포함하지 않는 폐열 회수 시스템.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 500℃ 이상의 고온의 배기가스를 덕트 형상의 폐열 공급 부재에 공급하는 단계(S10);
    상기 폐열 공급 부재를 통과한 상기 배기가스 중의 일부를 폐열 회수 보일러에 공급하여 폐열을 회수하는 단계(S20);
    상기 폐열 공급 부재를 통과한 상기 배기가스 중의 나머지 일부를 수조에 공급하는 단계(S30);
    상기 수조 내에 충전된 액체 중 탄산나트륨의 농도를 기준치 이하로 유지시키는 단계(S40);
    상기 수조 내에 충전된 액체의 높이를 측정하는 단계(S50); 및
    상기 수조로부터 다량의 물이 일시적으로 증발하거나 누수로 인해 다량의 물이 배수되는 비상상황에서 상기 수조와 유체 연통된 균등화 수조로부터 상기 균등화 수조의 수압과 상기 수조의 액체 압력 간의 압력 차이에 따라 상기 수조에 물을 공급하는 단계를 포함하고,
    상기 수조는 이에 유입된 분진을 물과 혼합하여 수용액화하도록 구성되고,
    상기 단계(S40)는 상기 수조 내에 물을 제1 유량으로 공급하는 단계(S40-1), 상기 수조 내에 충전된 액체를 제2 유량으로 배출시키는 단계(S40-2), 상기 단계(S40-2)에서 배출된 상기 액체 중 일부를 제3 유량으로 상기 수조로 재순환시키는 단계(S40-3) 및 상기 단계(S40-2)에서 배출된 상기 액체 중 나머지 일부를 제4 유량으로 상기 수조의 외부로 배출시키는 단계(S40-4)를 포함하고,
    상기 단계(S40-4)의 상기 제4 유량은 상기 단계(S50)에서 측정된 상기 수조 내의 액체의 높이에 따라 결정되는 폐열 회수 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 단계(S30)는 상기 배기가스에 포함된 분진 중의 일부를 분진 낙하 방해 부재의 방해 없이 중력에 의해 상기 수조로 낙하시키도록 구성된 폐열 회수 방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
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