KR20160082370A - 연소로 폐열회수장치 및 연소로 폐열회수방법 - Google Patents

연소로 폐열회수장치 및 연소로 폐열회수방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폐열 회수용 열교환기에서 나오는 포화증기의 유로를 제어하여 공정용 증기 또는 전기의 생산량을 조절하는 유로제어기를 포함하여, 폐열 회수용 열교환기의 가동률을 상시 최대수준으로 유지하는 동시에 생산된 포화증기를 효과적으로 재이용할 수 있는 연소로 폐열회수장치 및 연소로 폐열회수방법에 관한 것이다.

Description

연소로 폐열회수장치 및 연소로 폐열회수방법{ Waste heat recovery apparatus for combustion furnace and method thereof }
본 발명은 산업 분야에서 공정용 증기 생산 또는 발전용 증기생산을 목적으로 하는 보일러 또는 고온의 배가스가 배출되는 각종 연소로를 대상으로 하며, 연소로의 연도 배가스가 보유하는 폐열을 회수하여 전력 및 공정용 증기를 병행 생산하는 기술로써, 산업용 보일러 폐열의 회수 및 재이용을 통해 에너지를 절감할 수 있는 연소로 폐열회수장치 및 연소로 폐열회수방법에 관한 것이다.
통상적인 산업용 보일러는 화석연료의 연소열을 이용하여 증기를 발생시키고 이를 주 증기드럼에서 수집한 다음 필요한 용도로 사용한다. 일예로, 발전용 보일러의 경우, 과열기에서 포화증기를 과열시킨 다음 터빈으로 송기 하여 증기가 보유하는 에너지를 축 동력으로 전환 시킨다. 이때 과열기 출구 증기는 128 bar, 540℃ 에 이르는 고온,고압 상태를 유지한다.
보일러에서 증기를 연소시키고 난 후의 연소 배가스는 배가스 덕트를 통과하여 최종적으로는 연돌을 통하여 대기중으로 방출된다. 보일러 출구의 연소 배가스는 350℃이상의 고온 상태이기 때문에 열에너지를 보유하고 있고, 이러한 열에너지의 량이 많을수록 보일러의 열 이용 효율은 저하된다.
보일러의 열 이용 효율을 높이는 방법으로는 통상적으로, 연소 배가스 열을 이용하여 버너에 공급되는 연소용 공기를 예열하기 위한 공기예열기를 배가스 덕트에 설치하여 왔다. 이렇게 함으로써 350℃ 수준의 연소 배가스 온도를 180~220℃ 까지 저하시킬 수 있어 보일러의 열 이용 효율이 증대된다.
그러나 이러한 에너지 절감 수단의 적용함에도 불구하고 배가스 덕트를 통하여 배출되는 연소 배가스의 온도는 180~220℃에 이르고 있으며 이로 인하여 보일러에 투입되는 열에너지의 10% 이상이 배가스를 통하여 대기중으로 손실되고 있는 실정이다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 종래의 연소로 폐열회수장치로는 일본공개특허 제2008-096087호에 기재된 것이 있다.
일본공개특허 제2008-096087호에 기재된 종래의 증기 보일러는, 터빈으로부터의 배기가스와 물 사이에 열교환을 실시하는 열교환기를 갖추고 있어 급수 라인에서 공급되는 물을 터빈으로부터의 배기가스에 의해 가열해 증기를 발생시키게 되어 있다.
열교환기의 전열관을 흐르는 온수는 배기가스 유로를 흐르는 배기가스에 의해 가열되어 증기가 되고, 증기는 제1 증기 라인을 통하여 기수 분리기에 도입된다. 그리고 기수 분리기에서는, 증기와 물이 서로 분리되어 증기만이 제2 증기 라인을 통하여 수요처에 공급된다. 제2 증기 라인에는 압력계가 설치되어 있어 이 압력계에 의해 열교환기로 발생한 증기의 압력이 계측된다.
또한, 기수 분리기에는, 제2 증기 라인에 가세해 증기 개방 라인이 접속되어 있다. 이들 제2 증기 라인으로 증기 개방 라인과는 바이패스 라인을 통하여 연통하고 있다. 바이패스 라인에는 증기 개방 밸브가 설치되어 있어 정상 시에는 증기 개방 밸브는 닫혀 있다. 제2 증기 라인을 흐르는 증기의 압력은, 압력계를 통하여 제어부에 의해 상시 감시되고 있다. 그리고 제2 증기 라인을 흐르는 증기의 압력이 상승해 소정의 제1 값에 이르면, 제어부는 증기 개방 밸브에 지령을 보내, 증기 개방 밸브를 열도록 구성되어 있다. 이것에 의해 증기는 제2 증기 라인으로부터 바이패스 라인을 통하여 증기 개방 라인에 흘러들어, 대기에 방출된다.
증기 개방 라인에는 안전밸브가 설치되어 있어 열교환기로 발생한 증기의 압력이 과도하게 상승해 소정의 제2 값에 이르면, 안전밸브가 자동으로 열려 증기를 대기에 방출하게 되어 있다.
그러나, 종래의 연소로 폐열회수장치는 수요처에 공급되는 증기의 압력이 설정치 이상으로 상승하면 증기의 일부를 대기로 방출하기 때문에, 대기로 방출된 증기를 재이용하지 못하는 문제점이 있다.
일본공개특허 제2008-096087호
본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 폐열 회수용 열교환기에서 나오는 포화증기의 유로를 제어하여 공정용 증기 또는 전기의 생산량을 조절하는 유로제어기를 포함하여, 폐열 회수용 열교환기의 가동율을 상시 최대수준으로 유지하는 동시에 생산된 포화증기를 효과적으로 재이용할 수 있는 연소로 폐열회수장치 및 연소로 폐열회수방법을 제공함에 그 목적이 있다.
전술한 목적을 해결하기 위하여, 본 발명의 연소로 폐열회수장치는, 연소로; 상기 연소로에서 배출되는 배기가스와 열교환 하여 포화증기를 발생시키는 폐열 회수용 열교환기; 상기 폐열 회수용 열교환기에서 나오는 상기 포화증기의 유로를 제어하여 공정용 증기 또는 전기의 생산량을 조절하는 유로제어기;를 포함한다.
또한, 상기 공정용 증기는 상기 포화증기를 가압하는 가압챔버에서 생성된다.
또한, 상기 전기는 상기 포화증기의 팽창으로 축동력을 발생시키는 팽창터빈에 의해 생성된다.
또한, 상기 가압챔버에는 상기 연소로에서 생산되는 과열증기의 일부가 공급되어 상기 포화증기와 혼합된다.
본 발명의 연소로 폐열회수방법은, 연소로에서 배출되는 배기가스에 의해 폐열 회수용 열교환기에서 포화증기를 생성하는 단계; 및 상기 포화증기의 유로를 제어하여 가압챔버 또는 팽창터빈으로 공급되는 상기 포화증기의 양을 조절하는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 가압챔버에 상기 연소로에서 생산된 과열증기의 일부를 공급하여 공정용 증기를 생성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 연소로 폐열회수방법은, 연소로에서 배출되는 배기가스에 의해 폐열 회수용 열교환기에서 포화증기를 생성하는 단계; 공장의 에너지수요상황을 판단하는 단계; 상기 에너지수요상황이 공정용 증기의 수요가 증가한 것으로 판단되면 가압챔버로 공급되는 상기 포화증기의 양을 증가시키는 단계;를 포함한다.
본 발명의 또 다른 연소로 폐열회수방법은, 연소로에서 배출되는 배기가스에 의해 폐열 회수용 열교환기에서 포화증기를 생성하는 단계; 계절을 판단하는 단계; 상기 계절이 하절기로 판단되면 팽창터빈으로 공급되는 상기 포화증기의 양을 증가시키는 단계;를 포함한다.
본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
폐열 회수용 열교환기에서 나오는 포화증기의 유로를 제어하여 공정용 증기 또는 전기의 생산량을 조절하는 유로제어기를 포함하므로, 폐열 회수용 열교환기의 가동률을 상시 최대수준으로 유지하는 동시에 생산된 포화증기를 대기중으로 버리지 않고 재이용할 수 있다.
또한, 포화증기를 가압챔버로 공급해 공정용 증기를 생산 또는 팽창터빈으로 공급해 전기를 생산하여, 포화증기를 효과적으로 재이용할 수 있다.
또한, 연소로에서 생산된 과열증기의 일부를 가압챔버에 공급하여 포화증기와 혼합하기 때문에, 포화증기를 승온 및 승압하기 위한 추가적인 에너지를 절약할 수 있다.
또한, 에너지수요상황이 공정용 증기의 수요가 증가한 것으로 판단되면 가압챔버로 공급되는 상기 포화증기의 양을 증가시키므로, 공장의 에너지수요상황에 따라 포화증기를 효과적으로 이용할 수 있다.
또한, 계절이 하절기로 판단되면 팽창터빈으로 공급되는 상기 포화증기의 양을 증가시키는 단계를 포함하므로, 계절 변화에 따라 포화증기를 효과적으로 이용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소로 폐열회수장치의 구성도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 따라 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소로 폐열회수장치의 구성도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소로 폐열회수장치는, 도 1에 도시한 바와 같이, 연소로(1);와, 연소로(1)에서 배출되는 배기가스와 열교환 하여 포화증기를 발생시키는 폐열 회수용 열교환기(100);와, 폐열 회수용 열교환기(100)에서 나오는 상기 포화증기의 유로를 제어하여 공정용 증기 또는 전기의 생산량을 조절하는 유로제어기(150);를 포함하여 이루어진다.
공정용 증기는 상기 포화증기를 가압하는 가압챔버(160)에서 생성되고, 전기는 상기 포화증기의 팽창으로 축동력을 발생시키는 팽창터빈(180)에 의해 생성된다.
연소로(1)는, 연료의 연소열을 이용하여 고온고압의 증기를 발생시키고 이는 주 증기드럼(15)에 수집된다. 주 증기드럼(15)에 수집된 증기는 필요한 곳으로 송기 되어 사용된다. 이하에는 발전용 보일러로 사용되는 연소로(1)를 예로 들어 설명하도록 한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 과열기(10)에서는 연소로(1)에서 생성된 증기를 과열시켜 128bar, 540℃에 이르는 고온고압의 과열증기를 배출하고, 배출된 과열증기는 터빈(미도시)으로 공급되어 전기를 생산한다.
연소로(1)에서 연소 시 생성된 배기가스는 배가스 덕트(50)의 내부를 유동하여 연돌(70)을 통해, 대기중으로 방출된다. 연소로(1)에서 배출되는 배가스, 즉 배기가스의 온도는 350℃ 정도이다.
350℃의 배기가스는 배가스 덕트(50)에 설치된 공기예열기(55)를 통과하여 145~200℃까지 저하된다. 즉, 공기예열기(55)는 350℃의 배기가스의 열을 이용하여 버너(20)에 공급되는 연소용 공기를 예열함으로써, 열 이용 효율을 증대시킨다.
또한, 공기예열기(55)를 통과하여 배출된 145~200℃의 배기가스는 폐열 회수용 열교환기(100)에 입력된다. 그리고 급수가 가압펌프(120)를 이용하여 폐열 회수용 열교환기(100)의 내부 압력까지 가압 되어 폐열 회수용 열교환기(100)에 공급된다.
그래서 폐열 회수용 열교환기(100)에 공급된 배기가스와 급수가 열교환, 즉 배기가스 열에 의해 급수가 가열되어 120~160℃의 상기 포화증기를 발생시킨다.
폐열 회수용 열교환기(100)에서 발생된 120~160℃의 상기 포화증기는 포화증기 탱크(110)에 저장된다. 그리고 폐열 회수용 열교환기(100)에서 배출된 110℃의 배기가스는 흡인송풍기(60)를 거쳐 연돌(70)을 통해 대기중으로 방출된다.
이러한 폐열 회수용 열교환기(100)로 인해 연돌(70)을 통하여 최종적으로 배출되는 배기가스의 온도를 저하시킴으로써 배기가스가 보유하는 열에너지를 최대로 회수할 수 있어 보일러를 포함한 연소로(1)의 에너지 이용효율을 증대시킬 수 있다.
한편, 포화증기 탱크(110)에 수집된 상기 포화증기는 유로제어기(150)로 이동한다.
그래서 유로제어기(150)는 폐열 회수용 열교환기(100)에서 생성된 상기 포화증기를 가압챔버(160) 또는 팽창터빈(180)으로 공급시킨다. 유로제어기(150)를 이용하여 상기 포화증기로 회수된 에너지를 공장의 에너지 소요상황에 대응하여 최적의 비율로 사용할 수 있는 장점이 있다.
팽창터빈(180)은 상기 포화증기가 보유하는 열 에너지를 축 동력으로 전환시켜 전기를 생산하며, 그 후단에는 응축기(185)가 설치된다.
또한, 팽창터빈(180)은 일반적인 증기터빈에 비하여 상대적으로 온도와 압력이 낮은 저급의 상기 포화증기를 팽창시키며, 터빈 타입, 베인 타입, 실린더 타입 등 다양한 형태의 팽창기가 적용될 수 있다.
가압챔버(160)는 저온, 저압의 상기 포화증기를 공정에서 요구되는 압력까지 승압시켜 공정용 증기를 생산한다. 가압챔버(160)는 기계적인 압축방법, 증기 이젝터를 이용한 열적 압축방법이 적용될 수 있다.
또한, 가압챔버(160)에서 승온, 승압된 공정용 증기는 공장의 증기배관망(165) 등에 공급되어, 각 수요처에서 사용된다.
또한, 가압챔버(160)에는 연소로(1)의 과열기(10)에서 생산된 과열증기의 일부가 감압밸브(14)를 통과한 후 공급되어 상기 포화증기와 혼합된다. 즉, 가압챔버(160)에서 상기 포화증기의 승온 및 승압은 과열증기의 일부를 이용하여 이루어지므로, 추가로 투입되는 에너지를 절약할 수 있다.
본 발명의 연소로(1)의 폐열회수방법은 연소로(1)에서 배출되는 배기가스에 의해 폐열 회수용 열교환기(100)에서 상기 포화증기를 생성하는 단계와, 상기 포화증기의 유로를 제어하여 가압챔버(160) 또는 팽창터빈(180)으로 공급되는 상기 포화증기의 양을 조절하는 단계를 포함하여 이루어진다. 또한, 가압챔버(160)에 연소로(1)에서 생산된 과열증기의 일부를 공급하여 공정용 증기를 생성하는 단계를 더 포함하여 이루어진다.
다시 설명하면, 배기가스의 열로 상기 포화증기를 생성하는 단계는 폐열 회수용 열교환기(100)에서 이루어진다.
그 후, 생성된 상기 포화증기의 유로를 제어하여 가압챔버(160) 또는 팽창터빈(180)으로 공급되는 상기 포화증기의 양을 조절하는 단계는, 유로제어기(150)에서 상기 포화증기의 유로를 가압챔버(160) 또는 팽창터빈(180)으로 제어하여 공정용 증기와 전기의 생산량을 조절한다.
또한, 가압챔버(160)에 연소로(1)에서 생산된 과열증기의 일부를 공급하여 공정용 증기를 생성하는 단계는, 가압챔버(160)에서 상기 포화증기 및 과열증기가 혼합되어 이루어진다. 가압챔버(160)에서 생성된 공정용 증기는 증기배관망(165)에 공급되어 각 수요처에서 사용되고, 팽창터빈(180)에서는 상기 포화증기를 팽창시켜 축동력을 발생시킴으로써 전기를 생산하게 된다.
그리고 공장의 에너지수요상황을 판단하는 단계와, 상기 에너지수요상황이 공정용 증기의 수요가 증가한 것으로 판단되면 가압챔버(160)로 공급되는 상기 포화증기의 양을 증가시키는 단계를 포함하여 공장의 운영상황에 따라 상기 포화증기를 효과적으로 이용할 수 있다.
또한, 계절을 판단하는 단계와, 상기 계절이 하절기로 판단되면 팽창터빈(180)으로 공급되는 상기 포화증기의 양을 증가시키는 단계를 포함하여 계절변화에 따라 상기 포화증기를 효과적으로 이용할 수 있다.
전술한 바와 같이, 가압챔버(160) 또는 팽창터빈(180)으로 공급되는 상기 포화증기의 양은 증기의 사용목적 및 수요량에 따라 유로제어기(150)에서 임의 조정될 수 있다. 즉, 팽창터빈(180)을 이용한 전력 생산수요가 많을 경우에는 팽창터빈(180)으로 공급되는 상기 포화증기의 양을 증가시키고, 반대로 공정용 증기의 수요가 많은 경우에는 가압챔버(160)로 공급되는 상기 포화증기의 양을 증가시킨다.
공장의 에너지 수요상황은 공장의 운영상황, 계절의 변동 등에 따라 수시로 변화되므로, 공정용 증기의 수요가 많은 경우에는 유로제어기(150)에서 가압챔버(160)로 공급되는 상기 포화증기의 양을 증가시켜 최적의 에너지 공급 및 수급 체계를 확보할 수 있다. 또한, 하절기에는 난방 수요가 줄어들기 때문에 공정용 증기에 대한 수요가 동절기에 비하여 많이 줄어들므로, 유로제어기(150)에서 팽창터빈(180)으로 공급되는 상기 포화증기의 양을 증가시켜 전기를 생산한다.
이상과 같이, 에너지 수요변화에 대한 대응능력이 확보되어, 폐열 회수용 열교환기(100)의 가동률, 즉 폐열 회수량을 상시 최대수준으로 유지하는 동시에, 생산된 상기 포화증기를 대기 중으로 버리지 않고 재이용할 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 됨을 부언한다.
1: 연소로 10: 과열기
14: 감압밸브 15: 주 증기드럼
20: 버너 50: 배가스 덕트
55: 공기예열기 60: 흡인송풍기
70: 연돌 100: 폐열 회수용 열교환기
110: 포화증기 탱크 120: 가압펌프
150: 유로제어기 160: 가압챔버
165: 증기배관망 180: 팽창터빈
185: 응축기

Claims (8)

  1. 연소로;
    상기 연소로에서 배출되는 배기가스와 열교환 하여 포화증기를 발생시키는 폐열 회수용 열교환기;
    상기 폐열 회수용 열교환기에서 나오는 상기 포화증기의 유로를 제어하여 공정용 증기 또는 전기의 생산량을 조절하는 유로제어기;를 포함하는 연소로 폐열회수장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 공정용 증기는 상기 포화증기를 가압하는 가압챔버에서 생성되는 연소로 폐열회수장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 전기는 상기 포화증기의 팽창으로 축동력을 발생시키는 팽창터빈에 의해 생성되는 연소로 폐열회수장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가압챔버에는 상기 연소로에서 생산되는 과열증기의 일부가 공급되어 상기 포화증기와 혼합되는 연소로 폐열회수장치.
  5. 연소로에서 배출되는 배기가스에 의해 폐열 회수용 열교환기에서 포화증기를 생성하는 단계; 및
    상기 포화증기의 유로를 제어하여 가압챔버 또는 팽창터빈으로 공급되는 상기 포화증기의 양을 조절하는 단계;를 포함하는 연소로의 폐열회수방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 가압챔버에 상기 연소로에서 생산된 과열증기의 일부를 공급하여 공정용 증기를 생성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소로 폐열회수방법.
  7. 연소로에서 배출되는 배기가스에 의해 폐열 회수용 열교환기에서 포화증기를 생성하는 단계;
    공장의 에너지수요상황을 판단하는 단계;
    상기 에너지수요상황이 공정용 증기의 수요가 증가한 것으로 판단되면 가압챔버로 공급되는 상기 포화증기의 양을 증가시키는 단계;를 포함하는 연소로 폐열회수방법.
  8. 연소로에서 배출되는 배기가스에 의해 폐열 회수용 열교환기에서 포화증기를 생성하는 단계;
    계절을 판단하는 단계;
    상기 계절이 하절기로 판단되면 팽창터빈으로 공급되는 상기 포화증기의 양을 증가시키는 단계;를 포함하는 연소로 폐열회수방법
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