KR102495908B1 - 암모니아 기화기 - Google Patents

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KR102495908B1
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Abstract

본 발명은 암모니아 기화기에 관한 것으로, 암모니아 개질기에서 배출되는 연소가스 폐열과 합성가스 폐열을 이용하여 액상 암모니아를 기화하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 암모니아 기화기는 액상 암모니아가 암모니아 가스로 기화되는 내부 공간을 갖는 수직관 형상의 기화기 본체; 상기 기화기 본체의 내부 공간으로 액상 암모니아를 공급하는 액상 암모니아 공급부; 암모니아 개질기에서 배출되는 연소가스 폐열과 합성가스 폐열을 각각 상기 기화기 본체에 공급하여, 상기 기화기 본체에 공급된 액상 암모니아를 기화시켜 암모니아 가스를 생성하는 듀얼 열교환부; 및 생성된 암모니아 가스를 상기 기화기 본체 밖으로 배출하는 암모니아 가스 배출부;를 포함한다.

Description

암모니아 기화기{Ammonia solution vaporizer}
본 발명은 암모니아 기화기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 암모니아 개질기에서 배출되는 연소가스 폐열과 합성가스 폐열을 이용하여 액상 암모니아를 기상으로 기화하는 암모니아 기화기에 관한 것이다.
일반적으로 암모니아는 열처리공정, 냉동창고의 냉매, 발전소 및 소각장 등의 중화용으로 널리 사용되고 있으며, 최근에는 반도체나 LED 제조공정용 특수가스로써 그 수요가 급격히 늘어나고 있다.
반도체나 LED 제조공정에서 사용되는 암모니아의 경우, 높은 순도가 요구되는 바, 암모니아 가스를 생성하고, 생성된 암모니아 가스를 장비로 공급하는데 많은 주의가 요구된다.
일반적으로 암모니아는 액상 으로 저장되고 이러한 액상 암모니아를 암모니아 가스를 생성하는 장비로는 암모니아 기화기가 사용될 수 있다. 암모니아 기화기는 액상 암모니아를 기화시키는 장치이다.
액상 암모니아의 기화에는 열이 필요하고, 열원으로 증기식 가스 가열기(Steam Gas Heater) 또는 버너(Burner)를 사용된다. 이때 많은 양의 LPG 또는 증기(Steam)가 사용된다.
이와 같이 기존의 암모니아 기화기는 열원으로 LPG나 증기를 사용하기 때문에, 암모니아 가스의 생산에 많은 운영비가 소요되는 문제점을 안고 있다.
등록특허공보 제10-2161113호 (2020.09.29. 공고)
따라서 본 발명의 목적은 액상 암모니아를 기화시키기 위한 열량을 공정 폐열을 활용함으로써 암모니아 가스의 생산에 소요되는 비용을 줄일 수 있는 암모니아 기화기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 액상 암모니아를 효과적으로 기화시킬 수 있는 암모니아 기화기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 안정되면서 안전하게 기화된 암모니아 가스를 생성할 수 있는 암모니아 기화기를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 액상 암모니아가 암모니아 가스로 기화되는 내부 공간을 갖는 수직관 형상의 기화기 본체; 상기 기화기 본체의 내부 공간으로 액상 암모니아를 공급하는 액상 암모니아 공급부; 암모니아 개질기에서 배출되는 연소가스 폐열과 합성가스 폐열을 각각 상기 기화기 본체에 공급하여, 상기 기화기 본체에 공급된 액상 암모니아를 기화시켜 암모니아 가스를 생성하는 듀얼 열교환부; 및 생성된 암모니아 가스를 상기 기화기 본체 밖으로 배출하는 암모니아 가스 배출부;를 포함하는 암모니아 기화기를 제공한다.
상기 듀얼 열교환부는, 상기 연소가스 폐열을 상기 기화기 본체의 내부 공간에 공급하여 상기 액상 암모니아와 열교환을 수행하는 제1 열교환부; 및 상기 합성가스 폐열을 상기 기화 본체의 내부 공간에 공급하여 상기 액상 암모니아와 열교환을 수행하는 제2 열교환부;를 포함한다.
상기 듀얼 열교환부는, 상기 제1 열교환부로 상기 암모니아 개질기에서 배출되는 상기 연소가스 폐열을 공급한 후, 상기 암모니아 개질기에서 상기 합성가스 폐열이 발생되면 상기 제2 열교환부로 상기 합성가스 폐열을 공급할 수 있다.
상기 제1 및 제2 열교환부는 각각, 상기 기화기 본체의 하부에서 상부로 수직 방향으로 설치되는 케틀 타입(kettle type)의 다중 열교환관;을 포함한다.
상기 기화기 본체는, 상부에 개방부가 형성된 관 형으로, 상기 액상 암모니아 공급부, 상기 듀얼 열교환부 및 상기 암모니아 가스 배출부가 연결되는 메인 본체; 상기 개방부를 덮는 본체 커버; 및 상기 메인 본체의 외측면에 설치되어 상기 메인 본체를 지지하는 복수의 지지대;를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 암모니아 기화기는, 상기 본체 커버에 설치되어 상기 기화기 본체 내의 액상 암모니아의 레벨을 검출하는 액상 암모니아 레벨 센서; 상기 본체 커버에 설치되어 상기 기화기 본체 내부의 압력을 검출하는 압력 센서; 및 상기 본체 커버에 설치되어 상기 기화기 본체 내부의 압력이 임계 압력을 초과하면 상기 기화기 본체 내부의 암모니아 가스를 버퍼 탱크로 배출하여 상기 기화기 본체 내부의 압력을 임계 압력 이하로 조절하는 압력 안전 밸브;를 더 포함할 수 있다.
상기 액상 암모니아 공급부는 상기 액상 암모니아 레벨 센서에서 검출된 값에 따라 상기 기화기 본체로 공급되는 액상 암모니아의 양을 조절할 수 있다.
상기 듀얼 열교환부는 상기 압력 센서에서 검출된 값에 따라 상기 기화기 본체로 공급되는 연소가스 폐열 또는 합성가스 폐열의 유량을 조절할 수 있다.
상기 메인 본체는, 하부에 상기 듀얼 열교환부가 연결되고, 상기 듀얼 열교환부의 상부에 상기 액상 암모니아 공급부가 연결되고, 상기 액상 암모니아 공급부의 상부에 상기 암모니아 가스 배출부가 연결되되, 상기 메인 본체에 공급되는 액상 암모니아의 최대 레벨보다는 위쪽에 상기 암모니아 가스 배출부가 연결될 수 있다.
그리고 상기 액상 암모니아 공급부는, 상기 다중 열교환관이 상기 액상 암모니아에 의해 잠기는 높이가 30 내지 50mm이 되도록 상기 액상 암모니아의 레벨을 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 암모니아 기화기는 암모니아 개질기에서 배출되는 공정 폐열을 활용하여 액상 암모니아를 기화시켜 암모니아 가스를 생성한다. 즉 암모니아 개질기에서 배출되는 연소가스 폐열과 합성가스 폐열을 이용하여 액상 암모니아를 기화시킨다.
이와 같이 본 발명에 암모니아 기화기는 열원으로 암모니아 개질기에서 배출되는 공정 폐열을 활용하기 때문에, 암모니아 가스의 생산에 소요되는 비용을 줄일 수 있다.
본 발명에 따른 암모니아 기화기는 연소가스 폐열과 합성가스 폐열이 각각 케틀 타입(kettle type)의 다중 열교환관을 통하여 액상 암모니아를 기화시키기 때문에, 액상 암모니아를 효과적으로 기화시킬 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 암모니아 기화기는 생상되는 암모니아 가스의 양과, 암모니아 가스 생산에 따른 기화기 본체의 압력에 따라 액상 암모니아 및 공정 폐열의 공급량을 조절함으로써, 안정되면서 안전하게 기화된 암모니아 가스를 생성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 암모니아 기화기를 보여주는 개략도이다.
도 2는 도 1의 암모니아 기화기를 보여주는 도면이다.
도 3은 도 1의 제1 열교환부를 보여주는 도면이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
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 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 암모니아 기화기를 보여주는 개략도이다. 도 2는 도 1의 암모니아 기화기를 보여주는 도면이다. 그리고 도 3은 도 1의 제1 열교환부를 보여주는 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 암모니아 기화기(100)는 열원으로 암모니아 개질기에서 배출되는 공정 폐열을 활용하여 액상 암모니아를 기화시켜 암모니아 가스를 생성하는 장치이다. 공정 폐열로는 암모니아 개질기에서 배출되는 연소가스 폐열과 합성가스 폐열이 사용된다.
이러한 본 실시예에 따른 암모니아 기화기(100)는 수직관 형상의 기화기 본체(10), 액상 암모니아 공급부(50), 듀얼 열교환부(60), 및 암모니아 가스 배출부(81)를 포함한다. 기화기 본체(10)는 액상 암모니아가 암모니아 가스로 기화되는 내부 공간(13)을 갖는다. 액상 암모니아 공급부(50)는 기화기 본체(10)의 내부 공간(13)으로 액상 암모니아를 공급한다. 듀얼 열교환부(60)는 암모니아 개질기에서 배출되는 연소가스 폐열과 합성가스 폐열을 각각 기화기 본체(10)에 공급하여, 기화기 본체(10)에 공급된 액상 암모니아를 기화시켜 암모니아 가스를 생성한다. 그리고 암모니아 가스 배출부(81)는 생성된 암모니아 가스를 기화기 본체(10) 밖으로 배출한다.
이와 같은 본 실시예에 따른 암모니아 기화기(100)에 대해서 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
기화기 본체(10)는 수직관 형상을 가지며, 원통관으로 구현될 수 있다. 이러한 기화기 본체(10)는 메인 본체(20), 본체 커버(30) 및 복수의 지지대(40)를 포함할 수 있다. 메인 본체(20)는 상부에 개방부(21)가 형성된 관 형으로, 액상 암모니아 공급부(50), 듀얼 열교환부(60) 및 암모니아 가스 배출부(81)가 연결된다. 본체 커버(30)는 개방부(21)를 덮는다. 그리고 복수의 지지대(40)는 메인 본체(20)의 외측면에 설치되어 메인 본체(20)를 지지한다.
메인 본체(20)는 하부에 듀얼 열교환부(60)가 연결된다. 메인 본체(20)는 듀얼 열교환부(60)의 상부에 액상 암모니아 공급부(50)가 연결된다. 메인 본체(20)는 액상 암모니아 공급부(50)의 상부에 암모니아 가스 배출부(81)가 연결된다. 메인 본체(20)는 메인 본체(20)에 공급되는 액상 암모니아의 최대 레벨보다는 위쪽에 암모니아 가스 배출부(81)가 연결된다.
이러한 메인 본체(20)는 액상 암모니아 공급부(50)가 연결되는 액상 암모니아 공급단(22), 암모니아 가스 배출부(81)가 연결되는 암모니아 가스 배출단(22), 제1 액상 암모니아 온도 센서(89)가 설치되는 제1 온도 센서 설치단(24), 제2 액상 암모니아 온도 센서(91)가 설치되는 제2 온도 센서 설치단(25), 및 암모니아 가스 온도 센서(93)가 설치되는 제3 온도 센서 설치단(26)이 형성되어 있다.
제1 온도 센서 설치단(24)은 듀얼 열교환부(60)의 제1 열교환부(61)의 부근에 설치될 수 있다. 제2 온도 센서 설치단(25)은 듀얼 열교환부(60)의 제2 열교환부(71)의 부근에 설치될 수 있다.
제3 온도 센서 설치단(26)은 암모니아 가스 배출단(22)이 설치되는 영역에 설치될 수 있다. 예컨대 제3 온도 센서 설치단(26)은 암모니아 가스 배출단(22)의 맞은 편에 설치될 수 있다.
제1 액상 암모니아 온도 센서(89) 및 제2 액상 암모니아 온도 센서(91)는 메인 본체(20)에 담긴 액상 암모니아의 온도를 검출한다. 액상 암모니아의 기화는 듀얼 열교환부(60)에서 이루어지기 때문에, 듀얼 열교환부(60) 부근의 액상 암모니아의 온도를 모니터링함으로써, 액상 암모니아의 기화 여부를 확인할 수 있다. 따라서 제1 액상 암모니아 온도 센서(89)는 제1 열교환부(61)의 부근에 설치되어 제1 열교환부(61) 부근의 액상 암모니아의 온도를 검출한다. 제2 액상 암모니아 온도 센서(91)는 제2 열교환부(71)의 부근에 설치되어 제2 열교환부(71) 부근의 액상 암모니아의 온도를 검출한다.
암모니아 가스 온도 센서(93)는 메인 본체(20)의 상부로 모인 암모니아 가스의 온도를 검출한다.
메인 본체(20)는 하단부에 듀얼 열교환부(60)가 설치된다. 예컨대 듀얼 열교환부(60)는 메인 본체(20)의 외측면의 하단부에 연결되게 설치되거나, 메인 본체(20)의 바닥면에 연결되게 설치될 수 있다. 본 실시예에서는 메인 본체(20)의 바닥면에 연결되게 듀얼 열교환부(60)가 설치된 예를 개시하였다.
본체 커버(30)는 메인 본체(20)의 개방부(21)를 덮으며, 메인 본체(20)와 함께 내부 공간(13)을 형성한다. 이러한 본체 커버(30)는 위로 볼록한 돔 형태를 가질 수 있다.
본체 커버(30)는 레벨 센서 설치단(31), 압력 센서 설치단(32), 안전 밸브 설치단(33) 및 벤트 설치단(34)을 포함할 수 있다. 레벨 센서 설치단(31)에는 액상 암모니아 레벨 센서(83)가 설치된다. 압력 센서 설치단(32)에는 압력 센서(85)가 설치된다. 안전 밸브 설치단(33)에는 압력 안전 밸브(87)(pressure safety valve; PSV)가 설치된다. 그리고 벤트 설치단(34)에는 기화기 본체(10)에 잔류하는 암모니아 가스를 배출하는 벤트부가 연결된다.
액상 암모니아 레벨 센서(83)는 기화기 본체(10)에 담긴 액상 암모니아 레벨을 검출한다.
압력 센서(85)는 기화기 본체(10) 내부의 압력을 검출한다. 여기서 압력은 기화기 본체(10) 내에서 액상 암모니아 위에 모인 암모니아 가스의 양에 의해 결정되기 때문에, 기화기 본체(10) 내의 암모니아 가스의 양에 비례하는 압력이다.
압력 안전 밸브(87)는 기화기 본체(10) 내부의 압력이 임계 압력을 초과하면, 기화기 본체(10) 내부의 암모니아 가스를 버퍼 탱크로 배출하여 기화기 본체(10) 내부의 압력을 임계 압력 이하로 조절하는 밸브이다. 즉 압력 안전 밸브(87)는 기화기 본체(10) 내부의 압력 이상으로 인한 기화기 본체(10)의 균열이나 폭발 등과 같은 손상으로 암모니아 가스 또는 액상 암모니아가 외부로 누출되는 것을 방지하는 밸브이다. 여기서 버퍼 탱크는 기화기 본체(10)의 내부 압력 이상 시, 압력 안전 밸브(87)를 통하여 배출되는 암모니아 가스를 임시 저장할 수 있는 탱크이다.
듀얼 열교환부(60)는 제1 열교환부(61)와 제2 열교환부(71)를 포함한다. 제1 열교환부(61)는 연소가스 폐열을 기화기 본체(10)의 내부 공간(13)에 공급하여 액상 암모니아와 열교환을 수행한다. 제2 열결관부(71)는 합성가스 폐열을 기화기 본체(10)의 내부 공간(13)에 공급하여 액상 암모니아와 열교환을 수행한다.
제1 및 제2 열교환부(61,71)는 각각 기화기 본체(10)의 하부에서 상부로 수직 방향으로 설치되는 케틀 타입(kettle type)의 다중 열교환관(62,72)을 포함한다. 즉 제1 열교환부(61)는 제1 다중 열교환관(62)을 포함하고, 제2 열교환부(71)는 제2 다중 열교환관(72)을 포함한다.
이와 같이 본 실시예에 따른 듀얼 열교환부(60)는 다중 열교환관(62,72)을 포함하기 때문에, 다중 열교환관(62,72)으로 공정 폐열을 다중으로 균일하게 분배할 수 있다. 이로 인해 본 실시예에 따른 듀얼 열교환부(60)는 공정 폐열과 액상 암모니아 간에 열교환 효율을 높임으로써, 액상 암모니아의 기화율을 높일 수 있다.
제1 및 제2 다중 열교환관(62,72)은 기화기 본체(10) 내에서 기화기 본체(10)의 길이 방향으로 서로 마주보게 설치될 수 있다.
이때 암모니아 개질기는 구동 시 연소가스 폐열이 먼저 발생되고, 이후에 합성가스 폐열이 발생된다. 따라서 듀얼 열교환부(60)는 제1 열교환부(61)를 통하여 암모니아 개질기에서 배출되는 연소가스 폐열을 기화기 본체(10) 내부로 공급한 후, 암모니아 개질기에서 합성가스 폐열이 발생되면 제2 열교환부(71)를 통하여 합성가스 폐열을 기화기 본체(10) 내부로 공급하여 열교환을 수행한다.
여기서 제1 및 제2 열교환부(61,71)은 공급되는 열원에 차이가 있을 뿐 동일한 구조를 갖기 때문에, 제1 열교환부(61)를 중심으로 설명하면 다음과 같다.
제1 열교환부(61)는 입출력실(68)과, 입출력실(68)의 상부에 연결된 제1 다중 열교환관(62)을 포함한다.
입출력실(68)은 연소가스 폐열이 공급되는 입력실(68a)과, 열교환된 연소가스 폐열이 배출되는 출력실(68b)을 포함한다. 입력실(68a)에는 연소가스 폐열을 입력하는 제1 입력단(63)이 형성되어 있다. 출력실(68b)에는 열교환된 연소가스 폐열을 출력하는 제1 출력단(64)이 형성되어 있다. 입출력실(68)은 입력실(68a)과 출력실(68b)을 분리하는 격벽(68c)을 포함한다. 입출력실(68)은 하부에 입출력실(68)로 공급된 연소가스 중에 있는 물 등을 배출하는 배출단(69)이 하부에 형성되어 있다.
그리고 제1 다중 열교환관(62)은 각각 영문자 U 자형의 관으로, 일단은 입력실(68a)에 연결되고, 타단은 출력실(68b)에 연결된다.
제1 열교환부(61)는 제1 다중 열교환관(62)을 지지하는 복수의 제1 지지링(65)을 더 포함할 수 있다. 복수의 제1 지지링(65)은 제1 다중 열교환관(62)의 길이 방향을 따라서 일정 간격으로 형성될 수 있다. 복수의 제1 지지링(65)의 위치를 고정할 수 있도록, 복수의 제1 지지링(65)은 제1 다중 열교환관(62)의 길이 방향으로 설치된 고정대(65a)를 매개로 고정될 수 있다.
제1 열교환부(61)는 입출력실(68)과 제1 다중 열교환관(62)의 하단부가 기화기 본체(10) 밖에 위치하고, 나머지 제1 다중 열교환관(62)이 기화기 본체(10)의 내부 공간(13)에 설치된다.
한편, 제1 열교환부(61)는 상기 액체 암모니아의 상변화량(기화량), 상기 액체 암모니아의 기화에 사용되는 폐열 가스의 온도 조건,암모니아 가스의 온도 조건 등과 같은 기화기 설계에 필요한 조건에 따라 설계될 수 있고, 예시적으로는 아래와 같이 설계될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 상기와 같은 조건 등에 따라 예시적인 설계안으로 입출력실(68)은12.7mm의 외경을 갖을 수 있고, 제1 다중 열교환관(62)은 28개일 수 있으며, 제1 다중 열교환관(62)은 각각, 1.65mm의 두께, 9.4mm의 내경, 1050mm의 길이를 가질 수 있다.
제2 열교환부(71)는, 제1 열교환부(61)와 동일하게, 입출력실(68)과, 입출력실(68)의 상부에 연결된 제2 다중 열교환관(72)을 포함한다. 입출력실(68)에는 합성가스 폐열이 입력되는 제2 입력단(73)이 입력실에 형성되어 있고, 합성가스 폐열을 배출하는 제2 출력단(74)이 출력실에 형성되어 있다. 제2 열교환부(71)은 복수의 제2 지지링를 더 포함할 수 있다.
제1 열교환부(61)는 제어 밸브(66)(control valve; CV)와 압력 제어 밸브(67)(pressure control valve; PCV)를 더 포함할 수 있다.
제어 밸브(66)는 제1 입력단(63)에 연결되는 연소가스 폐열 공급관(63a)에 설치되어, 제1 입력단(63)으로의 연소가스 폐열의 공급을 개폐한다.
압력 제어 밸브(67)는 제1 열교환부(61)로 공급되는 연소가스 폐열의 유량을 제어한다. 압력 제어 밸브(67)는 연소가스 폐열 공급관(63a)과 연소가스 폐열 배출관(64a)을 연결하는 바이패스 관(64b)에 설치된다. 바이패스 관(64b)은 연소가스 폐열이 제어 밸브(66)로 공급되기 전에 연소가스 폐열 배출관(64a)으로 바이패스 시킨다.
듀얼 열교환부(60)는 압력 센서(85)에서 검출된 값에 따라 기화기 본체(10)로 공급되는 연소가스 폐열의 유량을 압력 제어 밸브(67)를 통하여 조절할 수 있다. 즉 기본적으로 제어 밸브(66)를 개방한 상태에서, 압력 제어 밸브(67)의 연소가스 폐열의 유량을 제어하여 기화기 본체(10)로 연소가스 폐열의 공급량을 제어한다.
만약 기화기 본체(10)의 압력이 설정된 임계 압력을 초과하게 되면, 폭발하는 문제가 발생될 수 있다. 따라서 압력 센서(85)에서 검출된 값이 임계 압력에 도달하게 되면, 제어 밸브(66)를 닫아 기화기 본체(10)로 연소가스 폐열이 공급되는 것을 차단한다. 그리고 압력 제어 밸브(67)의 유량 제어를 통하여 연소가스 폐열을 바이패스 관(64b)을 통하여 연소가스 폐열 배출관(64a)으로 바이패스 시킨다.
이와 같이 압력 제어 밸브(67)는 압력 센서(85)로 검출한 기화기 본체(10)의 압력을 기준으로 연소가스 폐열의 유량을 조절함으로써, 기화기 본체(10) 내부로 공급되는 열량을 조절할 수 있다. 이로 인해 기화기 내 액상 암모니아가 암모니아 가스로 기화되는 양을 조절함으로써, 기화기 본체(10)의 압력을 임계 압력 이하로 조절할 수 있다.
한편 본 실시예에서는 제1 열교환부(61)에 압력 제어 밸브(67)를 설치하는 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 제2 열교환부(71)에 압력 제어 밸브(67)를 설치할 수 있다. 또는 제1 및 제2 열교환부(61,71)에 각각 압력 제어 밸브(67)를 설치할 수 있다.
복수의 지지대(40)는 기화기 본체(10)를 지면(설치면) 위로 띄워서 설치한다. 지면과 기화기 본체(10) 사이의 공간을 활용하여, 기화기 본체(10)의 하부에 듀얼 열교환부(60)를 설치한다.
액상 암모니아 공급부(50)는 기화기 본체(10)로 액상 암모니아를 공급한다. 이러한 액상 암모니아 공급부(50)는 액상 암모니아를 저장하는 액상 암모니아 탱크(51)와, 액상 암모니아 탱크(51)에 저장된 액상 암모니아를 기화기 본체(10)로 공급하는 액상 암모니아 공급 펌프(53)를 포함한다.
예컨대 액상 암모니아 공급 펌프(53)는 0.5 MpaG 내지 1.5 MpaG의 공급 압력으로 액상 암모니아를 공급할 수 있다. 여기서 공급 압력은 기화기 본체(10)의 용량에 따라서 변경될 수 있다.
액상 암모니아 공급부(50)는 액상 암모니아 레벨 센서(83)에서 검출된 값에 따라 기화기 본체(10)로 공급되는 액상 암모니아의 양을 조절한다. 즉 기화기 본체(10)의 액상 암모니아 레벨이 설정 레벨보다 낮아지면, 액상 암모니아 공급 펌프(53)가 작동하여 액상 암모니아를 기화기 본체(10)로 공급한다. 반대로 기화기 본체(10)의 액상 암모니아 레벨이 임계 레벨에 도달하게 되면 액상 암모니아 공급 펌프(53)의 동작을 정지시킨다.
이와 같이 액상 암모니아 레벨 센서(83)에서 검출한 액상 암모니아 레벨을 이용하여 기화기 본체(10)에 공급되는 액상 암모니아의 공급량을 제어함으로써, 기화기 본체(10) 내에서의 액상 암모니아의 레벨을 일정하게 유지할 수 있다. 이로 인해 본 실시예에 따른 암모니아 기화기(100)는 안정되면서 안전하게 액상 암모니아를 기화시켜 암모니아 가스를 생산할 수 있다.
액상 암모니아 공급부(50)는 다중 열교환관(62,72)이 액상 암모니아에 의해 잠기는 높이가 30 내지 50mm이 되도록 액상 암모니아 레벨을 조절할 수 있다. 다중 열교환관(62,72)이 액상 암모니아 밖으로 노출될 경우, 다중 열교환관(62,72)에서 공급되는 열에 의해 암모니아 가스가 팽창하여 기화기 본체(10) 내의 압력이 상승할 수 있다. 따라서 다중 열교환관(62,72)은 액상 암모니아에 잠길 수 있도록 기화기 본체(10) 내에서의 액상 암모니아 레벨을 유지할 필요가 있다.
반대로 액상 암모니아 레벨이 다중 열교환관(62,72) 보다 너무 높은 경우, 액상 암모니아를 기화시키는데 필요 이상의 많은 열이 필요할 수 있다.
따라서 액상 암모니아 공급부(50)는 다중 열교환관(62,72)이 액상 암모니아에 의해 잠기는 높이가 30 내지 50mm이 되도록 액상 암모니아 레벨을 조절하는 것이 바람직하다.
기화기 본체(10)의 내부 공간(13)은 액상 암모니아가 담긴 액상 암모니아 영역과, 액상 암모니아 영역 상부의 암모니아 가스가 포집되는 암모니아 가스 영역으로 구분할 수 있다. 액상 암모니아 영역의 액상 암모니아 레벨은 본체 커버(30)에 설치된 액상 암모니아 레벨 센서(83)로 검출한다. 암모니아 가스 영역의 압력은 본체 커버(30)에 설치된 압력 센서(85)로 검출한다.
액상 암모니아에서 기화된 암모니아 가스가 암모니아 가스 영역에 모일 수 있도록, 액상 암모니아 영역 대비 암모니아 가스 영역을 확보할 필요가 있다. 액상 암모니아 영역과 암모니아 가스 영역의 비율은 기화기 본체(10)의 크기에 따라서 적절하게 설정될 수 있다.
이와 같은 본 실시예에 따른 암모니아 기화기(100)를 이용하여 액상 암모니아를 암모니아 가스로 기화하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저 액상 암모니아 공급부(50)가 기화기 본체(10) 내부로 액상 암모니아를 공급한다. 이때 액상 암모니아 공급부(50)는 듀얼 열교환부(60)의 다중 열교환관(62,72)이 잠길 정도로 액상 암모니아를 기화기 본체(10) 내부로 공급한다. 액상 암모니아 공급부(50)는 기화기 본체(10) 내에서 액상 암모니아 레벨이 적정 수준을 유지할 수 있도록, 액상 암모니아 레벨 센서(83)에서 검출된 값에 따라 기화기 본체(10)로 공급되는 액상 암모니아의 양을 조절한다.
다음으로 듀얼 열교환부(60)로 암모니아 개질기에서 발생되는 공정 폐열을 공급하여 기화기 본체(10)에 담긴 액상 암모니아를 기화시켜 암모니아 가스를 생성한다.
이때 암모니아 개질기는 구동 시 연소가스 폐열이 먼저 발생되고, 이후에 합성가스 폐열이 발생된다.
따라서 듀얼 열교환부(60)는 제1 열교환부(61)를 통하여 암모니아 개질기에서 배출되는 연소가스 폐열을 기화기 본체(10) 내부로 먼저 공급한다. 그리고 듀얼 열교환부(60)는 암모니아 개질기에서 합성가스 폐열이 발생되면, 제2 열교환부(71)를 통하여 합성가스 폐열을 기화기 본체(10) 내부로 공급하여 열교환을 수행한다.
생성된 암모니아 가스는 기화기 본체(10)의 상부로 이동한다.
이때 듀얼 열교환부(60)는 압력 센서(85)에서 검출된 값에 따라 기화기 본체(10)로 공급되는 연소가스 폐열의 유량을 압력 제어 밸브(67)를 이용하여 조절한다. 즉 기화기 본체(10)는 액상 암모니아를 암모니아 가스로 전환시키는 과정에 필요한 열을 외부로부터 공급받아야 하므로, 공급되는 액상 암모니아의 양과 외부에서 전달되는 공정 폐열의 양의 균형이 중요하다.
균형이 맞지 않는 경우, 생성되는 암모니아 가스의 양이 부족하거나 반대로 많을 수 있다. 암모니아 가스가 과량으로 생성될 경우, 기화기 본체(10)의 압력이 필요 이상으로 증가하는 문제가 발생할 수 있다.
따라서 압력 제어 밸브(67)는 압력 센서(85)에서 검출된 기화기 본체(10)의 압력을 기준으로 제1 열교환부(61)로 공급되는 연소가스 폐열의 유량을 조절함으로써, 안정되면서 안전하게 기화된 암모니아 가스를 생성할 수 있다.
그리고 암모니아 가스 배출부(81)는 기화기 본체(10)의 상부로 모인 암모니아 가스를 기화기 본체(10) 밖으로 배출한다.
이와 같이 본 실시예에 따른 암모니아 기화기(100)는 암모니아 개질기에서 배출되는 공정 폐열을 활용하여 액상 암모니아를 기화시켜 암모니아 가스를 생성한다. 즉 암모니아 개질기에서 배출되는 연소가스 폐열과 합성가스 폐열을 이용하여 액상 암모니아를 기화시킨다.
본 실시예에 따른 암모니아 기화기(100)는 열원으로 암모니아 개질기에서 배출되는 공정 폐열을 활용하기 때문에, 액상 암모니아를 기상으로 생산에 소요되는 비용을 줄일 수 있다.
본 실시예에 따른 암모니아 기화기(100)는 연소가스 폐열과 합성가스 폐열이 각각 케틀 타입의 다중 열교환관(62,72)을 통하여 액상 암모니아를 기화시키기 때문에, 액상 암모니아를 효과적으로 기화시킬 수 있다.
그리고 본 실시예에 따른 암모니아 기화기(100)는 생산되는 암모니아 가스의 양과, 암모니아 가스 생산에 따른 기화기 본체(10)의 압력은 공정 폐열의 공급량을 조절함으로써, 안정되면서 안전하게 기화된 암모니아 가스를 생성할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
10 : 기화기 본체 13 : 내부 공간
20 : 메인 본체 21 : 개방부
22 : 액상 암모니아 공급단 23 : 암모니아 가스 배출단
24 : 제1 온도 센서 설치단 25 : 제2 온도 센서 설치단
26 : 제3 온도 센서 설치단 30 : 본체 커버
31 : 레벨 센서 설치단 32 : 압력 센서 설치단
33 : 안전 밸브 설치단 34 : 벤트 설치단
40 : 지지대 50 : 액상 암모니아 공급부
51 : 액상 암모니아 탱크 53 : 액상 암모니아 공급 펌프
60 : 듀얼 열교환부 61 : 제1 열교환부
62 : 제1 다중 열교환관 63 : 제1 입력단
63a : 연소가스 폐열 공급관 64 : 제1 출력단
64a : 연소가스 폐열 배출관 64b : 바이패스 관
65 : 제1 지지링 65a : 고정대
66 : 제어 밸브 67 : 압력 제어 밸브
68 : 입출력실 68a : 입력실
68b : 출력실 68c : 격벽
69 : 배출단 71 : 제2 열교환부
72 : 제2 다중 열교환관 73 : 제2 입력단
74 : 제2 출력단 81 : 암모니아 가스 배출부
83 : 액상 암모니아 레벨 센서 85 : 압력 센서
87 : 압력 안전 밸브 89 : 제1 액상 암모니아 온도 센서
91 : 제2 액상 암모니아 온도 센서 93 : 암모니아 가스 온도 센서
100 : 암모니아 기화기

Claims (10)

  1. 액상 암모니아가 암모니아 가스로 기화되는 내부 공간을 갖는 수직관 형상의 기화기 본체;
    상기 기화기 본체의 내부 공간으로 액상 암모니아를 공급하는 액상 암모니아 공급부;
    암모니아 개질기에서 배출되는 연소가스 폐열과 합성가스 폐열을 각각 상기 기화기 본체에 공급하여, 상기 기화기 본체에 공급된 액상 암모니아를 기화시켜 암모니아 가스를 생성하는 듀얼 열교환부; 및
    생성된 암모니아 가스를 상기 기화기 본체 밖으로 배출하는 암모니아 가스 배출부;를 포함하며,
    상기 듀얼 열교환부는, 상기 연소가스 폐열을 상기 기화기 본체의 내부 공간에 공급하여 상기 액상 암모니아와 열교환을 수행하는 제1 열교환부; 및
    상기 합성가스 폐열을 상기 기화기 본체의 내부 공간에 공급하여 상기 액상 암모니아와 열교환을 수행하는 제2 열교환부;를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 열교환부는 각각, 상기 기화기 본체의 하부에서 상부로 수직 방향으로 설치되는 케틀 타입(kettle type)의 다중 열교환관;을 포함하며,
    상기 제1 및 제2 열교환부의 각각은,
    입출력실, 및 입출력실의 상부에 연결된 다중 열교환관을 포함하고,
    상기 입출력실은 연소가스 폐열이 공급되는 입력실과, 열교환된 연소가스 폐열이 배출되는 출력실을 포함하며,
    상기 입력실에는 연소가스 폐열을 입력하는 입력단이 형성되어 있고,
    상기 출력실에는 열교환된 연소가스 폐열을 출력하는 출력단이 형성되어 있으며,
    상기 입출력실은 입력실과 출력실을 분리하는 격벽을 포함하고,
    상기 입출력실은 입출력실로 공급된 연소가스 중에 있는 물을 배출하는 배출단이 하부에 형성되어 있으며,
    제1 및 제2 다중 열교환관은 각각 U자형의 관으로, 일단은 입력실에 연결되고, 타단은 출력실에 연결되고,
    상기 열교환부는 입출력실과 다중 열교환관의 하단부가 기화기 본체 밖에 위치하고, 나머지 다중 열교환관이 기화기 본체의 내부 공간에 설치되는 것을 특징으로 하는, 암모니아 기화기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 듀얼 열교환부는,
    상기 제1 열교환부로 상기 암모니아 개질기에서 배출되는 상기 연소가스 폐열을 공급한 후, 상기 암모니아 개질기에서 상기 합성가스 폐열이 발생되면 상기 제2 열교환부로 상기 합성가스 폐열을 공급하는 것을 특징으로 하는 암모니아 기화기.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 기화기 본체는,
    상부에 개방부가 형성된 관 형으로, 상기 액상 암모니아 공급부, 상기 듀얼 열교환부 및 상기 암모니아 가스 배출부가 연결되는 메인 본체;
    상기 개방부를 덮는 본체 커버; 및
    상기 메인 본체의 외측면에 설치되어 상기 메인 본체를 지지하는 복수의 지지대;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아 기화기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 본체 커버에 설치되어 상기 기화기 본체 내의 액상 암모니아의 레벨을 검출하는 액상 암모니아 레벨 센서;
    상기 본체 커버에 설치되어 상기 기화기 본체 내부의 압력을 검출하는 압력 센서; 및
    상기 본체 커버에 설치되어 상기 기화기 본체 내부의 압력이 임계 압력을 초과하면 상기 기화기 본체 내부의 암모니아 가스를 버퍼 탱크로 배출하여 상기 기화기 본체 내부의 압력을 임계 압력 이하로 조절하는 압력 안전 밸브;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아 기화기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 액상 암모니아 공급부는 상기 액상 암모니아 레벨 센서에서 검출된 값에 따라 상기 기화기 본체로 공급되는 액상 암모니아의 양을 조절하는 것을 특징으로 하는 암모니아 기화기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 듀얼 열교환부는 상기 압력 센서에서 검출된 값에 따라 상기 기화기 본체로 공급되는 연소가스 폐열 또는 합성가스 폐열의 유량을 조절하는 것을 특징으로 하는 암모니아 기화기.
  9. 제5항에 있어서, 상기 메인 본체는,
    하부에 상기 듀얼 열교환부가 연결되고,
    상기 듀얼 열교환부의 상부에 상기 액상 암모니아 공급부가 연결되고,
    상기 액상 암모니아 공급부의 상부에 상기 암모니아 가스 배출부가 연결되되, 상기 메인 본체에 공급되는 액상 암모니아의 최대 레벨보다는 위쪽에 상기 암모니아 가스 배출부가 연결되는 것을 특징으로 하는 암모니아 기화기.
  10. 제6항에 있어서, 상기 액상 암모니아 공급부는,
    상기 다중 열교환관이 상기 액상 암모니아에 의해 잠기는 높이가 30 내지 50mm이 되도록 상기 액상 암모니아의 레벨을 조절하는 것을 특징으로 하는 암모니아 기화기.
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