KR19980071464A - 합성가스 폐열보일러 - Google Patents

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KR19980071464A
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헨리크 오토 슈탈
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죠르지오 지롤라
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Abstract

본 발명은 열교환 관이 출구부측에서 밀폐된 외측 관과 상기 외측 관으로부터 등거리로 이격된 개구단부의 내측 관을 구비한 이중관모양이고, 외측 관의 관쪽의 뜨거운 가스와 관의 셸쪽의 유체간의 열교환에 적합된, 복수의 열교환 관이 구비된 연관 열교환기에 관한 것이다.

Description

합성가스 폐열보일러
암모니아의 공업적 제조는 산소와 질소가 발열방법으로 반응하여 암모니아로 되는 암모니아 합성방법에 기초한다. 암모니아합성은 질소와 수소가 적절한 촉매와 함께 베드를 통해 유동할 때, 고압 및 상승된 온도하에 반응기내에서 실행된다. 이러한 반응기는 암모니아컨버터로 칭한다. 컨버터에서 발열방법에 의해 생성된 열은 합성가스 폐열보일러에서 수증기제조에 의해서 종종 회수된다. 상기 합성가스 폐열보일러는 암모니아컨버터로부터의 뜨거운 가스가 비등수로의 간접적인 열전달에 의해 냉각되는 열교환기이다.
합성가스 폐열보일러는 다양한 방법으로 보일러의 설계를 요구하는 조건에서 동작한다. 가장 가혹한 조건은 관 시트 결합에 대한 입구부 가스관에 관한 것이다.
본 발명에 따른 폐열보일러에서는 관 시트 결합에 대한 입구부 가스관이 없다. 그러므로 보일러 파손에 대한 대부분의 원인이 이러한 설계로서 회피된다.
합성가스 폐열보일러는 한가지 설계로 결합되기에는 어려운 여러 가지의 특별한 조건들에 종속된다.
이러한 조건들은 압력, 온도, 질화, 수소 공격 및 응력부식에 관한 것들이다.
암모니아 합성가스의 압력은 전형적으로 120-220bar이다. 비등수의 압력은 전형적으로 저압(5-15 bar), 중간압(30-50 bar) 또는 고압(90-130 bar)이다. 합성가스와 비등수간의 분리벽부는 두가지 유체의 최고압력에 대해 설계되어야 한다. 이러한 결과로 셸과 관형 열교환기에서 관 시트는 통상적으로 300-450mm의 두터운 두께를 가지게 된다.
암모니아 합성가스의 온도는 보일러로의 입구부에서 380℃-500℃이고 출구부에서200℃-380℃이다. 비등수의 온도는 증기압에 따라 150℃-330℃이다.
합성가스 폐열보일러는 매우 두터운 관 시트를 가진 U자관 교환기로서 종종 설계된다. 상기 두터운 관 시트는 시트를 관통하는 관의 가스온도에 가까운 금속온도를 얻는다. U자관의 경우에, 이것은 출구부관 영역이 차가운 반면에 입구부관 영역은 뜨거운 것을 의미한다. 그러므로, 만약 입구부와 출구부가스간의 온도차가 너무 크면, 높은 열유도응력은 위험요인이 된다. 저압과 중간압 수증기제조의 경우에 200-300℃의 온도차가 허용된다면 바람직하다. 그러나 이러한 큰 온도차를 위한 U자관 폐열보일러를 설계하는 것은 어렵거나 불가능하다.
질화는 합성가스의 암모니아성분에 의해 야기된 물질공격이다. 질화의 피해도는 금속합금과 금속온도에 의존한다. 저합금강은 380℃에서 허용할 수 없을 정도로 공격받는다. 스테인레스스틸은 450℃ 이상까지 사용될 수 있고 이코넬(Iconell)은 500℃에서도 가혹하게 공격받지 않는다. U자관 보일러의 관 시트의 입구부 관 영역은 대부분 420℃보다 뜨겁다. 그러므로 합성가스와 접촉하는 재료는 고합금이어야 한다. 클래딩 또는 라이닝에 의한 표면보호가 관 시트의 가스측과 입구부 구멍표면에 필요하다.
수소를 함유하는 가스에 노출되면, 수소공격이 재료에 취성을 야기시킨다. 중요한 매개변수는 수소분압, 온도 및 강의 합금원소이다. 2% Cr 과 1% Mo강 합금이 전형적으로 공업적인 합성가스화합물, 압력 및 온도에 의해 요구된다.
응력부식은 물과 접촉하는 재료에 대한 위험요소이다. 그러나 오오스테나이트 재료가 이런 종류의 공격에 민감한 반면에, 페라이트 재료는 이런 종류의 부식에 위험하지 않다.
종래의 합성가스 폐열보일러는 관쪽에 합성가스가있고 셸쪽에 물/증기가 있는 U자관 열교환기이다. 관 시트는 매우 두텁다. 관 시트의 입구부측은 인코넬 클래딩으로 보호된다. 만약 관이 관 시트의 가스쪽면에 용접되면, 관은 관 시트를 통해 내내 인코넬로 내측 표면상에 라이닝되어야 한다. 만약 관이 관 시트의 물쪽면에 용접되면, 관 시트의 입구부 구멍이 인코넬 라이닝으로 보호되어야 한다.
합성가스 폐열보일러는 상기한 기계적인 및/또는 부식의 현상중의 한가지나 결합으로 야기된 균열로 인해 종종 파손된다. 이들중 가장 가혹한 조건은 입구부관 구멍둘레에 집중된다. 그것은 고온, 입구부와 출구부관 사이의 온도차, 응력부식, 상이한 조성의 재료간의 수소형성, 질화 및 수소공격에 기인한다.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1: 관 시트 2: 관 시트 구멍
3: 열교환 관 4: 입구부 관
5: 입구부 관 플레이트 6: 물/수증기측 압력셸
7: 물/수증기 체임버 8: 물 입구부 노즐
9: 물/수증기 출구부 노즐 10: 가스측 압력셸
11: 합성가스 체임버 12: 입구부 가스 체임버
13: 출구부 가스 체임버 14: 입구부 가스 노즐
15: 출구부 가스 노즐 16: 입구부 관 절연부
관 시트(1)가 한 쪽면에서 물/수증기측 압력셸(6)에 연결되고 다른 면에서 가스측 압력셸(10)에 연결되며 물/수증기 체임버(7)와 합성가스 체임버(11)간에 분리부를 형성한다. 상기 관 시트에는 많은 수의 구멍(2)이 천공된다. 열교환 관(3)은 한 쪽 단부에서 밀폐되는 반면에 다른 쪽 단부는 관 시트 구멍(2)에서 관 시트(1)에 용접된다. 열교환관(3)은 물/수증기 체임버(7)내로 연장된다. 입구부 관 플레이트(5)는 합성가스 체임버(11) 내부에 위치된다. 상기 입구부 관 플레이트(5)는 관 시트(1)의 구멍에 대응하는 구멍으로 천공된다. 열교환 관(3)의 내측 직경보다 작은 외측 직경을 가진 입구부관(4)은 입구부 관 플레이트(5)의 구멍에 고정되고 열교환 관(3)의 내부에서 연장된다. 상기 입구부 관 프레이트(5)는 기밀 입구부 가스 체임버(12)를 형성하는 플레이트와 셸에 의해 입구부 가스 노즐(14)에 연결된다. 상기 입구부 관(4)은 절연층(15)으로 피복된다.
수증기 드럼으로부터의 비등 이송수는 물 입구부 노즐(8)을 통해 물/수증기 체임버(7)내로 유동된다. 열교환 관(3)은 물/수증기 체임버(7)에서의 비등을 위한 열을 공급한다. 물과 수증기의 혼합물은 물/수증기 출구부 노즐(9)을 통해 물/수증기 체임버(7)를 떠난다. 암모니아컨버터로부터의 뜨거운 합성가스는 가스 입구부 노즐(14)을 통해 가스 입구부 체임버(11)내로 유입된다. 합성가스는, 출구부 가스 체임버(13)로 입구부 관(4)의 외부에서 또한 열교환 관(3)의 내부에서 환형으로 되돌아가는 위치인 열교환관(3)의 밀폐된 단부로, 입구부 관 플레이트(5)의 구멍과 입구부 관(4)을 통해 유동한다. 합성가스는 가스 출구부 노즐(15)을 통해 보일러를 떠난다. 합성가스가 입구부 관(4)과 열교환 관(3) 사이에서 환형으로 유동하면, 비등수에 간접적인 열전달로 열을 전달할지라도 합성가스는 냉각된다. 입구부 관(4)내부에서 유동하는 입구부 가스와 환형으로 유동하는 가스간의 열전달은 절연층(16)에 의해 회피된다.
본 발명에 따른 폐열보일러의 특징적인 이익은 두터운 관 시트(1)가 단지 냉각된 출구부 합성가스와만 접촉하게 되는 것이다. 합성가스 폐열보일러에 대해 경험된 모든 문제들은 상기한 바와 같이 뜨거운 입구부 가스 및 두터운 관 시트내의 관들사이의 온도차에 관한 것이다. 본 발명의 입구부 관 플레이트(5)는 비가압부분이므로 두께가 얇고, 물과 접촉하지 않기 때문에 오오스테나이트 고합금강으로 만들 수 있다.
실시예
합성가스 폐열보일러를 일산 600미터톤의 암모니아공장용으로 설계했다.
합성가스:
압력(Bar): 195
입구부 온도(℃): 423
출구부 온도(℃): 343
유동량(kg/s): 33.3
분자량(kg/kmole): 11.35
물/수증기:
압력(Bar): 119
입구부 온도(℃): 324
출구부 온도(℃): 324
생성된 수증기(kg/s): 7.0
분자량(kg/kmole): 11.35
기계적 설계:
관의 수: 200
열교환 관 길이(mm): 6500
열교환 관 OD(mm): 45
열교환 관 ID(mm): 35
관 피치, tri.rot.(mm): 60
열교환 관 재료: 21/4Cr 1Mo
입구부 관 길이(mm): 6700
입구부 관 OD(mm): 26
입구부 관 ID(mm): 22
입구부 관 재료: SS/세라펠(Cerafel)
물/수증기측 압력셸 길이(mm): 7000
물/수증기측 압력셸 OD(mm): 1230
물/수증기측 압력셸 ID(mm): 1100
물/수증기측 압력셸 재료: CS
가스측 압력셸 길이(mm): 1100
가스측 압력셸 OD(mm): 1700
가스측 압력셸 ID(mm): 1250
가스측 압력셸 재료: 21/4Cr 1Mo
관 시트 두께(mm): 270
관 시트 재료: 21/4Cr 1Mo
본 발명에 따른 폐열보일러는 두터운 관 시트가 단지 냉각된 출구부 합성가스와만 접촉하게 된다. 본 발명의 입구부 관 플레이트는 비내압성부분이므로 두께가 얇고, 물과 접촉하지 않기 때문에 오오스테나이트 고합금강으로 만들 수 있다.

Claims (1)

  1. 열교환 관이 출구부측에서 밀폐된 외측 관과 상기 외측 관으로부터 등거리로 이격된 개구단부의 내측 관을 구비한 이중관모양이고, 외측 관의 관쪽의 뜨거운 가스와 관의 셸쪽의 유체간의 열교환 적합된, 복수의 열교환 관이 구비된 연관 열교환기.
KR1019980004925A 1997-02-21 1998-02-18 합성가스 폐열보일러 KR19980071464A (ko)

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