KR20140096022A - 고온 코크스를 냉각하는 습식 냉각탑 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉각 챔버(2), 냉각수를 분배하기 위한 냉각 챔버(1) 위의 냉각 분무 장치(3), 냉각 챔버(2)에 배치된 굴뚝(4), 및 수평으로 또는 수직에 대해 경사각으로 배열되고 수직으로 투과될 수 있으며 복수의 층판들(7)을 갖는 적어도 하나의 분리장치(6)를 포함하는 고온 코크스를 냉각하기 위한 습식 냉각탑에 관한 것이다. 각각의 층판은 브랜치가 없는 단면을 갖고, 각각의 경우에 두 인접한 층판들(7) 사이에 유로들(8)이 형성된다. 본 발명에 따르면, 각각의 경우에 두 층판들(7) 사이에 형성된 유로들(8)의 방향이 복수 회 변경되며 구불구불한 서로 대응된 형상을 가진다. 본 발명은 또한 상술한 습식 냉각탑을 이용하여 코크스를 냉각하는 방법에 관한 것이다.

Description

고온 코크스를 냉각하는 습식 냉각탑{WET QUENCHING TOWER FOR QUENCHING HOT COKE}

본 발명은 냉각 챔버, 냉각수의 배출을 위한 냉각 챔버 위에 있는 냉각 샤워 유닛, 냉각 챔버 상에 배치된 굴뚝 및 수평으로 또는 수직에 대해 경사각으로 배열되고 다수의 층판들을 갖는 적어도 하나의 수직 관류식 분리장치(vertical-throughflow separation device)를 구비하고, 각각의 층판이 브랜치 프리(branch-free) 단면을 갖고, 유로들은 각각의 경우에 2개의 인접한 층판들 사이에 형성되는, 고온 코크스를 냉각하는 습식 냉각탑에 관한 것이다.

습식 냉각탑들은 코킹 공정 직후에 정지해 있는 고온 코크스를 냉각하고 또한 고온 코크스의 연소(burn-off)를 방지하는데 사용된다. 이 목적을 위해, 코크스는 노의 개구(furnace aperture)로부터 냉각 트롤리 안으로 넘겨지고, 그리고 나서 냉각 트롤리에 의해 습식 냉각탑으로 운반된다. 습식 냉각탑에서, 고온 코크스에 냉각 샤워 유닛에 의해 물이 분무되고, 그 결과 냉각 증기라고도 지칭되는 아주 대량의 스팀이 즉각적으로 형성된다. 물의 증발로 인한 급랭 및 체적 증가로 말미암아, 대량의 먼지가 또한 발생되고 냉각 증기와 함께 위쪽으로 비말동반(entrain)된다.

물의 소모와 먼지 입자들의 배출은 실제로 습식 냉각 효율 및 환경 오염 면에서 결정적인 요인들을 구성한다. 따라서 가능한 대량의 일부 냉각수가 회수될 수 있고 그에 따라 가능한 대량의 일부 먼지 입자들이 분리될 수 있도록, 냉각 챔버 상에 배치된 굴뚝에 관류식 분리장치들이 배열된다. 이 경우에, 한편으로는 액적(water droplets)들이, 다른 한편으로는 먼지 입자들이 각각 다른 크기의 분포 및 각각 다른 비중 때문에, 또한 그들의 분리성과 관련하여 각각 다른 특성들을 가진다는 점을 유념해야 한다. 액적들을 분리하기 위하여, 방향이 변경되는 유로들이 제공된다. 공기보다 무거운 액적들은 이와 같은 방향 변경을 따를 수 없고 따라서 분리장치의 벽들에 퇴적된다. 그에 반하여, 먼지 입자들도 분리될 수 있도록, 공지의 습식 냉각탑에서는 예를 들어 분리장치에서 와류(swirling of the flow)를 일으키는 특별한 방안들이 제공된다.

먼지가 분리될 수 있도록 하기 위하여, 독일 특허공보 DE 2 100 848 C호에 따르면 분리장치를 구비한 습식 냉각탑이 공지되어 있으며, 이 분리장치는 단부 노즈(end nose)를 구비한 기본적으로 평면의 층판들을 갖추고 있다.

처음에 설명한 특징들을 갖는 습식 냉각탑은 독일 특허공보 DE 40 11 431 A1호에 공지되어 있다. 독일 특허공보 DE 2 100 848 C호에 따른 분리장치를 구비한 습식 냉각탑에 근거하여, 각진 프로파일의 형태의 층판들의 구성이 제시되어 있다. 단부 노즈와 각도의 조합은 먼지와 액적들 둘 다의 양호한 분리를 달성하기 위해 의도된다. 그러나, 특히 노즈 영역에서 완전한 세정이 특히 어렵다는 단점이 있다. 더욱이, 액적들에 대한 분리 능력도 여전히 개선될 필요가 있다.

독일 특허공보 DE 101 138 90 C1호 및 독일 특허공보 101 225 31 A1호는 각각의 경우에 분리 능력을 개선하기 위한 복수의 분리장치를 갖는 습식 냉각탑들을 개시하고 있다. 여기서는, 또한, 단순히 각진 층판들이 제공되는데 이 층판들은 그 단부들에 T-형상의 프로파일을 갖는 브랜치들 또는 노즐들을 갖는다. 층판들의 프로파일을 이렇게 형상화하는 것은 코크스의 냉각 동안 고형물의 방출(immission of solids)을 더욱 감소시키는데 유용하다. 특히 먼지의 분리를 향상시키기 위해서는 난류가 발생되어야 한다. 그러나, 이 경우에, 흐름 저항이 분리장치에 의해 크게 증대되는 한편, 난류-발생 구조들을 세정하기도 어렵다는 단점이 있다.

마지막으로, 독일 특허공보 DE 30 46 313 A1호는 흐름이 분리장치를 수평으로 통과하는 습식 냉각탑을 개시하고 있다. 개개의 층판은 단면에 있어서 흐름 방향과 반대로 개방된 포집 챔버를 형성하는 핀의 형상의 브랜치를 가진다. 층판들의 이러한 형상은 수직 관류식 분리장치에 부적합한데, 그 이유는, 브랜치들의 영역에서 세정 및 퇴적된 먼지의 제거가 아주 어렵기 때문이다.

이러한 배경 기술에 반하여, 본 발명이 기초를 두고 있는 목적은 간단한 설계를 가지고 액적을 효율적으로 분리시킬 수 있고 세정하기가 쉬운 습식 냉각탑(wet quenching tower)를 특정하는 것이다.

초기에 기술한 특징들을 갖는 습식 냉각탑을 기초로 하여, 상기 목적은 본 발명에 의해, 각각의 경우에 2개의 층판들(lamellae) 사이에 형성된 유로들의 방향이 2회 이상(more than once) 변경된다는 점에서 이루어진다. 상기 유로들은 액적의 분리와 관련하여 기본적으로 최적화된 단순한 나선형 경로를 가진다.

종래 기술에 따르면 특히 먼지 분리를 위해 최적화되고 또한 세정하기가 어려운 층판들이 항상 제안된 반면, 본 발명의 측면에서는 액적의 분리와 관련하여 최적화된 구성이 특정되는데, 상기 구성에서 유로들의 방향이 적어도 두 번 변경된다. 층판들은 곡선부들 또는 복수의 연속적인 각형부들(anglings)을 갖는 파형을 가질 수 있다. 놀랍게도, 본 발명의 측면에서, 분리 장치는 충분한 먼지 분리도 이루어지도록 작동될 수 있다.

이와 관련하여 본 발명은 먼지가 직접적으로 분리될 수 있고 또한 먼지가 액적과 결합되어 분리된다는 점을 고려한다. 따라서 분리 장치의 단순화에도 불구하고 높은 방출(immission) 요구조건들이 충족될 수 있고, 추가적인 온도 강하를 달성하여 응축을 증가시키고, 액적의 크기를 증가시키고 먼지의 결합을 향상시키기 위하여, 분무 장치를 사용하여 냉각 샤워 유닛 위로 상승하는 냉각 증기를 분무하는 것이 가능하다. 흐름이 분리 장치를 수직 방향으로 통과할 때, 상승하는 냉각 증기는 1회 보다 많이, 즉 2회 이상 굴절되는 반면, 액적은 그의 관성 때문에 자유롭게 흐름을 따라갈 수 없다.

이론적인 접근에서, 액적 크기가 분리 장치의 층판들에서의 분리를 위해 결정적이라는 것이 명백해진다. 규정된 굴절의 경우에, 큰 액적은 증가된 관성으로 인해 방향 변경을 따를 수 없는 반면에, 작은 액적은 또한 층판들의 표면에 부딪치지 않고 상승하는 냉각 증기에 의해 비말동반(entrained)될 수 있다. 복수의 굴절에 의해 분리 능력의 개선이 이루어질 수 있다.

또한, 종래 기술에 설명된 단순히 각진 층판들은 분리 공정에 관하여 세밀한 규정들을 초래한다는 것을 유념해야 한다. 그에 반해서, 본 발명의 측면에서는, 층판들의 프로파일을 냉각 증기에서의 액적의 크기 분포에 맞추어 조절하는 것이 가능한다. 이 점에서, 단면 프로파일은 분리 장치의 제조 시에 가변될 수 있으며, 액적의 크기 분포는 냉각 증기의 추가적인 분무에 의해 가변될 수 있고, 그리고 이 단면 프로파일과 크기 분포는 서로 조정될 수 있다. 액적 크기의 최적화는 또한 분무의 조정에 의하여 습식 냉각탑의 작동 중에 가능하다. 분무는 예를 들면 액적 크기의 직접적인 측정의 함수로서 또는 배출된 방출량(immissions)을 결정하는 것으로부터 간접적으로 제어될 수 있다.

본 발명에 따르면, 분리 장치는 그 장치가 수직 관류(throughflow)를 갖도록 배열된다. 이 경우에, 추가 조치 없이도, 층판들에서 분리된 액체는 아래로 상승하는 냉각 증기로 다시 낙하하여 적어도 부분적으로 다시 비말동반될 수 있다는 것을 유념해야 한다.

수직 관류를 가능하게 하기 위해, 분리 장치는 정확하게 수평으로 배열될 수 있다. 또한, 그러나 분리 장치를 수직에 대해 경사각으로 배열하는 것도 가능하다. 경사진 배열구조는, 특히 층판에서 응축액을 횡방향으로 배출할 수 있도록 이용될 수 있다. 이러한 목적에서, 층판들은 편의상 각각의 층판을 따라서 경사를 형성하도록 경사지게 배치(set)되고, 이 각각의 층판을 따라서 응축액이 측면으로(laterally) 배출된다. 이 점에서, 또한 해당하는 경사진 배치(setting)의 경우에 층판에 측면 배출에 도움이 되는 구조화를 제공할 수 있다. 따라서, 특히 유로들은 본질적으로 비교적 큰 연속적인 곡선들로 형성되는 반면에, 층판들을 따라서 채널형 요면(channel-like indentation)들을 형성하기 위해 층판들은 추가적인 미세 구조를 갖는 것이 가능하다.

가능한 한 층판들의 제조를 간단하게 할 수 있게 하기 위해, 본 발명의 바람직한 개선예가 제공되며, 이에 따르면, 층판들은 단면을 따라 기본적으로 균일한 두께를 갖는다. 이러한 층판들은 예를 들면 금속 시트 또는 플라스틱 웹(web)을 성형하여 쉽게 제조될 수 있다. 이러한 간단한 제조는 또한 층판들을 모듈식으로 번들(bundle) 형태로 배열하는 것을 가능하게 한다.

본 발명의 측면에서, 브랜치(branch)들, 다시 말하면 예를 들면, 핀 형 브랜치부들 또는 T 형상 브랜치부들이 단부들에 제공된다. 바람직하게는, 또한, 제조 관점에서 또한 더 복잡한 세정에 있어서 비용의 증가를 필요로 하는 층판들의 어떠한 날카로운 굽힘부들도, 유로들의 입구 단면 및 출구 단면에 제공되지 않는다. 이 점에서, 흐름 방향에서 볼 때 층판들의 단부들이 직선으로 또는 본질적으로 직선으로 끝나는 개선예가 특히 바람직하다. 유로들이 브랜치부, 각형부 등을 갖지 않는다면, 전체 경로에 걸쳐서 대략 균일한 폭이 또한 얻어진다.

분리 장치의 층판들을 먼지 및 먼지 축적물이 없게 유지하기 위해서는, 연속적인 청소 또는 간헐적인 청소가 도움이 된다. 이러한 목적으로, 분리 장치를 위로부터, 아래로부터 또는 위와 아래로부터 청소하는 청소장치가 제공될 수 있다. 이를 위해, 청소장치에는 적절하게 배향된 분무 노즐들이 제공될 수 있다. 또한, 간헐적으로 청소하는 경우, 분무 장치의 대응하는 간헐적 작동을 위해 설정된 제어 장치가 제공된다. 본 발명의 측면에서 바람직한 층판들의 단순한 파형 또는 톱니형으로 인해 간단한 세정이 가능하다. 특히, 층판들은 전체 표면이 세정 시에 해당하는 수막(water film)에 의해 접근될 수 있도록 형상화될 수 있다.

본 발명의 주제는 또한 전술한 습식 냉각탑을 통해 코크스를 냉각하는 방법으로서, 고온 코크스는 예를 들면 냉각 트롤리에 의해 코크스로(coke furnace)에서 냉각 챔버로 운반되고, 고온 코크스는 냉각수로 냉각되어 스팀과 먼지 입자들을 함유한 냉각 증기를 형성하고, 굴뚝으로 상승하는 냉각 증기는 분리 장치를 통과하여 전달되며, 안에 결합된 먼지를 갖는 액적은 유로들을 따르는 복수의 굴절부로 인해 분리 장치에서 분리되고, 분리 장치는 청소장치에 의해 연속적으로 또는 간헐적으로 세정된다.

통상적으로, 평균 액적 크기를 증가시키고 냉각 증기를 냉각시켜 응축의 증가를 얻고 또한 먼지 입자들을 냉각 증기에 추가적으로 결합시키기 위해, 냉각 샤워 유닛 위에서 그리고 상기 적어도 하나의 분리 장치에 도달하기 전에 상승하는 냉각 증기에 물이 추가적으로 분무된다. 특히, 분무는 입자 방출에 대한 세밀한 규정들이 지켜지는 방식으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 측면에서, 층판들 사이의 유로들에서 층류가 발생되는 것이 특히 가능하다. 층류의 경우, 특히 전체적으로 낮은 흐름 저항이 발생되고, 대응하여 간단하게 형상화된 층판들은 또한 청소장치에 의해 특히 쉽게 세정될 수 있다. 특히, 청소장치에 의한 세정 중에 세척수(scavenging water)로 완전히 젖을 수 있도록 층판들이 형상화될 수 있다.

본 발명의 측면에서, 습식 냉각탑은 기본적으로 또한 적어도 하나의 추가적인 분리 장치를 구비할 수 있고, 이 분리 장치는 편의상 또한 방향이 복수 번 변경되는 유로들을 형성하는 층판들을 갖는다.

본 발명은 단지 하나의 예시적인 실시형태를 개략적으로 도시한 도면을 통해 아래에 설명된다.
도 1은 습식 냉각탑의 수직단면도이다.
도 2는 습식 냉각탑의, 도 1에 도시된 굴뚝의 상세에 대한 90° 회전시킨 측면도이다.
도 3a 및 도 3b는 습식 냉각탑의 분리장치의 층판들의 프로파일들(profiles)을 도시한 도 2의 선 A-A에 따른 단면도이다.

도 1은 예시적인 실시형태로 냉각 트롤리(1)에 의해 냉각 챔버(2) 내로 도입되는 고온 코크스를 냉각하기 위한 습식 냉각탑을 나타낸다. 고온 코크스를 냉각하여 연소(burn-off)를 막기 위하여, 냉각 샤워 유닛(3)에 의해 냉각 트롤리(1)에 수용된 코크스에 물이 분무되는데, 그 결과 스팀과 먼지 입자들을 포함하는 냉각 증기가 형성된다. 냉각 증기가 위쪽으로 상승하는 굴뚝(4)이 냉각 챔버(2) 위에 배치되어 있다.

냉각 챔버(2)로부터 시작하여, 냉각 샤워 유닛(3) 위에(above) 있는 굴뚝(4)의 내부에는, 분무장치(5)가 제공되며, 상기 분무장치에 의해 상승하는 냉각 증기에 추가로 냉각수가 분무된다. 이 분무장치는 냉각 증기를 추가로 냉각시켜 결과적으로 응축을 증가시키는데 사용된다. 이 점에서, 평균 액적 크기가 또한 증대되고, 그리고 그에 따라 분리가, 흐름 방향으로 뒤따르는, 다시 말해 위에 배열되는 분리장치(6)에서 보다 쉬워진다. 마지막으로, 또한 분무장치(5)에 의해 추가 분무됨에 따라 냉각 증기로부터의 추가 먼지 입자들은 액적에 결합된다. 따라서 먼지 입자들은 분무장치에 의해 냉각 증기로부터 어느 정도 씻겨 나오게 된다.

분리장치(6)는 수직 관류(vertical throughflow)용으로 설계되고 수평면에 대해 약간 경사져 있다. 분리장치(6)의 정확한 배향(orientation)은 도 1과 도 2의 비교 관찰을 통해 할 수 있으며, 도 2는 도 1에 대해 90°회전된(rotated through 90°) 도면을 보여준다.

분리장치(6)가 복수의 평행한 층판들(7)을 포함하는 것은 이미 도 1을 통해 볼 수 있으며, 층판들(7)은 각 경우에 브랜치가 없는(branch-free) 단면을 가지며, 유로들(8)은 각각의 경우에 2개의 인접한 층판들(7) 사이에 형성된다.

도 2에 따르면, 예시적인 실시형태에서 분리장치(6)는, 개개의 층판들(7)이 그것들의 종방향 크기를 따라서 예를 들어 15°내지 45°에 해당하는 측면 기울기를 가지도록, 수평면에 대해 경사져 있다.

층판들(7)의 형상은 도 3a 및 3b에 예로서 도시된다. 본 발명에 따르면, 각각의 경우 2개의 층판들(7) 사이에 형성된 유로들(8)의 방향은 2회 이상 변경될 수 있으며, 도 3a에 따르면 층판들(7)은 적어도 2개의 터닝 포인트들 (turning points)을 갖는 파형 단면을 가진다. 복수의 굴절의 결과로서, 액적들이 그것들의 관성 때문에 방향의 변경들을 따라갈 수 없으므로, 액적들에 관한 분리 능력이 향상된다. 또한, 유로들(8)은 그들의 경로를 따라 수직 방향으로 대체로 균일한 단면을 갖는다는 것, 다시 말해 층판들(7) 사이에 대체로 균일한 간격을 갖는다는 것을 도 3a 및 3b로부터 동일하게 알 수 있다.

또한, 도 3a 및 3b의 2개의 예시적인 실시형태들에 따르면, 층판들(7)은 그것들의 단면을 따라 균일한 두께를 갖는 것을 볼 수 있다. 따라서 도시된 층판들(7)은 금속 시트 또는 플라스틱 웨브(web)를 성형하여 아주 간단히 제조될 수 있다. 설령 층판들이 사출 성형으로 제조되더라도, 도시된 외형은 아주 간단하게 그러므로 비용효율이 높게 제조될 수 있다.

분리장치(6)의 분리 능력은 기본적으로 액적의 크기 분포에 따라 좌우된다. 이 크기 분포는 분무장치(5)에 의한 추가적인 분무에 의해 어느 정도 설정될 수 있다. 특히, 실제 선택된 층판들(7)의 형상, 다시 말해 층판들(7)의 정확한 프로파일과 층판들(7) 사이의 간격은 또한 예상되는 액적 크기의 함수(function)로서 최적화될 수 있다.

도 1에 따르면, 분리장치 위에 청소장치(9)가 제공되며, 상기 청소장치에 의해 분리장치(6)의 층판들(7)이 세정될 수 있다. 추가 또는 대안적으로, 청소장치가 분리장치(6) 아래에도 제공될 수 있다. 도 3a 및 3b에 도시된 층판들(7)의 단순한 형상으로 인해, 이것들은 청소장치(9)에 의해 특히 효율적으로 세정될 수도 있다. 특히, 층판들(7)의 완전한 젖음(wetting)과 그에 따라 신뢰성있는 세정이 달성될 수 있다.

층판들(7)은 층류(laminar flow) 또는 기본적으로 층류가 유속의 함수로서 얻어지도록 형성된다.

놀랍게도, 먼지 입자들의 효율적인 분리는 액적의 분리에 대해 그 자체로 최적화된 층판들(7)의 형상에 의해서도 가능하다. 이러한 목적으로, 분무장치(5)에 의한 추가 분무에 의해 먼지의 대부분이 액적들에 결합되고, 그리고나서 이 액적들이 매우 효율적으로 분리된다는 점을 이용할 수 있다. 종래 기술에 비해, 먼지는 분리장치(7)에 의해서 증가된 규모로 액적에 결합되고 그리고 더 적은 정도로 직접 분리된다.

마지막으로, 추가 분리장치가 보다 위에 배치될 수 있음이 도 1에 표시되어 있으며, 이 경우에 이러한 간단히 표시된 분리장치(6)도 상술한 바와 같이 구성되는 것이 바람직하다.

Claims (11)

1. 냉각 챔버(2), 냉각수의 배출을 위한 냉각 챔버(2) 위의 냉각 샤워 유닛(3), 냉각 챔버(2) 위에 배치된 굴뚝(4), 및 수평으로 또는 수직에 대해 사각으로 배열되고 복수의 층판들(7)을 갖는 적어도 하나의 수직 관류식 분리장치(6)를 구비하고, 각각의 층판들은 브랜치가 없는(branch-free) 단면을 갖고, 각각의 경우에 2개의 인접한 층판들(7) 사이에 유로들(8)이 형성되는 고온 코크스를 냉각하는 습식 냉각탑에 있어서, 각각의 경우에 2개의 층판들(7) 사이에 형성된 상기 유로들(8)의 방향이 2회 이상 변경되는 것을 특징으로 하는 습식 냉각탑.
2. 제1항에 있어서,
   유로들(8)은 그 경로를 따라 대체로 균일한 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 습식 냉각탑.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   층판들(7)은 적어도 2개의 터닝 포인트들을 구비한 파형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 습식 냉각탑.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   층판들(7)은 그 단면을 따라 기본적으로 균일한 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 습식 냉각탑.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   냉각 샤워 유닛(3) 위에 분무장치(5)가 배치된 것을 특징으로 하는 습식 냉각탑.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   분리장치(6)를 세정하는 청소장치(9)를 갖는 것을 특징으로 하는 습식 냉각탑.
7. 제6항에 있어서,
   간헐적으로 청소장치(9)를 작동시키도록 설정된 제어장치를 갖는 것을 특징으로 하는 습식 냉각탑.
8. 제6항 또는 제7항에 기재된 습식 냉각탑에 의해 코크스를 냉각하는 방법으로서,
   고온 코크스가 코크스 로에서 냉각 챔버(2)로 운반되고,
   고온 코크스를 냉각수로 냉각시켜 스팀과 먼지 입자들을 포함하는 냉각 증기를 형성하고,
   굴뚝(4)으로 상승하는 냉각 증기가 분리장치(6)를 통해 전달되고,
   안에 결합된 먼지를 포함하는 액적이 유로들(8)을 따르는 복수의 굴절부로 인해 분리장치(6)에서 분리되고,
   분리장치(6)는 청소장치(9)에 의해 연속으로 또는 간격을 두고 세정되는 코크스 냉각 방법.
9. 제8항에 있어서,
   층판들(7) 사이의 유로들(8)에서 층류가 발생되는 코크스 냉각 방법.
10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    층판들(7)은 청소장치(9)에 의해 세정되는 동안 세척수로 완전히 젖게 되는 것을 특징으로 하는 코크스 냉각 방법.
11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    냉각 샤워 유닛(3) 위에서 그리고 상기 적어도 하나의 분리장치(6)에 도달되기 전에 상승하는 냉각 증기에 추가적으로 물이 분무되는 것을 특징으로 하는 코크스 냉각 방법.

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