KR20040093444A - 폐열회수장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배가스(배기가스)의 폐열을 회수하여 유효하게 사용하는 폐열회수장치에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 폐열회수장치(열교환장치)에 주입되는 고체입자와 배가스의 혼합 시 압력손실이나 (내부)압력의 불균형 없이 혼합될 수 있도록 한 개선된 구조의 폐열회수장치에 관한 것이다.

본 발명의 폐열회수장치는 ⒜배가스와 고체입자가 혼합·유동되는 상승관; ⒝상기 상승관의 상방에 설치되며, 상기 상승관에서 배출되는 고체입자와 배가스의 혼합기류로부터 상기 고체입자를 분리시키는 분리판; ⒞상기 상승관의 상·하부 외표면에 고정되며, 적어도 하나 이상의 구멍이 표면에 형성된 상·하부 플랜지; ⒟상기 플랜지의 구멍에 상·하단이 각각 연결되는 고체입자회수관; 및 ⒠상기 플랜지가 상·하부에 각각 결합되며, 표면 일 측에 유체유입구와 유체배출구가 각각 형성되고, 하부에 배가스와 고체입자의 혼합공간인 혼합구가 형성되는 외부관; 을 포함한다.

상기와 같은 구성에 따르면, 배가스와 고체입자의 혼합 시 압력손실이 생기지 않으므로 풍량을 크게 할 필요가 없고 따라서 배가스를 가압하기 위한 송풍수단이 소형화될 수 있다. 또한, 상기 상승관과 고체입자회수관에서 각각 배가스의 폐열이 2회에 걸쳐 회수되므로 종래의 폐열회수장치(열교환장치)보다 열회수율이 높다. 또한, 이중 밸브 시스템을 채용함으로써 고체입자 주입에 따른 유동(혼합기류)의 교란과 결로(結露)에 기인한 분진덩어리의 점착을 종래보다 더욱 효과적으로 억제할 수 있다.

Description

폐열회수장치{HEAT EXCHANGER FOR EXHAUST GAS HEAT RECOVERY}

본 발명은 산업폐기물의 소각장이나 요로(窯爐) 등에서 배출되는 배가스(배기가스)의 열에너지(폐열)를 회수하는 폐열회수장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 ⑴전열면에 대한 별도의 청소작업이 필요 없고 따라서 종래의 폐열회수장치보다 운전효율이 우수하며 ⑵슈트 블로워(soot blower)와 같은 분진제거수단을 필요로 하지 않기 때문에 종래의 폐열회수장치보다 구성이 간단하고 ⑶과거 폐열회수가 불가능한 것으로 여겨졌던 300℃ 이하의 배가스에서도 폐열을 회수할 수 있도록 설계한 신규 구성의 폐열회수장치에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 종래보다 넓은 운전영역(입자 순환량)에서 안정된 운전성을 확보할 수 있는 개선된 구조의 폐열회수장치에 관한 것이다.

각종 소각장이나 공업용 노(爐) 등에서 배출되는 배가스의 온도는 보통 500℃∼600℃ 정도로 상당히 높은데, 종래에는 이러한 고온의 배가스로부터 폐열을 회수할 수 있는 기술이 개발되어 있지 않아 그대로 대기 중에 배출되어 왔었다.

그러다가 약 20여 년 전부터 폐열보일러와 같은 다양한 형태의 폐열회수장치가 개발되어 그 동안 내버려져 왔던 배가스의 열에너지가 난방이나 급탕 등에 사용되고 있다.

이러한 종래 폐열회수장치는 전열관의 배열방향 및 배가스의 이동경로의 방향에 따라 수직형 또는 수평형으로 구분되며, 배가스가 통과하는 전열관의 개수에 따라 싱글형과 멀티형으로 구분되고 있다.

일반적으로, 공업용 노(爐)나 소각로 등에서 배출되는 배가스에는 상당량의 분진이 포함되어 있어 분진을 제거하지 않고 그대로 폐열회수장치에 통과시킬 경우 상대적으로 낮은 온도의 전열면에 고온의 배가스가 접촉될 때 생기는 물방울(결로현상)과 상기 분진이 엉켜 전열면에 분진덩어리가 덕지덕지 점착되는 현상이 발생된다. 이러한 현상을 "파울링(fouling)"이라고 하는데 특히 쉘 튜브(shell & tube) 형식을 채택한 종래 구성의 폐열회수장치에서 이러한 점착(침착)이 매우 빈번하게 발생되었다. 따라서, 상기 메커니즘에 의해 전열면이 오염되거나 더 나아가 부식되면 폐열회수장치로 회수되는 열에너지의 총량(전열량)이 감소되므로 주기적인 청소가 필요하게 된다.

종래에는 이러한 "파울링"현상의 예방을 위해 ⑴폐열회수장치(열교환장치)를 통과하는 배가스에 미세한 고체입체를 첨가함으로써 상기 고체입체가 전열관 내부를 유동할 때 전열관을 가격하게 하여 상기 전열관의 내면에 점착된 분진덩어리가 가격에 의해 떨어져 나가게 하거나 상기 고체입자가 분진덩어리를 스칠 때 상기 분진덩어리를 조금씩 깎아 나가게 하는 디스케일링 방법이 이용되었으며, 또 다른 방법으로는 ⑵배가스 중의 분진이 완전히 제거되도록 슈트 블로워를 사용하여 송풍하는 방법이 이용되었다.

등록특허 제242226호에 기재된 열교환장치(폐열회수장치)는 상술한 고체입자에 의한 제거방법이 적용된 것으로서, 상기 열교환장치는 ①냉각유체가 유동되는 전열관과 ②상기 전열관의 상부에 위치되는 고체입자 분리부와 ③상기 전열관의 하부에 위치되는 고체입자 분배실과 ④상기 분리부와 분배실을 연결하는 다수의 상승관 및 하나의 하강관(고체입체회수관)과 ⑤배가스유입구 및 유출구로 구성되어 있다. 상기 등록특허가 기재된 공보에 따르면, 상기 열교환장치는 배가스유입구에서 공급되는 배가스의 압력에 의해 상기 분배실에 위치된 고체입자가 다수의 상승관을 따라 상부로 이동하고 이렇게 상부로 이동된 고체입자가 하강관을 따라 다시 분배실에 모이는 순환에 의하여 폐열이 회수되면서 분진덩어리가 제거되도록 되어 있는데, 상기 분배실의 하부에는 다수의 통공을 가진 분배판이 설치되어 있어 상기 분배실로 유입되는 배가스가 상기 통공을 통해 분배판 위의 고체입자를 부상시키도록 되어 있다.

이러한 구성에 따르면, 상기 통공을 거쳐 나오는 배가스의 흐름이 제트-류로 변하는 과정 중에 통공 주변에서 유동의 박리가 일어나게 되어 압력의 떨림현상이 생기게 되고, 이러한 압력의 떨림현상을 제거하기 위해서는 고출력의 송풍팬을 이용하여 배가스의 공급압력을 높여야 하는 문제점이 있게 된다. 게다가, 고출력의 송풍팬으로 배가스의 공급압력을 높여주더라도 일부의 상승관에서는 오히려 고체입자가 하강하는 현상이 생기게 된다. 이러한 비정상적인 운전특성은 고체입자의 사용량(또는 유동량)이 증가함에 따라 나타나게 되는 바, 폐열회수장치의 실용화를 위해 고체입자의 유량범위를 넓혀도 안정적으로 운전할 수 있는 운전영역을 확보하는 것이 필요하다.

본 발명은 이러한 종래 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 열교환장치(폐열회수장치)의 하부에 혼합공간을 형성하고 여기에 각각 배가스가 이동되는 상승관과 고체입자가 이동되는 고체입자회수관을 연통시키므로써, 분배판 없이도 고체입자와 배가스가 혼합될 수 있도록 하여 배가스(배기가스)의 압력손실을 최소화한 폐열회수장치를 제공하는데 목적이 있다. 즉, 본 발명에서는 상기 배가스(배기가스)가 상승관 내부로 유입되는 과정에서 흐름이 박리되지 않고 안정하게 흐를수 있는 입구 유동조건을 제시하고자 하였으며, 원활한 유동이 형성될 수 있는 위치에서 고체입자가 혼합되게 하여 상기 고체입자의 혼합에 의한 압력의 불균형 및 압력손실을 최소화하고자 하였다.

본 발명자는 이러한 배가스의 압력손실 및 불안정성(압력의 떨림현상)을 최소화하기 위해, 상기 상승관과 고체입자회수관이 동시에 연통되어진 혼합공간을 폐열회수장치 내에 설치하고, 상기 폐열회수장치의 전열부 아래로 연장된 수직관 사이에 고체입자의 (유동)통로를 환형(環形)으로 설치하므로써 상기 고체입자와 배가스의 혼합 및 상승이 원활히 이루어지도록 하여 전열성능 즉 열회수율이 종래보다 더욱 향상되게 하면서도 압력손실은 획기적으로 줄어들 수 있게 하였다.

또한, 본 발명은 분진제거용 고체입자가 회수되는 파이프(고체입자회수관)를 굴곡지게 형성함으로써, 상승관을 따라 유동하는 중에 배가스와의 접촉에 의해 가열된 고체입자가 상기 고체입자회수관을 따라 하강할 때 상기 고체입자가 가진 폐열이 2차로 회수되게 한 폐열회수장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 상승관과 하강관(고체입자회수관)이 모듈화 된 다수의 유닛을 폐열회수장치에 채용함에 있어, ⑴종래 기술의 문제점인 상승관 내에서의 압력 불균형 문제를 제거하기 위해 수직관의 중간에 환형으로 입자통로를 설치하여 유동장을 안정화하고 ⑵이러한 압력 불균형에 대응하기 위해 배가스가 유입되는 하부유입구를 벨 마우스로 함과 동시에 입자통로가 설치되는 부위의 단면이 부드러운 곡률을 갖도록 면적을 축소하여 종래보다 넓은 운전영역(입자 순환량)에서 안정된 운전성을 확보할 수 있게 한 폐열회수장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명에서는 상승관의 하부공간이 일종의 plenum chamber로 작용하여 ①정압을 회복하고 ②배가스의 유속을 감소시켜 상기 배가스가 수직관을 통과할 때 고른 유동조건이 형성될 수 있도록 상기 상승관의 하부까지 다공판 형태의 입구유도관이 도입된 폐열회수장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 고체입자의 보충라인에 이중으로 밸브를 설치함으로써, 상기 밸브들을 차례로 거쳐 고체입자가 주입되는 경우 ①유동장(순환유동층)의 교란과 ②결로현상이 방지될 수 있도록 한 폐열회수장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 고체입자의 외부유출이 적극적으로 방지될 수 있는 개선된 구조의 폐열회수장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 응축수의 배출, 고체입자의 주입/배출, 청소, 운전모드 선택 등이 간단한 버튼조작에 의해 이루어질 수 있는 자동화된 폐열회수장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐열회수장치를 나타낸 평면도이다.

도 2는 도 1의 A-A 단면도이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다관형 폐열회수장치를 나타낸 분해 사시도이다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다관형 폐열회수장치를 나타낸 개략 구성도이다.

도 5는 도 4의 B-B 단면도이다.

도 6은 도 5에 도시된 상승관의 상부 구조를 나타낸 것이다.

도 7은 도 4에 도시된 폐열회수장치의 운전과정을 나타낸 블록도이다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다관형 폐열회수장치를 나타낸 것으로서, 도 4에 미도시된 전열부의 내부구조와 상기 전열부의 상부에 설치되는 분리부의 구조를 더욱 상세하게 나타낸 것이다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배가스유입부의 내부를 들여다 본 투시도이다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 2중 밸브를 채택한 입자 주입부분과 입자 예열부분을 나타낸 것이다.

[도면 부호의 설명]

10...폐열회수장치, 20...혼합부,

30...전열부, 40...분리부,

50...배가스유입부, 60...배가스배출부,

310...상승관, 320...고체입자회수관,

410...분리판, 510...배가스유입구,

520, 521, 522...밸브, 530...송풍장치,

700...플랜지, 800...디퓨저.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 폐열회수장치는, ⒜배가스와 고체입자가 혼합·유동되는 상승관; ⒝상기 상승관의 상방에 설치되며, 상기 상승관에서 배출되는 고체입자와 배가스의 혼합기류로부터 상기 고체입자를 분리시키는 분리판; ⒞상기 상승관의 상·하부 외표면에 고정되며, 적어도 하나 이상의 구멍이 표면에 형성된 상·하부 플랜지; ⒟상기 플랜지의 구멍에 상·하단이 각각 연결되는 고체입자회수관; 및 ⒠상기 플랜지가 상·하부에 각각 결합되며, 표면 일 측에 유체유입구와 유체배출구가 각각 형성되고, 하부에 배가스와 고체입자의 혼합공간인 혼합부가 형성되는 외부관; 을 포함한다.

또한, 본 발명의 폐열회수장치는 배가스의 폐열이 순환수에 전달되는 전열부; 상기 배가스와 고체입자가 혼합된 상태로 전열부에 도입되도록 상기 전열부의 하부에 설치되는 혼합부; 전열부에서 배출되는 배가스와 고체입자가 서로 분리되도록 상기 전열부의 상부에 설치되어 분리부; 및 이중 밸브를 가진 상태로 상기 분리부와 연통된 고체입자의 보충라인; 을 포함하여 구성될 수 있으며, 여기에 추가하여 상기 밸브의 개폐시기를 결정하는 자동제어시스템이 설치될 수 있다. 이때, 상기 전열부는 상승관과 고체입자회수관으로 이루어지는 폐열회수용 유닛이 다수개 내장된 형태일 수 있다.

상기 "고체입자"는 상승관의 내면(내벽)에 점착되는 분진덩어리를 제거하기위한 것으로서 도자기분말, 유리분말, 시멘트, 석회석 등과 같은 무기질의 세라믹소재가 바람직하며, 본 발명의 폐열회수장치 안으로 도입되는 배가스에 의해 떠오를 수 있는 크기인 것이 바람직하다.

상기 "유체"는 배가스와 고체입자가 이동되는 상승관 및 고체입자회수관으로부터 폐열을 회수하기 위한 것으로서, 열전도율이 높은 물 등의 액체나 기체 등이 사용될 수 있다.

상기 상승관은 폐열회수장치의 하부로 유입된 배가스가 상부로 유동할 때 통과하는 관으로서, 하나의 관 또는 열전달 표면적을 넓게 하기 위한 다수의 관으로 형성할 수 있다. 이때, 상승관을 통해 배가스와 함께 상부로 이동하는 고체입자는 이동 중에 배가스로부터 열을 전달받아 가열되게 된다.

상기 상승관의 상방에 설치되는 분리판은 배가스와 혼합·유동되는 고체입자를 혼합기류(배가스＋고체입자)로부터 분리하기 위한 것으로서, 배가스에 의해 부양된 고체입자의 진행을 막아 그 부양력을 상실시킴으로써 혼합기류로부터 상기 고체입자를 분리한다.

상기 고체입자회수관은 분리판의 분리작용에 의해 상승관의 상부에 쌓이게 되는 고체입자를 상기 상승관의 하부측 혼합부로 이동시키기 위한 것으로서, 하나의 관으로 형성할 수도 있으나 고체입자의 순환을 원활히 하기 위해 그리고 상기 고체입자회수관에서도 폐열 회수가 충분히 이루어질 수 있도록 다수의 관으로 형성하는 것이 바람직하다. 특히, 상기 상승관의 주변을 감싸는 나선형 형태로 고체입자회수관을 형성할 경우, 상기 고체입자회수관을 따라 혼합부로 이동하는 고체입자의 이동거리가 길어져 장시간 체류될 수 있기 때문에, 폐열을 더 많이 회수할 수 있게 된다.

상기 외부관은 ①고체입자회수관과 상승관이 내장되는 전열부; ②분리판이 포함된 형태로 상기 전열부의 상부에 위치되는 분리부; 및 ③상기 전열부의 하부에 형성되는 혼합부;를 포함한 형태로 이루어질 수 있다.

①상기 전열부는 유체가 유동하는 관체로서, 상·하단면에 플랜지가 형성된 판 또는 격막(격벽)을 이용하여 내부에 밀폐된 공간이 형성되게 할 수 있으며, 유체의 공급 및 배출에 사용되는 유체배출구와 유체유입구가 상·하부에 각각 형성될 수 있다. 따라서, 상기 전열부를 구성하는 관체의 상·하단면에 격벽이나 플랜지가 형성된 판을 결합·접합하거나 일체로 형성하면, 내부에 밀폐공간을 형성할 수 있다.

상기 유체유입구로 유입된 유체(냉각수)는 배가스 및 고체입자가 가지고 있는 폐열을 상기 전열부의 관벽을 통해서 회수한 후 상기 유체유출구를 통해 바깥으로 배출된다. 이때, 상기 유체는 국지적인 온도차에 의한 자연대류방식으로 유동될 수 있으나, 유체의 흐름이 더욱 원활히 이루어지도록 상기 유체를 펌프로 강제 유동시킬 수도 있다.

또한, 상기 전열부에 내장된 상승관과 고체입자회수관은 전열부의 상·하부에 형성된 분리부 및 혼합부에 연통되어 있어, 배가스 및/또는 고체입자가 계속해서 순환하게 된다.

②상기 분리부는 상기 전열부의 상부에 위치하여 상승관에서 배출된 고체입자가 분리판에 부딪쳐 낙하되었을 때 임시로 퇴적되는 곳으로서, 상기 전열부에서 연장된 상승관의 일부가 돌출되어 있으며, 고체입자를 보충하기 위한 투입구(고체입자투입구)가 형성되어 있을 수 있다.

③상기 혼합부는 고체입자회수관을 통해 하강된 고체입자가 배가스유입구를 통해 유입된 배가스와 혼합되는 곳으로서, 배가스를 공급하는 공급관의 직경이 상승관의 직경과 동일하기 때문에, 즉 고체입자회수관을 내장하는 외부관이 상기 공급관보다 크게 형성되므로, 상기 혼합부는 상대적으로 큰 직경의 상단부와 작은 직경의 하단부를 가진 호퍼(hopper) 형태가 된다. 이때, 상기 배가스를 공급하는 공급관은 상승관과 분리된 별개의 관이거나 상기 상승관이 하부로 연장되어 있는 형태일 수 있는데, 상승관이 연장되어진 후자의 경우에는 상기 혼합부의 내면(내벽)을 타고 슬라이딩되는 고체입자가 상승관의 내부로 유동되는 배가스와 혼합될 수 있도록 상기 상승관에 다수의 관통공을 추가로 형성하는 것이 좋다.

또한, 상기 분리부와 전열부와 혼합부를 포함하는 상기 외부관이 다수인 경우, 각각의 외부관이 개별적으로 분리된 형태이거나 일체로 형성된 하나의 관일 수 있다.

또한, 본 발명의 폐열회수장치는 시스템 가동 후 물(유체)의 온도가 전열관(전열부) 내에서 결로현상 없이 운전될 수 있는 온도(45℃∼60℃ 정도)에 도달한 이후 고체입자가 주입되어야 하는 바, 새로 보충되는 고체입자를 공기로 수송하거나외부와 개방된 상태에서 주입하게 되면 내부의 유동조건이 달라져 고체입자의 수송능력이 저하되게 된다. 따라서, 외기와 완전히 격리된 상태에서 고체입자가 보충될 수 있도록 그 연결부위에 이중으로 밸브를 설치하는 것이 바람직하다. 이때, 고체입자가 투입되는 고체입자공급부는 혼합부의 상단에 설치하는 것이 좋다.

또한, 본 발명의 폐열회수장치를 다관형(多管形)으로 제작할 경우, 하나의 상승관을 갖는 단관식과 유사한 구성으로 제작하되, 고체입자와 배가스의 혼합기류가 상승하는 유입구만 복수로 형성하고 상기 분리부의 내부로 돌출된 상승관의 상방에 각각 분리판을 설치하여 주는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 배가스와 함께 상승한 고체입자가 상기 분리부에 퇴적되지 않도록, 상·하부가 콘(corn) 형태의 곡면으로 이루어진 분리판을 사용하는 것이다.

또한, 필요에 따라서는 상기 분리부로부터 고체입자회수관(하강관)으로의 입자이동이 원활히 이루어지도록 호퍼 형상의 입자모음요소가 설치될 수도 있다.

또한, 본 발명의 폐열회수장치는 상승관의 하부까지 다공판 형태의 입구유도관을 설치하여, 상승관의 하부공간이 일종의 plenum chamber로 작용하여 ①정압을 회복하고 ②배가스의 유속을 감소시켜 상기 배가스가 수직관을 통과할 때 고른 유동조건이 형성될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 각 실시예에 따른 폐열회수장치를 상세히 설명한다.

실시예 1

첨부된 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐열회수장치를 나타낸 평면도이다. 도면에서 보는 바와 같이, 본 실시예의 폐열회수장치(10)는 배가스와 고체입자를 혼합하는 혼합부(20), 상기 혼합부의 상단에 결합되는 전열부(30) 및 상기 전열부의 상단에 결합되는 분리부(40)로 구성되어 있다.

상기 혼합부(20)의 하단에는 배가스유입부(50)가 결합되어 있으며, 상기 분리부(40)의 상단에는 배가스배출부(60)가 결합되어 있다.

상기 배가스유입부(50)의 측면에는 배가스를 배출하는 공업로 등이 연결되어 있으며, 하측에는 고체입자나 배가스의 분진덩어리를 배출하기 위한 밸브(520)가 설치되어 있다.

공업로 등에서 배출되는 배가스는 송풍장치(530)에 의해 배가스유입구(510)를 통해 혼합부(20)로 유입되며, 상기 혼합부로 유입된 배가스는 고체입자와 혼합되어 상기 전열부(30) 쪽으로 상승하게 된다.

상기 고체입자가 혼합된 배가스 즉 혼합기류는 상기 전열부의 상승관(310)을 따라 유동하는 중에 상기 상승관의 내벽에 폐열을 전달하게 되고, 상기 내벽에 전달된 폐열은 다시 유체(냉각수)에 전달되어 유체의 온도가 올라가게 된다.

이러한 과정에서, 상기 배가스에 함유된 분진은 상기 상승관(310)의 내벽에흡착되지만, 혼합기류에 포함된 고체입자가 상기 상승관의 내벽을 가격하거나 긁으면서 상승하기 때문에 분진덩어리의 흡착이 자연스럽게 방지된다.

이와 같이, 상승관의 내벽을 가격하거나 긁으면서 상승하는 고체입자는 상기 분리부(40)의 분리판(410)에 부딪혀 아래로 떨어지게 되고, 낙하된 고체입자는 상기 분리부의 바닥에 임시로 쌓이게 된다. 게다가, 상기 고체입자는 분리판에 의해서도 분리되지만 상승관과 분리부의 직경 차이에 의한 압력강하에 의해서도 분리가 이루어진다. 즉, 본 실시예에서는 상승관의 직경보다 분리부의 직경이 크기 때문에 상기 상승관을 통해 분리부쪽으로 배출되는 배가스의 유속이 상기 분리부에서 현저히 감소하여 고체입자의 수송능력이 떨어지게 되고, 배가스의 유동방향이 변할 때 관성력의 차이에 의해 혼합기류로부터 상기 고체입자가 분리·제거되는 것이다.

이후, 고체입자가 제거된 배가스는 상기 분리부(40)의 상단에 결합되어 있는 배가스배출부(60)를 통해 바깥으로 방출되고, 혼합기류에서 분리된 고체입자는 소량의 배가스와 함께 고체입자회수관(320)을 경유하여 아래쪽의 혼합부(20)에 다시 이송된다. 그리고, 이렇게 재이송된 고체입자는 새로 도입된 배가스에 혼합되어 다시 부상하게 되고 이러한 과정이 계속 반복됨으로써 고체입자가 순환하게 된다.

이때, 상기 고체입자의 재이송과정(회수과정)은 고체입자의 무게에 의해 자동으로 이루어지며, 상기 상승관을 따라 부상(浮上)하는 과정에서 고온의 배가스와 접촉된 고체입자가 상기 고체입자회수관을 따라 하강하는 중에 상기 고체입자로부터 유체(냉각수)쪽으로 2차 열전달이 일어나 유체가 가열된다.

또한, 상기 혼합부(20)와 전열부(30) 및 분리부(40)에 형성된 플랜지(700)는 볼트와 같은 통상의 결합수단에 의해 상호 고정되는데, 상기 플랜지 사이에 개스킷(gasket) 등의 밀봉수단을 끼울 경우 누수현상이 방지된다.

첨부된 도 2는 상기 도 1의 A-A 단면도로서 도면에 나타나 있는 바와 같이, 본 실시예의 폐열회수장치는 직경이 큰 하나의 상승관(310)으로부터 일정거리를 두고 상대적으로 작은 직경의 고체입자회수관(320)이 상승관 주위에 다수 설치되어 있다.

한편, 본 실시예에서는 원형단면을 갖는 통상의 관(管)이 상승관(310)으로 사용되었지만, 전열면적의 증대를 위해 굴곡이 형성된 관을 사용할 수도 있고 여러개의 관을 동시에 사용할 수도 있다.

또한, 본 실시예의 경우 상기 고체입자회수관(320)이 상승관 주위에 나선형으로 배치되었지만 그 외의 다른 형태로 설치될 수도 있으며, 단면의 형상도 원형이 아닌 다른 형상일 수 있다.

실시예 2

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 다관형의 폐열회수장치를 나타낸 것으로서, 실시예 1과의 차이점은 ⑴전열부를 구성하는 상승관-하강관(고체입자회수관)의 갯수가 상기 도 1에 나타나 있는 단관형의 폐열회수장치보다 많다는 점 ⑵안정된 운전성을 확보하기 위해 배가스유입구에 벨 마우스(미도시)를 설치하고 혼합부와의 연결부위가 완만한 곡률을 갖도록 관경을 축소시켜 상승관의 직경과 일치되게 한 점(미도시) 및 ⑶외기와 격리된 상태에서 고체입자가 보충될 수 있도록 상기 고체입자의 보충라인에 이중으로 밸브를 설치한 점 등이다. 이에 본 발명자는 실시예 1과 동일한 작용을 하는 구성요소마다 같은 부호를 병기함으로써, 본 실시예에 대한 구체적인 설명을 생략한다.

실시예 3

첨부된 도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 다관형 폐열회수장치를 나타낸 개략 구성도이고, 도 5는 상기 도 4의 B-B 단면도이며, 도 6은 도 5에 도시된 상승관의 상부 구조를 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이, 본 실시예의 다관형 폐열회수장치(10)는 1개의 상승관 (310)당 4개의 고체입자회수관(320)으로 이루어진 도합 9개의 폐열회수용 유닛이 사각단면의 외부관에 내장되어 전열부(30)를 구성하고 있다.

상기 전열부(30)의 하부에는 실시예 1, 2에 도시된 것과 동일한 구성의 혼합부와 배가스유입부 및 고체입자배출용 밸브(520)가 설치되어 있으며, 도 9에 나타나 있듯이 상기 배가스유입부에 연결되는 배가스유입구의 일단이 상기 혼합부의 내측으로 연장되어 있고 상기 일단의 표면에 다수의 통공이 뚫려 있다. 여기서, 상기 통공은 혼합부 안으로 유입되는 배가스의 유속을 조금 감소시켜 상기 배가스가 상승관을 통과할 때 고른 유동조건을 만들어 주는 역할을 한다.

이에 대해, 상기 전열부의 상부에는 분리부가 설치되어 있으며, 상기 분리부와 연통된 배가스배출부에 관(管)이 연결되어 있다. 그리고, 상기 관의 임의지점에 블로워가 설치되어 있으며, 블로워와 배가스배출부 사이의 관 내부에 오리피스가형성되어 있다.

또한, 상술한 실시예 2와 마찬가지로 고체입자가 외기와 격리된 상태에서 보충될 수 있도록 이중으로 밸브(521)(522)가 설치된 고체입자의 보충라인을 상기 분리부에 연결시켜 놓았으며, 도 10에 나타나 있는 것처럼 상기 보충라인의 하단에 디퓨저(800)를 설치하여 상기 2개의 밸브 사이에 정체되어 있을 때 예열된 고체입자가 상기 분리부 안으로 도입될 때 고루 분산될 수 있게 하였다.

한편, 상기 분리부 안으로 돌출되는 상기 상승관(310)의 상단부위에는 원형의 통공이 다수 뚫려져 있는데, 상기 통공에 의해 배가스의 배출은 원활히 이루어지면서 고체입자의 외부누출은 차단된다. 더욱이, 본 실시예에서는 혼합기류 속의 고체입자가 더욱 원활히 분리될 수 있도록, 상기 상승관의 상단에 쐐기모양의 분리판(410)을 마감재로 설치하였다.

또한, 본 실시예에서는 고체입자의 주입에서 배출까지의 작업이 피드백제어에 의해 자동화될 수 있도록, 상기 배가스가 통과하는 부위에 설치된 온도센서와 압력센서로부터 데이터를 획득/분석한 후, 그 결과에 따라 밸브(520)(521)(522)와 블로워의 작동시기를 제어하는 자동제어시스템을 채용하였다.

도 7은 실시예 3에 기술된 다관형 폐열회수장치의 운전모드를 나타낸 블록도로서, 응축수배출/입자주입/장기운전/청소운전/입자배출 시의 밸브개폐시기 및/또는 운전조건을 나타낸 것이다.

이하, 도면을 참조하여 운전모드 별 밸브의 개폐시기 및/또는 운전조건을 설명한다.

⑴입자주입모드

고체입자의 주입을 위해 도면부호 522로 표시한 밸브를 설정된 시간동안 열어 놓은 다음 닫는다. 이와 같이 하면, 고체입자가 들어 있는 호퍼로부터 상기 고체입자가 무게로 인하여 아래로 배출되지만 도면부호 521로 표시한 밸브가 닫혀 있는 상태이기 때문에 상기 고체입자는 이들 밸브(521)(522) 사이의 관로(管路)에 잠시 정체하게 되고(1단계 주입), 이 과정에서 배가스배출부를 통해 바깥으로 배출되는 배가스가 상기 관로를 가열하면서 빠져나가게 되어 상기 고체입자의 온도는 상승하게 되며, 이후 도면부호 521로 표시한 밸브가 열려 분리부 안으로 고체입자가 주입된다.(2단계 주입) 이때, 고체입자의 보충라인 하방에는 도 10의 디퓨저(800)가 설치되어 있어 상기 고체입자가 고루 분산된다.

따라서, 상기 1단계 주입에 의해서는 차가운 고체입자가 전열부 안으로 도입되었을 때 발생되던 고체입자 표면에서의 결로현상이 방지되고, 상기 2단계 주입은 밸브 522가 닫힌 상태에서 이루어지므로 차가운 외기가 전열부나 분리부 안으로 유입되는 일이 없어 내부 유동장의 교란이 방지된다.

⑵장기운전모드

상승관의 상단과 하단에서 각각 측정한 내부압력의 차이가 설정된 값보다 작아지면, 상술한 입자주입모드에서와 같이 도면부호 522로 표시한 밸브가 소정시간동안 개폐된 다음 도면부호 521로 표시한 밸브가 개방되어 전열부 안으로 고체입자가 추가로 주입된다.

대개의 경우, 본 발명의 폐열회수장치는 이중밸브시스템에 의해 외기의 영향을 거의 받지 않기 때문에, 정상운전 상태에서는 상기 내부압력의 변동이 거의 없어 장기간 자동운전이 가능하게 된다.

⑶청소운전모드

도면부호 520의 밸브를 개폐하여 폐열회수장치 내부의 고체입자 일부를 제거한 상태에서 운전 중 배가스배출부에서 측정된 온도가 설정된 값보다 높은 경우, 상기 운전모드에서와 같이 밸브(521)(522)를 정해진 순서대로 개폐한다.

이론적으로, 본 실시예의 폐열회수장치에서 배출되는 배가스의 온도가 높다는 것은 열전달이 제대로 이루어지지 않았음을 의미하는 것이고, 이 경우 새로운 고체입자를 주입함으로써 오염된 전열면을 청소하게 된다.

⑷입자배출모드

입자가 순환되는 상태에서 장기운전 중 일정시간이 경과하거나 필요에 따라 운전을 정지하고자 할 경우, 도면부호 520으로 표시된 밸브를 충분한 시간 동안 개방하여 상기 폐열회수장치로부터 이들 오염된 고체입자를 제거한다. 그리고, 이러한 입자배출모드의 시행 후 재가동시에는 입자주입모드를 수행하여 고체입자를 채운다.

⑸응축수배출모드

전열부를 지나면서 가열되는 유체(순환수 또는 냉각수)의 유입온도가 설정된 온도 이상이면서 상기 유체의 유출온도가 유입온도보다 낮거나 혹은 같을 때, 도면부호 520으로 표시된 밸브가 소정시간 개폐된다.

폐열회수장치의 운전 초기에 있어서, 순환수가 충분히 가열된 상태가 아니면 배가스에 함유된 수분이 전열부의 내면과 접촉될 때 응축하여 결로현상이 발생되는데, 이때 발생한 응축수를 배출하지 않으면 분진과 물방울이 엉겨서 전열부의 내면에 점착되거나 상기 물방울이 고체입자와 뭉쳐져 운전 상의 여러 문제를 야기하게 된다.

한편, 상술한 각각의 운전모드는 본 실시예의 자동제어시스템에 의해 소프트웨어적으로 즉 자동으로 이루어질 수도 있지만, 작업자가 특정 버튼을 누르는 간단한 수동조작에 의해서도 이루어질 수 있다.

아울러, 폐열회수장치의 규모나 사용처에 따라 밸브의 개폐시기나 운전조건이 사용자에 의해 임의로 설정될 수 있고, 이러한 목적을 위해 상기 자동제어시스템에는 특정 소프트웨어나 D/B가 탑재 가능하다.

실시예 4

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다관형 폐열회수장치를 나타낸 것으로서, 실시예 3의 경우와 비교할 때 상승관의 개수가 증가된 것 이외에는 그 구성이 거의 동일하므로 여기서는 구체적인 설명을 생략한다.

이상과 같이, 본 발명의 폐열회수장치는 고체입자를 유동화시키기 위한 다공판 형태의 분배판이 없으므로 폐열회수장치 안으로 도입되는 배가스의 압력손실이 최소화될 수 있으며 상승관 내부의 유동상태도 보다 안정된 상태를 유지할 수 있다. 따라서, 압력손실을 보전하기 위해 대용량의 송풍장치를 사용할 필요가 없다.

또한, 본 발명의 폐열회수장치는 상승관에서 1차로 폐열을 회수하고 고체입자회수관에서 2차로 폐열을 회수하므로 열회수율이 종래보다 높아질 수 있다.

또한, 본 발명의 폐열회수장치는 고체입자의 보충라인에 이중으로 밸브를 설치하고 상기 보충라인을 거쳐 배가스가 배출되게 함으로써, 고체입자 주입에 따른 내부 유동장의 교란 및 결로현상이 방지되게 한 장점이 있다.

특히, 본 발명에서는 자동제어시스템을 통하여 밸브의 개폐시기 및 운전조건 등이 자동으로 설정될 수 있게 함으로써 운전 상의 여러 문제점이 작업자의 관여 없이 해결될 수 있도록 한 장점이 있다. 그 결과, 넓은 운전영역에서 안정된 운전이 가능하게 되었다.

Claims (7)

1. 배가스 및 고체입자가 유동되는 상승관;

   상기 상승관의 상방에 설치되며, 상기 상승관에서 배출되는 배가스와 고체입자를 분리하는 분리판;

   상기 상승관의 상·하부 외표면에 설치되며, 표면에 적어도 하나 이상의 구멍이 형성된 상·하부 플랜지;

   상기 상·하부 플랜지의 구멍에 상·하단이 각각 연결된 고체입자회수관; 및

   상기 플랜지가 상·하부에 각각 결합되며, 표면 일 측에 유체유입구와 유체배출구가 각각 형성되고, 하부에 배가스와 고체입자의 혼합공간이 형성된 외부관; 을 포함하는 폐열회수장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 고체입자회수관은 상승관의 둘레를 따라 나선형으로 설치된 것을 특징으로 하는 폐열회수장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 혼합공간은 상기 상승관 및 고체입자회수관과 연통되어 있으며, 상승관의 하부에 일정길이의 입자유도부를 두는 것을 특징으로 하는 폐열회수장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 폐열회수장치는

   상승관-고체입자회수관으로 정의되는 모듈화 된 유닛이 다수 설치된 다관형인 것을 특징으로 하는 폐열회수장치.
5. 배가스의 폐열이 순환수에 전달되는 전열부;

   상기 배가스와 고체입자가 혼합된 상태로 전열부에 도입되도록, 상기 전열부의 하부에 설치되는 혼합부;

   상기 전열부에서 배출되는 배가스와 고체입자가 서로 분리되도록, 상기 전열부의 상부에 설치되어 분리부; 및

   이중 밸브를 가진 상태로 상기 분리부와 연통된 고체입자의 보충라인; 을 포함하는 폐열회수장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 전열부는 상승관과 고체입자회수관으로 이루어지는 폐열회수용 유닛이다수개 내장된 것을 특징으로 하는 폐열회수장치.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,

   상기 밸브의 개폐시기를 결정하는 자동제어시스템이 추가로 설치된 것을 특징으로 하는 폐열회수장치.