KR101870710B1 - 헌열 회수 장치 및 이를 포함하는 코크스 오븐 설비 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 헌열 회수 장치 및 이를 포함하는 코크스 오븐 설비에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복수의 상승관을 포함하는 설비에서 상승관을 통과하는 가스의 헌열 회수 시에 과도한 열교환을 방지할 수 있는 헌열 회수 장치 및 이를 포함하는 코크스 오븐 설비에 관한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 헌열 회수 장치는 복수의 상승관을 포함하는 설비에 적어도 일부가 설치되는 헌열 회수 장치에 있어서, 상기 상승관의 내부를 흐르는 가스와 열교환이 가능한 열교환매체가 통과하도록 내부에 경로가 형성되고, 상기 복수의 상승관 내에 각각 설치되는 복수의 열교환부; 및 상기 복수의 열교환부와 상기 열교환매체의 이동라인을 이루도록 상기 열교환매체가 통과 가능한 내부 경로를 가지고, 상기 복수의 열교환부를 연결하는 연결부재;를 포함할 수 있다.

Description

헌열 회수 장치 및 이를 포함하는 코크스 오븐 설비{Apparatus for recovering waste heat and coke oven system having the same}
본 발명은 헌열 회수 장치 및 이를 포함하는 코크스 오븐 설비에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복수의 상승관을 포함하는 설비에서 상승관을 통과하는 가스의 헌열 회수 시에 과도한 열교환을 방지할 수 있는 헌열 회수 장치 및 이를 포함하는 코크스 오븐 설비에 관한 것이다.
석탄은 제철산업의 가장 중요한 에너지원으로 주로 고로에 사용된다. 초기에는 석탄 그 자체로 사용하였으나, 효율이 떨어져 지금은 거의 모든 제철소에서 석탄을 코크스로 만들어서 고로에 투입한다. 코크스를 생산하기 위해서는 코크스 오븐에 코크스용 석탄을 투입해야 한다. 다양한 나라에서 수입된 석탄은 조성이 전부 다르므로, 코크스 오븐에 투입 전에 배합빈(Blending Bin)에서 조성을 맞춘다. 코크스 오븐은 독립된 다수의 연소실과 탄화실로 구성되며, 연소실에서 코크스 오븐 가스(Coke Oven Gas; COG)의 연소로 탄화실에 에너지를 공급하고, 탄화실에서는 석탄의 건류가 일어난다. 탄화실에서 건류를 진행하면, 석탄에 포함된 휘발성 성분이 가스형태로 상승관을 통해 코크스 오븐을 빠져나간다. 이를 코크스 오븐 가스 (COG)로 부르며, 제철소의 중요한 에너지원이다. 한편, 아직 정제가 되지 않은 코크스 오븐 가스(COG)를 원코크스 오븐 가스(Crude COG)로 명명할 수 있고, 원코크스 오븐 가스(Crude COG)는 황을 제거하는 설비인 탈류와 각종 스크러버(Scrubber)를 거쳐 정제됨으로써, 제철소에서 사용되는 코크스 오븐 가스(COG)가 된다.
코크스 오븐에서 발생하는 가스(Crude COG)는 상승관을 거쳐 안수로 냉각을 진행한다. 이 과정에서 600 ~ 800 ℃의 원코크스 오븐 가스(Crude COG)는 80 ~ 100 ℃로 떨어지며, 가스에 포함된 타르(Tar)가 제거된다. 고온의 코크스 오븐 가스(COG) 냉각으로 인해 안수 온도가 상승하며, 동시에 화성공정에서 순환하는 전체 안수 온도도 상승하여 코크스 오븐 가스(COG)의 정제 효율이 하락한다. 따라서, 안수 온도를 하락시키며, 동시에 헌열을 회수하는 노력이 요구되고 있다.
이를 위해, 종래에는 상승관에 열교환기를 설치하여 에너지를 회수하는 시도가 있었으나, 과도한 열교환으로 추가적인 열원 공급 및 타르가 응축되는 현상이 발생하였다. 또한, 열교환기를 협소한 공간에 배치하여 정비가 어렵고, 설비 하중의 증가로 오븐 변형이 발생하며, 열교환기에 부착 물질이 발생하는 등의 문제가 발생하였다.
한국등록특허공보 제10-0101833호
본 발명은 복수의 상승관을 포함하는 설비에서 상승관을 통과하는 가스의 헌열 회수 시에 과도한 열교환을 방지하면서 높은 열에너지를 얻을 수 있는 헌열 회수 장치 및 이를 포함하는 코크스 오븐 설비를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 헌열 회수 장치는 복수의 상승관을 포함하는 설비에 적어도 일부가 설치되는 헌열 회수 장치에 있어서, 상기 상승관의 내부를 흐르는 가스와 열교환이 가능한 열교환매체가 통과하도록 내부에 경로가 형성되고, 상기 복수의 상승관 내에 각각 설치되는 복수의 열교환부; 및 상기 복수의 열교환부와 상기 열교환매체의 이동라인을 이루도록 상기 열교환매체가 통과 가능한 내부 경로를 가지고, 상기 복수의 열교환부를 연결하는 연결부재;를 포함할 수 있다.
상기 열교환부는 적어도 일부가 비직선형으로 형성될 수 있다.
상기 열교환부는 상기 상승관 내부의 중앙 영역에 위치할 수 있다.
상기 열교환부는 복수의 절곡부 또는 굴곡부를 가질 수 있다.
상기 이동라인의 일측부에 위치한 열교환부의 경로 길이와 상기 이동라인의 타측부에 위치한 열교환부의 경로 길이가 상이할 수 있다.
상기 열교환매체의 이동라인을 통과한 상기 열교환매체로부터 전달되는 열에너지를 이용하도록 상기 열교환매체의 이동라인에 연결되는 열활용기관;을 더 포함할 수 있다.
상기 열활용기관은 상기 열교환매체의 이동라인의 양측에 연결될 수 있다.
상기 열교환부를 보호하도록 상기 열교환부의 주변에 배치되는 보호부재;를 더 포함할 수 있다.
상기 보호부재는 흔들림에 의해 부착 물질이 제거되는 체인 슬링을 포함할 수 있다.
상기 열교환매체는 물을 포함하고, 상기 물은 상기 열교환매체의 이동라인을 통과하여 스팀으로 변화될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 코크스 오븐 설비는 코크스를 제조하는 코크스 오븐; 및 상기 코크스 오븐의 탄화실에 설치되는 헌열 회수 장치;를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 헌열 회수 장치는 복수의 상승관에 각각 복수의 열교환부를 설치하고 복수의 열교환부를 연결부재로 연결하여 복수의 열교환부와 연결부재가 열교환매체의 이동라인을 이루도록 할 수 있다. 이에 따라 열교환매체가 복수의 상승관을 거치게 되므로, 상승관을 통과하는 가스의 헌열 회수 시에 각각의 상승관에서 과도한 열교환이 이루어지지 않아도 열교환매체를 이용하여 높은 열에너지를 얻을 수 있다.
또한, 복수의 상승관을 포함하는 설비에는 복수의 열교환부와 연결부재로 이루어진 열교환매체의 이동라인만 설치하면 되므로, 헌열 회수 장치로 인해 설비에 가해지는 하중을 최소화시킬 수 있다. 그리고 본 발명의 헌열 회수 장치는 복수의 열교환부와 연결부재로 장치의 구성이 간단하여 정비의 어려움을 해결할 수도 있다.
한편, 열교환부의 적어도 일부가 비직선형으로 이루어진 경우에는 열교환매체의 열교환 시간이 늘어날 수 있으므로, 열교환매체를 통한 효과적인 헌열 회수가 이루어질 수 있다. 그리고 물을 열교환매체로 이용하는 경우에는 물이 복수의 상승관을 거치면서 스팀으로 변화되므로, 상승관을 통과하는 가스의 헌열을 회수하여 고온·고압의 스팀을 얻을 수 있다. 또한, 보호부재를 통해 부착 물질로 인한 열교환부 표면의 오염을 방지 또는 억제할 수 있고, 이에 따라 상승관의 내부를 흐르는 가스가 열교환부의 표면에 직접 접촉할 수 있어 상승관의 내부를 흐르는 가스와 열교환매체의 열교환이 효과적으로 이루어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 복수의 상승관을 포함하는 설비를 나타낸 그림.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 헌열 회수 장치를 나타낸 개략도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 열교환부의 변형예를 나타낸 그림.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 헌열 회수 장치의 변형예를 나타낸 개략도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 보호부재를 나타낸 그림.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 설명 중, 동일 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하도록 하고, 도면은 본 발명의 실시예를 정확히 설명하기 위하여 크기가 부분적으로 과장될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 복수의 상승관을 포함하는 설비를 나타낸 그림이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 헌열 회수 장치를 나타낸 개략도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 헌열 회수 장치(100)는 복수의 상승관(211)을 포함하는 설비(200)에 적어도 일부가 설치되는 헌열 회수 장치(100)에 있어서, 상기 상승관(211)의 내부를 흐르는 가스와 열교환이 가능한 열교환매체가 통과하도록 내부에 경로가 형성되고, 상기 복수의 상승관(211) 내에 각각 설치되는 복수의 열교환부(110); 및 상기 복수의 열교환부(110)와 상기 열교환매체의 이동라인(50)을 이루도록 상기 열교환매체가 통과 가능한 내부 경로를 가지고, 상기 복수의 열교환부(110)를 연결하는 연결부재(120);를 포함할 수 있다.
설비(200)는 복수의 상승관(211)을 포함할 수 있고, 고온의 공정이 수행될 수 있다. 상기 공정으로 고온의 가스가 발생될 수 있고, 상기 가스가 상승관(211)을 통과할 수 있다. 예를 들어, 설비(200)는 석탄을 건류시키는 코크스 오븐(200)일 수 있는데, 이하에서는 코크스 오븐(200)을 예로 들어 설명하기로 한다.
복수의 열교환부(110)는 복수의 상승관(211) 내에 각각 설치될 수 있고, 상승관(211)의 내부를 흐르는 가스와 열교환이 가능한 열교환매체가 통과하도록 내부에 경로가 형성될 수 있다. 여기서, 상승관(211)의 내부를 흐르는 가스는 코크스 오븐 가스(Coke Oven Gas; COG)일 수 있고, 보다 자세하게는 정제가 되지 않은 원코크스 오븐 가스(Crude COG)일 수 있다. 복수의 열교환부(110)는 상승관(211) 내에 설치되어 상기 열교환매체를 통해 상기 가스의 헌열을 회수할 수 있고, 상기 가스의 온도를 낮출 수 있다.
예를 들어, 복수의 열교환부(110)는 복수의 상승관(211)의 내부를 지나는 배관(pipe)일 수 있는데, 상기 열교환매체가 복수의 열교환부(110) 내부의 경로를 따라 통과하면서 상승관(211)의 내부를 흐르는 가스와 열교환하여 상기 가스의 헌열을 회수할 수 있다. 열교환부(110)는 상승관 덮개(211a) 부위 한쪽에서 상승관(211)의 내부로 들어가 상승관 덮개(211a) 부위 반대쪽에서 나오는 구조일 수도 있고, 상승관(211)의 측벽을 관통하여 상승관(211)의 내부로 들어가 반대쪽 상승관(211)의 측벽을 관통하여 나오는 구조일 수도 있다.
그리고 열교환부(110)는 상승관(211)의 내측벽을 따라 설치될 수도 있고, 열교환부(110) 내부의 경로가 상승관(211) 내부 공간의 중앙부를 지나도록 설치될 수도 있다. 여기서, 상승관(211)의 내측벽을 따라 설치되는 경우에는 상기 가스가 통과할 수 있는 중공(中孔) 영역이 형성될 수 있으며, 상승관(211)의 내측벽에 접촉되어 설치될 수도 있고, 상승관(211)의 내측벽에서 이격되어 설치될 수도 있다. 그리고 열교환부(110) 내부의 경로가 양측으로 분리되었다가 반대편에서 다시 합쳐지도록 설치될 수도 있고, 배관 라인이 상승관(211) 내측벽의 한 곳을 통해 상승관(211)의 내부로 들어와 한쪽 방향으로 상승관(211)의 내측벽을 따라 설치된 후에 배관 라인이 서로 간섭되지 않으면서 상승관(211) 밖으로 나오도록 설치될 수도 있다.
연결부재(120)는 복수의 열교환부(110)를 연결할 수 있고, 복수의 열교환부(110)와 함께 열교환매체의 이동라인(50)을 이루도록 상기 열교환매체가 통과 가능한 내부 경로를 가질 수 있다. 연결부재(120)는 복수의 열교환부(110)를 연결하여 상기 열교환매체가 어느 하나의 열교환부(110)에서 다른 열교환부(110)로 이동하도록 할 수 있다.
예를 들어, 연결부재(120)는 복수의 열교환부(110)와 연통되는 배관일 수 있고, 상기 열교환매체가 상기 내부 경로를 통과하여 어느 하나의 열교환부(110)에서 다른 열교환부(110)로 이동하도록 할 수 있다.
한편, 연결부재(120)는 복수의 열교환부(110)를 연결하기 위해 상승관(211)의 외측에 위치하여 외부에 노출될 수 있는데, 외부 공기에 의해 상기 열교환매체의 온도가 하락하지 않도록 연결부재(120)는 외부에 노출된 부분이 보온 처리 또는 단열 처리될 수 있다. 상기 보온 처리 또는 단열 처리의 방법은 연결부재(120)를 단열재로 감싸서 보온 처리 또는 단열 처리할 수도 있으며, 그 방법에 특별한 제한은 없다.
복수의 열교환부(110)와 연결부재(120)는 상기 열교환매체의 이동라인(50)을 이룰 수 있다. 여기서, 복수의 열교환부(110)와 연결부재(120)는 연결부재(120)를 통해 복수의 열교환부(110)를 모두 연결하여 하나의 상기 열교환매체의 이동라인(50)을 이룰 수도 있고, 복수의 열교환부(110)를 적어도 2개 이상씩 그룹화하여 각 그룹을 연결부재(120)를 통해 연결함으로써 복수의 상기 열교환매체의 이동라인(50)을 이룰 수도 있다.
종래에는 열교환부를 포함하는 헌열 회수 장치를 복수의 상승관(211)에 각각 설치하였는데, 복수의 상승관(211)을 포함하는 설비(200)의 상부에 복수의 헌열 회수 장치가 설치되어 헌열 회수 장치를 협소한 공간에 배치할 수 밖에 없었고, 이에 따라 헌열 회수 장치의 정비가 어려웠다. 또한, 헌열 회수 장치 중 설비(200)에 설치되는 부분이 많아져 헌열 회수 장치로 인해 설비(200)에 가해지는 하중이 커지고, 설비(200)에 가해지는 큰 하중으로 인해 설비(200)의 변형이 발생하였다. 그리고 각 상승관(211)에서 각각의 헌열 회수 장치가 따로 상기 가스의 헌열을 회수하므로, 하나의 헌열 회수 장치에서 상기 가스의 헌열 회수를 통해 얻을 수 있는 열에너지가 크지 않았다. 이에 상기 가스의 헌열을 회수한 열에너지를 사용하는 데 제약이 있었으며, 보다 효과적으로 상기 가스의 헌열을 회수할 수 있도록 열교환매체의 선택에도 제약이 따랐다. 또한, 설비(200)가 코크스 오븐(200)인 경우, 하나의 헌열 회수 장치로 얻을 수 있는 열에너지를 높이기 위해 하나의 상승관(211)에서 상기 가스의 헌열을 무리하게 회수하는 경우에는 석탄(10)의 건류를 위해 추가적인 열원을 공급해야 하며, 따로 제거하여야 하는 타르(Tar)가 상승관(211) 내에서 응축되는 문제가 있었다.
하지만, 본 발명에 따른 헌열 회수 장치(100)는 복수의 상승관(211)에 각각 복수의 열교환부(110)를 설치하고 복수의 열교환부(110)를 연결부재(120)로 연결하여 복수의 열교환부(110)와 연결부재(120)가 상기 열교환매체의 이동라인(50)을 이루도록 할 수 있다. 이에 따라 상기 열교환매체가 복수의 상승관(211)을 거치게 되어 오랜 시간 열교환이 이루어지게 되므로, 상승관(211)을 통과하는 가스의 헌열 회수 시에 각각의 상승관(211)에서 과도한 열교환이 이루어지지 않아도 상기 열교환매체를 이용하여 용이하게 높은(또는 큰) 열에너지를 얻을 수 있다. 따라서, 헌열 회수 장치(100)를 통해 높은 열에너지를 얻을 수 있기 때문에 상기 가스의 헌열을 회수한 열에너지의 사용폭이 넓어질 수 있고, 상기 열교환매체의 선택폭도 넓어질 수 있다.
또한, 본 발명의 헌열 회수 장치(100)는 복수의 상승관(211)을 포함하는 설비(200)의 상부에 복수의 열교환부(110)와 연결부재(120)로 이루어진 상기 열교환매체의 이동라인(50)만 설치하면 되므로, 헌열 회수 장치(100)로 인해 설비(200)에 가해지는 하중을 최소화시킬 수 있다. 그리고 본 발명에서는 설비(200) 상부의 협소한 공간에 헌열 회수 장치(100) 전부를 설치하는 것이 아니라 헌열 회수 장치(100)의 일부만을 설비(200)의 상부에 설치하고 복수의 열교환부(110)와 연결부재(120)로 장치의 구성도 간단하여 정비의 어려움을 해결할 수도 있다.
한편, 종래에는 하나의 헌열 회수 장치에서 상기 가스의 헌열 회수를 통해 얻을 수 있는 열에너지가 크지 않아 추가적인 별도의 열회수매체를 이용하여 각각의 헌열 회수 장치를 통해 회수한 열에너지를 모으는 방법이 사용되었다. 하지만, 본 발명에서는 헌열 회수 장치(100)를 통해 높은 열에너지를 얻을 수 있으므로, 추가적인 별도의 열회수매체가 필요하지 않고, 하나의 상기 열교환매체만을 사용할 수 있다.
상기 열교환매체는 상기 가스로부터 용이하게 헌열을 회수할 수 있는 물과 같은 액체로 이루어질 수 있다. 상기 열교환매체는 물을 포함할 수 있고, 상기 물은 상기 열교환매체의 이동라인(50)을 통과하여 스팀(steam)으로 변화될 수 있다. 그리고 상기 열교환매체는 상기 열교환매체의 이동라인(50)의 일측으로 공급되어 타측을 통해 회수될 수 있다. 상기 열교환매체가 물인 경우에는 액체 상태의 물이 상기 열교환매체의 이동라인(50)의 일측으로 공급되어 상기 열교환매체의 이동라인(50)을 통과하면서 상기 가스와 열교환할 수 있고, 상기 가스와의 열교환을 통해 스팀 상태로 변화될 수 있다. 그리고 스팀 상태의 물이 계속적으로 상기 열교환매체의 이동라인(50)을 통과하여 상기 열교환매체의 이동라인(50)의 타측을 통해 회수될 수 있다.
물이 스팀으로 상태 변화가 이루어지기 위해서는 잠열(latent heat)이 필요한데, 종래와 같이 각 상승관(211)마다 따로 상기 가스의 헌열을 회수하게 되면, 열교환부로 공급되는 물이 충분한 열을 얻지 못해 스팀 상태의 물로 변화될 수가 없다. 그리고 설비(200)가 코크스 오븐(200)인 경우, 무리하게 상기 가스의 헌열을 회수하여 물을 스팀 상태로 변화시키게 되면, 잠열에 해당하는 비교적 큰 에너지가 하나의 탄소실(210)에서 손실되어 석탄(10)의 건류를 위해 추가적인 열원을 공급해야 하며, 과도한 열교환으로 인해 따로 제거하여야 하는 타르가 상승관(211) 내에서 응축될 수 있다.
하지만, 본 발명의 헌열 회수 장치(100)는 상기 물이 복수의 열교환부(110)와 연결부재(120)를 통해 복수의 상승관(211)을 거치게 되어 물을 액체에서 기체로 변화시키기 위한 잠열에 해당하는 열(또는 에너지)을 충분히 회수(또는 열교환)할 수 있으므로, 스팀을 용이하게 얻을 수 있다. 여기서, 상기 물이 다수(적어도 3개 이상)의 상승관(211)을 거치게 되면, 고온·고압의 스팀을 얻을 수도 있다. 고온·고압의 스팀은 원료연(예를 들어, 석탄)을 코크스로 만드는 화성공정에 다양하게 사용될 수 있고, 전기를 생산하는 발전에 이용하는 것도 용이하다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 열교환부의 변형예를 나타낸 그림으로, 도 3(a)는 코일형 열교환부를 나타내고, 도 3(b)는 다단 수평 구형파 형상 열교환부를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 열교환부(110)는 적어도 일부가 비직선형으로 형성될 수 있다. 상기 비직선형은 지그재그, 물결, 구형파, 코일(coil) 형상 등을 포함하는 두 점 사이의 선 길이가 길어지도록 만든 형상일 수 있다. 열교환부(110)의 적어도 일부를 비직선형으로 형성하게 되면, 상승관(211) 내에 설치되는 열교환부(110)의 경로 길이가 길어질 수 있고, 상기 열교환매체가 상승관(211) 내에 오랜 시간 있을 수 있다. 이에 따라 상기 열교환매체의 열교환 시간이 늘어날 수 있고, 상기 열교환매체를 통해 상기 가스의 효과적인 헌열 회수가 이루어질 수 있다.
열교환부(110)는 코일 형상으로 형성될 수 있다. 이때, 열교환부(110)는 상승관(211)의 측벽에서 이격되어 설치될 수 있다. 코일형 열교환부(110)는 상승관(211) 내에 설치되는 열교환부(110)의 경로 길이가 길어질 수 있을 뿐만 아니라 중앙의 중공 영역과 열교환부(110)의 외측 영역으로 모두 상기 가스가 통과할 수 있어 상승관(211)의 내부를 흐르는 가스와 접하는 면적이 넓어질 수 있다. 이에 보다 효과적으로 상기 가스의 헌열을 회수할 수 있다. 또한, 코일 형상으로 열교환부(110)를 형성하게 되면, 열교환부(110)의 경로 길이의 조절이 용이할 수 있다.
그리고 열교환부(110)는 상승관(211) 내부의 중앙 영역에 위치할 수 있다. 상승관(211)의 내부를 흐르는 가스는 상승관(211) 내부의 중앙 영역으로 상승관(211) 내부의 외곽 영역보다 많은 양이 지나가게 되므로, 열교환부(110)가 상승관(211) 내부의 중앙 영역에 위치하는 경우에는 상기 가스와의 접촉 면적이 넓어질 수 있고, 다량의 상기 가스와 열교환이 이루어질 수 있으며, 효과적으로 상기 가스의 헌열을 회수할 수 있다.
또한, 열교환부(110)는 복수의 절곡부 또는 굴곡부를 가질 수 있다. 즉, 열교환부(110)는 절곡부 또는 굴곡부를 가질 수 있는데, 절곡부 또는 굴곡부의 총 개수가 2개 이상일 수 있다. 여기서, 상기 절곡부 또는 상기 굴곡부는 수직 방향으로 절곡 또는 굴곡될 수도 있고, 수평 방향으로 절곡 또는 굴곡될 수도 있다. 예를 들어, 도 2와 같이 수직 방향으로 다수의 절곡부가 형성될 수도 있고, 도 3(b)와 같이 수평 방향으로 다수의 절곡부가 형성될 수도 있다.
그리고 열교환부(110)는 다단 구조로 형성될 수 있다. 여기서, 수직 방향으로 다수의 절곡부가 형성되는 경우에는 수평 방향으로 다단 구조가 형성될 수 있고, 수평 방향으로 다수의 절곡부가 형성되는 경우에는 수직 방향으로 다단 구조가 형성될 수 있으며, 절곡부가 형성되는 방향과 다단 구조가 형성되는 방향이 동일할 수도 있다. 그리고 열교환부(110)는 다수의 절곡부를 포함하고, 수평 방향과 수직 방향 모두 다단 구조로 형성될 수도 있는데, 상기 절곡부가 형성되는 방향은 수평 방향과 수직 방향 중 적어도 어느 한 방향일 수 있다. 예를 들어, 열교환부(110)는 도 3(b)와 같이 수평 방향으로 다수의 절곡부를 갖는 수평 구형파가 다단으로 형성된 다단 수평 구형파 형상으로 형성될 수 있다. 이러한 경우, 상승관(211) 내에 설치되는 열교환부(110)의 경로 길이가 비교적 길어지도록 할 수 있고, 상기 가스와의 접촉 면적이 넓어질 수 있으며, 많은 양의 상기 가스와 열교환이 이루어질 수 있다. 이러한 경우에도 충분한 시간동안 상기 열교환매체와 상기 가스의 열교환이 이루어질 수 있어 충분히 상기 가스의 헌열을 회수할 수 있다.
한편, 열교환부(110)가 상승관(211)의 내측벽에서 이격되거나 열교환부(110)의 경로가 상승관(211) 내부 공간의 중앙부를 지나는 경우에는 열교환부(110)의 배관 라인(또는 경로)의 양측으로 상기 가스가 통과할 수 있어 상승관(211)의 내부를 흐르는 가스와 접하는 면적이 보다 넓어질 수 있다. 그리고 열교환부(110)가 상승관(211)의 내측벽을 따라 형성되는 경우에는 상승관(211) 내에 설치되는 열교환부(110)의 경로 길이가 보다 길어질 수 있다. 이를 고려하여 열교환부(110)의 형상은 알맞게 선택될 수 있다.
본 발명의 헌열 회수 장치(100)는 상기 이동라인(50)의 일측부에 위치한 열교환부(110)의 경로 길이와 상기 이동라인(50)의 타측부에 위치한 열교환부(110)의 경로 길이가 상이할 수 있다. 여기서, 상기 이동라인(50)의 일측부는 상기 열교환매체의 이동라인(50)의 타측보다 일측에 가까운 곳일 수 있고, 상기 이동라인(50)의 타측부는 상기 열교환매체의 이동라인(50)의 일측보다 타측에 가까운 곳일 수 있다. 한편, 상기 열교환매체가 물인 경우, 상기 일측부는 액체 상태의 물이 통과하는 곳이고, 상기 타측부는 스팀 상태의 물이 통과하는 곳일 수도 있는데, 상기 열교환매체가 물인 경우에도 위치적으로 상기 일측부와 상기 타측부를 구분할 수 있다. 상기 열교환매체가 물인 경우에는 상기 이동라인(50)의 일측으로 공급되는 물은 액체 상태이고, 상기 이동라인(50)의 타측으로 회수되는 물은 스팀 상태이므로, 물의 상태 변화에 따라 열전도도 및/또는 비열이 달라지기 때문에 상기 이동라인(50)의 일측부에 위치한 열교환부(110)의 경로 길이와 상기 이동라인(50)의 타측부에 위치한 열교환부(110)의 경로 길이를 다르게 할 수 있다. 여기서, 액체 상태의 물을 스팀 상태로 변화시키기 위해서는 잠열을 필요하므로, 상기 이동라인(50)의 일측부에 위치한 열교환부(110)의 경로 길이를 상기 이동라인(50)의 타측부에 위치한 열교환부(110)의 경로 길이보다 길게 할 수도 있고, 스팀 상태의 물은 액체 상태의 물보다 열전도도가 낮고 비열이 높으므로, 상기 이동라인(50)의 타측부에 위치한 열교환부(110)의 경로 길이를 상기 이동라인(50)의 일측부에 위치한 열교환부(110)의 경로 길이보다 길게 할 수도 있다. 이와 같이, 상기 열교환매체의 잠열, 열전도도, 비열, 상기 열교환매체의 상태 변화에 따른 열전도도 및/또는 비열의 변화 중 적어도 어느 하나를 고려하여 상기 열교환매체의 잠열, 열전도도, 비열 또는 상기 열교환매체의 상태 변화에 따른 열전도도 및/또는 비열에 따라 복수의 열교환부(110)의 경로 길이를 결정할 수 있다.
한편, 상기 열교환매체의 유량 조절을 통해 열교환(또는 헌열 회수)을 조절할 수 있는데, 상기 열교환매체의 유량, 상승관(211)의 개수 등의 헌열 회수 조건에 따라 알맞게 복수의 열교환부(110)의 경로 길이가 결정될 수도 있다. 그리고 복수의 열교환부(110)의 경로 길이는 상기 열교환매체의 종류에 따라 달라질 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 헌열 회수 장치의 변형예를 나타낸 개략도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 헌열 회수 장치(100)는 상기 열교환매체의 이동라인(50)을 통과한 상기 열교환매체로부터 전달되는 열에너지를 이용하도록 상기 열교환매체의 이동라인(50)에 연결되는 열활용기관(130);을 더 포함할 수 있다.
열활용기관(130)은 상기 열교환매체의 이동라인(50)의 일측과 타측 중 적어도 타측에 연결될 수 있고, 상기 열교환매체의 이동라인(50)을 통과하여 상기 열교환매체의 이동라인(50)의 타측을 통해 회수된 상기 열교환매체로부터 전달되는 열에너지(또는 열)를 이용할 수 있다. 열활용기관(130)은 고온·고압의 스팀을 이용하여 전기를 생산하기 위한 스팀 발전기를 포함할 수 있다. 여기서, 열활용기관(130)으로 스팀 발전기를 예시하였지만, 이에 한정되는 것은 아니고 열에너지를 이용할 수 있는 장치면 어떠한 장치라도 무방하다.
본 발명의 헌열 회수 장치(100)는 열교환매체 공급부(미도시)에서 상기 열교환매체의 이동라인(50)의 일측으로 상기 열교환매체를 공급하고 열활용기관(130)에서 상기 열교환매체의 이동라인(50)의 타측을 통해 열교환이 이루어진(또는 상기 가스의 헌열을 회수한) 상기 열교환매체를 회수하여 저장 및/또는 사용할 수 있다.
열활용기관(130)은 상기 열교환매체의 이동라인(50)의 양측에 연결될 수 있다. 열활용기관(130)은 상기 열교환매체의 이동라인(50)의 일측과 타측 모두에 연결될 수 있는데, 열활용기관(130)에서 상기 열교환매체의 이동라인(50)의 타측을 통해 회수된 상기 열교환매체로부터 열에너지(또는 열)를 전달받고, 열에너지의 전달에 의해 온도가 내려간 상기 열교환매체를 다시 상기 열교환매체의 이동라인(50)의 일측으로 공급할 수 있다. 이에 따라 상기 열교환매체의 순환라인을 형성하여 상기 열교환매체를 순환시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 보호부재를 나타낸 그림으로, 도 4(a)는 구형파 형상 열교환부에 제공된 보호부재를 나타내고, 도 4(b)는 코일형 열교환부에 제공된 보호부재를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 헌열 회수 장치(100)는 열교환부(110)를 보호하도록 열교환부(110)의 주변에 배치되는 보호부재(140);를 더 포함할 수 있다. 보호부재(140)는 열교환부(110)의 주변에 열교환부(110)를 감싸도록(또는 덮도록) 배치될 수 있고, 열교환부(110)를 물리적으로 보호할 수 있다. 설비(200)가 코크스 오븐(200)인 경우, 상승관(211)의 내부를 흐르는 원코크스 오븐 가스(Crude COG)에는 다량의 점성 타르가 함유되어 있는데, 보호부재(140)가 없는 경우에는 상기 점성 타르로 인해 열교환부(110)의 배관 손상이 발생할 수 있다. 하지만, 본 발명에서는 보호부재(140)를 통해 다량의 점성 타르로 인한 열교환부(110)의 배관 손상을 방지할 수 있다. 또한, 보호부재(140)는 파티클(예를 들어, 카본, 타르 등의 파티클) 등의 부착 물질이 열교환부(110)의 표면에 부착되어 열교환부(110)의 표면이 오염되는 것을 억제 또는 방지할 수 있다. 열교환부(110)의 표면이 상기 부착 물질로 오염되어 있으면, 상기 부착 물질이 상승관(211)의 내부를 흐르는 가스와 상기 열교환매체의 열교환을 방해하여 상기 가스의 헌열 회수가 효과적으로 이루어지지 않는다. 하지만, 본 발명에서는 열교환부(110) 표면의 오염을 방지 또는 억제함으로써, 상승관(211)의 내부를 흐르는 가스가 열교환부(110)의 표면에 직접 접촉할 수 있어 상승관(211)의 내부를 흐르는 가스와 상기 열교환매체의 열교환이 효과적으로 이루어질 수 있고, 상기 열교환매체를 통해 효과적으로 상기 가스의 헌열을 회수할 수 있다.
열교환부(110)가 상승관(211)의 내측벽을 따라 상승관(211)의 내측벽에 접촉되어 형성되는 경우, 열교환부(110)가 보호부재(140)로 코팅될 수도 있다. 이러한 경우에는 보호부재(140)가 열에 강하고 열전도도가 높은 재료(예를 들어, 내화물, 금속 등)로 형성될 수 있다. 또한, 열교환부(110)가 상승관(211)의 내측벽을 따라 상승관(211)의 내측벽에 인접하여 형성되는 경우에는 열교환부(110)의 앞쪽(또는 내측)에만 보호부재(140)가 제공될 수 있고, 열교환부(110)가 상승관(211)의 내측벽에서 이격되어 제공되는 경우에는 열교환부(110)의 양측(예를 들어, 내측과 외측)에 보호부재(140)가 제공될 수 있다.
그리고 보호부재(140)는 흔들림에 의해 부착 물질이 제거되는 체인 슬링(Chain Sling, 140)을 포함할 수 있다. 체인 슬링(140)은 표면에 부착된 상기 부착 물질이 흔들림에 의해(또는 흔듦을 통해) 쉽게 제거될 수 있다. 여기서, 체인 슬링(140)은 상승관 덮개(211a)에 연결될 수 있는데, 상승관 덮개(211a)를 열 때에 체인 슬링(140)이 흔들리면서 자연스럽게 상기 부착 물질이 떨어질 수 있다. 떨어진 상기 부착 물질은 상승관(211)의 아래(예를 들어, 탄화실의 석탄)로 떨어지거나 상기 가스에 휩쓸려 갈 수도 있다.
한편, 보호부재(140)가 열교환부(110)에 접촉되어 설치되는 경우에는 열전도도가 높은 재질(예를 들어, 금속)로 형성하여 열교환부(110)로 열전달이 잘 일어나도록 할 수 있고, 보호부재(140)가 열교환부(110)에서 이격되도록 설치되는 경우에는 보호부재(140)가 상기 가스의 열(또는 헌열)을 빼앗아가지 않도록 열전도도가 낮은 재질로 형성할 수 있다.
이하에서는 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 코크스 오븐 설비를 보다 상세히 살펴보는데, 본 발명의 일실시예에 따른 헌열 회수 장치와 관련하여 앞서 설명된 부분과 중복되는 사항들은 생략하도록 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 코크스 오븐 설비는 코크스를 제조하는 코크스 오븐(200); 및 상기 코크스 오븐(200)의 탄화실(210)에 설치되는 헌열 회수 장치(100);를 포함할 수 있다.
해외에서 들어온 석탄은 야드(Yard)에서 일정 시간 대기 후, 컨베이어 벨트(Conveyor Belt)를 통해 배합빈(Blending Bin)으로 이송되며, 일정한 조성을 유지하기 위해 배합(Blending)을 한다. 배합된 석탄은 다시 컨베이어 벨트를 통해 코크스 오븐(200)의 장입차로 이송되며, 장입차에서 코크스 오븐(200)의 탄화실(210)로 석탄(10)을 장입(또는 투입)한다.
코크스 오븐(200)은 코크스를 제조할 수 있는데, 코크스 오븐(200)의 탄화실(210)에 장입된 석탄(10)을 건류시켜 코크스를 제조할 수 있다.
헌열 회수 장치(100)는 코크스 오븐(200)의 탄화실(210)에 설치될 수 있고, 본 발명의 일실시예에 따른 헌열 회수 장치(100)일 수 있다. 헌열 회수 장치(100)는 복수의 상승관(211)에 각각 복수의 열교환부(110)를 설치하고 복수의 열교환부(110)를 연결부재(120)로 연결하여 복수의 열교환부(110)와 연결부재(120)가 열교환매체의 이동라인(50)을 이루도록 할 수 있다. 이에 따라 상기 열교환매체가 복수의 상승관(211)을 거치게 되므로, 상승관(211)을 통과하는 가스의 헌열 회수 시에 각각의 상승관(211)에서 과도한 열교환이 이루어지지 않아도 상기 열교환매체를 이용하여 높은 열에너지를 얻을 수 있다.
코크스 오븐(200)은 탄화실(210)의 장입물(10)을 가열하여 탄화 또는 건류시킬 수 있고, 복수의 탄화실(210)과 연소실(220)을 포함할 수 있다. 여기서, 장입물(10)은 석탄(10)을 포함할 수 있다. 복수의 탄화실(210)은 복수의 상승관(211)이 각각 연결될 수 있고, 장입물(10)의 가열이 이루어질 수 있다. 연소실(220)은 복수의 탄화실(210)에 연결되어 장입물(10)을 가열하기 위한 열을 복수의 탄화실(210)에 공급할 수 있다. 예를 들어, 연소실(220)에서는 연료를 태워 뜨거운 상태로 유지될 수 있고, 탄화실(210)에서는 석탄(10)이 공기가 없는 상태에서 건류가 될 수 있다. 코크스 오븐(200)에서 석탄(10)의 건류는 18 내지 24시간 정도 진행할 수 있으며, 계속해서 원코크스 오븐 가스(Crude COG)가 나온다. 건류된 석탄(10)은 코크스로 변환되어 식힌 후, 고로로 장입될 수 있으며, 원코크스 오븐 가스(Crude COG)는 상승관(211)을 통해 빠져나가 황을 제거하는 설비인 탈류 공정과 각종 스크러버(Scrubber)를 거쳐 정제되어 제철소에서 사용되는 코크스 오븐 가스(COG)가 될 수 있다.
코크스 오븐(200)은 석탄(10)을 뜨거운 열 에너지로 공기가 없는 상태에서 간접 건류시키는 장치이다. 코크스용 석탄(10)은 코크스 오븐(200)에 있는 장입차(미도시)를 사용하여 장입구(212)를 통해 코크스 오븐(200)의 탄화실(210)에 투입될 수 있다. 여기서, 장입구(212)는 장입물(10)의 탄화시에는 장입구 덮개(212a)에 의해 닫혀(또는 덮혀) 있을 수 있다. 공기가 없는 탄화실(210)에서는 석탄(10)이 건류되면서 원코크스 오븐 가스(Crude COG)가 발생되어 탄화실(210) 상단의 상승관(211)을 통해 빠져나갈 수 있다. 상승관(211)을 지나가면서 또는 가스 포집부(20)에서 상당한 압력의 안수가 안수투입구(미도시)를 통해 분사되어 고온의 원코크스 오븐 가스(Crude COG)의 온도를 떨어뜨릴 수 있다. 상기 안수는 다운 코머(Down Comer)로 떨어질 수 있으며, 동시에 원코크스 오븐 가스(Crude COG)에 포함된 타르(Tar)가 분리될 수 있다.
헌열 회수 장치(100)가 없는 경우에는 고온의 원코크스 오븐 가스(Crude COG) 냉각으로 인해 안수 온도가 상승하며, 동시에 화성공정에서 순환하는 전체 안수 온도도 상승하여 코크스 오븐 가스(COG)의 정제 효율이 하락할 수 있다. 하지만, 본 발명에서는 헌열 회수 장치(100)를 이용한 원코크스 오븐 가스(Crude COG)의 헌열 회수를 통해 1차적으로 원코크스 오븐 가스(Crude COG)의 온도를 떨어뜨릴(또는 하강시킬) 수 있어 안수 온도를 하락(또는 하강)시킬 수 있으며, 이에 코크스 오븐 가스(COG)의 정제 품질(또는 효율)을 향상시킬 수 있다.
그리고 코크스 오븐(200)은 연소실(220)와 탄화실(210)로 구성될 수 있는데, 연소실(220)에서는 코크스 오븐 가스(COG) 등 제철소 부생가스를 태워 탄화실(210)에 열 또는 에너지를 공급할 수 있으며, 탄화실(210)에서는 석탄(10)이 투입되어 건류가 일어날 수 있다. 건류 진행 중에 원코크스 오븐 가스(Crude COG)가 나오며, 원코크스 오븐 가스(Crude COG)는 탄화실(210)의 상승관(211)을 지나간다. 상승관(211) 내부에 열교환부(210)가 설치되어 상기 열교환매체는 상승관(211)을 통해 빠져나가는 원코크스 오븐 가스(Crude COG)의 열량을 뺏을 수 있다. 각 상승관(211)의 열교환부(110)는 연결부재(120)에 의해 연결될 수 있으며, 상기 열교환매체가 하나의 상승관(211)을 지나갈 때마다 상기 열교환매체의 온도를 올릴 수 있다. 상기 열교환매체는 열활용기관(130)으로 열에너지를 전달하고 온도가 떨어지며, 열활용기관(130)은 상기 열교환매체로부터 전달받은 열에너지(또는 열)를 활용할 수 있다. 본 발명에서는 코크스 오븐(200)의 상단에는 복수의 열교환부(110)와 연결부재(120)로 이루어진 상기 열교환매체의 이동라인(50)만 설치하고 열활용기관(130) 등의 다른 구성요소들은 코크스 오븐(200)의 외부에 설치할 수 있으므로, 헌열 회수 장치(100)로 인해 코크스 오븐(200)에 가해지는 설비 하중을 최소화시킬 수 있다. 그리고 본 발명에서는 복수의 열교환부(110)와 연결부재(120)로 헌열 회수 장치(100)의 구성도 간단하여 정비의 어려움을 해결할 수도 있다.
연소실(220)은 각각의 탄화실(210)에 대응되어 각각 제공될 수 있다. 여기서, 복수의 탄화실(210)과 복수의 연소실(220)은 교번되어 배치될 수 있다. 각 연소실(220)이 각각의 탄화실(210)에 대응되는 경우에는 각 연소실(220)이 각각의 탄화실(210)을 제어할 수 있으므로, 각 탄화실(210)의 제어가 용이해질 수 있고, 각 탄화실(210)을 제어하여 각 탄화실(210)마다 동일한 탄화 조건 또는 건류 조건을 유지할 수 있다. 이에 따라 복수의 탄화실(210)에서 석탄(10)을 건류시켜 동일한 품질의 코크스를 제조할 수 있다.
이처럼, 본 발명에서는 복수의 상승관에 각각 복수의 열교환부를 설치하고 복수의 열교환부를 연결부재로 연결하여 복수의 열교환부와 연결부재가 열교환매체의 이동라인을 이루도록 할 수 있다. 이에 따라 열교환매체가 복수의 상승관을 거치게 되므로, 상승관을 통과하는 가스의 헌열 회수 시에 각각의 상승관에서 과도한 열교환이 이루어지지 않아도 열교환매체를 이용하여 높은 열에너지를 얻을 수 있다. 또한, 복수의 상승관을 포함하는 설비에는 복수의 열교환부와 연결부재로 이루어진 열교환매체의 이동라인만 설치하면 되므로, 헌열 회수 장치로 인해 설비에 가해지는 하중을 최소화시킬 수 있다. 그리고 본 발명의 헌열 회수 장치는 복수의 열교환부와 연결부재로 장치의 구성이 간단하여 정비의 어려움을 해결할 수도 있다. 한편, 열교환부의 적어도 일부가 비직선형으로 이루어진 경우에는 열교환매체의 열교환 시간이 늘어날 수 있으므로, 열교환매체를 통한 효과적인 헌열 회수가 이루어질 수 있다. 그리고 물을 열교환매체로 이용하는 경우에는 물이 복수의 상승관을 거치면서 스팀으로 변화되므로, 상승관을 통과하는 가스의 헌열을 회수하여 고온·고압의 스팀을 얻을 수 있다. 또한, 보호부재를 통해 부착 물질로 인한 열교환부 표면의 오염을 방지 또는 억제할 수 있고, 이에 따라 상승관을 통과하는 가스가 열교환부 표면에 직접 접촉할 수 있어 상승관을 통과하는 가스와 열교환매체의 열교환이 효과적으로 이루어질 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10 : 장입물(석탄) 20 : 가스 포집부
50 : 열교환매체의 이동라인 100 : 헌열 회수 장치
110 : 열교환부 120 : 연결부재
130 : 열활용기관 140 : 보호부재(체인 슬링)
200 : 설비(코크스 오븐) 210 : 탄소실
211 : 상승관 211a: 상승관 덮개
212 : 장입구 212a: 장입구 덮개
220 : 연소실

Claims (11)

  1. 복수의 상승관을 포함하는 설비에 적어도 일부가 설치되는 헌열 회수 장치에 있어서,
    상기 상승관의 내부를 흐르는 가스와 열교환이 가능한 열교환매체가 통과하도록 내부에 경로가 형성되고, 상기 복수의 상승관 내에 각각 설치되는 복수의 열교환부;
    상기 복수의 열교환부와 상기 열교환매체의 이동라인을 이루도록 상기 열교환매체가 통과 가능한 내부 경로를 가지고, 상기 복수의 열교환부를 연결하는 연결부재; 및
    흔들림에 의해 부착 물질이 제거되는 체인 슬링을 구비한 보호부재;를 포함하는 헌열 회수 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환부는 적어도 일부가 비직선형으로 형성되는 헌열 회수 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환부는 상기 상승관 내부의 중앙 영역에 위치하는 헌열 회수 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환부는 복수의 절곡부 또는 굴곡부를 갖는 헌열 회수 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 이동라인의 일측부에 위치한 열교환부의 경로 길이와 상기 이동라인의 타측부에 위치한 열교환부의 경로 길이가 상이한 헌열 회수 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환매체의 이동라인을 통과한 상기 열교환매체로부터 전달되는 열에너지를 이용하도록 상기 열교환매체의 이동라인에 연결되는 열활용기관;을 더 포함하는 헌열 회수 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 열활용기관은 상기 열교환매체의 이동라인의 양측에 연결되는 헌열 회수 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 보호부재는 상기 열교환부를 보호하도록 상기 열교환부의 주변에 배치되는 헌열 회수 장치.
  9. 삭제
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환매체는 물을 포함하고,
    상기 물은 상기 열교환매체의 이동라인을 통과하여 스팀으로 변화되는 헌열 회수 장치.
  11. 코크스를 제조하는 코크스 오븐; 및
    청구항 1 내지 청구항 8, 및 청구항 10 중 어느 한 항에 기재되고, 상기 코크스 오븐의 탄화실에 설치되는 헌열 회수 장치;를 포함하는 코크스 오븐 설비.
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