KR20130141490A - 기초 자재 산업에서의 플랜트를 위해서 폐열을 활용하는 작동 방법 - Google Patents

기초 자재 산업에서의 플랜트를 위해서 폐열을 활용하는 작동 방법 Download PDF

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게르하르트 에니클
알프레드 함펠
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지멘스 브이에이아이 메탈스 테크놀로지스 게엠베하
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Abstract

기초 자재 산업에서의 플랜트의 베이스 파트(1)에 있어서, 플랜트 사이클의 제 1 단계(P1) 중 고온 배가스들이 발생된다. 플랜트 사이클의 제 2 단계(P2)에서, 고온 배가스들이 발생되지 않거나 상당히 감소된 정도로만 발생된다. 고온 배가스들은 파이프라인 시스템(2)을 거쳐 베이스 파트(1)로부터 제거되어 외기로 방출된다. 적어도 제 1 단계(P1)에서, 용융 염이 제 1 탱크 용기(7)로부터 제거되며, 파이프라인 시스템(2)의 제 1 부분(5)의 직접 또는 간접 냉각을 위해서 사용된다. 히트 업된 용융 염(6)은 제 2 탱크 용기(8)로 공급된다. 제 1 부분(5)의 하류에 배열된 파이프라인 시스템(2)의 제 2 부분(9)에서 파이프라인 시스템(2)이 물로 냉각된다. 증발기(13)에서, 물이 증발되며, 과열기(14)에서, 증기가 과열되고, 이후 증기는 부하 장치(15)로 공급된다. 이후 증기는 물로 응축되며, 다시 예열된다. 부하 장치(15)로의 증기의 공급은 적어도 연속적으로 이루어진다. 증기의 과열을 위해서, 적어도 제 2 단계(P2)에서, 용융 염(6)이 제 2 탱크 용기(8)로부터 제거되어 과열기(14)로 공급되며, 이후 제 1 탱크 용기(7) 또는 제 3 탱크 용기(19)로 공급된다. 물의 증발을 위해서, 제 2 단계(P2)에서, 용융 염(6)은 제 2 탱크 용기(8) 또는 제 3 탱크 용기(19)로부터 제거되어 증발기(13)로 공급되고 제 1 탱크 용기(7)로 공급된다. 제 1 단계(P1)에서, 물의 증발은, 제 2 부분(9)을 통해 유동하여 이미 직접 또는 간접적으로 예냉된 배가스들에 의해 이루어진다.

Description

기초 자재 산업에서의 플랜트를 위해서 폐열을 활용하는 작동 방법 {OPERATING METHOD FOR UTILIZING THE THERMAL WASTE HEAT FOR A PLANT IN THE BASIC MATERIALS INDUSTRY}
본 발명은, 기초 자재 산업에서의 플랜트 작동 방법에 관한 것으로,
- 상기 플랜트의 베이스 파트는 플랜트 사이클에 따라 작동되며,
- 상기 플랜트 사이클 중, 각각의 플랜트 사이클의 제 1 단계에서, 고온 배가스들이 발생되고, 각각의 플랜트 사이클의 제 2 단계에서, 고온 배가스들이 발생되지 않거나 고온 배가스들이 상기 제 1 단계에 비해서 상당히 감소된 정도로만 발생되며,
- 각각의 경우에 발생되는 정도의 고온 배가스들은 파이프라인 시스템을 거쳐 상기 플랜트의 베이스 파트로부터 제거되어 외기로 방출되며,
- 적어도 제 1 단계에서, 용융 염이 제 1 탱크 용기로부터 제거되며, 이후 상기 파이프라인 시스템의 제 1 부분의 직접 또는 간접 냉각을 위해서 사용되며, 상기 용융 염은, 그 결과 히트 업되고, 그리고 상기 용융 염은 제 2 탱크 용기로 히트 업된 상태로 공급되며,
- 상기 파이프라인 시스템은 상기 용융 염에 의한 것과 다른 방식으로 제 2 부분에서 냉각되며,
- 상기 파이프라인 시스템의 제 1 부분은 상기 플랜트의 베이스 파트와 상기 파이프라인 시스템의 제 2 부분 사이에 배열되며,
- 증발기에서, 예열된 물이 증발되며, 과열기에서, 증기가 과열되고, 과열된 증기는 부하 장치로 공급되며, 상기 부하 장치를 통해 유동한 후에, 상기 증기는 응축기 내에서 물로 응축되며, 응축된 물은 예열기에서 예열되고,
- 상기 부하 장치로의 과열된 증기의 공급은 적어도 연속적으로 이루어지며,
- 상기 증기의 과열을 위해서, 적어도 상기 플랜트 사이클의 제 2 단계에서, 용융 염이 상기 제 2 탱크 용기로부터 제거되어 상기 과열기로 공급되며, 이후 상기 제 1 탱크 용기 또는 제 3 탱크 용기로 공급되고,
- 상기 물의 증발을 위해서, 상기 플랜트 사이클의 제 2 단계에서, 용융 염이 상기 제 2 탱크 용기 또는 제 3 탱크 용기로부터 제거되어 상기 증발기로 공급되며, 이후 상기 제 1 탱크 용기에 공급된다.
본 발명은, 또한, 이러한 플랜트 작동 방법에 따라 작동될 수 있도록 설계되는 기초 자재 산업에서의 플랜트에 관한 것이다.
이러한 작동 방법은 GB 972 720 A로부터 공지되어 있다.
아크로들의 폐열로부터의 에너지 회수시 주된 문제점들은, 아크로들의 불연속적이며 제어가 어려운 에너지 방출(emission), 방출 가스들의 온도의 현저한 변동들 및 배가스들의 높은 먼지 부하(dust load)에 관한 것이다.
아크로 프로세스는, 배가스 종료시(노 설계 및 노 작동 모드에 따라서), 열적 파워의 방출이 최대값(방출 단계)과 0(방출 일시정지) 사이에서 시간당 1 또는 2회 변동하는 배치(batch) 프로세스이다. 열 에너지의 기계 에너지로의 전환을 위한 조립체들(통상, 터빈들)이 현저한 파워 및 온도 변동들에 민감하고, 게다가 외부 그리드(external grid)를 갖는 터빈에 의해 구동된 발전기(electric generator)의 동기화가 시간을 소모하기 때문에, 터빈들은, 일단 터빈들이 동기 회전 속도에 도달된다면, 안정적인 방식으로 외부 그리드 내로 전기 에너지를 공급할 수 있도록 이러한 속도로 유지되어야 한다. 따라서, 방출 단계들로부터의 에너지는 방출 일시정지들에서 입수가능하도록 저장되어야 한다.
전술한 GB 특허문헌에서 언급된 해법이 매우 좋은 것이지만, 아직 최적은 아니다. 특히, 배가스의 열은 저온에서 더이상 사용될 수 없다.
본 발명의 목적은, 열적 배가스들의 이용의 효율 수준을 증가시키기 위한 기회들을 만드는 단계로 이루어진다.
상기 목적은 청구항 1에서 청구된 특징들을 갖는 작동 방법에서 성취된다. 본 발명에 따른 작동 방법의 유리한 실시예들은 종속 청구항 2 내지 10의 요지이다.
고온 배가스들은, 바람직하게는, 400℃ 초과, 특히 바람직하게는 450℃ 초과, 그리고 특히 더 바람직하게는 500℃ 초과의 온도를 갖는다.
본 발명에 따르면, 도입부에서 지정된 유형의 작동 방법은, 상기 플랜트 사이클의 제 1 단계에서, 상기 예열된 물의 증발은, 상기 파이프라인 시스템의 제 2 부분을 통해 유동하여 상기 용융 염에 의해 이미 직접 또는 간접적으로 예냉된 배가스들에 의해 이루어지도록 설계되는 것이 제공된다.
이러한 조치에 의해, 특히, 고온 배가스들의 에너지 콘텐츠가 더 양호하게 이용되는 것이 성취된다. 그 결과, 터빈의 효율적인 연속 작동이 단순한 방식으로 성취될 수 있다.
상기 플랜트 사이클의 제 2 단계 중의 상기 부하 장치의 부하는, 바람직하게는 상기 플랜트 사이클의 제 1 단계 중의 부하 보다 더 낮다, 이에 의해, 용융 염을 위한 에너지 요구량이 최소화될 수 있다.
상기 플랜트 사이클의 제 2 단계 중의 상기 부하 장치의 부하는, 바람직하게는 상기 플랜트 사이클의 제 1 단계 중의 부하의 30% 이상이다. 한편으로는, 부하 장치의 안정적인 작동이 이와 같이 신뢰가능하게 보장될 수 있지만, 다른 한편으로는, 가열된 용융 염(그리고, 또한 비등 온도에서 유지되는 공급수)의 저장 용량이 비교적 낮은 레벨로 유지될 수 있다.
탱크 용기들은, 바람직하게는 파이프라인 시스템의 제 1 부분, 증발기 및 과열기 보다 하부에 배열된다. 이에 의해, 용융 염을 위한 파이프라인 시스템의 자기 비움(self-emptying)이, 예컨대 유지보수 또는 수리작업을 위해 요구될 때마다 실행될 수 있음이 성취된다.
탱크 용기들 내의 용융 염들은, 바람직하게는 불활성 가스 패드(예컨대, 질소 패드)가 중첩된다. 이는, 한편으로는, 염(salt) 회로들의 압력 최적 및 다른 한편으로는 밀봉 작동을 가능하게 한다.
탱크 용기들은, 바람직하게는, 적어도 용기들의 하부 영역 및 상부 영역에서 서로 연결되어, 탱크 용기들 내측에서, 레벨들의 자동 조절이 이루어진다.
제 3 탱크 용기가 존재하면, 바람직하게는, 상기 용융 염이 상기 제 1 탱크 용기로부터 제거되고 상기 파이프라인 시스템의 제 3 부분으로 공급되며, 상기 제 3 부분은 상기 파이프라인 시스템의 제 1 및 제 2 부분 사이에 배열되며, 상기 제 3 부분을 통해 유동하는 배가스는 냉각되고 상기 용융 염은 그 결과로서 히트 업되고, 히트 업 이후에, 상기 용융 염이 제 3 탱크 용기에 공급되는 것이 제공된다. 이에 의해, 고온 배가스들에 포함된 열 에너지의 활용이 아직 더 최적화될 수 있다.
본 발명의 목적은, 또한 본 발명에 따른 플랜트 작동 방법에 따라 작동될 수 있도록 설계되는 기초 자재 산업에서의 플랜트에서 성취된다.
추가의 이점들 및 상세들은 개략도들인 도면들과 함께 하기 예시적 실시예들의 설명으로부터 나타날 것이다.
도 1은 기초 자재 산업(basic materials industry)에서의 플랜트를 개략적으로 도시한다.
도 2는 플랜트 사이클을 개략적으로 도시한다.
도 3은 도 1로부터 플랜트의 배가스 시스템의 일부 및 배가스 시스템에 연결되는 조립체들을 도시한다.
도 4는 배가스 시스템의 대안의 설계를 도시한다.
도 1은 기초 자재 산업에서의 플랜트를 아주 단순화시킨 도면을 도시한다. 도 1에 따라, 이 플랜트는 베이스 파트(base part)(1)를 갖는다. 베이스 파트(1)는 플랜트 사이클에서 도 2에 따라 작동된다. 도 2에 따라, 플랜트 사이클은 하나 이상의 제 1 단계(P1) 및 하나의 제 2 단계(P2)를 갖는다. 각각의 플랜트 사이클의 제 1 단계(P1)에 있어서, 베이스 파트(1)에서 조업중인(running) 기초 자재 산업의 기술적 프로세스에 기인하여 고온 배가스들이 베이스 파트(1)에서 발생된다. 각각의 플랜트 사이클의 제 2 단계(P2)에 있어서, 고온 배가스들이 베이스 파트(1)에서 발생되지 않는 것이 가능하다. 대안으로, 또한 배가스들이 발생되는 것이 가능할 수 있지만, 단지 제 1 단계(P1)에서 보다 상당히 적은 정도로만 발생할 수 있다. 특히, 제 2 단계(P2) 중에 평균적으로 발생되는 고온 배가스들의 양은 제 1 단계(P1) 중에 평균적으로 발생되는 고온 배가스들의 양의 최대 1/6이다.
필요에 따라 단계(P1, P2)들이 규정된다. 통상적으로, 2 단계의 지속기간은 총 플랜트 사이클 시간의 최대 30%, 특히 최대 25%이다.
또한, 도 2의 묘사도 단순화되어 있다. 특히, 플랜트 사이클 중 제 1 단계(P1) 및 제 2 단계(P2)의 수는 하나 초과도 가능하다. 이는, 통상적인 베이스 파트(1), 즉 전기식 아크로(electric arc furnace) 형태인 베이스 파트(1)에 의해 하기에 보다 상세히 설명된다.
전기식 아크로에 있어서, 작동은 통상적으로 하기 단계들의 순서로 발생한다:
a) 탭핑(tapping) 및 부분적인 장입 단계
b) 부분적인 장입물(charge)의 용융 단계
c) 완전 장입 단계, 및
d) 정련(refining) 단계와 함께 전체 장입물 용융 단계
"탭핑 및 부분적인 장입 단계" 그리고, "완전 장입 단계" 동안, 고온 배가스들은 조금만(only to a small extent) 발생된다. 2 개의 용융 단계들 동안, 고온 배가스들은 무시하지 못할 정도로(to a considerable extent) 발생된다.
통상적인 지속기간들은, 예컨대,
- 전체 플랜트 사이클에 대해서, 1 시간 또는 1시간 직전이고,
- 탭핑 및 부분적인 장입 단계에 대해서, 약 10 분이며,
- 부분적인 장입물의 용융 단계에 대해서, 약 15 분이고,
- 완전 장입 단계에 대해서, 수 분(최대 5 분)이며, 그리고
- 정련 단계와 함께 전체 장입물 용융 단계에 대해서, 약 30 분이다.
언급된 시간들은, 물론 베이스 파트(1)로부터 베이스 파트(1)까지 그리고 또한 플랜트 사이클로부터 플랜트 사이클까지 어느 정도까지 변동될 수 있다.
직접 환원 철(direct reduced iron) 또는 선철(pig iron)에 의한 작동일 때, 다른 한편으로는, 단계(P1, P2)들 중 각각 하나의 단계만이 각각의 플랜트 사이클 동안 발생한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 고온 배가스들은 파이프라인 시스템(2)을 통해서 베이스 파트(1)로부터 제거되어 외기(outside air)로 방출된다. 고온 배가스들의 제거는, 언제라도(at any time) 고온 배가스들이 각각의 경우에 발생되는 정도로, 즉 제 1 단계(P1)에서 많은 정도로(large extent), 제 2 단계(P2)에서 조금만(small extent) 실행되거나 또는 전혀 실행되지 않는다.
고온 배가스들이 외기로 방출되기 이전에, 이들 배가스들은 여과되어야 한다. 여과는 필터(3)에서 이루어진다. 여과시, 고온 배가스들의 온도는 대략 130℃를 초과해서는 안 된다. 따라서 고온 배가스들을 냉각시킬 필요가 있다.
냉각은 혼합기(4)에서 부분적으로 이루어지며, 이 혼합기에서, 고온 배가스들은 공급 공기 및/또는 차가운 배가스들(최대 온도 50℃, 통상 이 온도보다 상당히 낮음)과 혼합된다. 이 단계 이전에, 고온 배가스들이 파이프라인 시스템(2)에서 냉각된다. 기초 자재 산업에서의 플랜트의 이러한 파트는 창의적인 방식으로 설계된다. 도 3에 관해서는 하기에서 보다 상세히 설명될 것이다.
도 3에 따르면, 파이프라인 시스템(2)은 제 1 부분(5)을 갖는다. 파이프라인 시스템(2)의 제 1 부분(5)은 고온 배가스들이 베이스 파트(1)를 나간 후에 먼저 통과하여 유동하는 파이프라인 시스템(2)의 부분이다. 많은 경우들에 있어서, 이는 고정식 엘보우(fixed elbow)로서 구체화된다. 드롭-아웃 박스(5')는 제 1 부분(5)의 바로 하류에 배열될 수 있다. 드롭-아웃 박스(5')에서, 더 큰 고용체 잔류물 입자들이 분리된다(segregate).
파이프라인 시스템(2)의 제 1 부분(5)은 용융 염(molten salt)(6)에 의해 냉각된다. 이를 위해, 용융 염(6)이 제 1 탱크 용기(7)로부터 제거되어 파이프라인 시스템(2)의 제 1 부분(5)으로 공급되며 거기서 제 1 섹션의 냉각을 위해서 사용된다. 이후, 용융 염(6)은 제 2 탱크 용기(8)로 공급된다.
파이프라인 시스템(2)의 제 1 부분(5)은, 이와 같이 냉각된다. 이를 위해 사용된 용융 염(6)은 물론 결과적으로 히트 업된다. 따라서, 용융 염(6)은 히트 업된 상태에서 제 2 탱크 용기(8)에 공급된다. 제 2 탱크 용기(8)에서의 용융 염(6)의 온도는 통상 500℃ 초과, 예컨대 550℃ 초과이다. 그러나, (제 2 탱크 용기(8)에 대해) 580℃의 온도는, 파이프라인 시스템(2)의 제 1 부분(5)이 적절한 내온성(temperature-resistant) 재료(예컨대, MONEL 또는 INCONEL)로 구성되는 경우에만 단지 초과되어야 한다.
용융 염(6)은, 바람직하게는 공융 염(eutectic salt) 혼합물로 구성되며, 이러한 염 혼합물은 비교적 낮은 용융점을 갖는다. 용융점은 바람직하게는 대략 150℃ 이하이다. 적절한 염들이 일반적으로 당업자들에게 공지되어 있다.
게다가, 파이프라인 시스템(2)은 제 2 부분(9)을 갖는다. 파이프라인 시스템(2)의 제 2 부분(9)은 고온 배가스들이 혼합기(4)로 공급되기 이전에 마지막으로 통과하여 흐르는 파이프라인 시스템(2)의 부분이다. 제 2 부분(9)은, 파이프라인 시스템(2)을 통과하는 고온 배가스들의 경로에 관하여, 제 1 부분(5)의 하류에 배열된다.
제 2 부분(9)은, 이 경우에, 하류의 제 1 예열기 장치(11)를 갖는 제 1 증발기 장치(10)로서 구체화된다. 용어 "하류"는 여기서 파이프라인 시스템(2)을 통과하는 배가스들의 경로를 언급한다. 제 2 부분(9)은 제 1 증발기 장치(10) 및 제 1 예열기 장치(11)의 존재에 기인하여 수냉된다. 이에 의해, 특히 용융 염(6)에 의한 것 이외에 다른 방식으로 냉각된다.
제 1 증발기 장치(10)는, 바람직하게는, 물이 저부로부터 상부로 흐르는(그리고 증기(steam)로서 상부에 나타나는) 파티션 벽들로 구성된다. 고온 배가스에 대한 통류(through-flow) 방향은 바람직하게는 역방향, 즉 상부로부터 저부이다.
제 1 예열기 장치(11)는, 바람직하게는 파티션 벽들과 마찬가지로 구성된다. 제 1 예열기 장치(11)의 파티션 벽들은, 바람직하게는 이들 벽들을 수평으로 통과해 유동하는 물(water)을 갖는다. 고온 배가스들의 유동 방향은 역방향이다.
본 발명에 따른 기초 자재 산업에서의 플랜트는 또한, 물/증기 회로를 갖는다. 물/증기 회로는 고온 배가스들에 의해 가열된다. 먼저, 물/증기 회로 그 자체가 하기에 설명될 것이다. 이후, 파이프라인 시스템(2)을 갖는 물/증기 회로의 상호작용이 설명될 것이다.
물/증기 회로는 예열기(12)를 갖는다. 예열기(12)에서, 응축수(condensed water)가 예열되고, 즉 비등점 또는 비등점 직전으로 예열된다. 예열기(12)의 하류에서, 수온은 90℃ 이상, 양호하게는 95℃, 최적으로는 98℃ 내지 105℃이어야 한다.
예열된 물은 물이 증발되는 증발기(13)로 공급된다. 결과로 발생한 증기는 포화 증기로서 알려진 것이다. 증기의 온도는 약 240℃ 내지 280℃이다.
포화 증기는 과열기(superheater)(14)로 공급되며, 상기 과열기에서 포화 증기가 상당히 높은 온도로 가열된다. 과열 후 증기 온도는 50K(Kelvin) 이상, 바람직하게는 100K 이상, 포화 증기 온도 초과 온도이어야 한다. 특히, 과열기(14) 이후의 증기 온도는 약 450℃일 수 있다.
과열 증기는 부하 장치(15)에 공급되고, 상기 부하 장치에서 과열 증기의 에너지가 기계 에너지로 전환된다. 부하 장치(15)는 통상적으로 터빈으로서 구체화된다. 필요하다면, 과열기(14)와 부하 장치(15) 사이에, 추가의 가열 요소가 배열될 수 있으며, 이에 의해 증기가 외부 열 공급장치를 통해서 추가로 가열될 수 있다. 부하 장치(15)는, 그 결과, 과열 증기에 의해 일정하게 작동될 수 있다.
부하 장치(15)를 통해 유동한 후, -현재 감압된(decompressed)- 증기는 응축기(16)에서 물로 응축되고 이후 예열기(12)에 다시 공급된다. 게다가, 탈가스화기(degasifier)(17)가 제공되고, 상기 탈가스화기에서 물에 포함된 비응축 가스들, 특히 공기 및 공기에 포함된 산소가 제거된다.
부하 장치(15)는, -이론적으로- 언제라도 중단 및 재시동될 수 있지만, 실제로는, 힘들고 많은 시간을 소모하는 방식으로만 가능하다. 부하 장치(15)에 의해 구동되는 발전기(electric generator)(18)의 임의의 동기화가 또한 시간을 필요로한다. 실제로는, 이에 따라 부하 장치(15)가 연속적으로 작동될 필요가 있다. 따라서, 부하 장치(15)로의 과열 증기의 공급이 연속적으로 실행되어야만 한다. 그러나, 부하 장치(15)에 의해 작동되는 부하, 즉 부하 장치(15)에 의한 기계적 파워 출력은 플랜트 사이클의 제 1 단계(P1) 중에 부하 장치(15)에 의해 작동되는 부하보다 플랜트 사이클의 제 2 단계(P2) 중에 더 낮을 수 있음이 가능하다. 그러나, 플랜트 사이클의 제 2 단계(P2) 중에서조차, 부하 장치(15)의 부하는 플랜트 사이클의 제 1 단계(P1) 중의 부하의 30% 이상이어야 한다. 특히, 발전기(18) 및 이와 함께 부하 장치(15)(통상적으로, 터빈(15))는 플랜트 사이클 전반에 걸쳐 일정한 회전 속도로 작동되어야 한다.
응축기(16) 및 탈가스화기(17)(제공된다면)의 작동에 대해서는, 플랜트 사이클의 제 1 단계(P1)와 플랜트 사이클의 제 2 단계(P2) 에서의 작동 사이에는 구분이 있어서는 안된다. 응축기(16)는 항상 비교적 찬물로 냉각되는데, 통상 15℃ 내지 30℃의 온도로 냉각된다. 한 개가 제공된 탈가스화기(17)에 대해서도 동일하게 적용된다.
과열기(14)에 대해서도, 역시, 플랜트 사이클의 제 1 단계(P1)와 제 2 단계(P2) 사이에 구분이 있어서는 안된다. 양자의 단계(P1, P2)들에 있어서, 용융 염(6)이 과열기(14)에 공급되며, 상기 용융 염은 제 2 탱크 용기(8)로부터 제거된다. 포화 증기가 이러한 용융 염(6)에 의해 과열기(14)에서 과열된다.
과열기(14)를 통한 유동 후에, 용융 염(6)은 이전보다 약 100K 내지 200K 낮은 온도를 갖는다. 용융 염이 과열기(14)를 통해 유동된 이후에, 용융 염(6)은 제 1 탱크 용기(7) 또는 (대안으로) 제 3 탱크 용기(19)로 공급된다. 제 3 탱크 용기(19)가 제공된다면, 제 3 탱크 용기(19) 내에 위치된 용융 염은, 바람직하게는 400℃ 내지 450℃의 온도 수준을 갖는다.
증발기(13)에 대해서는, 플랜트 사이클의 제 1 단계(P1)와 플랜트 사이클의 제 2 단계(P2) 사이에 구분이 있어야 한다. 플랜트 사이클의 제 1 단계(P1)에서, 즉 고온 배가스들이 대량으로 발생될 때, 파이프라인 시스템(2)의 제 2 부분(9)은 물을 증발시키기 위해 이용될 수 있다. 파이프라인 시스템(2)의 제 2 부분(9)을 통해 유동하는 고온 배가스들이 파이프라인 시스템의 제 1 부분(5) 내의 용융 염(6)에 의해 이미 예냉(precool)되었지만, 배가스들은 제 1 증발기 장치(10)를 작동시기에 충분한 정도로, 즉 예열된 물을 증발시키기에 충분한 정도로 아직 고온이다. 플랜트 사이클의 제 2 단계(P2)에 있어서, 대조적으로, 물을 증발시키기 위해 요구되는 에너지는 용융 염(6)에 의해 제공되어야만 한다. 따라서, 증발기(13)는 먼저, 파이프라인 시스템(2)의 제 2 부분(9)에 위치된 제 1 증발기 장치(10)를 갖는다. 또한, 증발기(13)는 제 2 증발기 장치(20)를 갖는다. 제 2 증발기 장치(20)는, 물/증기 회로에 대해서, 제 1 증발기 장치(10)에 병렬로(parallel) 배열된다. 게다가, 증발기(13)는 제 1 단계(P1)에서보다 더 낮은 증기 압력으로 제 2 단계(P2)에서 작동될 수 있다.
제 2 증발기 장치(20)는 용융 염(6)에 의해 가열된다. 용융 염(6)은 제 2 탱크 용기(8), 또는 제공된다면, 제 3 탱크 용기(19)로부터 제거되어 제 2 증발기 장치(20)에 공급된다. 제 2 증발기 장치(20)를 통해 유동한 후, 용융 염은 제 1 탱크 용기(7)에 공급된다.
예열기(12)는, 제 1 예열 장치(11) 이외에, 제 2 예열 장치(21)를 갖는다. 물/증기 회로에서, 제 1 예열 장치(11)는 탈가스화기(17)의 하류에 배열된다. 제 2 예열 장치(21)는 탈가스화기(17)의 상류에 배열된다.
플랜트 사이클의 제 1 단계(P1) 중에, 제 1 증발기 장치(10)의 고온 배가스들 하류의 잔류 에너지는 물을 예열하기에 충분하다. 이러한 이유로, 제 1 예열 장치(11)는, 배가스 유동에 대해, 제 1 증발기 장치(10)의 하류에 배열된다.
또한, 고온 배가스들이 플랜트 사이클의 제 2 단계(P2)에서 발생된다면, 단지 감소된 정도일지라도, 플랜트 사이클의 제 2 단계(P2)에서 응축수를 균일하게(even) 예열시키기에 충분한 정도로 고온 배가스들이 존재할 것이다. 대안으로, 용융 염(6)에 의해 제 2 단계(P2) 중 제 1 예열 장치(11)를 가열할 수 있다. 제 2 예열 장치(21)는, 도 3에 도시된 바와 같이, -적어도 제 1 단계(P1)에서- 제 1 예열 장치(11)와 증발기(13) 사이에서 제거되는 물에 의해 가열된다.
대안으로, 플랜트 사이클의 제 2 단계(P2)에서 제 1 및/또는 제 2 예열 장치(11, 21)가 작동되지 않을 수 있다. 이 경우, 탈가스화기(17)에서의 수위(water level)는 예컨대 일시적으로 상승될 수 있고, 그리고 제 2 증발기 장치(20)에서의 수위는 이에 대응하여 낮아질 수 있다. 후속의 제 1 단계(P1)에서, 이후, 해당 수위들은 이들의 원래 값들로 복귀된다.
제 3 탱크 용기(19)가 제공된다면, 제 3 탱크 용기(19) 내에 위치된 용융 염(6)이, 바람직하게는, 제 2 증발기 장치(20)에 필수 열량을 공급하기 위해 사용된다. 이는 과열기(14)에 의해 가열된 용융 염(6)의 복귀 유동에 의해서만 제 3 탱크 용기(19)에 공급할 수 있다. 그러나, 파이프라인 시스템의 제 1 및 제 2 부분(5, 9) 사이에 배열되는 파이프라인 시스템(2)의 제 3 부분(22)이 제공된다. 파이프라인 시스템(2)의 제 3 부분(22)은, 파이프라인 시스템(2)의 제 1 부분(5)과 같이, 용융 염(6)에 의해 냉각된다. 이를 위해서, 용융 염(6)은 제 1 탱크 용기(7)로부터 제거되며, 파이프라인 시스템(2)의 제 3 부분(22)에 공급된다. 또한, 고온 배가스들은, 그 결과, 이들 가스들이 파이프라인 시스템(2)의 제 3 부분(22)을 통해 유동할 때 냉각된다.
이에 따라, 이를 위해 사용된 용융 염(6)은 히트 업(heated up)된다. 이후, 이 용융 염(6)은 제 3 탱크 용기(19)에 공급된다. 대안으로, 제 2 탱크 용기(8)에 공급될 수 있다.
플랜트 사이클의 제 2 단계(P2) 중, 제 2 탱크 용기(8) 및 선택적으로 제 3 탱크 용기(19)에서의 용융 염(6)의 온도는 하강한다. 플랜트 사이클의 제 1 단계(P1) 중, 온도는 다시 상승한다. 각각의 탱크 용기(8, 19)에서의 용융 염(6)의 온도의 최대 변동은, 바람직하게는 최대로 100K 이어야 한다.
제 3 부분(22)에서의 고온 배가스들의 쿨링-다운 및 용융 염(6)의 연관된 히트 업은 열교환기에서 이루어지며, 이 열교환기는 바람직하게는 다중 통로식 열교환기(multi-pass heat exchanger)로서 구체화된다. 도 3에 도시된 개략도에 따르면, 동심의 원통형 냉각 표면들이 바람직하게 사용되며, 냉각 표면들의 양 측면들은 고온 배가스들이 휩쓸고 지나간다(swept over). 열교환기는, 이에 따라 3 개의 통로식 고온 가스 냉각기로서 구체화되는데, 이는 이러한 열교환기에서 고온 배가스들이 우선 상부로 유동하고, 이후 하부로 유동하고 마지막으로 다시 상부로 유동하기 때문이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 탱크 용기(7, 8, 및 선택적으로 19)들은 공유 용기에 배열될 수 있다. 이 경우에, 탱크 용기(7, 8, 및 선택적으로 19)들은 파티션(23)들에 의해 서로 분리된다. 대안으로, 탱크 용기(7, 8, 및 선택적으로 19)들은 별도의 용기들에 배열될 수 있다. 그러나, 탱크 용기(7, 8, 및 선택적으로 19)들이 공유 용기 또는 별도의 용기들에 배열되는지의 여부에 관계없이, 탱크 용기(7, 8, 및 선택적으로 19)들은 파이프라인 시스템(2)의 제 1 부분(5), 파이프라인 시스템(2)의 제 3 부분(22) 및 과열기(14) 보다 더 낮게 배열된다. 이는, 용융 염(6)을 운반하는(carrying) 라인들이 단순한 방식으로 비워지는 것을 가능하게 하며, 이것이 요구되어야 한다. 탱크 용기(7, 8, 및 선택적으로 19)들은, 특히 바닥식(underfloor) 탱크들로서 구체화될 수 있다.
게다가, 탱크 용기(7, 8, 및 선택적으로 19)들은, 탱크 용기(7, 8, 및 선택적으로 19)들 내부에서 수위들의 조절이 자동으로 이루어지도록 적어도 용기들의 하부 영역 및 용기들의 상부 영역에서 서로 연결되는 것이 바람직하다. 마지막으로, 탱크 용기(7, 8, 및 선택적으로 19)들의 용융 염(6)은 바람직하게는 불활성 가스 패드(24)(바람직하게는, 질소 패드)로 중첩된다.
상기에서, 도 3을 참조로 하여, 본 발명에 따른 작동 방법의 일 실시예는 용융 염(6)이 고온 배가스들에 의해 직접 히트 업되는 것으로 설명되었다. 대안으로, 증기에 의해 간접적으로 용융 염(6)이 히트 업된다. 이는 도 4를 참조하여 하기에서 간략하게 구성될 것이며, 단지 도 3의 레이아웃에 대한 실질적인 차이점들만 설명될 것이다.
도 4에 따르면, 파이프라인 시스템(2)은, 또한, 제 1, 제 2 및 제 3 파이프 부분(5, 9, 22)(도 4에서는 단지 개략적으로 도시됨)을 포함한다. 제 2 파이프 부분(9)은, 도 3에서와 같이, 증발기(13) 및 예열기(12)를 포함한다. 제 1 파이프 부분(5)은 증기 축압기(steam accumulator)로부터의 증기에 의해 작동되는 제 1 열교환기(25)를 포함한다. 제 1 열교환기(25)는, 과열 증기가 발생되도록 고온 배가스들에 의해 플랜트 사이클의 제 1 단계(P1)에서 가열된다.
제 1 열교환기(25)는 제 2 열교환기(26)와 상호작용한다. 플랜트 사이클의 제 1 단계(P1)에서, 용융 염(6)은 제 2 열교환기(26)를 통해 가열된다. 이 작동 모드에서, 용융 염(6)은 제 1 탱크 용기(7)로부터 제 2 탱크 용기(8) 내로 유동한다.
용융 염(6)의 가열에 기인하여, 과열 증기는 물론 냉각된다. 그럼에도 불구하고, 제 2 열교환기(26)를 통한 유동 후에조차, 증기는 열교환기로부터 터빈으로 공급될 수 있을 정도로 여전히 과열되어 있다.
플랜트 사이클의 제 2 단계(P2)에서, 제 1 열교환기(25)는 바이패스 라인(27)에 의해 우회된다. 따라서, 증기가 제 1 열교환기(25)를 경유하여 제 2 열교환기(26)에 더이상 공급되지 않지만, 증기는 증발기(13)(또는 증발기(13)로부터 공급되는 대응하는 저장 용기)로부터 직접 공급된다. 제 2 열교환기(26)에 있어서, 증기는 과열된다. 용융 염(6)의 유동 방향은, 이를 위해서 역전된다. 따라서, 용융 염(6)은 제 2 단계(P2)에서 제 2 탱크 용기(8)로부터 제 1 탱크 용기(7) 내로(또는 대안으로 제 3 탱크 용기(19) 내로) 유동한다.
본 발명은 수많은 이점들을 갖는다. 특히, 기초 자재 산업에서의 플랜트가 비교적 단순하게 설계된다. 본 발명에 따른 설계는 구현이 용이하고 신뢰성있고 효율적이다. 특히, 본 발명은 소형 터빈(15)들 뿐만 아니라 대응하는 소형 발전기(18)들(최대 파워 2.5 MW(메가와트))에 사용될 수 있다. 더 정확히 말하면, 본 발명은 평균적으로 시간에 걸쳐, 대략 30 MW의 열적 파워(또는 그보다 더 많이)가 입수가능한 대형의 베이스 파트(1)들에서 또한 사용될 수 있다. 이러한 경우들에서, 터빈(15) 및 터빈을 갖는 발전기(18)는 대략 10 MW 이상의 기계적 출력을 위해서 설계되어야 한다. 또한, 본 발명에 따른 설계는 고효율을 갖는다. 이루어져야할 투자(investment)들은 4 년 내지 6 년의 비교적 짧은 주기 내에서 상환된다(amortize).
부하 장치(15)의 고장 발생시, 발생된 증기는 바이패스 라인을 경유하여 응축기(16)에 직접적으로 계속해서 공급될 수 있다.
본 발명은 아크로(arc furnace)로서 구체화되는 베이스 파트(1)에 대해 상기에서 설명되었다. 그러나, 이 베이스 파트는, 대안으로 상이하게, 특히 전로(converter)로서 구체화될 수 있다.
상기 명세서는 오로지 본 발명의 설명만을 위한 것이다. 다른 한편으로, 본 발명의 보호 범위는 오로지 첨부의 청구항들에 의해서만 결정될 것이다.
1 : 베이스 파트 2 : 파이프라인 시스템
3 : 필터 4 : 혼합기
5 : 제 1 부분 5' : 드롭-아웃 박스
6 : 용융 염 7 : 제 1 탱크 용기
8 : 제 2 탱크 용기 9 : 제 2 부분
10 : 증발기 장치 11 : 제 1 예열기 장치
12 : 예열기 13 : 증발기
14 : 과열기 15 : 부하 장치
16 : 응축기 17 : 탈가스화기
18 : 발전기 19 : 제 3 탱크 용기
20 : 제 2 증발기 장치 21 : 제 2 예열기 장치
22 : 제 3 부분 23 : 파티션
24 : 불활성 가스 패드 25 : 제 1 열교환기
26 : 제 2 열교환기 27 : 바이패스 라인

Claims (10)

  1. 기초 자재 산업에서의 플랜트 작동 방법으로서,
    - 상기 플랜트의 베이스 파트(1)는 플랜트 사이클에 따라 작동되며,
    - 상기 플랜트 사이클들 중, 각각의 플랜트 사이클의 제 1 단계(P1)에서, 고온 배가스들이 발생되고, 각각의 플랜트 사이클의 제 2 단계(P2)에서, 고온 배가스들이 발생되지 않거나 고온 배가스들이 상기 제 1 단계(P1)에 비해서 상당히 감소된 정도로만 발생되며,
    - 각각의 경우에 발생되는 정도의 고온 배가스들은 파이프라인 시스템(2)을 거쳐 상기 플랜트의 베이스 파트(1)로부터 제거되어 외기로 방출되며,
    - 적어도 제 1 단계(P1)에서, 용융 염(6)이 제 1 탱크 용기(7)로부터 제거되며, 이후 상기 파이프라인 시스템(2)의 제 1 부분(5)의 직접 또는 간접 냉각을 위해서 사용되며, 상기 용융 염(6)은, 그 결과 히트 업되고, 그리고 상기 용융 염(6)은 제 2 탱크 용기(8)로 히트 업된 상태로 공급되며,
    - 상기 파이프라인 시스템(2)은 상기 용융 염(6)에 의한 것과 다른 방식으로 제 2 부분(9)에서 냉각되며,
    - 상기 파이프라인 시스템(2)의 제 1 부분(5)은 상기 플랜트의 베이스 파트(1)와 상기 파이프라인 시스템(2)의 제 2 부분(9) 사이에 배열되며,
    - 증발기(13)에서, 예열된 물이 증발되며, 과열기(14)에서, 증기가 과열되고, 과열된 증기는 부하 장치(15)로 공급되며, 상기 부하 장치(15)를 통해 유동한 후에, 상기 증기는 응축기(16) 내에서 물로 응축되며, 응축된 물은 예열기(12)에서 예열되고,
    - 상기 부하 장치(15)로의 과열된 증기의 공급은 적어도 연속적으로 이루어지며,
    - 상기 증기의 과열을 위해서, 적어도 상기 플랜트 사이클의 제 2 단계(P2)에서, 용융 염(6)이 상기 제 2 탱크 용기(8)로부터 제거되어 상기 과열기(14)로 공급되며, 이후 상기 제 1 탱크 용기(7) 또는 제 3 탱크 용기(19)로 공급되고,
    - 물의 증발을 위해서, 상기 플랜트 사이클의 제 2 단계(P2)에서, 용융 염(6)은 상기 제 2 탱크 용기(8) 또는 제 3 탱크 용기(19)로부터 제거되어 상기 증발기(13)로 공급되며, 이후 상기 제 1 탱크 용기(7)에 공급되는, 기초 자재 산업에서의 플랜트 작동 방법에 있어서,
    상기 플랜트 사이클의 제 1 단계(P1)에서, 상기 예열된 물의 증발은, 상기 파이프라인 시스템(2)의 제 2 부분(9)을 통해 유동하여 상기 용융 염(6)에 의해 이미 직접 또는 간접적으로 예냉된 배가스들에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는,
    기초 자재 산업에서의 플랜트 작동 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 부하 장치(15)의 부하는 상기 플랜트 사이클의 제 1 단계(P1) 중의 보다 상기 플랜트 사이클의 제 2 단계(P2) 중에 더 낮은 것을 특징으로 하는,
    기초 자재 산업에서의 플랜트 작동 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 플랜트 사이클의 제 2 단계(P2) 중 상기 부하 장치(15)의 부하는 상기 플랜트 사이클의 제 1 단계(P1) 중의 부하의 30% 이상인 것을 특징으로 하는,
    기초 자재 산업에서의 플랜트 작동 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부하 장치(15)는 터빈으로서 구체화되며, 상기 터빈은 상기 플랜트 사이클 전반에 걸쳐 일정한 회전 속도로 작동되는 것을 특징으로 하는,
    기초 자재 산업에서의 플랜트 작동 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탱크 용기(7, 8, 19)들은 상기 파이프라인 시스템(2)의 제 1 부분(5), 증발기(13) 및 과열기(14) 보다 하부에 배열되는 것을 특징으로 하는,
    기초 자재 산업에서의 플랜트 작동 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탱크 용기(7, 8, 19)들 내의 용융 염(6)은 불활성 가스 패드(24)에 의해 중첩되는 것을 특징으로 하는,
    기초 자재 산업에서의 플랜트 작동 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탱크 용기(7, 8, 19)들은 상기 탱크 용기들의 하부 영역 및 상부 영역에서 적어도 서로 연결되어, 탱크 용기(7, 8, 19)들의 내부 측에서 레벨(level)들의 자동 조정이 이루어지는 것을 특징으로 하는,
    기초 자재 산업에서의 플랜트 작동 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플랜트의 베이스 파트(1)는 전기 아크로로서 또는 전로로서 구체화되는 것을 특징으로 하는,
    기초 자재 산업에서의 플랜트 작동 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 3 탱크 용기(19)가 제공되고, 상기 용융 염(6)이 상기 제 1 탱크 용기(7)로부터 제거되고 상기 파이프라인 시스템(2)의 제 3 부분(22)으로 공급되며, 상기 제 3 부분은 상기 파이프라인 시스템(2)의 제 1 및 제 2 부분(5, 9) 사이에 배열되며, 상기 제 3 부분(22)을 통해 유동하는 배가스는 냉각되고 상기 용융 염(6)은 그 결과로서 히트 업되고, 히트 업 이후에, 상기 용융 염(6)이 제 3 탱크 용기(19)에 공급되는 것을 특징으로 하는,
    기초 자재 산업에서의 플랜트 작동 방법.

  10. 기초 자재 산업에서의 플랜트에 있어서,
    제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 플랜트 작동 방법에 따라 작동될 수 있도록 설계되는 것을 특징으로 하는,
    기초 자재 산업에서의 플랜트.
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