KR20130021957A - 연료 예열 장치 - Google Patents

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Abstract

연료 예열 장치가 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 연료 예열 장치는 소재가열장치로 연료가스를 공급하는 경로상에 다단에 걸쳐 열교환이 이루어지도록 제공되는 다단형 열교환기; 상기 다단형 열교환기의 이상 유무를 감지하는 감지부; 및 상기 다단형 열교환기로 공급되는 경로의 전단부와 후단부 사이를 연결하도록 제공되어 상기 다단형 열교환기의 이상 발생시 상기 연료가스가 상기 다단형 열교환기를 우회하여 공급되도록 제공된 우회공급부;를 포함한다.

Description

연료 예열 장치 {FUEL PRE-HEATING APPARATUS}
본 발명은 연속적으로 소재를 가열하도록 제공된 소재가열장치로 연료가스를 공급하는 배관이 막히는 것을 방지하기 위해 연료가스를 예열하여 공급하는 연료 예열 장치에 관한 것이다.
일반적으로 강판 스트립 등의 소재가 연속적으로 이동시키며 조업하는 소재가열장치는 강판 스트립의 열처리 용도에 적합한 재질을 확보하며, 스트립 표면 환원으로 도금 밀착성을 확보하거나, 스트립의 내부 응력이나 결정조직을 조정하기 위해 일정온도와 분위기에서 스트립을 열처리한 후 냉각시킨다.
이러한 소재가열장치는 내부의 온도를 일정온도로 유지시키기 위해 연료가스를 연소시키고 있다.
한편, 철강업계에서 소재가열장치 등으로 공급되는 연료가스는 코스크 건류 과정에서 발생한 코크스 오븐 가스(Coke Oven Gas : COG)가 주로 사용되고 있다.
그런데, 코크스 오븐 가스에는 부식생성물질과 수분이 다량으로 포함되어 있으며, 이러한 부식생성물질과 수분 등의 영향으로 인해 연료가스를 공급하는 배관에 막힘이 발생하고 있다.
이와 같이, 연료가스 공급배관에 막힘이 발생하게 되면, 연료 또는 공기의 공급이 원활해지지 않게 되고, 이로 인해 연소불량과 버너 간 연소 불균일 현상이 발생할 수 있으며, 이로 인해 강판 스트립의 온도편차가 발생하거나 생산성 하락 또는 오염물질의 발생 증가 등을 일으키는 원인이 되고 있다.
더욱이, 연료가스인 코크스 오븐 가스에는 나프탈렌 등의 타르 분진(Tar mist) 등이 포함되며, 이러한 타르 분진은 점성이 있어 저온에서 배관 표면에 잘 부착되며 탄화반응에 의해 쉽게 고착된다.
또한, 코크스 오븐 가스에는 황화수소(H2S), 시안화수소 고도합성수(HCN), 암모니아(NH3), 산소(O2), 물(H2O) 등이 포함될 수 있으며, 이들은 철(Fe)과 부식반응하며 철산화물(또는 수산화물), 황화합물, 시안화물 등을 생성하여 연료배관내 퇴적되는 경향이 있다. 더욱이 연료가스로 사용되는 코크스 오븐 가스는 황화수소(H2S)와 철(Fe)의 부식반응이 활발하게 진행되며 연료배관을 막히게 하고 있다.
그러나, 종래에는 코크스 오븐 가스에 포함된 타르 분진 또는 부식생성물질, 수분 등을 제거하는데 구조적인 한계가 있으며, 이에 따라 코크스 오븐 가스에 포함된 타르 분진 또는 부식생성물질, 수분 등이 배관에 부착되는 것을 방지하기 위한 기술 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 일 실시예는 코크스 오븐 가스가 연료공급을 위한 배관으로 공급되는 과정에서 예열이 이루어지도록 하여 코크스 오븐 가스에 포함된 타르 분진 또는 부식생성물질, 수분 등이 기화되어 배관 등에 부착되지 않도록 한 연료 예열 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 연료 예열 장치는 소재가열장치로 연료가스를 공급하는 경로상에 다단에 걸쳐 열교환이 이루어지도록 제공되는 다단형 열교환기; 상기 다단형 열교환기의 이상 유무를 감지하는 감지부; 및 상기 감지부가 상기 다단형 열교환기의 이상 감지시 상기 연료가스가 상기 다단형 열교환기를 우회하여 공급되도록 제공된 우회공급부;를 포함한다.
여기서, 상기 다단형 열교환기는 상기 연료가스를 공급하는 경로상에 제공되어 제1열유체를 이용하여 상기 연료가스를 예열하는 제1열교환기와, 상기 제1열교환기와 연속하여 제공되며 제1열유체보다 고온의 제2열유체를 이용하여 상기 연료가스를 예열하는 제2열교환기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1열유체는 상기 소재가열장치에 의해 가열된 소재를 냉각하며 고온으로 가열될 수 있다.
이러한 상기 제1열유체는 60℃ 내지 100℃로 가열된 유체를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2열유체는 열원에 의해 가열된 스팀수(steam)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제2열유체는 130℃ 내지 200℃로 가열된 유체를 포함할 수 있다.
또한, 상기 감지부는 상기 다단형 열교환기의 전단부 및 후단부에 제공된 제1압력센서 및 제2압력센서와, 상기 제1압력센서 및 상기 제2압력센서에 감지된 압력차이에 따른 상기 다단형 열교환기의 이상 유무를 판단하는 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 우회공급부는 상기 다단형 열교환기의 전단부 및 후단부에서 상기 공급배관과 연결하도록 제공된 우회공급배관과, 상기 다단형 열교환기의 전단부와 후단부에서 상기 공급배관을 개폐토록 제공된 제1차단밸브 및 제2차단밸브와, 상기 우회공급배관을 개폐토록 제공된 제3차단밸브를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 소재가열장치로 공급되는 연료가스가 예열됨에 따라 코크스 오븐 가스에 포함된 타르 분진이나 부식생성물질 또는 수분 등이 기화된 상태로 공급되어 연료공급배관에 부착되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 실시예의 연료 예열 장치는 소재가열장치를 냉각하는 과정 등에서 발생하는 페열을 이용하도록 제공되어 에너지의 소비를 최소화할 수 있어 경제성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시예의 연료 예열 장치는 코크스 오븐 가스에 포함된 타르 분진이나 부식생성물질 또는 수분 등이 기화된 상태로 공급되어 연소되므로 오염물질의 발생을 줄일 수 있다.
도 1은 일반적인 소재 가열장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 예열 장치가 구비된 소재 가열 장치의 배관연결구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 예열 장치의 연결구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 예열 장치를 도시한 정면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 예열 장치를 도시한 단면도.
이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 일반적인 소재 가열장치의 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 예열 장치가 구비된 소재 가열 장치의 배관연결구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1과 도 2를 참고하면, 본 실시예에서 연료 예열 장치(110)는 소재가열장치(10)로 공급되는 연료를 예열하여 공급하도록 제공될 수 있다.
이러한 소재가열장치(10)는 장입대(20), 예열대(30), 가열대(40), 균열대(50) 등의 열처리구간을 포함할 수 있다.
또한, 이러한 열처리구간에는 내부 분위기 온도를 일정하게 유지하기 위한 다수의 버너가 구비될 수 있으며, 이러한 버너로 연료가스와 공기를 공급하여 연소가 이루어질 수 있다.
소재가열장치(10)로 공급되는 연료가스는 코크스의 건류과정에서 발생된 코크스 오븐 가스(Coke Oven Gas : COG)가 주로 활용될 수 있다.
이러한 코크스 오븐 가스는 소재가열장치(10)와 코크스 오븐 사이에 설치된 연료공급배관을 통해 공급이 이루어질 수 있다.
또한, 소재가열장치(10)는 연료공급배관을 통해 공급된 코크스 오븐 가스를 다수의 분기된 배관으로 공급하며, 각각의 분기된 배관의 일측에 제공된 버너에서 공급된 코스크 오븐 가스를 연소시킬 수 있다.
각각의 분기된 배관은 가열조건 등에 따라 굴절된 상태로 제공될 수 있으며, 예열대(30), 가열대(40), 균열대(50) 등의 각 구간에 따라 예상부(32), 가상부(42), 가하부(44), 균상부(52), 균하부(54) 등으로 배열될 수 있다.
한편, 본 실시예의 연료 예열 장치(110)는 소재가열장치(10)로 연료가스인, 코크스 오븐 가스를 공급하는 경로상에 제공될 수 있다.
즉, 본 실시예의 연료 예열 장치(110)는 소재가열장치(10)의 전단부에서 코크스 오븐 가스를 공급하는 공급배관(12)에 설치될 수 있으며, 소재가열장치(10)로 공급되는 코크스 오븐 가스가 예열된 상태로 공급되도록 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 예열 장치의 연결구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참고하면, 본 실시예의 연료 예열 장치(110)는 소재가열장치(10)로 코크스 오븐 가스를 공급하는 공급배관(12)에 다단에 걸쳐 열교환이 이루어지도록 제공된 다단형 열교환기(120)를 포함할 수 있다.
일례로, 다단형 열교환기(120)는 코크스 오븐 가스를 공급하는 공급배관(12)의 일측에 제공되어 제1열유체를 이용하여 코크스 오븐 가스를 연료가스를 예열하는 제1열교환기(122)를 포함할 수 있다.
또한, 다단형 열교환기(120)는 제1열교환기(122)에 연속하여 제공되는 제2열교환기(126)를 포함할 수 있다. 제2열교환기(126)는 제1열교환기(122)로 공급되는 제1열유체 보다 고온으로 공급되는 제2열유체를 이용하여 코크스 오븐 가스를 예열하도록 제공될 수 있다.
본 실시예에서 제1열유체는 소재가열장치(10)에 의해 가열된 소재를 냉각하도록 제공되는 냉각수를 포함할 수 있으며, 이러한 냉각수는 소재를 냉각하는 과정에서 고온으로 가열될 수 있다.
즉, 소재가열장치(10)는 소재를 각각의 과정에 맞춰 열처리가 진행될 수 있으며, 이러한 과정에서 고온으로 가열된 소재를 냉각하여 최종적인 제품의 형태로 제조할 수 있다. 이때, 소재가열장치(10)는 고온으로 가열된 소재를 냉각수가 통과하도록 제공된 냉각대를 통과하며 냉각시킬 수 있다.
한편, 소재가열장치(10)의 냉각대에서 소재를 냉각하는 과정에서 소재와 열교환되어 가열되는 냉각수, 즉 제1열유체는 약 60℃ 내지 100℃로 가열될 수 있다.
본 실시예에서 제1열유체는 소재가열장치(10)에서 소재를 냉각하는 과정에서 가열되는 것으로 설명하고 있으나, 제1열유체를 가열하는 열원이나 열교환수단은 한정되지 않으며 다양하게 변형될 수 있다. 일례로 제1열유체는 별도의 히팅장치에 의해 가열된 상태로 공급될 수 있으며, 다른 로내의 설비 등을 냉각하는 과정에서 가열된 상태로 공급되는 것도 가능하다.
이와 같은 과정을 거쳐 약 제1열유체는 약 93℃로 가열되고, 이후 제1열유체는 제1열교환기(122)의 제1유입구(123)로 공급된 후, 공급배관(12)을 통과하는 코크스 오븐 가스와 열교환이 이루어진다.
그리고, 제1열교환기(122)에서 코크스 오븐 가스와 열교환된 제1열유체는 약 91℃ 정도의 온도로 냉각된 후, 제1배출구(124)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
이와 같이, 외부로 배출된 제1열유체는 다시 소재가열장치(10)에 의해 가열된 소재와 열교환되어 가열되는 과정을 거친 후 다시 제1열교환기(122)로 공급되는 순환사이클을 이루거나, 외부로 배출될 수 있다.
이때, 코크스 오븐 가스는 제1열교환기(122)의 전단부로 상온에 근접한 온도, 일례로 약 27℃로 공급될 수 있다. 그리고, 코크스 오븐 가스는 제1열교환기(122)에서 제1열유체와 열교환됨에 따라 제1열교환기(122)의 출측에서 약 60℃ 정도로 예열된 상태로 배출될 수 있다.
전술된 바와 같이 제1열교환기(122)에서 1차적으로 예열된 코크스 오븐 가스는 공급배관(12)을 통해 계속 진행될 수 있으며, 제1열교환기(122)와 연속적으로 배치되는 제2열교환기(126)에 의해 2차 예열이 이루어질 수 있다.
제2열교환기(126)은 제1열교환기(122)의 출측단과 연속적으로 배치되며, 제1열유체보다 고온인 제2유체를 이용하여 공급배관(12)을 통과하는 코크스 오븐 가스와 열교환이 이루어질 수 있다.
일례로, 제2열교환기(126)의 제2유입구(127)를 통해 유입된 제2열유체는 별도의 열원에 의해 가열되어 공급될 수 있다.
이때, 제2열유체는 열원에 의해 가열된 스팀수를 포함할 수 있으며, 이러한 스팀수는 약 130℃ 내지 200℃로 가열된 상태로 공급될 수 있다.
본 실시예에서 제2열유체인 스팀수는, 약 170℃로 가열되어 공급될 수 있으며, 제2열교환기(126)의 제2유입구(127)를 통해 공급된 후 공급배관(12)을 통과하는 코크스 오븐 가스와 열교환이 이루어질 수 있다.
그리고, 코크스 오븐 가스와 열교환이 이루어진 제2열유체는 제2열교환기(126)에 제공된 제2배출구(128)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
이때, 제2열유체는 다시 가열된 후, 제2유입구(127)로 공급되는 순환 사이클을 이룰 수 있으며, 별도의 시설 등으로 배출되는 것도 가능하다.
한편, 코크스 오븐 가스는 제1열교환기(122)를 통과하며 약 60℃로 예열된 후 제2열교환기(126)의 입측을 통과하게 되며, 제2열교환기(126)에서 제2열유체와 열교환이 이루어져 출측에서 약 130℃ 정도로 2차 예열된 상태로 배출될 수 있다.
이와 같이 본 실시예에서 연료 예열 장치(110)는 제1열유체를 가열하는 1차 예열과정에서 약 1,000kg/Hr의 열량이 소요될 수 있고, 1차 예열과정에서 소요되는 열량은 소재를 냉각하는 과정에서 얻는 폐열을 이용할 수 있다.
또한, 연료 예열 장치(110)는 제2열유체를 가열하는 2차 예열과정에서 약 1,350kg/Hr의 열량이 소요될 수 있다.
본 실시예에서 연료 예열 장치(110)는 상대적으로 저온인 1차 열교환단계에서는 폐열을 이용하도록 하고, 상대적으로 고온인 2차 열교환단계에서만 제2열유체의 가열을 위해 1,350kg/Hr의 열량만을 소비할 수 있으며, 이는 동일한 조건에서 폐열을 이용하지 않는 열교환방식의 연료 예열 장치에서 소요되는 열량인 1,918kg/Hr에 비해 약 30%의 절감효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 실시예에서 공급배관(12) 중 다단형 열교환기(120) 내부에 위치되는 부분은 열교환 효율을 높이기 위해 다수로 분기된 세류관(14)으로 제공될 수 있다.
한편, 본 실시예에서 연료 예열 장치(110)는 다단형 열교환기(120)를 통과하는 공급배관(12) 또는 다단형 열교환기(120)의 내부에 크랙(crack) 등이 발생할 수 있으며, 이와 같이 크랙이 발생할 경우 제1열유체 또는 제2열유체에 포함된 수분이 코크스 오븐 가스에 포함되어 분진 등을 고착시킬 수 있다.
따라서, 본 실시예의 연료 예열 장치(110)는 다단형 열교환기(120)의 이상 유무를 감지하는 감지부가 구비될 수 있다.
이러한 감지부는 다단형 열교환기(120)의 전단부 및 후단부에 각각 제공된 제1압력센서(132) 및 제2압력센서(134)를 포함할 수 있다.
또한, 감지부는 제1압력센서(132) 및 제2압력센서(134)에 감지된 압력차이에 따라 다단형 열교환기(120)의 이상 유무를 판단하는 제어부를 포함할 수 있다.
제어부는 제1압력센서(132) 및 제2압력센서(134)에 감지된 압력값으로부터 다단형 열교환기(120)의 전단부와 후단부 사이의 압력차이를 측정할 수 있고, 이와 같이 측정되는 압력차이가 설정값을 벗어나면 다단형 열교환기(120)가 이상상태라고 판단할 수 있다.
일례로, 정상상태시 다단형 열교환기(120)의 전단부 및 후단부의 압력은 약 1,300mmH2O로 유지될 수 있다.
한편, 제어부는 제1압력센서(132) 또는 제2압력센서(134)에 감지되는 압력값이 1,500mmH2O 이상이거나, 제1압력센서(132)와 제2압력센서(134) 사이의 압력차가 100mmH2O 이상일 경우, 공급배관(12) 또는 다단형 열교환기(120)에 크랙 등으로 인한 이상상태임을 판단할 수 있다.
즉, 공급배관(12) 또는 다단형 열교환기(120)에 내부 크랙이 발생하면, 제1열유체 또는 제2열유체가 공급배관(12)으로 누출되며 내부 압력을 증가시키게 된다.
또한, 감지부는 제어부에 의해 다단형 열교환기(120)의 이상이 감지되면 이를 작업자에게 알리기 위한 경보시설 등이 더 구비될 수 있다.
또한, 연료 예열 장치(110)는 감지부에 의해 다단형 열교환기(120)의 이상이 감지되면, 코크스 오븐 가스가 다단형 열교환기(120)를 우회하여 공급되도록 제어할 수 있다.
이를 위해, 연료가스 공급배관(12)은 다단형 열교환기(120)로 공급되는 경로의 전단부와 후단부 사이를 연결하도록 제공된 우회공급부를 포함할 수 있다.
우회공급부는 다단형 열교환기(120)의 전단부와 후단부에 각각 제공된 제1차단밸브(133) 및 제2차단밸브(135)를 포함할 수 있다. 또한, 다단형 열교환기(120)의 전단부 및 후단부에서 공급배관과 연결하도록 제공된 우회공급배관(136)을 포함할 수 있다. 일례로, 우회공급배관(136)은 제1차단밸브(133)가 제공된 공급배관(12)의 전단부 또는 제2차단밸브(135)가 제공된 공급배관(12)의 후단부에 각각 연결될 수 있다.
이와 같이, 감지부는 다단형 열교환기(120)의 이상이 감지되면, 다단형 열교환기를 통과하도록 공급배관(12) 상에 제공된 제1차단밸브(133) 및 제2차단밸브(135)를 차단하고, 우회공급배관(136)에 제공된 제3차단밸브(137)을 개방하여 코크스 오븐 가스가 우회공급배관(136)을 통해 다단열 열교환기(120)를 우회하여 공급되도록 할 수 있다.
전술된 바와 같이 구성된 연료 예열 장치(110)는 연료가스인 코크스 오븐 가스 중에 포함된 부식생성물질과 수분 등이 기화된 상태로 소재가열장치(10)로 공급될 수 있으며, 이에 따라 공급배관(12)에 부식생성물질과 수분 등의 부착으로 인한 배관막힘을 방지할 수 있어 각각의 버너에서 연소상태를 균일하게 유지할 수 있다.
또한, 본 실시예의 연료 예열 장치(110)는 연료가스의 예열이 다단으로 이루어지며, 일례로 1단 예열시 폐열을 이용하여 연료가스를 예열하도록 제공되어 낭비되는 에너지를 재활용할 수 있으며, 예열을 위해 추가적인 연료의 소비를 줄일 수 있어 경제성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
10 : 소재가열장치 12 : 공급배관
20 : 장입대 30 : 예열대
40 : 가열대 50 : 균열대
110 : 연료 예열 장치 120 : 다단형 열교환기
122 : 제1열교환기 123 : 제1유입구
124 : 제1배출구 126 : 제2열교환기
127 : 제2유입구 128 : 제2배출구
132 : 제1압력센서 133 : 제1차단밸브
134 : 제2압력센서 135 : 제2차단밸브
136 : 우회공급배관 137 : 제3차단밸브

Claims (8)

  1. 소재가열장치로 연료가스를 공급하는 경로상에 다단에 걸쳐 열교환이 이루어지도록 제공되는 다단형 열교환기;
    상기 다단형 열교환기의 이상 유무를 감지하는 감지부; 및
    상기 감지부가 상기 다단형 열교환기의 이상 감지시 상기 연료가스가 상기 다단형 열교환기를 우회하여 공급되도록 제공된 우회공급부;
    를 포함하는 연료 예열 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 다단형 열교환기는
    상기 연료가스를 공급하는 경로상에 제공되어 제1열유체를 이용하여 상기 연료가스를 예열하는 제1열교환기와,
    상기 제1열교환기와 연속하여 제공되며 제1열유체보다 고온의 제2열유체를 이용하여 상기 연료가스를 예열하는 제2열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 예열 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1열유체는 상기 소재가열장치에 의해 가열된 소재를 냉각하며 고온으로 가열되는 것을 특징으로 하는 연료 예열 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1열유체는 60℃ 내지 100℃로 가열된 유체를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 예열 장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2열유체는 열원에 의해 가열된 스팀수(steam)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 예열 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2열유체는 130℃ 내지 200℃로 가열된 유체를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 예열 장치.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 감지부는
    상기 다단형 열교환기의 전단부 및 후단부에 제공된 제1압력센서 및 제2압력센서와,
    상기 제1압력센서 및 상기 제2압력센서에 감지된 압력차이에 따른 상기 다단형 열교환기의 이상 유무를 판단하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 예열 장치.
  8. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 우회공급부는
    상기 다단형 열교환기의 전단부 및 후단부에서 상기 공급배관과 연결하도록 제공된 우회공급배관과,
    상기 다단형 열교환기의 전단부와 후단부에서 상기 공급배관을 개폐토록 제공된 제1차단밸브 및 제2차단밸브와,
    상기 우회공급배관을 개폐토록 제공된 제3차단밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 예열 장치.
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