KR19990068069A - 노와 공기 증류 장치 조합형 플랜트 및 그 작동 방법 - Google Patents

노와 공기 증류 장치 조합형 플랜트 및 그 작동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 조합형 플랜트는 적어도 하나 이상의 노(F)와, 적어도 하나 이상의 중압 칼럼(MP) 및 노(F)에 공기를 공급하기 위한 산소 출구 라인(O)을 가지는 혼합 칼럼(CM)으로 이루어진 적어도 하나 이상의 공기 증류 장치와, 적어도 하나 이상의 노(F)와 중압 칼럼(MP)에 공기를 공급하는 적어도 하나 이상의 송풍 기관(S), 및 이 송풍 기관(S)에 의해 공급되는 공기의 압력 보다 큰 압력으로 공기를 적어도 하나 이상의 혼합 칼럼(CM)에 공급하는 적어도 하나 이상의 공기 압축기(C)로 구성되어 있다.

Description

노와 공기 증류 장치 조합형 플랜트 및 그 작동 방법 {COMBINED PLANT OF A FURNACE AND AIR DISTILLATION DEVICE, AND IMPLEMENTATION PROCESS}
본 발명은 압축 공기가 공급되는 적어도 하나의 노(爐)(일반적으로 금속 처리 노)와, 이 노에 공급되는 공기를 증대시키기 위해 산소를 생성하는 하나 이상의 공기 증류 장치를 조합한 조합형 플랜트와, 이러한 조합형 플랜트를 작동하는 방법에 관한 것이다.
산소를 함유한 공기의 유량을 증대시키기 위해, 고순도 산소를 생성할 필요가 없으며, 브루게롤(Brugerolle) 명의의 미국 특허 출원 제4,022,030호에 개시된 바와 같이 혼합 칼럼을 포함하는 증류 장치를 이용하는 것이 적절하다. 용광로와, 전술한 혼합 칼럼을 포함하는 공기 증류 장치의 조합형 플랜트로는, 예컨대 그레니어(Grenier) 명의의 미국 특허 출원 제5,244,489호 및 본 출원인 명의의 유럽 특허 출원 제0,531,182호에 개시되어 있다. 그러나, 이들 두 출원의 접근 방법은 서로 상이하다. 즉, 미국 특허 출원 제5,244,489호에서의 증류 장치에는 용광로 송풍 기관에서의 송풍분기부를 경유하여 공기가 공급되고, 혼합 칼럼으로 공급되는 공기 흐름의 일부는 중압 칼럼에 공급되는 공기 흐름의 일부를 감압하는 저온 유지 터빈에 의해 구동되는 송풍기에 의해 거의 정압으로 제공되는데, 이 장치에서는 상기 정압을 얻기 위해서, 중압 칼럼에 공급된 공기의 대부분을 선회시킴으로서, 증류 장치에 공급되는 공기를 냉각 및 정화하기 위한 스테이션들의 크기가 대형화 뿐만 아니라, 추출 수율과 에너지의 손실이 발생한다. 반면에, 상기 유럽 특허 출원 제0,531,182호의 증류 장치에서는, 혼합 칼럼에서의 고압 또는 저압으로 불순한 산소의 생산을 허용하기 위해서 분리형 압축 수단을 이용하여 a) 용광로와, b) 중압 칼럼, 및 c) 혼합 칼럼으로 공급되는 공기의 완전한 분리를 기대하고 있지만, 이 장치는 회전 기계와 관련하여 투자 및 운전 비용이 값비싸고 이들 기계들 사이의 어떤 상승 효과를 기대하지 못한다.
본 발명의 목적은 조합형 플랜트와, 이 조합형 플랜트를 완벽하게 통합한 작동 방법을 제안하여 운전 비용의 크게 감소시키는 동시에 작동 범위의 선택에 있어서 유연성을 제공하는 데 있다.
이를 위해서, 본 발명의 일 특징에 따르면, 제1 압력(P1)으로 공기를 공급하는 하나 이상의 송풍 기관(S)에 의해 공기가 공급되며, 하나 이상의 공기 증류 장치에 의해 산소가 공급되는 하나 이상의 노(F)를 포함하는 조합형 플랜트 작동 방법으로서, 상기 하나 이상의 공기 증류 장치는 상기 노 송풍 기관에 의해 공기가 적어도 부분적으로 공급되는 하나 이상의 중압 칼럼(MP)과, 노에 산소를 공급하는 혼합 칼럼(CM)을 구비하며, 상기 혼합 칼럼에는 압력(P1)보다 큰 압력(P2)으로 공기를 공급하는 압축기(C)에 의해 공기가 공급된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 중압 칼럼(MP)에는 송풍 기관(S)에 의해 공급되는 압축 공기만이 공급된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 중압 칼럼(MP)에는 상기 압축기(C)와 동일 분기 라인에 하나 이상의 압축기 스테이지(EC1)로 공급되는 압축 공기가 또한 공급된다.
또한, 본 발명은 조합형 플랜트를 제공하는데, 이 플랜트는, 적어도 하나 이상의 노와, 하나 이상의 노에 연결된 주 압축 공기 라인으로 공기를 운반하는 적어도 하나 이상의 송풍 기관과, 주 압축 공기 라인의 하류부쪽으로 개방된 산소 출구 라인을 구비한 혼합 칼럼(CM)과 적어도 하나 이상의 중압 칼럼으로 이루어진 적어도 하나 이상의 공기 증류 장치와, 주 압축 공기 라인에서 적어도 하나 이상의 중압 칼럼에 공기를 공급하는 분기 라인, 및 적어도 하나 이상의 혼합 칼럼에 가압 공기를 공급하는 적어도 하나 이상의 공기 압축기를 포함한다.
본 발명에 따르면, 증류 장치는 송풍 기관에서 나온 공기 흐름중 산소의 후속 재분사로 분기시킬 수 있는 공기의 일부를 이용하고, 동시에 혼합 칼럼, 압축기(내부 컬럼 액체 펌프), 송풍 기관으로부터의 송풍 재분사를 위한 최적 산소 압력을 선택함으로써 가장 효율적으로 공기를 사용할 수 있게 해준다.
본 발명의 다른 특징과 장점은 첨부 도면과 관련하여 제시한 실시예들을 통해 설명될 것이며, 이러한 실시예들에만 한정되는 것은 아니다.
이하의 상세한 설명 및 도면에서, 지시된 바와 같이 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일 참조 번호로 표시된다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 조합형 플랜트의 두가지 실시예를 도식적으로 나타낸 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
F : 노
C : 압축기
S : 송풍 기관
T : 감압 터빈
D : 분기 라인
O : 산소 출구 라인
MP : 중압 칼럼
CM : 혼합 칼럼
도면은 개략적으로 금속 처리 노(爐)(예컨대 용광로(F))와, 그리고 도시된 바와 같이 주 교환 라인(LE), 중압 칼럼(MP)과 저압 칼럼(BP)이 구비된 이중 칼럼(DC), 혼합 칼럼(CM)을 포함하는 관련 공기 증류 장치를 도시하고 있다.
노(F)에는 5.8 × 105Pa 이하, 통상적으로 3 × 105Pa 내지 5.5 × 105Pa 사이의 중간 압력(P1)으로 다량의 공기(통상적으로 100,000 Nm3/h 보다 큼)를 주 압축 공기 라인(A)으로 이송하는 송풍 기관(S)에 의해 공기가 공급된다. 이 압축 공기 라인(A)은 AOD(Argon Oxygen Decarburization) 방법으로 다른 금속 처리 노, 예컨대 전기로에 동시에 또는 선택적으로 또한 연결될 수 있다.
본 발명에 따르면, 중압 칼럼(MP)에는 주 압축 공기 라인(A)으로부터 분기된 라인(D)을 통해 송풍 기관(S)에 의해 공급되는 공기가 압력(P1)으로 그 하부에 공급되고, 이 공기는 계속해서 냉각 장치(R)와, 통상적으로 흡수형의 정화 장치(E1)와, 그리고 주 교환 라인(LE)을 통과한다. 혼합 칼럼(CM)의 하부에는 모터(M)에 의해 구동되는 전용 압축기(C)에 의해 압축된 공기가 라인(L)을 경유하여 압력(P2)으로 공급되며, 이 압축기(C)에 의해 공급된 공기는 주 교환 라인(LE)을 통과하기 이전에, 통상적으로 흡수형의 제2 정화 장치(E2)에서 또한 정화된다.
통상적으로, 중간 순도 질소 가스의 라인(N)은 저압 칼럼(BP)의 상부로부터 분기되고 중간 순도 산소의 라인(O)은 혼합 칼럼(CM)의 상부로부터 분기되며, 본 발명에 따라, 주 교환 라인(LE)을 횡단한 후에, 노(F) 상류의 주 압축 공기 라인(A)을 통해 이 노에 공급된 공기를 산소로 증대시키도록 개방되어 있다. 펌프(W)는 저압 칼럼(BP)의 하부에서 취출되고, 라인(L)을 경유하여 혼합 칼럼(CM)으로 유입된 공기의 압력(P2)으로 혼합 칼럼(CM)의 상부로 이송된 액상 산소를 압축시킨다.
압력(P2)은 공기 증류 장치와, 라인(A) 하류의 따뜻한 공기/산소 혼합 장치에서 압력 손실을 보충하기 위해, 그리고 이 산소 주입의 조절을 최적화하기 위해서 라인(A)내의 압력(P1) 보다 약간 크게 선택된다. 통상적으로 P2-P1은 0.3×105Pa 내지 4 ×105Pa 이며, 바람직하게는 0.5×105Pa 내지 1.5×105Pa 의 범위를 갖는다.
도 1의 실시예에 있어서, 라인(D1)내의 공기 흐름중 일부는 특히 장치를 냉각하는 터빈(t)에서 선회됨에 따라 저압 칼럼(BP)을 향해서 분기된다. 혼합 칼럼(CM)으로 공기 공급하는 압축기(C)를 구동시키는 모터(M)의 예로는, 동시 발전 장치 또는 현장에서 이용 가능한 가압 유체를 작동하는 터빈에 의해 현장에서 생산된 전기 에너지를 사용하는 전기 모터를 들 수 있다. 전용 압축기(C) 및/또는 모터(M)에 의해 공급된 동력에 대한 설비 투자를 최적화하기 위해서, 터빈(t)은 플랜트부터의 가압 유체에, 통상적으로 라인(L)내의 정화된 공기의 흐름에 정압을 제공하는 송풍기(c)에 연결되는 것이 바람직하다. 또한 바람직하게는, 송풍 기관(S)으로부터의 이용 가능한 흐름내 발생된 어떠한 편차를 완화시키기 위해서, 라인(D)과 라인(L)의 하류부 사이에서 감압 부재로 고정된 라인(l)을 제공함으로써 라인(L)내의 공기 흐름중 일부를 적어도 일시적으로 중압 칼럼(MP)으로 안내하여 송풍 기관 라인(A)으로부터 취해진 흐름을 보충하게 된다.
도 2의 실시예에 있어서, 라인(L)으로 공기를 운반하는 압축기(C)는 정화 장치(E1)의 하류의 중압 칼럼(MP)으로 향하는 라인(D)으로부터 분기 라인(B)에서 분기된 공기의 흐름을 압축한다. 따라서 라인(D)에서 추출한 공기의 흐름을 보충하기 위해서, 거의 압력(P1)으로 존재하는 공기의 추가적 흐름은, 혼합 칼럼(CM)으로 공기를 공급하는 압축기(C)가 장착된 동일 분기 라인상의 압축기(GC)의 라인의 상류 스테이지(이 경우 제2 스테이지(EC2)에서 분기된 라인(G)을 경유하여 냉각 장치(R)의 상류 라인(D)으로 유입된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 압축기 라인(EC1-C)은 현장에서 이용 가능한 가압 유체(F1), 통상적으로 증기를 감압하는 터빈(T)에 의해 구동되는 것이 바람직하다.
도 2의 실시예에 있어서, 압축기(C) 출구 압력은 혼합 칼럼에 필요한 압력(P2) 보다 크게 선택될 수 있기 때문에, 이 압축기(C)에서 나온 공기는 터빈(t)에서 압력(P2)까지 선회되어 증류 장치(예컨대 도 2에 도시된 것과 같은 장치)를 유입 또는 유출하는 유체들 중 하나에 정압을 제공하는 송풍기(C)를 구동하기 위해 작동될 수 있으며, 라인(N)내의 불순한 질소를 향상은, 예컨대 노(F)의 잔류 가스로부터 변환된 연소 가스를 이용하여 가스 터빈 군의 연소실내에 불순한 질소를 송풍하여 유입시킴으로써 이루어 진다.
본 발명은 특정 실시예와 관련해서 기술하였지만, 이에 한정되지 않으며, 당분야 당업자라면 첨부된 특허청구의 범위내에서 변형 및 변화가 가능하다는 것이 이해될 것이다.
본 발명의 노와 증류 장치의 조합형 플랜트에 의해, 작동 장소 내에 플랜트가 보다 완전하게 통합될 수 있게 되며, 운전 비용이 상당히 감소된다.

Claims (16)

  1. 제1 압력(P1)으로 공기를 공급하는 하나 이상의 송풍 기관(S)에 의해 공기가 공급되며, 하나 이상의 공기 증류 장치에 의해 산소가 공급되는 하나 이상의 노(F)를 포함하는 조합형 플랜트 작동 방법으로서,
    상기 하나 이상의 공기 증류 장치는 상기 노 송풍 기관에 의해 공기가 적어도 부분적으로 공급되는 하나 이상의 중압 칼럼(MP)과, 노에 산소를 공급하는 혼합 칼럼(CM)을 구비하며, 상기 혼합 칼럼에는 압력(P1)보다 큰 압력(P2)으로 공기를 공급하는 압축기(C)에 의해 공기가 공급되는 것을 특징으로 하는 조합형 플랜트 작동 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 압력(P1)은 5.8 × 105Pa 이하인 것을 특징으로 하는 조합형 플랜트 작동 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, P2-P1은 0.3 × 105Pa 보다 큰 것을 특징으로 하는 조합형 플랜트 작동 방법.
  4. 제3항에 있어서, P2-P1은 4 × 105Pa 이하인 것을 특징으로 하는 조합형 플랜트 작동 방법.
  5. 선행항들중 어느 한 항에 있어서, 상기 중압 칼럼(MP)에는 송풍 기관(S)에 의해 공급되는 압축 공기만이 공급되는 것을 특징으로 하는 조합형 플랜트 작동 방법.
  6. 제1항 내지 제4항중 어느 한 항에 있어서, 중압 칼럼(MP)에는 상기 압축기(C)와 동일 분기 라인에 하나 이상의 압축기 스테이지(EC1)에 의해 공급되는 압축 공기가 또한 공급되는 것을 특징으로 하는 조합형 플랜트 작동 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 압축기(C)는 중압 칼럼(MP)에 공급하는 흐름으로부터 분기된 공기 흐름을 압축하는 것을 특징으로 하는 조합형 플랜트 작동 방법.
  8. 제1항 내지 제7항중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축기(C)는 현장에서 이용가능한 하나 이상의 가압 유체(F1)의 감압 터빈(T)에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 조합형 플랜트 작동 방법.
  9. 제1항 내지 제6항에 있어서, 압력(P2)으로 공기 흐름중 일부의 공기(l)가 감압되어 중압 칼럼(MP)으로 안내되는 것을 특징으로 하는 조합형 플랜트 작동 방법.
  10. 하나 이상의 노(F)와, 하나 이상의 노에 연결된 주 압축 공기 라인(A)으로 공기를 운반하는 하나 이상의 송풍 기관(S)과, 주 압축 공기 라인(A)으로 개방된 산소 출구 라인(O)을 구비한 혼합 칼럼(CM)과 하나 이상의 중압 칼럼(MP)으로 이루어진 하나 이상의 공기 증류 장치와, 주 압축 공기 라인으로부터 하나 이상의 중압 칼럼에 공기를 공급하는 분기 라인(D), 및 하나 이상의 혼합 칼럼(CM)에 가압 공기를 공급하는 하나 이상의 공기 압축기(C)를 포함하는 것을 특징으로 하는 조합형 플랜트.
  11. 제10항에 있어서, 상기 분기 라인(D)의 상류에 위치한 공기 정화 장치(E1)를 포함하는 것을 특징으로 하는 조합형 플랜트.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 공기 압축기(C)에는 대기 공기가 공급되는 것을 특징으로 하는 조합형 플랜트.
  13. 제11항에 있어서, 공기 압축기(C)와 혼합 칼럼(CM) 사이에 위치한 추가의 공기 정화 장치(E2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 조합형 플랜트.
  14. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 공기 압축기(C)는 분기 라인(D)의 분기관(B)에 배치하는 것을 특징으로 하는 조합형 플랜트.
  15. 제14항에 있어서, 대기 공기가 공급되고 동일 분기 라인상에 하나 이상의 상류 스테이지(EC1)와 최종 스테이지(C)로 이루어진 압축 그룹(GC)을 포함하며, 최종 스테이지는 상기 공기 압축기를 구성하며 상기 상류 스테이지 출구는 분기 라인(D)의 상류 영역에 연결되는 것을 특징으로 하는 조합형 플랜트.
  16. 제10항 내지 제15항중 어느 한 항에 있어서, 상기 공기 압축기(C)는 가압 유체(F)의 라인에 배치된 터빈(T)에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 조합형 플랜트.
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