KR20180068593A - 코크스 오븐 가스의 현열을 이용한 발전 장치 - Google Patents

코크스 오븐 가스의 현열을 이용한 발전 장치 Download PDF

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Abstract

코크스 오븐 가스의 현열을 이용한 발전 장치는, 코크스 오븐 가스가 통과하는 상승관과, 상승관 내에 구비되어 내부를 통과하는 코크스 오븐 가스의 현열과 열교환을 하는 열 회수 매체가 충전된 열 교환기와, 열 교환기의 열 회수 매체에 전달된 열을 이용하여 발전하는, 저온 영역부 및 고온 영역부를 구비하는 스터링 엔진을 포함하며, 스터링 엔진의 고온 영역부에 열 교환기의 유로가 연계되어 열 교환기 내에 충전된 열 회수 매체가 고온 영역부로 직접 공급되도록 구성된 코크스 오븐 가스의 현열을 이용한 발전 장치될 수 있다.

Description

코크스 오븐 가스의 현열을 이용한 발전 장치{GENERATOR USING HEAT OF COKE OVEN}
본 출원은, 코크스 오븐 가스의 현열을 이용한 발전 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 코크스 오븐은 약 1000-1200도의 고온하에서 무산소 분위기하에서 석탄을 건류하여 코크스를 제조하는 설비이다.
구체적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 장입차에 의해 석탄 장입구(20)를 통하여 코크스 오븐(10)에 석탄을 장입한 후 코크스 오븐(10) 내에서 건류되면, 고온의 코크스 오븐 가스(11)가 발생하게 되며, 발생된 고온의 코크스 오븐 가스(11)는 상승관(30)을 통과한다. 상승관(30)을 통과한 고온의 코크스 오븐 가스(11)를 냉각하기 위하여 안수 공급 노즐(40)을 통하여 안수가 분무되며, 이후 가스 콜렉팅 메인(50)에서는 냉각된 코크스 오븐 가스 중에 함유된 타르를 제거하고 난 후, 가스정제공정에 공급하게 된다.
종래에는 코크스 오븐에서 석탄이 건류되면서 발생하는 고온의 코크스 오븐 가스로부터 현열을 회수하는 장치가 구비되어 있지 않으므로, 코크스 오븐 가스로부터 발생하는 고온의 현열을 대기로 그대로 방출하게 되며, 따라서 그만큼 에너지 사용이 증가하게 되고, 온실 가스의 배출량을 증가시키는 문제점이 있다.
이를 위해 코크스 오븐 가스의 현열을 회수하는 장치가 한국등록특허 제1450849호에 개시되어 있다.
하지만, 종래의 현열 회수 장치는 다단의 열 교환기(200, 300)로 이루어져 코크스 오븐 가스의 현열 회수시 열 손실이 많은 문제점이 있다.
한국등록특허 제1450849호(‘코크스 오븐 상승관 배가스의 현열 회수장치 및 그 방법’, 등록일: 2014년 10월 07일)
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 현열 회수시 열손실을 저감할 수 있고, 열 회수가 우수하며, 충전 압력을 낮게 유지할 수 있음과 동시에 스터링 엔진의 효율을 개선할 수 있는 코크스 오븐 가스의 현열을 이용한 발전 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 고온의 코크스 오븐 가스가 통과하는 상승관; 상기 상승관 내에 구비되어 내부를 통과하는 상기 코크스 오븐 가스의 현열과 열교환을 하는 열 회수 매체가 충전된 열 교환기; 및 상기 열 교환기의 열 회수 매체에 전달된 열을 이용하여 발전하는, 저온 영역부 및 고온 영역부를 구비하는 스터링 엔진을 포함하며, 상기 스터링 엔진의 고온 영역부에 상기 열 교환기의 유로가 연계되어 상기 열 교환기 내에 충전된 열 회수 매체가 상기 고온 영역부로 직접 공급되도록 구성된 코크스 오븐 가스의 현열을 이용한 발전 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 열 회수 매체는, 수소 가스를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 스터링 엔진은, 상기 저온 영역부와 상기 고온 영역부 사이에 구비되어 상기 고온 영역부에서 상기 저온 영역부로 이동하는 가스의 열을 흡수하며, 상기 저온 영역부에서 상기 고온 영역부로 이동하는 가스에 열을 공급하는 재생부를 더 포함하며, 상기 재생기의 재질은, 흑연을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 스터링 엔진은, 원통 형상의 케이스; 상기 케이스의 내에서 왕복 운동하는 디스플레이서; 상기 케이스 내에서 상기 디스플레이서 일측에 배치되어 왕복 운동하는 구동 피스톤; 상기 디스플레이서에 일단이 연결되며, 타단은 회전체에 연결된 제1 커넥팅 로드; 상기 구동 피스톤에 일단이 연결되며, 타단은 회전체에 연결된 제2 커넥팅 로드; 및 상기 디스플레이서와 상기 케이스의 일단부 사이의 고온 영역부와 상기 디스플레이서와 상기 구동 피스톤 사이의 저온 영역부 사이를 연결하는 가스 유로를 더 포함하며, 상기 재생기는, 상기 가스 유로에 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 스터링 엔진의 고온 영역부에 열 교환기의 유로가 직접 체결되어 열 교환기 내에 충전된 열 회수 매체가 고온 영역부로 직접 공급급되도록 구성함으로써 현열 회수시 열손실을 저감할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시 형태에 의하면, 열 교환 매체는 수소 가스를 포함함으로써, 통상의 헬륨 가스에 비해 열 회수가 우수하며, 충전 압력을 낮게 유지할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시 형태에 의하면, 스터링 엔진에서 사용되는 재생기의 재질은 흑연을 사용함으로써, 스터링 엔진의 효율을 개선할 수 있다.
도 1은 일반적인 코크스 오븐 공정의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 코크스 오븐 가스의 현열을 이용한 발전 장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 발전 장치의 동작 원리를 설명한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나 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 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 코크스 오븐 가스의 현열을 이용한 발전 장치를 도시한 도면이다.
코크스 오븐 가스의 현열을 이용한 발전 장치는, 코크스 오븐 내 석탄이 건류됨에 따라 발생하는 고온의 코크스 오븐 가스가 통과하는 상승관(30)과, 상승관(30) 내에 구비되어 내부를 통과하는 코크스 오븐 가스의 현열과 열교환을 하는 열 회수 매체가 충전된 열 교환기(110)와, 열 교환기(110)의 열 회수 매체에 전달된 열을 이용하여 발전하는, 고온 영역부(210) 및 저온 영역부(220)를 포함하는 스터링 엔진(200)을 구비할 수 있다.
구체적으로, 상승관(30)은 코크스 오븐의 상부에 배치되고, 코크스 오븐에 석탄을 장입하여 코크스를 제조할 때, 고온의 코크스 오븐 내 석탄이 건류됨에 따라 발생하는 고온의 코크스 오븐 가스(11)가 통과할 수 있다. 상승관(30) 내에는 열 교환기(110)가 구비될 수 있다.
열 교환기(110)는, 상승관(30) 내에 구비되어 코크스 오븐 가스(11)의 현열과 열교환을 하는 열 회수 매체가 통과될 수 있다.
특히, 본 발명의 열 교환기(110)는, 후술하는 스터링 엔진(220)의 고온 영역부(210)의 일부를 구성할 수 있다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 열 교환기(110)의 유로(111)가 후술하는 스터링 엔진(200)의 고온 영역부(210)에 직접 연계('체결'을 의미함)되어 있어 열 교환기(110)의 열 회수 매체가 고온 영역부(210)로 직접 공급될 수 있으며, 이를 통해 코크스 오븐 가스의 현열 회수시 열손실을 저감할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 열 회수 매체는 일반적으로 사용되는 헬륨 가스 대신 수소 가스를 포함할 수 있다.
즉, 수소의 비열(14.3 J/g-k)은 헬륨의 비열(5.2 J/g-k)보다 매우 높아 열 회수가 우수하며, 충전 압력을 헬륨보다 낮게 유지할 수　있는 장점이 있다. 본 발명에서는 수소의 충전 압력이 10~30　기압일 수 있다(반면, 헬륨의 충전 압력은 50 내지 60 기압임).
한편, 스터링 엔진(200)은, 엔진 내부에서 가압된 가스가 외부의 가열원과 냉각원에 의하여 팽창과 수축을 반복하는 과정에서 발생하는 압력 변동을 축 동력으로 전환하는 일종의 외연기관이다. 스터링 엔진(200)은 고온 영역부(210)와 저온 영역부(220)를 구비할 수 있다.
구체적으로, 스터링 엔진(200)은 원통 형상의 케이스(201)와, 케이스(201)의 내에서 왕복 운동하는 디스플레이서(202), 케이스(201) 내에서 디스플레이서(202) 일측에 배치되어 왕복 운동하는 구동 피스톤(203)과, 디스플레이서(202)에 일단이 연결되며, 타단은 회전체(208)에 연결된 제1 커넥팅 로드(204)와, 구동 피스톤(203)에 일단이 연결되며, 타단은 회전체(208)에 연결된 제2 커넥팅 로드(205)와, 디스플레이서(202)와 케이스(201)의 일단부 사이의 고온 영역부(210)와 디스플레이서(202)와 구동 피스톤(203) 사이의 저온 영역부(220) 사이를 연결하는 가스 유로(206)와, 가스 유로(206)에 구비되어 고온 영역부(210)에서 저온 영역부(220)로 이동하는 가스의 열을 흡수하며, 저온 영역부(220)에서 고온 영역부(210)로 이동하는 가스에 열을 공급하는 재생부(regenerator)(207)을 포함할 수 있다.
구동 피스톤(203)은 케이스(201) 내에서 기밀이 유지되도록 구성되며, 디스플레이서(202)는 케이스(201)와의 사이에 간극이 있어 케이스(201) 내의 가스를 고온 영역부(210) 또는 저온 영역부(220)로 이동시킬 수 있다. 상술한 스터링 엔진(200)은 저온 영역부(220)에 냉각기를 더 포함할 수 있으며, 냉각기는 강제 순환식 냉각 방식 또는 공기 냉각 방식을 채용할 수 있다.
또한, 코크스 오븐 가스에 함유된 타르성 물질이 열교환기(110) 표면에 부착되지 않도록 상술한 열교환기(110)의 온도는 500도 이상이 되도록 열 교환이 이루어지면 좋다.
한편, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상술한 재생부(207)의 재질은 흑연을 포함할 수 있다.
즉, 재생부(207)는 고온 영역부(210)의 가스로 인한 열을 저장하고,　저온 영역부(220)의 가스가 재생부(207)와 접촉하여 열을 회수하는 역할을 하게 된다.
재생부(207)의 소재에 따라 엔진의 효율이 결정되므로, 본 발명의 일 실시형태에서는 열 저장성능이 우수한 흑연을 사용한다. 재생부(207)의 재질로 금속망을 사용하는 경우에 비해 흑연을 사용할 경우에는 약 2배 이상 효율을 증가시킬 수 있다.
한편, 도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 발전 장치의 동작 원리를 설명한 것이다. 열 교환기(110)가 스터링 엔진(220)의 고온 영역부(210)의 일부를 구성하는 점을 제외하고 동작 원리는 널리 알려진 것인바, 이하 간략히 설명한다.
우선, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 케이스(201) 내의 저온 영역부(220) 내에 들어간 가스는 냉각되며, 압력이 낮아져 수축하면서 구동 피스톤(203)은 케이스(201) 내로 끌려 들어가 고온 영역부(210)에 접근한다.
다음, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 디스플레이서(202)가 저온 영역부(220)로 이동하면서 저온 영역부(220) 내의 냉각된 가스를 고온 영역부(210)로 이동시킨다.
이후, 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이, 고온 영역부(210)에 모인 가스는 압력이 높아져 팽창하면서 디스플레이서(202) 주위를 통과해서 구동 피스톤(203)을 밀어내게 된다.
마지막으로, 도 3의 (d)에 도시된 바와 같이, 구동 피스톤(203)은 케이스(201)의 끝까지 이동하고, 구동 피스톤(203)과 디스플레이서(202) 사이의 가스는 냉각되어 수축한다.
이와 같이, 가스는 압축 과정과 팽창 과정을 반복하면서 디스플레이서(202)와 구동 피스톤(203)을 움직이게 되며, 디스플레이서(202)와 구동 피스톤(203)에 연결된 커넥팅 로드를 통해 회전체을 회전시키게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 스터링 엔진의 고온 영역부에 열 교환기의 유로가 직접 체결되어 열 교환기 내에 충전된 열 회수 매체가 고온 영역부로 직접 공급되도록 구성함으로써 열 교환기에 의한 열손실을 저감할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시 형태에 의하면, 열 교환 매체는 수소 가스를 포함함으로써, 통상의 헬륨 가스에 비해 열 회수가 우수하며, 충전 압력을 낮게 유지할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시 형태에 의하면, 스터링 엔진에서 사용되는 재생기의 재질은 흑연을 사용함으로써, 스터링 엔진의 효율을 개선할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
11: 코크스 오븐 가스
30: 상승관
110: 열 교환기
111: 유로
200: 스터링 엔진
201: 케이스
202: 디스플레이서
203: 구동 피스톤
204: 제1 커넥팅 로드
205: 제2 커넥팅 로드
206: 가스 유로
207: 재생기
210: 고온 영역부
220: 저온 영역부

Claims (4)

  1. 코크스 오븐 가스가 통과하는 상승관;
    상기 상승관 내에 구비되어 내부를 통과하는 상기 코크스 오븐 가스의 현열과 열교환을 하는 열 회수 매체가 충전된 열 교환기; 및
    상기 열 교환기의 열 회수 매체에 전달된 열을 이용하여 발전하는, 저온 영역부 및 고온 영역부를 구비하는 스터링 엔진을 포함하며,
    상기 스터링 엔진의 고온 영역부에 상기 열 교환기의 유로가 연계되어 상기 열 교환기 내에 충전된 열 회수 매체가 상기 고온 영역부로 직접 공급되도록 구성된 코크스 오븐 가스의 현열을 이용한 발전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열 회수 매체는,
    수소 가스를 포함하는 코크스 오븐 가스의 현열을 이용한 발전 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스터링 엔진은,
    상기 저온 영역부와 상기 고온 영역부 사이에 구비되어 상기 고온 영역부에서 상기 저온 영역부로 이동하는 가스의 열을 흡수하며, 상기 저온 영역부에서 상기 고온 영역부로 이동하는 가스에 열을 공급하는 재생기를 더 포함하며,
    상기 재생기의 재질은, 흑연을 포함하는 코크스 오븐 가스의 현열을 이용한 발전 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스터링 엔진은,
    원통 형상의 케이스;
    상기 케이스의 내에서 왕복 운동하는 디스플레이서;
    상기 케이스 내에서 상기 디스플레이서 일측에 배치되어 왕복 운동하는 구동 피스톤;
    상기 디스플레이서에 일단이 연결되며, 타단은 회전체에 연결된 제1 커넥팅 로드;
    상기 구동 피스톤에 일단이 연결되며, 타단은 상기 회전체에 연결된 제2 커넥팅 로드; 및
    상기 디스플레이서와 상기 케이스의 일단부 사이의 고온 영역부와 상기 디스플레이서와 상기 구동 피스톤 사이의 저온 영역부 사이를 연결하는 가스 유로를 더 포함하는 코크스 오븐 가스의 현열을 이용한 발전 장치.
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