KR20110086591A - 통합된 보일러용 공기 분리 및 물 가열 장치 - Google Patents

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KR1020117013073A
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리차드 뒤베티에르-그르니에
쟝-피에르 트라니에
스테판 그리
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레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
지멘스 브이에이아이 메탈스 테크놀로지스 게엠베하
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Abstract

본 발명은 증기 터빈(17)에 의해 구동되는 공기 압축기(31), 제1 열교환기(29), 물을 제1 열교환기로 및 제1 열교환기로부터 보일러(1)로 공급하는 수단, 압축된 공기를 압축기로부터 제1 열교환기로, 및 압축기에서 압축된 공기가 공급되는 공기 분리 장치(49)로 공급하는 수단, 제1 교환기 하류의 물을 가열하는 가열 수단(3), 제2 교환기(13), 물을 제1 교환기로부터 가열 수단으로, 가열 수단으로부터 제2 교환기로, 및 제2 교환기로부터 보일러로 공급하는 수단, 및 공기를 압축기와 제2 교환기 사이에서 예열하지 않고 제1 교환기 상류의 제2 교환기로 공급하는 수단을 포함하는 통합 장치에 관한 것이다.

Description

통합된 보일러용 공기 분리 및 물 가열 장치 {INTEGRATED AIR-SEPARATING AND WATER-HEATING APPARATUS INTENDED FOR A BOILER}
본 발명은 통합된 보일러용 공기 분리 및 물 가열 장치에 관한 것이다.
US-A-4461154는 공기를 압축하고, 압축기의 출구에서 발생된 열을 회수하여 보일러에 공급되는 물을 가열하는 단열 압축기의 용도를 개시하며, (보일러의 연료 소모를 감소시키기 위해) 압축된 공기가 공급되는 공기 분리 장치 및 또한 보일러의 전체 효율을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
WO-A-2006/131283은 압축기로부터의 공기가 연도 가스에 의해 가열된 다음, 2 개의 별도 교환기에서 물을 가열하는데 사용되는 장치를 기술한다.
DE-C-19837251은 가스 터빈과 통합된 공기 분리 장치를 기술한다.
통상적으로, 증기는 터빈으로부터 추출된 다음, 보일러용으로 물을 예열하는데 사용된다.
본 발명은 보일러 공급수를 예열함으로써 공기 압축기로부터의 열 회수를 최적화할 수 있다.
현재, 보일러에 공급되는 물은, 통상, 물의 직접적인 증기 스트립핑(stripping)에 의해 산소 함량을 10 ppb 미만으로 감소시키기 위해, 탈기장치로 보내져서 물에 용해된 산소가 분리된다. 효율성을 위해, 이러한 탈기단계는 20 bar 미만, 바람직하게는 10 bar 미만의 압력에서 수행되어야 한다.
압축기가 극저온 공기 분리 장치용으로 모든 공기를 압축하는데 사용되는 경우, 공기는 통상 6 bar abs 및, 이에 따라 단열 압축기의 경우 230 ℃ 내지 300 ℃의 온도에서 생성되어야 한다.
따라서, 이론상 보일러 공급수는 220 ℃ 내지 295 ℃로 가열 (5 ℃ 미만의 온도 차가 유의한 추가 비용을 수반한다는 사실을 고려함) 될 수 있다.
2 가지 문제가 해결될 필요가 있다.
· 먼저, 주로 손실 (희석, 증기 추출 및 누출) 보상을 위해 첨가되는 물에서 비롯되는 용존 산소를 제거하기 위해 물을 탈기시켜야 한다. 따라서, 압력은 20 bar 미만의 수준으로 유지되어야 한다. 이 압력에서 증기의 비점은 약 210 ℃이며, 따라서 보일러 물은 효율 면에서 최적의 온도로 가열될 수 없다 (또한, 탈기되는 물의 온도와 탈기 장치의 정상 작동을 가능하게 하는 탈기 장치의 온도 사이에는 통상 10 ℃의 차이(margin)가 유지되어야 한다).
· 둘째로, 보일러용 물의 유동은 공기에 비해 너무 커서 최적 효율의 열 교환을 허용할 수 없다.
예컨대, 증기 터빈에 의해 구동되는 공기 압축기의 경우, 보일러용 (및 터빈 응축기로부터 생성된) 물의 유동과 공기 유동 간의 관계는 공기 1000 Nm3/h 당 물 380 kg이다. 공기는 273 ℃에서 압축기를 떠나고, 물은 45 ℃에서 응축기를 떠나며, 물이 공기에 의해 가열되는 교환기 내의 최소 온도 차는 10 ℃이다.
이 경우, 물은 224 ℃까지만 가열될 수 있지만, 250 ℃ 이상의 온도가 바람직하다.
본 발명에 따라, 보일러용 물의 온도를 상승시키기 위해, 공기 압축기로부터 받는 열을 보완하도록 다른 열원이 사용된다.
본 발명은, 공기 압축기, 공기 압축기를 구동시키는 증기 터빈, 제1 열교환기, 물을 제1 열교환기로 및 제1 열교환기로부터 보일러로 공급하는 수단, 압축 공기를 압축기로부터 제1 열교환기로, 및 압축기에서 압축된 공기가 공급되는 공기 분리 장치로 공급하는 수단, 제1 교환기 하류의 물을 가열하는 가열 수단, 제2 교환기, 물을 제1 교환기로부터 가열 수단으로, 가열 수단으로부터 제2 교환기로, 및 제2 교환기로부터 보일러로 공급하는 수단, 및 압축기와 제2 교환기 사이에 예열 수단을 구비하지 않고 공기를 압축기로부터 제1 교환기 상류의 제2 교환기로, 및 제2 교환기로부터 제1 교환기로 공급하는 수단을 포함하는, 통합 장치를 제안한다.
이러한 경우, 압축기로부터의 공기는 종래 기술에서와 같이 연도 가스에 의해 예열되지 않고도 물을 가열한다.
임의로,
- 가열 수단은 직접 접촉 가열 장치로 형성된다.
- 가열 장치는 보일러로부터의 증기가 공급된다.
- 가열 장치는 또한 물에 용해된 가스를 분리하는데 사용된다.
- 장치는 제1 교환기 하류 및 제2 교환기 상류의 물을 가압하는 수단을 포함한다.
- 장치는 공기 분리 장치 상류의 공기 정제 장치, 공기 분리 장치에 의해 생성된 액체를 기화시키기 위한 보조 기화기 (필요한 경우), 공기를 제1 교환기로부터 공기 정제 장치로 공급하는 수단, 정제 장치에서 정제된 공기를 공기 분리 장치로 공급하는 수단, 및 수증기를 보일러로부터, 정제 장치 및/또는 보조 기화기 및/또는 분리 장치의 흡수 냉각 시스템으로 보내지는 재생 가스를 가열하기 위한 교환기로 공급하는 수단을 포함한다.
- 장치는 공기 정제 장치, 공기 분리 장치, 공기 분리 장치에 의해 생성된 액체를 기화시키기 위한 보조 기화기 (필요한 경우), 공기를 제1 교환기로부터 공기 정제 장치로 공급하는 수단, 정제 장치에서 정제된 공기를 공기 분리 장치로 공급하는 수단, 및 수증기를 가열 수단으로부터, 정제 장치 및/또는 보조 기화기 및/또는 분리 장치의 흡수 냉각 시스템으로 보내지는 재생 가스를 가열하기 위한 교환기로 공급하는 수단을 포함한다.
- 장치는 공기 정제 장치, 공기 분리 장치, 공기 분리 장치에 의해 생성된 액체를 기화시키기 위한 보조 기화기 (필요한 경우), 공기를 제1 교환기로부터 공기 정제 장치로 공급하는 수단, 정제 장치에서 정제된 공기를 공기 분리 장치로 공급하는 수단, 및 물을 제1 교환기로부터, 정제 장치 및/또는 보조 기화기 및/또는 분리 장치의 흡수 냉각 시스템으로 보내지는 재생 가스를 가열하기 위한 교환기로 공급하는 수단을 포함한다.
- 장치는 수증기를 보일러로부터 증기 터빈으로 공급하는 수단을 포함한다.
- 장치는 터빈으로부터의 증기를 응축하고 이러한 방식으로 형성된 물의 적어도 일부를 제1 교환기로 공급 (필요한 경우, 물의 일부는 파워 플랜트로 공급됨)하는 수단을 포함한다.
- 장치는 증기를 터빈으로부터, 공기 분리 장치의 정제 장치로 보내지는 재생 가스를 가열하기 위한 교환기로 공급하는 수단을 포함한다.
- 압축기는 단열 압축기이다.
- 압축기는 압축기 스테이지 하류에 하나 이상의 냉각 수단을 포함한다.
- 공기는 공기 압축기(31)와 공기 분리 장치(49) 사이에서 임의의 압축기 수단에 의해 압축되지 않는다.
본 발명은 또한, 증기 터빈에 의해 구동되는 압축기로부터의 공기와의 열 교환에 의해 제1 열교환기에서 물이 가열되고, 그 후, 이 제1 교환기에서 냉각된 공기가 공기 분리 장치에 공급되는, 보일러용 물 가열 방법을 제안하며, 제1 교환기로부터의 물이 재가열되어, 바람직하게는 재가열되지 않고 압축기로부터의 공기와 열을 교환하는 제2 교환기로 공급되며, 압축기로부터의 공기는 압축기와 제2 교환기 사이에서 예열되지 않으며, 제2 교환기에서 냉각된 공기는 제1 교환기로 공급되고, 제2 교환기에서 가열된 물은 보일러로 공급되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 공기 압축기는 제1 압력에서 공기를 생성하고, 공기는 공기 압축기 하류에서 압축되지 않고 이 제1 압력에서 공기 분리 장치로 공급된다.
바람직하게는, 압축기로부터의 모든 공기가 공기 분리 장치로 공급된다.
본 발명은 이제 도면을 참조하여 보다 완전히 기술될 것이다. 도 1 및 4는 본 발명에 따른 장치를 도시하며, 도 2 및 3은 장치의 교환기의 Q-T 다이어그램이다.
도 1에서, 물(27)은 45 ℃에서 응축기(23)로부터 추출되어 펌프(25)에 의해 15 bar로 펌핑된다. 이 펌핑된 물은 제1 교환기(29)에서 간접 교환에 의해 100 ℃ 이상, 바람직하게는 130 ℃ 이상, 가능하게는 150 ℃ 이상, 또는 심지어 170 ℃ 이상, 예컨대 이 경우에는 175 ℃의 제1 온도로 가열된다. 이러한 제1 교환기에서, 물은 공기 압축기(31)로부터의 공기(35)에서 열을 회수한다. 압축기는 단열적일 수 있거나 스테이지 사이에 냉각 수단을 가질 수 있다. 고온의 물은, 보일러(1)로부터 14 bar의 수증기(5)를 수용하는 탈기 장치(3)로 공급된다. 따라서, 물은 제1 온도로부터 196 ℃로 가열되고, 스트립핑에 의해 용존 산소가 제거된다. 196 ℃의 물(7)은 펌프(9)에 의해 150 bar로 펌핑되고 유동(11)을 생성하여, 공기 압축기(31)로부터의 공기(33)와 열을 교환하는 제2 교환기(13)로 공급된다. 2 개의 교환기를 통과한 후, 공기(37)는 도 4에 도시된 공기 분리 장치로 공급된다.
고압의 물 유동(15)은 보일러(1)로 공급된다. 보일러(1)로부터의 수증기(19)는, 공기 압축기(31)를 구동시키는 증기 터빈(17)으로 공급된다. 이후, 증기(21)가 응축기(23)로 공급된다.
공기는 압축기(31)의 출구와 공기 분리 장치(49)의 입구 사이에서는 압축되지 않는다.
도 2는 2 개의 교환기(13 및 29)에서의 열 교환을 도시한다. 이러한 구성은 압축기로부터의 열의 우수한 이용 및 중압에서의 효율적인 탈기를 가능하게 한다.
교환 다이어그램을 최적화하여 도 3에 도시된 다이어그램을 얻기 위해 (가능한 한 그래프 상의 선들이 거의 평행이 되게 하기 위해), 공기 분리 장치의 증기 터빈(17) 이후에 응축된 물(27)의 일부를, 고온 공기와의 교환에 의한 예열 시스템이 아니라 파워 플랜트의 예열 시스템으로 공급하는 것이 바람직하다.
도 4는 공기 분리 장치를 보다 상세하게 도시한, 도 1의 일 버전의 도면이다. 압축기(31)로부터의 공기(37)는 정제 장치(41)로 공급되고, 정제 장치(41)로부터 극저온 증류 공기 분리 장치(49)로 공급된다. 일부 경우에서, 분리 장치(49)로부터의 액체 생성물이 보조 기화기(51)에서 기화된다.
정제 장치는 공기 분리 장치(49)로부터의 질소(43) 유동에 의해 재생된다. 이러한 질소 유동은 보일러(1)로부터의 수증기에 의해, 및/또는 탈기 장치(3) 및/또는 보일러 블로우-오프(blow-off)로부터의 수증기(55)에 의해 예열될 수 있다. 바람직하게는, 보일러(1)로부터의 수증기는 탈기 장치(3)로 보내지는 유동(5)의 일부이다.
추가적으로 또는 별법으로, 제1 교환기(29)에서 약 150 ℃로 가열되는 물의 일부(57)가 재생 질소(43)를 가열하는데 사용될 수 있다. 이러한 물은 지속적으로 배출되어 단열 저장조(비도시)에 저장되고, 재생 질소를 가열할 필요가 있는 경우에 보내질 수 있다.
탈기 장치(3)로부터의 수증기(53)는 보조 기화기(51)에서 공기 분리 장치의 극저온 액체를 기화시키는데 사용될 수 있다.
수증기(5) 및/또는 물(57) 및/또는 수증기(45) 및/또는 수증기(55)의 일부는 또한 공기 분리 장치(49)의 흡수 냉각 유닛을 가열하는데 사용될 수 있다.
공기는 공기 압축기(31)와 공기 분리 장치(49) 사이에서 임의의 압축기 수단에 의해 압축되지 않으며, 공기 압축기(31)로부터의 모든 공기가 공기 분리 장치(49)로 공급된다.

Claims (10)

  1. 공기 압축기(31), 공기 압축기에 결합된 증기 터빈(17), 제1 열교환기(29), 물을 제1 열교환기로 및 제1 열교환기로부터 보일러(1)로 공급하는 수단, 압축 공기를 압축기로부터 제1 열교환기로, 및 압축기에서 압축된 공기가 공급되는 공기 분리 장치(49)로 공급하는 수단, 제1 교환기 하류의 물을 가열하는 수단(3), 제2 교환기(13), 물을 제1 교환기로부터 가열 수단으로, 가열 수단으로부터 제2 교환기로, 및 제2 교환기로부터 보일러로 공급하는 수단, 공기를 공기 압축기로부터, 예열 수단을 통과시키지 않고 직접 제1 교환기 상류의 제2 교환기로 공급하는 수단, 및 공기를 제2 교환기로부터 제1 교환기로 공급하는 수단을 포함하는 통합 장치.
  2. 제1항에 있어서, 가열 수단이 직접 접촉 가열 장치(3)로 형성되는 통합 장치.
  3. 제2항에 있어서, 가열 장치(3)에 보일러(1)로부터의 증기가 공급되는 통합 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 가열 장치(3)는 또한 물 중에 용해된 가스를 분리하는데 사용되는 통합 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 교환기 하류 및 제2 교환기 상류에서 물을 가압하는 수단(9)을 포함하는 통합 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 공기 분리 장치(49) 상류의 공기 정제 장치(41), 공기 분리 장치에 의해 생성된 액체를 기화시키기 위한 보조 기화기(51) (필요한 경우), 공기를 제1 교환기(29)로부터 공기 정제 장치로 공급하는 수단, 정제 장치에서 정제된 공기를 공기 분리 장치로 공급하는 수단, 및 수증기를 보일러로부터, 정제 장치 및/또는 보조 기화기 및/또는 분리 장치의 흡수 냉각 시스템으로 보내지는 재생 가스를 가열하기 위한 교환기(47)로 공급하는 수단을 포함하는 통합 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 공기 정제 장치(41), 공기 분리 장치(49), 공기 분리 장치에 의해 생성된 액체를 기화시키기 위한 보조 기화기(51) (필요한 경우), 공기를 제1 교환기로부터 공기 정제 장치로 공급하는 수단, 정제 장치에서 정제된 공기를 공기 분리 장치로 공급하는 수단, 및 수증기를 가열 수단으로부터, 정제 장치 및/또는 보조 기화기 및/또는 분리 장치의 흡수 냉각 시스템으로 보내지는 재생 가스를 가열하기 위한 교환기(47)로 공급하는 수단을 포함하는 통합 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 수증기를 보일러로부터 증기 터빈(17)으로 공급하는 수단, 및 터빈으로부터의 증기를 응축시키고 이러한 방식으로 형성된 물의 적어도 일부를 제1 교환기(29)로 공급하는 수단(23)을 포함하는 통합 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 공기는 공기 압축기(31)와 공기 분리 장치(49) 사이에서 임의의 압축기 수단에 의해 압축되지 않는 통합 장치.
  10. 증기 터빈에 의해 구동되는 압축기(31)로부터의 공기와의 열 교환에 의해 제1 열교환기(29)에서 물이 가열되고, 그 후, 이 제1 교환기에서 냉각된 공기가 공기 분리 장치(49)로 공급되는, 보일러(1)용 물 가열 방법이며, 제1 교환기로부터의 물은 재가열되어, 압축기로부터의 공기와 열을 교환하는 제2 교환기(13)로 공급되고, 압축기로부터의 공기는 압축기와 제2 교환기 사이에서 예열되지 않고, 제2 교환기에서 냉각된 공기는 제1 교환기로 공급되고, 제2 교환기에서 가열된 물은 보일러로 공급되는 것을 특징으로 하는, 보일러(1)용 물 가열 방법.
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