KR102020501B1 - 제철소 공기분리설비의 쿨링 타워 및 이를 이용한 운전 방법 - Google Patents

Abstract

제철소 공기분리설비의 쿨링 타워 및 이를 이용한 운전 방법이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 제철소 공기분리설비의 쿨링 타워는 고온의 냉각수가 비산되는 타워하우징; 타워하우징의 상부로 고온의 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 공급라인; 타워하우징 내부에 마련되어 비산되는 고온 냉각수와 열교환하기 위한 외부 공기가 유입되는 열교환부; 및 타워하우징의 하부에 마련되어 열교환하여 냉각된 냉각수를 배출하기 위한 배출라인;을 포함하고, 열교환부는 타워하우징에 외부 공기가 유입될 수 있도록 마련되는 루버와, 열교환 매체로 액체질소가 저장되는 저장탱크와, 루버의 외측에 마련되어 기화하면서 루버를 통과하기 전 대기의 온도를 낮추는 대기기화기;를 포함하여 대기 온도가 높은 하절기에 대기기화기를 구동함으로써 고온의 냉각수를 효과적으로 냉각시킬 수 있다.

Description

제철소 공기분리설비의 쿨링 타워 및 이를 이용한 운전 방법{Cooling Tower of air separation plant for ironworks and Driving Method thereof}

본 발명은 제철소의 공기분리설비에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 비점차에 의하여 공기 중에 포함된 산소와 질소, 아르곤을 분리하는 공기분리설비에 관한 것이다.

일반적으로 제철소에서는 대기 중의 공기를 흡입, 압축시켰다가 다시 팽창시키면서 온도를 떨어뜨려 비점차에 의하여 공기 중에 포함된 산소와 질소, 아르곤을 분리하는 공기분리설비가 운용되고 있다.

구체적으로, 공기분리설비는 대기 중의 공기에서 공기필터를 이용하여 이물질을 제거하고, 이물질이 제거된 공기는 압축기로 공급되어 압축된 상태로 수세냉각탑으로 제공된다. 수세냉각탑에 제공된 공기는 쿨링 타워에서 제공되는 냉각수의 분사에 의해 냉각되면서 공기필터에 의해 완전히 제거되지 못한 미세먼지도 함께 제거된다. 수세냉각탑을 거친 깨끗한 냉각 공기는 수세냉각탑의 출구와 연결된 흡착기로 보내져 공기 중에 포함된 수분 및 이산화탄소가 제거된 후 팽창터빈으로 공급된다. 팽창터빈으로 공급된 공기는 단열 팽창된 후 정류탑으로 보내져 액체가스(산소, 질소, 아르곤)를 비점에 의해 분리하여 생산한다.

쿨링 타워는 상술한 바와 같이 냉각수를 재사용하기 위해 실외 공기와 직접 접촉시켜 냉각하는 열교환 장치로 다량의 냉각수(cooling water)를 필요로 하는 제철소 및 산업설비에서 양질의 공업 용수를 대량으로 공급하기 위하여 널리 사용된다.

쿨링 타워는 기본적으로 타워 상부에서 다수의 노즐을 통해 냉각수를 고르게 분사하여 하부로 자유낙하시키고 이때 외부에서 유입되는 대기 공기는 하부에서 상부로 올라가도록 한다. 즉, 자유낙하하는 냉각수는 상승하는 대기 공기와 접촉하면서 일부가 증발하며, 이때 증발에 필요한 열을 빼앗기면서 냉각수의 온도가 하강하는 원리이다.

그런데, 대기 온도가 낮은 계절에는 냉각수를 쿨링 타워에서 충분히 냉각시킬 수 있으므로 압축기에 무리가 없지만, 여름과 같이 대기 온도가 높은 계절에는 냉각수의 온도를 충분히 냉각시키지 못한 상태로 공기분리설비의 다른 장치로 보내지기 때문에 전력 소모가 많이 발생한다. 특히, 공기 압축기는 여름철 대기 중의 공기 온도 상승으로 인한 압축기의 흡입 온도가 상승하면 체적 증가로 이어지면서 공기 압축기의 부하가 증가되고 전력비가 상승하게 된다. 그 결과 정상적인 압축기 성능이 발휘되지 못하면서 감량을 해야하기 때문에 전력 낭비 및 가스 생산에도 문제가 발생할 수 있다.

한국 등록특허 제10-0834903호(2008.05.28)

본 발명의 실시 예에 따르면 하절기에 충분히 냉각된 공기를 압축기에 공급하여 전력 절감을 통한 설비 효율을 향상시킬 수 있는 제철소 공기분리설비의 쿨링 타워 및 이를 이용한 운전 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 고온의 냉각수가 비산되는 타워하우징; 타워하우징의 상부로 고온의 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 공급라인; 타워하우징 내부에 마련되어 비산되는 고온 냉각수와 열교환하기 위한 외부 공기가 유입되는 열교환부; 및 타워하우징의 하부에 마련되어 열교환하여 냉각된 냉각수를 배출하기 위한 배출라인;을 포함하고, 열교환부는 타워하우징에 외부 공기가 유입될 수 있도록 마련되는 루버와, 열교환 매체로 액체질소가 저장되는 저장탱크와, 루버의 외측에 마련되어 기화하면서 루버를 통과하기 전 대기의 온도를 낮추는 대기기화기;를 포함하는 제철소 공기분리설비의 쿨링 타워가 제공될 수 있다.

또한, 상기 타워하우징은 하부에 냉각된 냉각수를 저장하기 위한 저수조;를 포함하고, 상기 루버는 상기 저수조를 향해 경사지게 마련될 수 있다.

또한, 상기 열교환부는 상기 대기기화기와 연결되는 제1기화라인과, 상기 대기기화기와 연결되지 않고 제2기화기를 갖는 제2기화라인을 포함하고, 상기 제1기화라인과 제2기화라인은 외부 온도에 따라 선택적으로 운전될 수 있다.

또한, 상기 제1기화라인과 제2기화라인은 기화된 액체질소를 배출하기 위한 배출라인을 공통으로 포함하고, 제1기화라인은 제2기화라인의 구동 시 기화된 액체질소의 역류를 방지하기 위한 체크밸브를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 고온 냉각수를 열교환 매체의 기화로 한랭화한 외부 공기와 열교환하여 냉각시키는 제철소 공기분리설비의 쿨링 타워 제어 방법에 있어서, 상기 쿨링 타워는 제1기화기를 갖는 제1기화라인과, 제2기화기를 갖는 제2기화라인을 포함하고, 상기 제1기화기는 쿨링 타워의 타워하우징에 인접 마련되며, 외기 온도가 높은 하절기에 선택적으로 운전되는 제철소 공기분리설비의 쿨링 타워 운전 방법이 제공될 수 있다.

또한, 상기 제1기화기는 대기기화기를 이용할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 제철소 공기분리설비의 쿨링 타워는 액체질소의 기화를 이용하여 쿨링 타워로 열교환을 위해 유입되는 대기의 온도를 낮춤으로써 하절기와 같은 고온 환경에서도 고온 냉각수를 효과적으로 냉각시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 제철소 공기분리설비의 쿨링 타워를 이용한 운전 방법은 쿨링 타워의 타워하우징에 인접 마련되는 대기기화기를 갖는 제1기화라인과, 쿨링 타워로부터 멀리 원격 마련되는 제2기화기를 갖는 제2기화라인을 포함하여 외기 온도가 높은 하절기에는 제1기화라인을 이용하고 그 외 외기 온도가 낮은 시기에는 제2기화라인을 이용함으로써 기화되는 액체질소를 효과적으로 활용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 쿨링 타워를 포함하는 제철소의 공기분리설비를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기분리설비의 쿨링 타워를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기분리설비의 쿨링 타워에 마련되는 제1기화라인과 제2기화라인을 포함하는 열교환부를 도시한 도면이다.

이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 소개되는 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 제철소의 공기분리설비를 개략적으로 도시한 것이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 제철소의 공기분리설비(10)는 공기필터(20)에서 이물질이 제거된 대기 중의 공기를 압축기(30)에서 압축하고, 압축기(30)에서 압축된 공기는 수세냉각탑(40), 흡착기(50), 팽창터빈(60) 및 정류탑(70)을 거침으로 인해 비점차에 의한 액체가스(산소, 질소, 아르곤)를 분리 생산하는 설비이다.

즉, 대기 중의 공기는 공기필터(20)에 의해 이물질이 1차 제거되고, 이물질이 제거된 공기는 압축기(30)로 공급되어 5~6Kg/Cm2로 압축되어 수세냉각탑(40)으로 제공된다.

수세냉각탑(40)에 제공된 공기는 쿨링 타워(100)에서 제공되는 냉각수의 분사에 의해 냉각되면서 공기필터(20)에 의해 완전히 제거되지 못한 미세먼지도 함께 제거 된다.

수세냉각탑(40)을 거친 깨끗한 냉각 공기는 수세냉각탑(40)의 출구와 연결된 흡착기(50)로 보내져 공기 중에 포함된 수분 및 이산화탄소가 제거된 후 팽창터빈(60)으로 제공된다.

팽창터빈(60)으로 공급된 공기는 단열 팽창된 후 정류탑(70)으로 보내져 액체가스(산소, 질소, 아르곤)를 비점에 의해 분리하여 생산한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제철소 공기분리설비의 쿨링 타워를 도시한 도면이다.

도면을 참조하면, 본 실시 예에 따른 쿨링 타워(100)는 소정의 공간을 갖는 타워하우징(110)과, 타워하우징(110)의 상부로 고온의 냉각수를 공급하는 공급라인(120)과, 고온의 냉각수를 타워하우징 내부에서 균일하게 분산 낙하시키는 필러(130)와, 필러(130)를 통과한 고온의 냉각수를 열교환을 이용하여 냉각하기 위한 열교환부(140)와, 열교환으로 냉각된 냉각수를 타워하우징(110) 외부로 배출하기 위한 배출라인(160)을 포함한다.

타워하우징(110)은 내부로 유입된 고온의 냉각수를 차가운 공기와 접촉시켜 열교환이 이루어지도록 하여 냉각하며, 냉각된 냉각수는 소정 공간에 저장할 수 있도록 한다.

이를 위해 타워하우징(110)의 상부에는 타워하우징(110)의 내부로 냉각을 위한 외부 공기가 유입될 수 있도록 흡입팬(112)이 마련되고, 하부에는 열교환으로 냉각된 냉각수를 외부로 배출하기 전에 저장하기 위한 저수조(114)가 마련된다.

저수조(114)와 냉각수 공급라인(120)의 사이에는 열교환을 위한 공간이 마련된다. 열교환 공간에는 고온의 냉각수를 냉각시키는데 필요한 차가운 외부 공기가 타워하우징(110) 내로 유입될 수 있도록 복수개의 루버(Louver)(116)가 마련된다.

루버(116)는 타워하우징(110)의 측벽에 외측에서 내측으로 하향 경사지게 마련되는 복수의 패널로서, 그 경사도는 저수조(114)의 상면을 향하도록 약 45도로 마련될 수 있다. 여기서, 본 발명은 루버의 설치 각도를 45도로 예시하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않고 경사도를 조절할 수 있도록 마련될 수도 있다.

냉각수 공급라인(120)은 별도의 설비에서 사용되어 고온으로 온도가 상승된 냉각수를 타워하우징(110)의 내부로 공급 및 분사하기 위한 것으로, 입구측에 마련되는 개폐밸브(122)와, 타워하우징(110) 내부의 상부 영역으로 연장되어 냉각수를 고르게 분산시키는 분산배관(124)과, 냉각수 분산배관(124)의 하부 즉, 냉각수를 필러(130) 측 방향으로 분사시키는 다수의 냉각수 분사노즐(126)을 포함한다.

필러(130)는 냉각수 분사노즐(126)에서 분사된 냉각수를 고르게 분산시키기 위한 것으로, 냉각수가 자중에 의해 낙하되는 것을 분산시킬 수 있도록 다수의 격벽이 다층 형태로 구비될 수 있다. 여기서, 본 실시 예에 따른 필러(130)는 특정 형상에 한정되지 않으며 낙하되는 냉각수를 고르게 분산시킬 수 있는 다양한 구조로 변경되어 구현될 수 있음은 물론이다.

열교환부(140)는 필러(130)를 통해 타워하우징(110)의 내부에서 균일하게 분산되는 고온의 냉각수가 차가운 외부 공기와 접촉하여 열교환을 통해 냉각수의 온도를 낮추기 위한 것이다.

이를 위해 열교환부(140)는 타워하우징(110)에 인접 마련되는 복수의 제1기화기(142)와, 복수의 제1기화기(142)들을 연결하는 제1기화라인(144)과, 제1기화라인(144)을 통해 제1기화기(142)에 열교환 매체를 공급하기 위한 제1저장탱크(146)를 포함한다.

본 실시 예에 따른 열교환부(140)는 열교환 매체로서 -196℃의 액체질소를 사용한다. 액체질소는 0℃ 기준으로 1리터를 기화하면 약 646배의 기체가 되며, 15℃에는 682배, 35℃에서는 약 729배의 기체로 기화한다. 즉, 액체질소는 대기 온도에서도 기화가 용이하며 기화시켜 사용할 경우 부피 팽창이 매우 크기 때문에, 무더운 혹서기(30℃ 이상)에 액체질소를 사용하면 매우 효율적으로 기화할 수 있다.

제1기화기(142)는 열에 의해 기화하는 방식을 이용하며 특히 무더운 여름에 효과적으로 사용할 수 있도록 대기기화기를 이용할 수 있다. 제1기화기(142)는 복수개가 제1기화라인(144)을 중심으로 분산 배치되며, 타워하우징(110)의 열교환이 이루어지는 공간 외측인 루버(116)에 대향해서 소정 거리 이격 배치된다. 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 복수개의 제1기화기(142)는 타워하우징(110)의 루버(16)에 근접 설치되어, 루버(116)를 통해 타워하우징(110) 내부로 유입되기 전 대기의 열기를 뺏어 한냉화할 수 있으며, 나아가 대기 중 수분을 흡착시켜 차갑고 건조된 대기만 타워하우징(110)으로 공급할 수 있다.

제1저장탱크(146)는 제1기화기(142)에 액체질소를 공급할 수 있도록 제1기화라인(144)으로 연결되어 있다. 제1저장탱크(146)에는 사용처에 맞게 압력과 가스량을 조절할 수 있도록 승압 기화기(148)가 연결될 수 있다.

냉각수 배출라인(160)은 저수조(114)의 일측에 냉각된 냉각수를 외부로 배출하기 위해 마련되며 개폐밸브(162)를 포함할 수 있다.

한편, 본 실시 예에 따르면 열교환부(140)는 타워하우징(110)을 통과하지 않고 기화하는 제2열교환부(150)를 더 포함할 수 있다. 설명의 편의를 위해 열교환부(140)는 이하에서 제1열교환부로 지칭될 수 있다.

즉, 도 3에 도시한 바와 같이 제2열교환부(150)는 열교환 매체인 액체질소가 저장되어 있는 제2저장탱크(151)와, 제2저장탱크(151)의 액체질소를 이송시키기 위한 펌프(152)와, 액체질소를 기화시키기 위한 제2기화기(153) 및 액체질소가 이동하는 제2기화라인(154)을 포함할 수 있다.

제2저장탱크(151)는 제1저장탱크(146)와 마찬가지로 액체질소를 저장한다.

펌프(152)는 제2저장탱크(151)의 액체질소를 제2기화라인(154)을 따라 이송시키는 한편, 열교환부(140)의 제1기화라인(144)을 통해서도 액체질소를 공급할 수 있도록 분기관(미도시)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1저장탱크(146)의 액체질소가 부족한 경우 펌프(152)는 제1기화라인(144)과 연결되어 액체질소를 이송할 수 있다.

제2기화기(153)는 다양한 형태가 가능하다. 제2기화기(153)는 제1기화기와 같은 대기기화기를 사용할 수도 있지만, 동절기 등에도 사용할 수 있도록 온수기화기 또는 스팀기화기를 채용할 수 있다.

또한, 제2기화기(153)와 펌프(152) 사이에는 개폐밸브(155)가 마련될 수 있다. 개폐밸브(155)는 전기적으로 동작하는 전자밸브를 채용할 수 있다. 개폐밸브(155)가 폐쇄된 상태인 경우 제2저장탱크(151)의 액체질소는 제1기화라인(144)으로 공급되고, 개방된 상태에서는 제2기화라인(154)으로 공급된다.

도면에서 미설명된 참조부호 149는 기화된 액체질소를 배출하기 위한 배출라인을 공통으로 구비하는 제1열교환부(140)와 제2열교환부(150)에 있어서 제2열교환부(150)에서 기화된 액체질소가 제1기화라인(144) 측으로 역류하지 못하도록 하는 체크밸브이다. 제1기화라인(144)과 제2기화라인(154)을 통해 배출되는 기화된 액체질소는 도시하진 않았지만 이를 사용하는 제철소의 다른 설비로 공급될 수 있다.

그러면, 본 실시 예에 따른 제철소 공기분리설비의 쿨링 타워 동작에 대해 살펴보기로 한다.

쿨링 타워(100)는 크게 대기 온도가 30℃를 넘는 하절기와, 그 외 대기 온도가 낮은 동절기 및 환절기 등 계절에 따라 선택적으로 운전될 수 있다. 또한, 본 실시 예에서는 구체적으로 기재하지는 않았지만 쿨링 타워(100)의 효과적 운전을 위한 제어반이 마련될 수 있다.

먼저, 통상적으로 냉각수 공급라인(120)을 통해 고온의 냉각수가 타워하우징(110)의 내부로 공급되면 고온 냉각수는 냉각수 분산배관(124)과 냉각수 분사노즐(126)을 거쳐 필러(130)로 비산되며, 필러(130)는 비산되는 고온 냉각수를 타워하우징(110)의 열교환 공간에 균일하게 분산시킨다. 열교환 공간에서 낙하하는 고온의 냉각수는 루버(116)를 통해 유입되는 외부 공기와 접촉하면서 냉각되고, 냉각된 냉각수는 타워하우징(110)의 저수조(114)에 수집되어 있다가 필요한 경우 배출라인(160)을 통해 외부로 배출될 수 있다.

하절기에는 타워하우징(110) 내부로 루버(116)를 통해 유입되는 외기 온도가 높기 때문에 고온 냉각수의 열교환이 용이하지 않다. 이 경우 제어반(미도시)은 제1저장탱크(146)의 승압기화기(148)를 이용하여 액체질소를 제1기화기(142)로 압송하며, 제1기화기(142)는 액체질소를 기화하면서 외부 공기를 차갑게 식힌다. 이때 제1기화기(142)는 외부 공기의 수분을 흡착할 수 있으며, 건조한 상태의 한랭 공기는 타워하우징(110)로 유입되어 저수조(114)의 냉각수와 접촉하는 한편 상승하면서 낙하하는 고온의 냉각수와 접촉하여 증발 잠열로 냉각수의 온도를 효과적으로 떨어뜨리게 된다. 기화된 액체질소는 필요로 하는 제철소의 다른 설비로 공급될 수 있다.

한편, 외부 공기의 온도가 상대적으로 낮은 동절기 등에는 열교환기(140)의 제1기화라인(144)은 사용되지 않는다. 따라서, 외부 설비에서 기화된 액체질소가 필요한 경우 제2기화라인(154)을 통해 공급할 수 있다.

10..공기분리설비 20..공기필터
30..압축기 40..수세냉각탑
50..흡착기 60..팽창터빈
70..정류탑 100..쿨링 타워
110..타워하우징 114..저수조
116..루버 120..냉각수 공급라인
130..필러 140..(제1)열교환부
142..제1기화기(대기기화기) 144..제1기화라인
146..제1저장탱크 150..제2열교환부
152..펌프 153..제2기화기
154..제2기화라인 160..냉각수 배출라인

Claims (6)

1. 고온의 냉각수가 비산되는 타워하우징;
   상기 타워하우징의 상부로 고온의 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 공급라인;
   상기 타워하우징 내부에 마련되어 비산되는 고온 냉각수와 열교환하기 위한 외부 공기가 유입되는 루버를 갖는 열교환부;
   상기 타워하우징의 하부에 마련되어 열교환하여 냉각된 냉각수를 배출하기 위한 배출라인;
   상기 타워하우징 외부에 인접 마련되며 상기 열교환부의 루버에 대향해서 배치되는 복수의 제1기화기; 및
   상기 복수의 제1기화기를 연결하는 제1기화라인을 통해 열교환 매체를 상기 열교환부로 공급하기 위한 제1저장탱크;를 포함하며,
   상기 제1기화기는 열에 의해 기화하는 대기기화기를 이용하고, 상기 제1저장탱크는 열교환 매체로서 액체질소가 저장되어 있는 제철소 공기분리설비의 쿨링 타워.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 타워하우징은 하부에 냉각된 냉각수를 저장하기 위한 저수조;를 포함하고,
   상기 루버는 상기 저수조를 향해 경사지게 마련되는 제철소 공기분리설비의 쿨링 타워.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 타워하우징의 외부에 원격 마련되는 제2열교환부를 더 포함하고,
   상기 제2열교환부에 공급하기 위한 액체질소가 저장되어 있는 제2저장탱크와,
   상기 제2저장탱크로부터 이송되는 액체질소를 기화시키기 위한 제2기화라인 및 제2기화기와,
   개폐밸브와 분기관을 포함하여 상기 제1기화라인과 제2기화라인에 선택적으로 액체질소를 공급하기 위한 펌프를 포함하며,
   상기 제1기화라인과 제2기화라인은 기화된 액체질소를 배출하기 위한 배출라인을 공통으로 포함하고,
   상기 제1기화라인은 제2기화라인의 구동 시 기화된 액체질소의 역류를 방지하기 위한 체크밸브를 더 포함하는 제철소 공기분리설비의 쿨링 타워.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 제1기화라인은 하절기에 사용하고,
   상기 제2기화라인은 동절기에 사용하는 제철소 공기분리설비의 쿨링 타워.
5. 삭제
6. 삭제

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