KR0148590B1 - 파이프열교환식 가열로의 연소방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유체의 유입온도나 코일내의 허용압력손실의 크기에 의한 제약을 받지 않고, 고열효율과 저공해성을 지니고, 로(爐)내 압력변동이 적은 컴팩트하고 경제적인 파이프열교환식 가열로용 연소방법 및 그 장치를 제공하고자 하는 목적을 가진다.

본 발명의 파이프열교환식 가열로에 있어서, 로의 연소실과 마주보도록 설치된 연소장치는 내화재로 된 공기투과성 축열기와 산화제 공급로 및 배기개스 배출로를 가지는 덕트부가 각각 마련되어 있으며, 이 연소장치에 의해서 연소용 산화제는 회전수단을 통해 축열기와 덕트부의 상대적 회전으로 축열기를 통한 배기개스에 의해 가열되어 진다.

Description

파이프열교환식 가열로의 연소방법 및 장치

제1도는 본 발명의 일실시예로서 파이프열교환식 가열로의 개략적 단면도.

제2도는 제1도의 2-2 단면도.

제3도는 연소장치의 단면도.

제4도는 제3도의 4-4 단면도.

제5도는 본 발명에 의한 연소장치의 실험결과를 나타낸 그래프.

제6도는 장치로부터 배출되는 배기개스중의 NO_X함유량에 대한 동일 연소장치의 실험결과를 나타낸 그래프.

제7도는 연소실의 압력변동에 대한 동일 연소장치의 실험결과를 나타낸 그래프.

제8도는 선단면이 절제된 종래 파이프열교환식 가열로의 사시도.

제9도는 종래의 다른 파이프열교환식 가열로의 평면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 가열로 11 : 벽

12 : 로저부 13 : 베이스

14 : 천장벽 15 : 통로

16 : 배기개스댐퍼 17 : 벽

18 : 산화제 공급파이프 19 : 유도팬

20 : 방출튜브 30 : 연소장치

31 : 버너 32 : 축열기

33 : 덕트부 33a : 대경부

33b : 소경부 34 : 개구부

36 : 산화제공급로 37 : 배기개스배출로

38 : 지지판 39 : 몸체케이스

40 : 플랜지 42 : 유입구

43 : 유출부 43a : 원통부

43b : 내부공간 49 : 블록판

50 : 지지판 51 : 체인기어

본 발명은 연소로 발생된 배기가스의 열을 연소용 산화제 가열을 위해 사용하는 파이프열교환식 가열로의 연소방법 및 그 장치에 관한 것이다.

파이프열교환식 가열로는 로(爐)의 튜브를 따라 흐르는 가열될 유체를 직화염으로 가열하기 위한 목적용으로 석유정제, 석유화학 및 일반화학에 관한 각종 공정에 사용된다.

종래의 파이프열교환식 가열로는, 제8도에 도시되어 있는 바와 같이, 강판 케이스에 내화단열재의 내장에 의해 형성된 연소실(100)과, 연소실(100)내에 설치된 가열 튜브(101) 및 연소장치(102)로 이루어져 있다. 이것은 연소장치(102)에 의해 가열튜브(101)내에서 유동하는 나프타 또는 가솔린과 같은 유체를 가열하기 위한 구성 형태이다.

대개, 파이프열교환식 가열로는 종래부터 화염의 복사와 대류의 이용에 의해 소정의 가열효과를 얻어 왔다. 이 로의 주로 복사열전달에 의해 가열되는 일부는 복사부(103)를 형성하고, 주로 대류열전달에 의해 가열되는 다른 일부는 대류부(104)를 형성한다. 가열될 유체는 열효율 극대화의 관점에서 보통 연소개스 흐름의 반대 방향에서 공급된다. 각 가열튜브(101)는 U-형 조인트와 직열로 연결되어 소위 코일통로를 형성한다. 가열될 유체는 최초에 유입튜브(106)를 통하여 대류부(104)로 유입되어 대류부(104)로 여기서 예열된 후, 복사부(103)로 진입하여 이곳에서 소정 온도로 가열된 다음, 유출튜브(107)를 통하여 유출되도록 되어 있다. 제8도에서, 참조 번호 105는 굴뚝을 나타낸 것이다.

이런 류의 파이프열교환식 가열로의 열효율은 보통 60 내지 85%이다. 제9도(제8도에 기재된 구성부재는 참조 번호에 의해 표시됨)에 도시되어 있는 바와 같은 대형의 파이프열교환식 가열로에서도, 대류부(104)에 의한 예열에 대해 유체의 유입온도에 의한 제약으로 인하여 90% 정도의 높은 열효율을 얻기가 어렵다. 따라서, 연소용 공기등으로 된 산화제를 예열하기 위한 예열기(108)와 또는 폐열보일러와 같은 부가적인 구성요소를 갖는 본 파이프열교환식 가열로를 제공하여 열효율을 90%이상의 수준으로 높이는 것을 착상할 수 있는 것이다. 여기서 산화제란 순산소, 공기 및 산소분자가 포함된 산소가 풍부한 공기와 같은 기체를 지칭하는 포괄적인 용어 자체를 나타낸다. 어떤 경우에는 할로겐, 산화물 또는 산화질소와 같은 화합물이 산화제로 사용될 수 있다. 제9도에서, 참조 번호 109는 압입송풍기를 나타낸 것이고 참조 부호 110은 유인송풍기를 나타낸 것이다.

이와 같은 파이프열교환식 가열로에서는, 대류부(104)의 열흡수용 튜브표면적이 복사부(103)의 그것에 비해 2배이상임에도 불구하고, 대류부(104)에 의한 열흡수량은 복사부(103)에 의한 흡수량의 절반이하이다.

투자회수의 관점에서, 전부는 아니지만 어떤 소형 파이프열교환식 가열로는 대류부(104)를 없애고 오직 복사부(103)에만 의존한다. 따라서, 대류부(104)가 빠진 이러한 로는 아마도 불충분한 예열로 인한 열효율 저하를 감수해야 한다.

촉매개질설비에 사용되는 것과 같은 파이프열교환식 가열로의 어떤 것은 전체로서 대용량의 열흡수를 필요로 하나, 아직 공정상의 이유로 인하여, 가열할 유체의 유입온도를 높은 수준(440℃ 부근)에 설정해야하고 더군다나, 코일내 허용압력손실은 극히 낮은 수준(0.2 내지 0.3㎏/㎠)으로 설정해야 된다. 이러한 파이프열교환식 가열로는, 그 안에서 가열되기 위해 복사부(103)으로 공급되는 유체가 대류부(104)로는 똑같이 공급될 수 없으며, 이 유체가 복사부(103)에 의해서만 가열되어야 하기 때문에, 도달할 수 있는 열효율에 대한 자체한계와 성능 향상이 어렵다는 부득이한 단점이 있다.

또한, 제9도에 도시된 바와 같은 대형 파이프열교환식 가열로는 산화제 예열기(108) 또는 폐열 보일러와 같은 부가적인 구성요소를 구비하고, 이에 따라 로의 폭 방향 길이 L2의 증가를 요구하고 길이방향의 길이 L1의 증가는 요구하지 않아서 결국 로의 설치를 위한 대형의 공간을 갖게 된다. 더욱이, 산화제 예열기(108)와 같은 부가적인 구성요소는 로 자체와 맞먹는 비싼 설치비용을 포함하며, 결국 파이프열교환식 가열로의 잔체설비의 비용을 증대시킨다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술이 갖는 문제점을 해결하기 위한 노력으로부터 안출된 것이다. 본 발명의 제1의 목적은 유체의 유입온도나 코일내의 허용압력손실의 크기에 의한 제약을 받지 않고 고열효율을 지니고 환경오염의 가능성을 작게하며, 연소실내 압력변동을 작게 발생시키는 파이프열교환식 가열로용 연소방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 제2의 목적은 유체의 유입온도나 코일내의 허용압력손실의 크기에 의한 제약을 받지 않고 고열효율을 지니고 환경오염의 가능성을 작게하며, 연소실내 압력변동을 작게 발생시키는 컴팩트하고 경제적인 파이프열교환식 가열로용 연소장치를 제공하는 데 있다.

상기한 제1의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 연소실과, 내부에 작동유체의 유동이 허용되도록 적용되며 상기 연소실내에 설치되는 가열튜브들과, 상기 연소실내로 화염을 분사하도록 설치되고 결국 상기 가열튜브를 통하여 상기 가열튜브내를 유동하는 유체에 열을 가할 수 있는 연소장치들로 구성된 파이프열교환식 가열로용 연소방법에 있어서, 상기 연소방법은 그 내부로 산화제를 이송하는 산화제 공급로를 통해 배출된 산화제가 상기 연소실 벽에 고정된 축열부를 통하여 통과하는 것을 가능케 하고, 이와 동시에 상기 산화제 통로용 축열부의 면적을 시간의 경과에 따라 변화시키도록 되어 있는 점을 특징으로 한다.

상기한 제2의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 연소실과, 내부에 작동유체의 유동이 허용되도록 적용되며 상기 연소실내에 설치되는 가열튜브들과, 상기 연소실내로 화염을 분사하도록 설치되고 결국 상기 가열튜브를 통하여 상기 가열튜브내를 유동하는 유체에 열을 가할 수 있는 연소장치들로 구성된 파이프열교환식 가열로용 연소장치에 있어서, 상기 연소장치 각각은 상기 가열튜브 가열용 버너와, 상기 버너로 산화제를 공급하기 위한 산화제 공급로와, 연소로 발생한 배기개스를 상기 연소실의 외부로 방출하기 위한 배기개스 배출로와, 통기성이 있는 축열기로 구성되고, 상기 연소실 벽에 상기 축열기를 부착시키고, 상기 산화제 공급로를 통해 방출되는 상기 산화제가 축열기의 부분을 통과하도록 하며, 동시에 상기 산화제 통로용 상기 축열기의 면적을 시간의 경과에 따라 변화시키도록 되어 있는 점을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 구성은 대류부가 없고 복사부만 있는 파이프열교환식 가열로용 연소장치가 되게 한다. 버너로부터 분사된 화염의 연소열은 복사부와 축열기를 통해 완전히 흡수된다.

따라서, 가열튜브의 총길이는 감소될 수 있고 마찬가지로 코일내의 허용압력손실도 감소될 수 있다. 더욱이, 공정상의 요구에 의해 유체의 유입온도라든가 코일내의 허용압력손실의 크기에 영향 받지 않고 효과적으로 소정가열을 행할 수가 있다.

배기개스가 연소실로부터 방출될 때, 이 방출의 진행은 상대적 회전을 하는 축열기와 덕트부를 통하게 된다. 이와 같이 배기개스 열의 대부분은 연소용 산화제 가열에 이용되고, 배기개스가 장치로부터 배출될 때는 저온으로 된다. 연소장치는 버너와 산화제 예열기와의 조합의 결과이다. 이 구조 때문에, 파이프열교환식 가열로는 덕트부에 의해 발생되는 열손실이 없는 구조적 관점으로부터도 열효율개선에 크게 기여한다.

더욱이, 배기개스는 축열기에 대해 상대적으로 회전하는 덕트부를 통하여 배출되고, 축열기의 열교환작용으로 인하여 배기개스의 온도는 시간경과와 상관없이 일정하다. 배기개스 열의 대부분은 연소용 산화제 가열에 이용되며, 이와 같이, 배기개스는 최종적으로 저온에서 대기로 방출된다. 연소는 연속적으로 진행되므로, 연소로 인한 연소실내의 압력변동의 가능성은 무시할 만큼 작다. 배기개스가 로외부로 방출될 때, 이 배기개스는 화염주위로부터 축열기에 의해 흡인되어 화염과 혼합된다. 결국 그것은 소위 배기개스의 내부재순환효과를 가져오며, 배기개스는 환경오염을 억제할 수 있을 만큼 충분히 낮은 NO_X함유량을 가진다.

또한, 이러한 연소장치는 산화제 예열기와 폐열 보일러와 같은 부가적인 구성요소를 필요로 하지 않기 때문에, 파이프열교환식 가열로의 전체크기는 작아지고, 그다지 큰 설치공간이 필요없으며, 저렴한 설치비용이 든다. 이와 같이, 본 발명은 컴팩트하고 경제적인 파이프열교환식 가열로용 연소장치를 제공하게 된다.

이하에서는, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

제1도에서, 파이프열교환식 가열로(10)는 촉매개질설비에 사용되는 박스형 로이다. 파이프열교환식 가열로(10)에는, 소정 높이의 분할벽(11)으로 구분된 네 개의 연소실 H1 내지 H4(이하, 참조 부호 H는 H1 내지 H4의 총칭 부호로 사용함)가 형성되어 있다. 연소실 H1 내지 H4의 지면과 직교하는 길이방향의 각 크기 L1(제2도)은 10m 남짓 된다. 이들 연소실 H1 내지 H4내에는, 길이방향에 복수의 역U-형 가열튜브(P)가 소정 간격으로 배치되어 있다. 복수의 가열튜브는 복사부를 이루게 된다. 이 가열튜브의 터미널부는 연소실 벽의 로바닥부(12)를 지나도록 길게 연장되어 있으며, 로바닥부(12) 아래에 위치한 헤드들로서 기능하는 유입 파이프(I) 및 유출 파이프(O)에 각각 연결되어 있으며, 길이방향으로 연장되어 있다. 유입튜브(I)는 가열튜브(P)에 유체를 공급하는 역할과 미도시된 열교환기를 통해 작동유체를 공급하는 역할을 한다. 그것들은 미도시된 배관과 반응기를 지나 인접한 연소실(H)의 유출파이프(O)에 연결되어 있다. 유입 파이프(I) 및 유출 파이프(O)는 베이스(13)상에 지적되어 있다.

연소실(H) 바로 위에, 천장벽(14)으로 통로(15)가 개설되어 있다. 배기개스 댐퍼(16)는 통로(15)내에 회전가능하게 설치되어 있다.

상술한 연소실(H)에 마련된 연소장치(30)는, 특히 후술되는 바와 같이, 다수의 역U-형 가열튜브(P)에 의해 한정된 빈 공간(S)(이하, 참조 부호 S는 빈 공간 S1 내지 S4의 총칭 부호로 사용함)으로 화염을 분사시키기 위한 것이며, 그리고 가열튜브(P)를 통해 가열튜브(P)내에 공급되는 유체를 가열하기 위해 화염의 복사열을 이용한다. 도면에, 연소실(H)은 각각 단지 하나의 연소장치(30)를 구비하고 있는 것으로 도시되어 있다. 본 실시예에서의 연소를 위한 산화제, 또는 공기는 압입송풍기(17)와 산화제 공급 덕트(18)의 사용에 의해 각 연소장치로 공급된다. 각 연소장치(30)로부터 발산되는 배기개스는 유인송풍기(19)와 방출튜브(20)의 사용에 의해 방출된다.

제3도에 도시되어 있는 바와 같은 소위 회전식축열버너라 칭하는, 연소장치(30)는 상방으로 화염을 분사하도록 설치된 버너(31)와, 로바닥부(12) 또는 연소실(H)의 벽 구성부재에 설치되어, 열교환부재로서의 기능을 하도록 적용되는 축열기(32) 및 덕트부(33)로 이루어진다.

먼저, 축열기(32)는 벌집같이 수 많은 기공을 포함하는 세라믹재와 같은 저압력손실과 대열용량의 공기 투과성 내화재로 형성되는 것이 바람직하다. 세라믹재는 내식성 때문에, 이 재료를 사용한 축열기(32)는 배기개스의 온도가 배기개스로부터 열 회수의 진행 동안 배기개스의 온도가 산의 이슬점 온도 이하로 떨어질 때에도 결코 저온 부식이 진행되지 않는다.

내열재는 사용조건에 따라 절절히 선택해야 된다. 산화물과 질화물 및 탄화물과 같은 세라믹재, 스테인리스강이나 내염산 합금과 같은 내열 및 내산성 금속재, 또는 세라믹재와 고온 용융재로 구성되는 복합재가 사용되어도 좋다. 산화 알류미늄, 실리카, 실리콘 카아바이드, 실리콘 나이트라이드 및 SIALON이 세라믹재로서 사용될 수 있다. 본 발명에서 코디어라이트(Cordierite)와 뮬라이트(Mullite)는 고온강도, 공정의 용이함 및 열용량과 같은 장점으로 인해 특히 바람직하다.

축열기(32)는 로바닥부(12)에 형성되어 있는 개구부(34) 내측에 설치되며 고정링(35)에 의해 지지된다.

연소실 반대쪽의 축열기(32) 일측에는 버너(31)에 연소용 산화제 공급을 위한 산화제 공급로(36)와 연소실(H)에서 연소결과로 발생한 배기개스를 대기로 방출하기 위한 배기개스 배출로(37)가 형성되어 있는 덕트부(33)가 축열기(32)와 연결되도록 설치되어 있다. 상기 산화제 공급로(36)는 복수의 유출부를 통해 상기 축열기(32) 방향으로 상기 산화제를 분사하도록 설치되어 있다.

축열기(32)의 중앙부에 마련된 버너(31)는 연소실(H) 내부로 그 선단부가 노출되어 있는 통상의 개스 또는 오일버너이다. 연소용 산화제는 먼저 산화제 공급파이프(18)를 통한 다음 덕트부(33)내에 형성된 산화제 공급로(36)를 통해 흘러, 버너 주위에 설치된 축열기(32)를 거쳐 진입하여, 버너(31)의 주변으로부터 분출된다.

버너(31) 지지용 판(38)은 개구부(34)의 외측 가장자리를 따라 형성되어 있다. 몸체 케이스(39)용 플랜지(40)는 몸체 케이스(39)와 축열기(32) 사이가 연결 설치되도록 가스켓(G)을 통해 볼트(41)에 의해 판(38)에 연결되어 있다.

몸체 케이스(39)는 산화제 공급파이프(18)를 통해 공급된 연소용 산화제를 유입하기 위한 산화제 유입부(42)와, 유출 파이프(20)를 통하여 배기개스를 방출하는 유출부(43)와, 산화제 유입구(42)와 축열기(32) 사이에 형성된 덕트부(33) 및 덕트부(33)를 회전시키기 위한 구동부(45)를 구비하고 있다.

상술한 유출부(43)의 원통부(43a)내에, 덕트부(33)의 대경부(33a)가 형성되어 있다. 대경부(33a)는 그 자체가 산화제 공급로(36)의 일부를 구성하며, 제4도에 도시된 바와 같이 예각형의 단면을 가진다. 원통부(43a)의 내부공간에는 하나 이상의 산화제 공급로(36)가 구비된다. 몸체 케이스(39)에 연결설치된 버너(31)주위에는, 원주방향에서 선택적으로 위치하도록 산화제 공급로(36)와 배기개스 배출로(37)가 설치된다. 또한, 산화제 공급로(36)의 유출부는 방출되고 있는 산화제가 고유속으로 변환될 수 있도록 수 많은 기공을 가지는 선단면으로 닫혀있는 것이 좋다.

산화제 공급로(36)와 배기개스 배출로(37)는 축열기(32)내에서 서로 독립적으로 연장되도록 형성되어 있다. 예를 들면, 산화제 공급로(36)는 산화제 유입부(42)를 통하여 흘러온 산화제가 먼저 덕트부(36)를 통하도록 한 다음, 소경부(33b)에서 점차 확장된 대경부(33a)로 점차 확장되는 천이부를 통해 측열기(32) 방향의 외부로 흐르도록 설치되어있다.

배기개스 배출로(37)는 축열기(32)로부터 방출된 배기개스가 예컨데, 단면이 둔각형으로 된 부분을 통해 유출부(43)에 있는 원통부(43a)의 내부공간(43b)으로 안내될 수 있는 방식으로 형성된다.

구동부(45)는 축열기 반대편의 유출부(43)에 있는 원통부(43a)일측에서 단부를 막을 수 있도록 형성된 블록판(49)의 내측끝단부에, 그리고 덕트부(33)에 있는 소경부(33b)의 우측끝단부에 설치되는 지지판의 내측 끝단부 상에 각각 설치되는 시일(seel)부재 (S)와 베어링(J)에 의해 덕트부(33)를 회동가능하게 지지하며, 두 베어링(J)(J)사이에 고정설치된 스프로킷(51)과 모터(M)에 의해 회전되는 구동기어(52)를 체인(53)으로 연결한다.

본 실시예에서, 덕트부(33)는 상술한 바와 같이 두 베어링(J)(J)에의해 균형있게 지지되므로, 덕트부(33)는 비교적 고속에서 회전가능하게 되며, 이 회전속도의 상승은 열효율을 향상시키게 된다. 덕트부(33)의 회전속도와 열효율 사이의 관계를 실험에 의해 조사한 결과의 데이터를 제5도에 도시하였다.

실험은 연료로서 LPG를 사용하고 본 실시예의 연소장치를 작동함에 의하여 그 동안에 덕트부(33)의 회전속도에 대한 연소실의 배기개스의 잔류 산소 비율 및 연소실의 온도를 측정함에 의하여 수행되었다. 제5도에서, 횡축은 덕트부(33)의 회전속도의 수치이고, 종축은 온도치이다.

이 실험의 결과로부터 즉, 덕트부(33)의 회전속도가 1 r.p.m.이하일 때 배기개스의 온도는 급격히 상승하고, 회전속도가 1 r.p.m. 이상일 때 배기개스의 온도는 낮게 감소된다는 것이 판명되었다.

본 발명의 열효율은 다음 식에 의해 정의되는 바와 같이 유입열량과 배기개스로부터의 열손실 사이의 관계로부터 계산되어질 수 있다.

η = (Q-C_P·G·T)·100/Q

여기서, η는 열효율, Q는 LPG개스의 열용량, C_P배기개스의 비열, G는 배기개스량, 그리고 T는 배기개스의 온도이다.

열효율은 상기 식의 관련변수에 상기 실험에 의해 얻은 결과를 대입함으로써 결정된다.

예를 들면, 2 r.p.m.정도의 비교적 고속 회전으로 시험가동한 경우에 있어서, 예를 들면, 적정 배기개스의 온도는 250℃이다. 그러므로, 이 경우에 있어서, 열효율은 다음 식으로 추정될 수 있다.

η = (25000-0.32·26·250)·100 / 25000 = 91.68(%)

즉, 연소장치는 열효율이 90%를 초과하는 우수한 것임을 명백히 알 수 있다.

상기한 바와 같이 비교적 고속의 회전시 이같은 명백한 우수한 열효율은, 덕트부(33)의 회전속도 증가는 덕트부(33)로부터 방출된 산화제로 축열기(32)를 다소의 냉각없이 배기개스에 의해 가열하도록 하기 때문에, 흡입된 산화제의 온도가 보다 높게 될 수 있으며 그리고 열효율에 비례하여 상승한다는 선결조건에 의해 논리적 설명이 가능하다.

상기한 산화제 유입구(42)는 주파이프(54)와 T자 형상의 분기파이프(55)와의 결합의 결과이다. 주파이프(54)는 한쪽 끝이 덮개부재(56)로 덮혀 있고, 다른쪽 끝은 덕트부(33)의 소경부(33b)의 선단부에 설치된 지지판(50)에 연결되어 있다. 제3도에서, 참조번호 57은 정류판을 나타낸 것이다.

버너(31)에 연료를 공급하기 위한 연료파이프(58)는 덕트부(33)의 축을 따라 설치되어 있다. 버너에 기동공기를 공급하기 위해 적용되는 파이프(59)를 연료파이프(58)내에 설치함으로써, 그리고 이 파이프(59)를 통해 방출되는 기동공기의 양을 조절함으로써, 버너(31)로부터 분사될 화염의 크기나 세기를 조정할 수 있다.

기동공기의 적정량은 화학량론의 연소 공기의 2 내지 15%의 범위이다.

선택적으로, 기동공기 대신에 파이프(59)로부터 증기를 분출시켜도 된다. 이 경우에, 기동공기가 분출될 때 만큼 화염이 안정되게 분사되는 동안 배기개스의 NO_X함유량은 낮아진다. 기동증기의 적정량은 10,000㎉연료가열치에 0.1내지 0.8㎏사이의 범위이다. 버너 하나를 구비한 본 발명의 시간경과에 따른 연소실의 압력변동을 결정하기 위해 수행되어 결국 압력변동의 가장 민감한 조건을 추정하기 위해 예정된 실험에 있어서, 압력변동은 제7도에 도시된 바와 같이 근소한 것으로 밝혀졌다.

이하에서는 본 실시예의 작용에 대해 설명한다.

먼저, 배기가스 댐퍼(16)가 작동되고, 로 상부의 통로가 폐쇄된 상태에서, 압입송풍기(17)와 유인기(19)가 시동되고, 모토(M)(제3도)를 회전시켜 버너(31)를 착화시킨다. 그 결과, 연료파이프(58)를 통해 버너외부로 분사된 연료의 흐름은 산화제 통로(36) 및 축열기(32)를 통해 흘러온 연소용 산화제로부터 산소를 공급받아 화염을 형성한다. 이 화염은 가열튜부(P)에 의해 구획형성된 빈 공간(S)으로 분사되고, 이 화염의 복사열은 가열튜브(P) 매체를 통하여 흐르는 유체를 그 내부에서 가열시키는데 이용된다.

촉매개질설비에 사용되는 본 실시예의 파이프열교환식 가열로(10)는 대류부가 없고 복사부만 구비하여 구성되어 있다. 따라서, 화염의 복사열은 복사부의 축열기에 거의 대부분 흡수된다.

이 복사부의 열 유속은 일반적으로 전술한 대류부의 그것보다 크기 때문에, 가열튜브(P)의 총길이는 대류부를 가지는 종래의 로에 사용되는 가열튜브의 길이보다 짧다. 그 결과, 코일내의 허용압력손실은 총길이의 감소에 비례하여 감소된다.

촉매개질설비에 사용되는 파이프열교환식 가열로(10)의 경우에서와 같이 공정상의 요구조건에 의해 유동유체의 유입온도가 높아야 하고 코일내의 허용압력손실이 작아야 할 때 조차도, 파이프열교환식 가열로는 유동유체의 유입온도가 복사부로의 가열함에 의해 상승될 수 있고 허용압력손실이 상기한 바와 같이 감소될 수 있기 때문에 유동유체의 유입온도 또는 코일내의 허용압력손실에 의한 제약없이 소정 가열을 행할 수 있게 된다.

연소실(H)내에서 가열튜브를 가열하는 역할을 행한 고온배기개스는 연소실(H) 외부로 방출된다. 이 배기개스는 축열기(32)를 지나 배기개스 배출로(37)를 통해 배출된다. 축열기(32)는 그것을 통하여 배기개스의 유동으로 인하여 상승된 온도로 가열된다. 따라서, 회전하는 산화제 공급로(36)를 통하여 배출된 연소용 산화제가 축열기(32)로 유입될 때, 이 연소용 산화제는 축열기(32)에 의해 가열된다. 이 가열은 축열기(32)를 향해 산화제 통로(36)로부터 산화체를 분사하여 즉시 연소용 산화제를 가열하는 즉시가열방식이기 때문에, 배기개스열의 대부분은 연소용 산화제 가열에 이용된다. 즉, 고온의 연소용 산화제가 열손실 없이 고효율로 생성되고, 배기개스 온도는 시간경과와 상관없이 일정하게 된다. 배기개스는 시스템 외부로 배출될 때 저온으로 된다.

또한, 연소와 배기개스의 배출은 연속적으로 수행되므로 연소로 인한 연소실의 압력변화도 무시할 정도로 작다.

연소실(H)내에서 연소로 발생한 배기개스는 상기한 바와 같이 로외부로 배출된다. 이 경우, 배기개스는 화염주위로부터 축열기(32)에 흡인되기 때문에, 배기개스는 화염과 혼합되어 소위 배기개스의 내부재순환 효과를 발생시킨다. 그 결과, 배출된 배기개스의 NO_X량이 격감되고, 배기개스의 환경오염 가능성은 비례적으로 낮아진다.

연소장치(30)는 산화제 예열기와 버너와의 결합의 결과이다. 연소장치(30)의 이런 구조로 인하여, 파이프열교환식 가열로는 구조적인 관점으로부터도 덕트연결에 의해 야기되는 열손실이 없이 열효율 개선에 크게 기여하고, 산화제 예열기와 폐열보일러와 같은 추가부재의 필요가 없어진다. 즉, 로 전체의 크기는 작게 되고, 넓은 설치공간이 필요 없다. 파이프열교환식 가열로용 연소장치는 컴팩트하고 설치도 저렴하다.

본 실시예의 파이프열교환식 가열로와 종래의 로를 정량적으로 평가한 결과를 하기 표1에 나타내었다.

이 평가에 사용된 파이프열교환식 가열로의 명세는 다음과 같다.

설계흡수열량 : 3 x 10⁶㎉/H

유체의 입구/출구온도 : 260/400℃

연료 : 연료 개스

열효율 : 90%

가열튜브재질 : 저합금강

허용평균열유속 : 27,100㎉/㎡H

종래의 파이프열교환식 가열로의는 복사부에 더하여 유체예열용 대류부를 구비하고 있었다.

더욱이, 유체의 유입온도 제한의 이유로 대류부만으로는 90%의 열효율을 얻을 수가 없기 때문에 산화제 예열시스템의 부설을 필요로 하였다.

본 실시예의 파이프열교환식 가열로는 표1의 파이프열교환식 가열로의 평면도에 도시된 바와 같이 본체는 본 발명의 것이 약간 크다. 상기한 본체가 더 큰 이유는 유체의 코킹을 회피하기 위하여 평균열유속 또는 유체의 막온도가 상한을 가지며, 그리고 본 실시예의 파이프열교환식 가열로의에서도 종래의 파이프열교환식 가열로에서와 마찬가지로 평균열유속 또는 막온도에 대해 동일한 제한이 부과되므로, 복사부의 가열표면적은 증가하고, 로 설치 부지는 비례적으로 커지게 된다.

본 실시예의 파이프열교환식 가열로는 표1의 파이프열교환식 가열로의 평면도에 도시된 바와 같이 본체는 본 발명의 것이 약간크다. 상기한 본체가 더 큰 이유는 유체의 코킹을 회피하기 위하여 평균열유속 또는 유체의 막온도가 상한을 가지며, 그리고 본 실시예의 파이프 열교환식 가열로의에서도 종래의 파이프열교환식 가열로에서와 마찬가지로 평균열유속 또는 막온도에 대해 동일한 제한이 부과되므로, 복사부의 가열표면적은 증가하고, 로 설치 부지는 비례적으로 커지게 된다.

본 실시예의 파이프열교환식 가열로는 산화제 예열기가 연소장치와 일체로 형성되어 있다. 산화제시스템을 포함하는 종래의 파이프열교환식 가열로의 전체를 비교할 때, 본 실시예의 파이프열교환식 가열로의 설치부지면적을 100으로 기준하면, 종래의 파이프열교환식 가열로의 설치부지면적은 200인 것을 알 수 있다. 이 같은 설치공간의 절약은 촉매개질설비에 사용되는 파이프열교환식 가열로에서와 같이 허용압력손실의 제약 이유로 인하여 복사부에서만 가열튜브를 설치함으로써 명백하게 유효한 것임이 입증된다. 개략적 설치비용에서도 분명히 명시된 바와 같이, 가열면적의 감축은 비싼 가열튜브의 총수량을 감소시키고, 설치비용에서도 역시 종래의 파이프열교환식 가열로와 비교하여 감소된 결과를 가져온다.

본 발명은 상술한 실시예만으로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범위내에서 적절히 변경되어 실시될 수도 있다.

축열기 아닌 산화제 공급통로상의 부분 또는 덕트의 회전방법이 상기 실시예에 적용되어 있다. 본 발명은 이 방법에 한정될 필요는 없고, 축열기와 덕트부가 상대적으로 회전한다면 축열기를 회전시키는 방법을 사용해도 된다. 또, 회전덕트부(33)는 그 축을 따라 기동공기 또는 기동중기 공급용 파이프(59)를 구비하는 것으로 설명되어 왔다. 이 파이프(59)의 설치는 필수적인 것은 아니다.

또한, 연소실내에 노출되도록 설치된 연소장치들은 제2도에 도시된 바와 같이 단지 일열로만 설치되어도 좋고 또는 표1의 괄호안의 제목 파이프열교환식 가열로의 평면도에서 볼 수 있는 바와 같이 복수의 열로 설치되어도 좋다.

Claims (20)

1. 연소실과, 내부에 유체의 유통이 허용되며 상기 연소실내에 설치되는 가열튜브와, 상기 연소실내로 화염을 분사하도록 설치된 연소장치와 따라서 상기 가열튜브를 통하여 상기 가열튜브내를 유동하는 유체를 가열할 수 있도록 구성된 파이프열교환식 가열로용 연소방법에 있어서, 상기 연소방법은 상기 연소실 내벽에 설치된 축열부를 통하여 그 내부로 상기 산화제를 이송하는 상기 산화제 공급로를 통해 산화제를 방출하고, 이와 동시에 상기 산화제 통로용 상기 축열부의 영역은 시간의 경과에 따라 변화되도록 하는 점을 특징으로 하는 파이프열교환식 가열로의 연소방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 산화제 공급로와 상기 축열기는 회전가능하게 설치된 것을 특징으로 하는 연소방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 산화제 공급로는 선택적으로 분당 2 내지 4의 1회전비로 회전하는 것을 특징으로 하는 연소방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 산화제 공급로는 상기 산화제를 상기 축열기의 방향의 상부와 유출부를 통해 분사되도록 설치된 것을 특징으로 하는 연소방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 산화제 공급로의 유출부는 수많은 기공을 가지는 선단면으로 덮혀 있고, 고속에서 상기 산화제를 상기 축열기로 분출하도록 설치된 것을 특징으로 하는 연소방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 연소장치는 버너의 내부를 통해 기동공기를 공급하도록 설치된 것을 특징으로 하는 연소방법.
7. 제6항에 있어서, 화학양론 연소공기에 대한 상기 기동공기비는 2 내지 15% 범위인 것을 특징으로 하는 연소방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 연소장치는 버너의 내부를 통해 기동증기를 공급하도록 설치된 것을 특징으로 하는 연소방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 기동증기의 양은 가열연료 부피의 10,000㎉에 0.1 내지 0.8㎏ 사이의 범위인 것을 특징으로 하는 연소방법.
10. 제8항에 있어서, 상기 축열기는 세라믹재로 제조된 것을 특징으로 하는 연소방법.
11. 연소실과, 내부에 유체의 유통이 허용되며 상기 연소실내에 설치되는 가열튜브와, 상기 연소실내로 화염을 분사하도록 설치된 연소장치와 따라서 상기 가열튜브를 통하여 상기 가열튜브내를 유동하는 유체를 가열할 수 있도록 구성된 파이프열교환식 가열로용 연소장치에 있어서, 상기 연소장치는 상기 가열튜브 가열용 버너와, 상기 버너로 산화제를 공급하기 위한 산화제 공급로와, 연소로 발생한 배기개스를 상기 연소실과 기동공기 축열기의 외부로 방출하기 위한 배기개스 배출구와, 상기 연소실 벽에 부착되어 있는 상기 축열기, 축열부를 지나는 상기 산화제 공급로를 통해 상기 산화제가 방출되는 동시에 상기 산화제 통로용 상기 축열부의 영역은 시간의 경과에 따라 변화되도록 하는 점을 특징으로 하는 파이프열교환식 가열로용 연소장치.
12. 제11항에 있어서, 상기 산화제 공급로와 상기 축열기는 회전가능하게 설치된 것을 특징으로 하는 연소장치.
13. 제11항에 있어서, 상기 산화제 공급로는 상기 산화제를 상기 축열기의 방향의 상부와 유출부를 통해 분사되도록 설치된 것을 특징으로 하는 연소장치.
14. 제11항에 있어서, 상기 산화제 공급로는 상기 축열기와 연결되어 몸체케이스 내부에 형성되며 상기 배기개스 배출로로부터 분리된 것을 특징으로 하는 연소장치.
15. 제14항에 있어서, 상기 몸체케이스는 내부에 하나 이상의 상기 산화제 공급로가 분할 설치되어 있고, 이웃한 산화제 공급로 사이의 공간은 그 자체가 배기개스 배출로 구성되는 것을 특징으로 하는 연소장치.
16. 제15항에 있어서, 상기 산화제 공급로는 상기 산화제 공급로와 상기 배기개스 공급로 사이에 선택적으로 설치되도록 상기 몸체케이스 내부로 돌출하여 상기 버너 둘레에 일정 간격으로 배치된 것을 특징으로 하는 연소장치.
17. 제11항에 있어서, 상기 산화재 공급로는 수 많은 기공이 마련된 선단면으로 막힌 유출부를 구비한 것을 특징으로 하는 연소장치.
18. 제11항에 있어서, 상기 버너는 기동공기 공급용 파이프가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 연소장치.
19. 제11항에 있어서, 상기 버너는 기동중기 공급용 파이프가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 연소장치.
20. 제11항에 있어서, 상기 축열기는 세라믹재로 제조된 것을 특징으로 하는 연소장치.