KR200292437Y1 - 산소공장 효율 증대장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 하절기 산소공장 효율 증대장치에 관한 것으로, 특히 하절기 대기온도 상승에 따른 공기밀도 저하가 원인이 되어 산소, 질소, 아르곤의 생산량이 감소하게 되는 경우, 자공정중에 발생한 액체 산소를 이용하여 공기 압축기에 유입되는 공기의 밀도를 증가시켜 생산량을 증가시키고, 하절기 냉각탑 효율 감소에 따른 산소 공장의 효율 감소를 방지하기 위해 냉각탑 내부 수조에 있는 냉각수를 액체 산소를 이용하여 냉각수 온도를 적정하게 유지시킬 수 있도록 한, 산소공장 효율 증대장치에 관한 것이다.

Description

산소공장 효율 증대장치

본 고안은 하절기 산소공장 효율 증대장치에 관한 것으로, 특히 하절기 대기온도 상승에 따른 공기밀도 저하가 원인이 되어 산소, 질소, 아르곤의 생산량이 감소하게 되는 경우, 자공정중에 발생한 액체 산소를 이용하여 공기 압축기에 유입되는 공기의 밀도를 증가시켜 생산량을 증가시키고, 하절기 냉각탑 효율 감소에 따른 산소 공장의 효율 감소를 방지하기 위해 냉각탑 내부 수조에 있는 냉각수를 액체 산소를 이용하여 냉각수 온도를 적정하게 유지시킬 수 있도록 한 산소공장 효율 증대장치에 관한 것이다.

일반적으로, 제철소에서 다양하게 사용되는 산소, 질소, 아르곤은 대기중의 공기를 공기 압축기를 통해 압축한 후, 팽창 터빈을 통해 기체가 액체로 상변화를 일으키는 액화점까지 온도를 냉각시켜 산소, 질소, 아르곤 가스의 액화점을 이용해 액체 산소와 액체 질소 및 액체 아르곤을 분리하여 얻게 되는데, 그 생산량은 대기중의 공기 밀도와 밀접한 연관성이 있어, 대기 온도에 따라 동절기와 하절기의 생산량 차이가 시간당 2 - 5% 차이를 발생하게 된다.

종래의 산소 제조공정은 도 1 에 도시된 바와 같이, 대기중의 공기를 공기 여과기(1)에서 불순물을 제거한 후 곧바로 공기 압축기(2)에 유입되기 때문에, 대기 온도에 따라 작동 유체의 질량 유량이 결정되고, 상기 공기 압축기(2)를 통과한 공기는 수세탑(3)과 주 열교환기(4) 및 정류통(5)을 지나게 되면서, 산소, 질소 아르곤을 제조하게 된다.

또한, 상기 제조 공정중 발생한 액체 산소, 액체 질소, 액체 아르곤은 각각의 액저장 탱크인 액산 탱크(8)에 저장한 후 필요한 경우에 사용하게 되며, 이러한 액체 산소를 각 공장에서 사용하기 위해서는 증기를 매개로 하는 증발기(10)를 사용하여 액체 산소를 기체 산소로 기화한 후, 기체 산소로 각 공장에 공급하여 사용하고 있다.

따라서, 액체 저장 탱크에 저장된 액체 산소(-183℃), 액체 질소(-196℃), 액체 아르곤(-180℃)은 하절기, 동절기 구분없이 증발기를 통해 기화하기 때문에, 각 액체가 가지고 있는 저온은 전혀 이용하지 못한 체 버려지게 되는 문제점이 있었다.

이에 본 고안은 상기한 바와 같은 종래의 제 문제점 들을 해소시키기 위하여 안출된 것으로, 액체 산소 탱크에서 각 공장에 공급하기 위해 보내지는 액체 산소의 저온을 이용하여 하절기에 공기 압축기에 유입되는 공기와 열교환한 후 유입 공기의 온도를 하락시켜 공기 압축기에 유입되는 공기의 밀도를 높게 함으로써, 유입 공기의 질량 유량을 증가시켜 생산성을 높이고, 하절기 냉각수 온도가 기준치 이상으로 상승하여 다단 공기 압축기에서 각단의 압축된 공기를 적정 수준으로 냉각시키지 못하므로 발생되는 생산성 저하를 방지하기 위해 냉각탑 내부 수조에 저장된 냉각수를 액체 산소와 열교환하여 냉각수 온도를 자동으로 조정하므로써, 하절기 산소 공장의 효율을 상승시킬 수 있도록 한 산소공장 효율 증대장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1 은 일반적인 산소 제조공정의 개략적인 블록 구성도,

도 2 는 본 고안에 따른 산소공장 효율 증대장치의 개략적인 블록 구성도,

도 3 은 도 2 에 대한 세부 구성도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 공기 여과기 2 : 공기 압축기

3 : 수세탑 4 : 주 열교환기

5 : 정류통 6 : 산소 압축기

7 : 산소가스 홀더 8 : 액산 탱크

9, 15 : 액산 펌프 10 : 증발기

11 : 냉각탑 12 : 냉각수 펌프

13 : 공기 쿨러 14 : 냉각수 쿨러

16 : 액체 산소 17 : 기체 산소

18 : 냉각수 8-4, 8-7 : 온도 자동제어 밸브

8-5 : 열교환기 19-1, 19-2 : 온도 센서

20 : 안전밸브 21 : 바이패스 배관

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 고안은, 자공정 중에 발생한 액체 산소를 이용하여 냉각수 온도를 조절하기 위해 냉각탑 내부의 냉각수에 잠기도록 설치되면서 수평 방향의 액체산소 유로가 내장되어 있는 냉각수 쿨러와 ;

상기 냉각탑 하부인 냉각수 수조의 냉각수 온도에 따라 액산 펌프에서 공급되는 액체산소 유량을 자동으로 조절해 주는 온도 자동제어 밸브 ;

상기 냉각수 및 공기 압축기에 유입되는 공기의 입구 온도에 따라 액체산소 유량을 자동으로 조절하기 위해 냉각수 온도와 공기 압축기 입구 온도를 자동으로 측정하는 온도센서 ;

상기 냉각수 쿨러로 공급되는 액체 산소의 공급 압력 과다시, 액체 산소가 바이패스하는 바이패스 배관 및 안전 밸브 ;

상기 냉각수 쿨러로 입력되는 대기중의 더운 공기를 예냉하기 위해 수직 방향의 액체산소 유로가 내장되어 대기중의 더운 공기(20 ∼ 35℃)를 10℃ 이하로 유지시켜, 공기 체적당 질량 유량을 증가시켜 주는 공기 쿨러 ;

상기 공기 쿨러로 입력되는 대기중 더운 공기가 10℃ 이상일 경우 액체산소 유량을 자동으로 조절하여 작동 공기를 10℃ 이하로 유지하도록 하는 온도 자동제어 밸브 ;

상기 공기 쿨러를 통하여 예냉된 액체 산소를 냉각수와 열교환한 후 기화된 산소를 사용처 배관으로 연결해 주는 배관으로 구성함을 특징으로 한다.

도 2 는 본 고안에 따른 하절기 산소공장 효율 증대장치가 장착된 산소 제조공정을 나타내는 개략도이고, 도 3 은 본 고안에 따른 하절기 산소공장 효율 증대장치를 나타내는 세부도이다.

액산 탱크(8)에 저장된 액체 산소(16)의 효율 증대를 위해 공기 쿨러(13)와 냉각탑(11)에 공급하기 위해 상기 액산 탱크(8)와 액산 펌프(9) 사이의 배관과 연결된 주 공급배관(8-2)이 연결되고, 상기 주 공급배관(8-2)에는 액산 펌프(15)가 설치되며, 상기 액산 펌프(15)는 냉각탑(11)의 냉각수(18) 수조 내부에 수평 방향으로 설치된 냉각수 쿨러(14)와 연결되고, 상기 냉각수 쿨러(14)에는 온도 자동제어 밸브(8-7)가 설치되어 있다.

액체산소 공급배관(8-2)은 공기 쿨러(13)에 액체 산소(16)를 공급하기 위한 배관(8-3)이 연결되어 있고, 상기 배관(8-3)에는 온도 자동제어 밸브(8-4)와 헤더가 설치되어 있으며, 상기 공기 쿨러(13)의 열교환기(8-5)와 연결된다.

또한, 냉각수(18)와 작동 유체인 공기(22)를 열교환한 후 기체 산소(17)를 사용처 공급 배관(10-1)에 공급할 수 있는 배관(11-1)이 냉각수(18)의 수조 내부에 설치된 냉각수 쿨러(14)의 후단과 연결되어 있고, 상기 배관(11-1)은 공기 쿨러(13) 내부의 열교환기(8-5) 출구 배관(13-2)과 합해진 후, 사용 공장 공급 배관(10-1)과 연결된다.

한편, 온도 자동제어 밸브(8-4, 8-7)에 의해 공급 배관(8-2)의 압력 조정을 위해 바이패스 배관(21)에는 안전 밸브(20)가 설치되어 있으며, 자동밸브 제어를 위해 작동 유체인 공기(22) 및 냉각수(18)의 온도를 측정할 수 있는 온도 센서(19-1, 19-2)가 공기 압축기(2)의 입구 배관과 냉각탑(11)의 수조 내부에 설치되어 있다.

본 고안에 따른 동작 원리를 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 대기중의 공기가 공기 여과기(1)를 통과하여 이물질이 제거된 후 공기 쿨러(13)에 유입하게 되면, 상기 공기 쿨러(13)의 내부에 장착된 액체 산소(16)의 유로가 내장되어 있는 열교환기(8-5)를 지나게 되면서, -183℃인 액체 산소와 간접 열교환을 하게 된다.

이때, 작동 유체인 공기(22)는 상기 공기 쿨러(13)의 내부에 설치된 안내벽(13-1)을 따라 열교환기(8-5) 핀이 가지고 있는 저온을 빼앗아 점차 낮아지게 되고, 상기 공기 쿨러(13)를 통과한 공기(22)의 온도는 10 ∼ -10℃로 유지할 수 있도록 온도 센서(9-1)를 통해 온도신호를 받아 분산제어 시스템(DCS)으로 전송하게 되고, 작동 공기(22)가 10℃ 이상이 될 경우 분산제어 시스템에서는, 온도 자동제어 밸브(8-4)에 신호를 보내 상기 온도 자동제어 밸브(8-4)의 개도를 자동으로 조정하여 액체 산소(16)의 유량을 증가 또는 감소시키므로써, 작동 공기(22)의 온도를 조정하게 된다.

이러한 열교환을 통해 작동 유체인 공기(22)의 온도가 10 ∼ -10℃를 유지하게 되면, 공기의 밀도가 1.16kg/m³(공기 온도 27℃ 기준)에서 1.24 ∼ 1.34kg/m³(공기 온도 10 ∼ -10℃ 기준)로 높아지게 되며, 공기 압축기(2)에 유입되는 동일 체적당 공기(22)의 질량 유량은 6.8% ∼ 15.5%까지 증가하게 되어, 산소, 질소, 아르곤의 생산량은 2 ∼ 5% 증가하게 된다.

또한, 하절기에는 다량의 수분이 포함된 습공기와 무더운 대기 온도로 냉각탑(11)의 냉각 효율이 50 ∼ 60% 감소하게 되어 냉각 계통에 커다란 문제가 되고 있으며, 이를 해소하기 위해 보충수가 동절기에 대비하여 30 ∼ 40% 증가하게 된다.

이를 방지하기 위해 냉각수 수조에 수평으로 설치된 액체 산소 유로가 내장된 냉각수 쿨러(14)를 설치하여, 냉각수(18)와 열교환을 통해 액체 산소(16)의 저온이 냉각수(18)와 열교환되면서 적정 냉각수 온도를 유지할 수 있게 된다.

또한, 적정 냉각수(18) 온도 유지를 위해 냉각수(18)의 온도를 자동으로 측정하는 온도 센서(19-2)가 냉각수(18)의 온도를 측정하여 분산제어 시스템에 전송해 주게 되고, 상기 냉각수(18)의 온도가 관리 온도를 초과하게 되면 분산제어 시스템에서 온도 자동제어 밸브(8-7)을 조정하는 신호를 보내 상기 온도 자동제어 밸브(8-7)의 개도를 조정하게 된다.

이로써 냉각수(18)의 온도가 관리치 이상일 경우는, 온도 자동제어 밸브(8-7)의 개도를 확대하여 액체 산소 유량을 증가시키고, 냉각수(18) 온도가 관리범위 이하로 떨어질 경우 온도 자동제어 밸브(8-7)의 개도를 축소시켜 액체 산소(16)의 유량을 감소하므로써, 냉각수(18)의 온도를 올려주게 된다.

이때, 온도 자동제어 밸브(8-4, 8-7)의 개도가 많지 않을 경우, 액체 산소 공급배관(8-2, 8-3)의 압력이 상승하여 펌프의 백러쉬를 방지하기 위해, 액체 산소 공급배관(8-2)의 압력이 기준치 이상이 될 경우 바이패스 배관의 안전밸브(20)가 작동하여 바이패스 배관(21)을 통해 펌프 후단으로 보내준다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 고안은, 하절기 높은 대기 온도로 인해 산소 공장 효율이 저하되는 것을 방지하기 위해 자공정에서 생산된 액체 산소를 이용하여, 작동 유체인 공기의 온도를 동절기 수준으로 저하시켜 공기의 밀도를 변화시키므로, 산소, 질소, 아르곤 생산량을 증가시키고, 냉각수 온도를 저하시켜 담수의 낭비를 방지할 수 있으며, 액체 산소를 기화시키는데 별도의 유틸리티(증기) 사용을 감소시켜 산소 공장 전체의 효율을 2% ∼ 5% 증가시키는 효과를 제공한다.

또한, 본 고안의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 당업자라면 본 고안의 사상과 범위안에서 다양한 수정, 변경, 부가등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허 청구의 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (1)

1. 자공정 중에 발생한 액체 산소를 이용하여 냉각수 온도를 조절하기 위해 냉각탑 내부의 냉각수에 잠기도록 설치되면서 수평 방향의 액체산소 유로가 내장되어 있는 냉각수 쿨러와 ;

   상기 냉각탑 하부인 냉각수 수조의 냉각수 온도에 따라 액산 펌프에서 공급되는 액체산소 유량을 자동으로 조절해 주는 온도 자동제어 밸브 ;

   상기 냉각수 및 공기 압축기에 유입되는 공기의 입구 온도에 따라 액체산소 유량을 자동으로 조절하기 위해 냉각수 온도와 공기 압축기 입구 온도를 자동으로 측정하는 온도센서 ;

   상기 냉각수 쿨러로 공급되는 액체 산소의 공급 압력 과다시, 액체 산소가 바이패스하는 바이패스 배관 및 안전 밸브 ;

   상기 냉각수 쿨러로 입력되는 대기중의 더운 공기를 예냉하기 위해 수직 방향의 액체산소 유로가 내장되어 대기중의 더운 공기를 일정 온도 이하로 유지시켜, 공기 체적당 질량 유량을 증가시켜 주는 공기 쿨러 ;

   상기 공기 쿨러로 입력되는 대기중 더운 공기가 일정 온도 이상일 경우 액체산소 유량을 자동으로 조절하여 작동 공기를 일정 온도 이하로 유지하도록 하는 온도 자동제어 밸브 ;

   상기 공기 쿨러를 통하여 예냉된 액체 산소를 냉각수와 열교환한 후 기화된 산소를 사용처 배관으로 연결해 주는 배관으로 구성하는 것을 특징으로 하는 산소공장 효율 증대장치.