KR100229763B1 - 노즐 구조체를 가진 유동층 베드 - Google Patents

노즐 구조체를 가진 유동층 베드 Download PDF

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Abstract

본 발명은 핀(34)에 의해 상호 인접한 튜브(32)가 결합되는 평행한 복수의 튜브를 포함하는 하우징(12)과 플로어(14)를 포함하는 유동층 베드 시스템(10)에 관한것이다. 복수의 노즐 조립체(30,50)는 플로어(14)로부터 상호 평행하게 수직으로 연장한다. 노즐 조립체(30,50) 각각은 플로어(14)에 대해 수직한 관계로 배치된 중심선을 가지는 실린더형 바디(36)를 포함하며 바디(36) 각각은 플로어(14)로부터 이격된 축단부에 그로부터 방사방향으로 연장된 복수의 헤드(38)를 가진다. 본 발명의 일부실시예에 있어서 헤드(38) 각각은 균일하게 바디(36)각각의 주위범위로부터 이격되어 있으며 헤드(338) 각각은 실린더 형이고 중심선을 가진다. 헤드(38)의 중심선 각각은 수평 평면에 대해 각을 갖도록 배치되며 각은 대략 20° 정도이다. 본 발명의 다른 실시예에서 노즐 조립체(30,50) 각각은 4개의 헤드(38)를 가지며, 나머지 노즐 조립체(30,50) 각각은 2개의 헤드(38)를 가진다. 또다른 실시예에 있어서 노즐 조립체(30,50) 모두는 4개의 헤드(38)를 가진다.

Description

노즐 구조체를 가진 유동층 베드
유동층 베드 연소장치는 다른 모드에서 연소가 일어나는 여러 문제점을 회피할 만큼 충분히 낮은 온도에서 석탄을 충분히 연소시킬 수 있다. "유동화 배드(fluidized bed)"라는 용어는 고체 물질에 자유유동을 제공하여, 유체처럼 행동하는 상태를 언급한다. 가스가 고체입자의 배드를 통과해서 상향으로 이동할때 가스의 유동은 입자를 서로에 대해 분리하는 힘을 생산한다. 저속으로 가스가 유동할때, 입자들은 다른 고체에 접촉된 상태로 남아있고 운동하지 않으려는 경향이 있다. 이 상태를 고정된 배드로써 언급한다. 가스 유동이 증가할때, 입자에 가해지는 힘이 서로 분리되도록 하기에 충분한 지점에 도달한다. 그때 배드는 유동화된 고체 사이의 가스 쿠션은 입자들을 자유롭게 운동하도록 하며, 배드는 액체와 같은 특성을 띤다. 유동층 베드 연소는 원래 적당하지 못한 고밀도의 재, 황 및 질소를 갖는 연료를 연소가능하다. 이 공정을 사용하므로써 적어도 몇몇의 경우에 있어서 방출요구를 만족시키도록 하는 가스 세척기를 필요로 하지 않게된다. 유동층 베드 연소에 있어서, 연료는 유동가스의 상향흐름에 현수되는 고온의 비연소 입자의 배드에서 연소된다. 액체 및 기체 연료가 쉽게 사용될 수 있을 지라도 일반적으로 연료는 석탄과 같이 고체이다.
유동층 공기는 일반적으로 연소공기 및 연소의 가스산물이다. 여기서 황 포획기는 요구되지 않으며, 연료의 재는 배드에 포함된 모래 또는 산화알루미늄과 같은 불황성 물질에 의해 보충될 것이다. 황 포획기가 요구되는 실시예에 있어서, 석회석은 흡수제로서 사용되며 배드의 부분을 형성한다. 유동층 베드 연소시스템의 두개의 주요 타입은 (1) 배드를 유동화하기 위해서 요구되는 과속의 공기가 배드를 버블의 형태로 통과하는 버블링 유체 베드(BFB)이다. 버블링 유체 베드는 또한 중간정도의 베드 고체 혼합률 및 유동가스에서 저속의 상대적으로 고체 기수공발(entrainment)을 특징으로 하며 (2) 순환 유체 배드(CFB)는 보다 속도가 크며 미세한 베드 입자 크기를 가진다. 상기 시스템에 있어서 유체 베드 표면은 고체기수공발이 증가할때 확산되어, 더이상 베드 표면에 제한되지 않는다. 순환 유체 베드 시스템은 연소기로부터 입자 재순환시스템까지 다시 연소기로 고속의 물질 순환율을 가진다. 본 발명은 종래기술의 당업자들이 다른 실시예에서 인식할 수 있지만 특정의 실시예는 순환 유체 베드 보일러이다. 상기 일반적인 형식의 장치의 특징은 1991년 콘넥티컷 06095, 윈저, 프로스펙트 힐 로드 1000, 어시 브라운 보베리에 양수받은 컴버스쳔 엔지니어링 인코포레이티드에 의해 공개되었고, 요세프 쥐. 싱거, 페.이.에 의해 편집된 퍼블리케이션 컴버스쳔 화실 파워에 부가로 개시되어 있다.
본 발명은 유동층 배드, 특히 스팀발생장치의 유동층 베드 연소에 관한 것이다. 본 발명은 스팀 발생시스템에서 연소 공정에 주로 이용되며, 본 발명이 또한 다양한 범위의 유동층 배드에 이용가능하다는 것을 알아야한다. 통상의 당업자들은 유동화가, 배드가 완전한 혼합 및 유동층 배드의 반응제와의 간접적인 접촉으로 시간 및 에너지가 경제적으로 절약되며 높은 생산 수득률을 가져오는 불연소 반응에 수십년동안 이용된다는 것을 부가로 인식한다.
본 발명은 첨부도면을 참조하여 더 잘 이해된다.
제1도는 본 발명이 사용된 전형적인 순환 유동층 베드 시스템 제너레이터의 부분적으로 생략한, 정면도.
제2도는 유동층 배드를 지지하는 플레이트의 단면을 도시한 제1도의 선 2-2를 따라 취한 단면도.
제3도는 본 발명에 따른 유동층 베드 노즐의 제1실시예의 평면도.
제4도는 제2도의 선 4-4에 의해 지시되는 수직면을 따라 취한 제3도에 도시한 노즐의 단면도.
제5도는 본 발명에 따른 장치의 또다른 실시예의 제3도와 유사한 단면도.
제6도는 저부가 간단하게 제거된 것을 제외하고 제4도의 도면과 유사한 제5도의 장치의 단면도.
종래의 순환 유동화-배드 시스템에 있어서, 제너레이터의 원래 연료와 흡수제는 연소기의 저부에 기계적으로 또는 공기유체압적으로 공급된다. 1차 공기가 공기 분배기를 통해 연소기의 바닥부에 공급되고 2차 공기가 연소기의 하부에 하나이상의 단면에 있는 공기 포트를 통해 공급된다. 연소는 연소기 전체에서 발생하며, 베드물질로 충전된다. 유동가스 및 기수공발되는 고체는 연소기를 떠나 고체가 분리되고 밀봉지점으로 떨어지는 하나이상의 사이클론에 도입된다. 밀봉 지점으로부터, 고체는 연소기로 재순환한다. 선택적으로, 일부고체가 플러그 밸브를 통해 외부 유동층 베드 열 교환기(FBHE)까지 방향전환하여 연소기로 되돌아간다. FBHE에서, 튜브다발이 유체화된 기체로부터 열을 흡수한다.
유동층 베드 내부의 공기 확산은 유동층 배드용 기저 플레이트로부터 수직으로 연장된 복수의 상호 평행한 스테인레스 스틸파이프에 의해 종래의 장치에서는 수행되었다. 이들 파이프 각각의 상부단부는 마개로 덮혀져 있다. 각각의 파이프는 유동화를 수행하도록 베드 전체에 공기를 직사하는 복수의 방사방향으로 연장된 구멍을 가진다. 이들 파이프에서 각각의 구멍은 0.070 내지 0.090인치의 직경을 가진다. 상기 파이프는 일반적으로 주형되며 그때 구멍이 그 내부벽에 드릴로 천공되어진다. 스테인레스 스틸 재료이기 때문에, 분리가능한 주형의 돌출부인 핀(fin)을 가지는 파이프를 주형하려는 시도가 성공하지 못한다. 그러므로, 상기 파이프의 제조 비용은 과다하다.
이들 종래의 구조체는 또한 공기중에서 유동화-배드에 공급되는 오염물 때문에 구멍이 닫혀지는 약점을 가진다. 이것은 구멍을 깨끗한 상태로 유지시킬 필요를 가져온다. 이들 경우에 있어서 이것은 스트림 발생 장치를 일정 시간 동안 차단상태에 있게 한다. 스트림발생 장치가 다른 정비를 위해서 차단될때조차 노 내부에서 다양한 정비 과정이 필수적으로 수행되므로 공기 분산 시스템과 유동화-배드 장치를 청소할 필요성을 최소화하여 바람직하다.
서류 번호 제 CH-A-659 876호에, 하나의 상기와 같은 장치가 설명 및 도시되어 있다. 서류 번호 제 CH-A-659 876호에 도시하는 것처럼, 유동층 베드 시스템은 하우징(1), 상호 인접한 튜브(4)를 핀(3)에 의해 결합한 일반적으로 평행한 복수의 튜브(4)를 구비한 플로어(2), 및 상호 평행한 관계로 수직하게 연장된 복수의 노즐 조립체를 포함하고 있다. 또한, 서류 번호 제 CH-A-659 876호에 따른 각각의 노즐 조립체는 플로어(2)에 수직한 관계로 배치된 중심선을 가진 실린더형 바디(20)를 포함하며, 실린더형 바디(20) 각각은 플로어(2)로부터 이격된 측방향의 극단부로부터 방사방향으로 연장된 복수의 헤드(21)를 포함한다.
본 발명의 목적은 유동층 베드 장치의 반응물과 간접접촉 및 혼합을 통해서 보증하는 것이다.
본 발명의 목적은 자주 정비를 요구하지 않는 유동층 베드 조립체에서 공기 확산장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 공지된 장치 보다 저 비용이 요구되고 더 쉽게 제조할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 또다른 목적은 유동층 배드장치에서 공기를 더 효과적으로 분사시키며 종래 장치의 많은 개별적인 구조체를 요구하지 않는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 이들과 다른 목적들은 하우징, 상호 인접한 튜브들이 핀에 의해 결합되는 복수개의 평행한 튜브를 포함하는 플로어를 포함하는 유동층 베드 시스템어서 얻어진다. 플로어로부터 상호 평행한 관계로 수직하게 연장된 복수의 노즐 조립체 각각은 플로어에 수직한 관계로 배치된 중심선을 가진 실린더형 바디를 포함하며, 바디 각각은 플로어로부터 이격된 축의 극단부로 부터 방사방향으로 연관된 복수의 헤드를 가진다.
본 발명의 일부 실시예에 있어서, 각각의 헤드는 각각의 바디는 일반적으로 실린더형이며 중심선을 가진다. 헤드의 각각의 중심선은 수평한 평면에 대해 일정한 각으로 배치되며 각은 대략 20°이다.
본 발명의 다른 형태에 있어서, 일부 노즐 조립체 각각은 4개의 헤드를 가지며 일부 노즐 조립체는 2개의 헤드를 가진다. 다른 실시예에 있어서, 모든 노즐 조립체는 2개의 헤드를 가진다. 다른 실시예에 있어서, 모든 노즐 조립체는 4개의 헤드를 가진다
도 1을 참조하면, 종래의 순환 유동층 베드 스트림 제너레이터(10)를 도시한다. 분쇄된 연료와 흡수제가 기계적으로 또는 공기 유체 역학적으로 연소기(12)의 하부에 공급된다. 1차 공기가 공기 분배기(14)를 통해 연소기(12)의 바닥부에 공급되면, 2차 공기가 연소기의 하부에 하나 이상의 승강체에 있는 공기 포트(16)를 통해 공급된다. 유동가스 및 기수공발 고체는 연소기를 떠나 고체가 분리되거나 밀봉 포트(20)로 낙하 하는 하나 이상의 사이클론(18)으로 도입된다. 밀봉포트(20)로부터, 고체는 연소기(12)로 재순환한다. 선택적으로, 일부 고체는 플러그 밸브(도시안함)를 통해 외부 유동층 베드 열교환기(FBHE; 22)까지 방향 전환하여 이동하고 연소기(12)로 복귀한다. FBHE(22)에서, 튜브다발은 사이클론으로부터 유동층 고체로부터 열을 흡수한다. 유동가스는 수렴통로(24)로 직사된다.
도 2, 도 3, 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 양호한 형식에 따른 노즐(30)의 실시예 1을 도시한다. 유동층 배드용 지지부(14)는 각각의 핀(34)으로 결합된 복수의 튜브(32)를 포함한다. 튜브(32)는 도 1에 도시한 스트림 발생장치에서 가열된 물을 운반한다. 도 2에 도시하는 것척럼, 다량의 노즐(30)은 유동층 배드용 플로어 또는 지지부(14)를 통해 수직으로 연장된다.
각각의 노즐(30)은 그것의 축방향의 중앙에서 지름이 더 커서 목부를 이루는 세장형 실린더형 바디(36)를 포함한다. 그 목부는 상호 인접한 튜브(32)의 유용한 제한 공간때문에 바람직하다. 그러므로, 튜브(32)의 공간은 그 하부극단에서 바디(36)의 최대 직경을 제한 한다. 4개의 헤드(38)에 더 양호한 유동을 제공할 수 있는 다소 큰 직경이 양호하게 바디(36)의 상부에 있다. 4개의 헤드(38)는 각각 실린더형이며 헤드(38)의 각각의 중심선은, 제 1, 제 2 면으로 배치된 양호한 실시예에 있어서, 상호 수직하다. 본 발명의 양호한 실시예에 있어서, 개별헤드는 약 1.1인치의 내측 직경을 가진다. 바디(36)는 그 하부의 내측직경이 2.5인치이며 그축 상층부의 내측 직경이 3.0인치이다.
양호하게, 헤드(38)의 중심선은 수평면에 대해 20°의 예각으로 경사져 있다. 전형적인 설치물에 있어서, 노즐(30)은 18인치의 전체 높이를 가지며 튜브(32)의 중심선사이의 공간은 7인치이다. 종래기술의 당업자들은 기본적으로 다른 크기가 다른 특정실시예용 다른 특정한 유동층 베드 구조체에 이용될 것을 인식할 것이다. 노즐(30)은 단일 모래 주형 공정에서 전체노즐(30)이 주조되게 하는 식으로 형성된다. 모래 주형공정은 동시에 바디(36)와, 4개의 헤드(38) 및 돔(40)을 형성한다.
양호하게, 노즐(36)은 각각의 헤드(38)의 개구가 종래 구조체의 구멍보다 훨씬 크기 때문에 유동층 배드에 직사되는 공기에 의해 구멍이 폐쇄되는 악영향을 받지 않는다. 또한, 종래기술에 의한 설계된 파이프 보다 훨씬 작은 노즐 조립체(30)를 얻을 수 있다. 종래기술의 파이프 보다 훨씬 작은 노즐 조립체(30)에 대한 상기 요구는 (a) 헤드(38)내의 개구크기 및 (b) 헤드(38)의 각 배향때문이다.
노즐 조립체(30)가 간단한 주형 조작에 의해 제로되기 때문에 일노즐(30)의 비용은 대략 앞서 사용한 파이프 비용의 50%이다. 부가로 절약할 수 있는 것은 종래기술의 파이프에 비교하여 각 노즐(30)의 유동용량이 더 크기 때문에 가능하다. 특히, 본 발명에 따른 새로운 설계에서, 종래기술의 조립체에서 요구되는 파이프보다 50% 감소된 노즐 조립체(30)가 제공되어 있다. 이 조합의 효과는 종래기술이 시스템에 비해 75%의 비용감소를 가져온다.
도 5와 도 6를 참조하면, 본 발명에 따른 노즐 조립체의 또다른 실시예가 되어 있다. 노즐 조립체(50)는 단지 두개의 헤드(38)를 가지는 것을 제외하고 노즐 조립체(30)와 유사하다. 헤드(38)는 각각 실린더형이며 노즐 조립체(30)에서 처럼 수평 반복 수평 평면에 대해 각각 경사져 있다. 또한, 노즐 조립체(30)에서 처럼 헤드(38)의 중심선은 공동평면에 배치된다. 노즐 조립체(50)의 바디(36)는 노즐(30)의 바디(36)에 기본적으로 동일하다. 돔(52)은 노즐(30)의 돔(40)과 다소 그형상을 달리하나 그 차이점은 중요하지 않다.
노즐 조립체(50)는 연소기 (12)의 벽에 인접하여 1차로 실시된다. 노즐조립체(50)는 또한 노즐(30)이 많은 개량장치용 장치를 가지는 것으로 이해될지라도 또한 몇몇의 개량 장치용 장치를 가진다. 노즐 조립체(50)를 사용하는데 바람직한 이들 실시예에 있어서, 노즐 조립체(30)가 시스템에 결합될때 요구되는 것보다 더 많은 노즐 조립체를 필요로 한다. 그러나 종래 파이프가 시스템의 일부로 설계되는 것보다는 더 적은 노즐 조립체(30)들이 있다.
본 발명은 양호한 실시예를 참조하여 이미 상세히 설명되었다. 여기에서 이들 사실에 접한, 통상의 당업자들은 다른 변형예를 생각할 수 있다. 예를들어, 본 발명은 4개의 헤드와 2개의 헤드 모두를 이용한 실시예로 설명가능하며, 통상의 당업자들은 3개의 헤드를 사용하는 실시예의 변형예를 생각할 수 있으나 이는 본 발명의 범위 내이다. 상기 변형예들은 다음의 청구범위에 의해 본 발명이 의도하는 보호범위안에 포함된다.

Claims (7)

  1. 하우징(12) 튜브(32)에 상호 인접한 핀(34)에 의해 평행한 복수의 튜브(32)를 구비하는 플로어(14), 및 각각 상기 플로어(14)에 수직한 관계로 배치된 중심선을 가지며, 각각 상기 플로어(14)부터 이격된 축방향의 극단부에서 그로부터 방사방향으로 연장된 복수의 헤드(38)를 갖는 실린더형 바디(36)를 구비하는, 상호 평행하게 수직으로 연장된 복수의 노즐(30, 50)을 포함하는 유동층 베드 장치(10)에 있어서, 노즐 조립체(30, 50)각각은 바디(36)의 길이 방향으로 연장된 기하 축에 대해 회전하지 못하도록 장착되어 있으며, 헤드(38) 각각은 바디(36) 각각의 주위범위에 대해 균일하게 이격되어 있으며, 헤드(38) 각각은 실린더형이고 중심선을 가지며, 헤드(38)의 중심선 각각은 수평평면에 대해 경사각을 가지고 하향으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 유동층 베드 장치.
  2. 제1항에 있어서, 헤드(38) 각각의 중심선이 부가로 수평 평면에 대해 하향 방향으로 배치된 것에 대한 경사각도가 20° 인 것을 특징으로 하는 유동층 베드 장치.
  3. 제2항에 있어서 노즐 조립체(30, 50) 각각은 부가로 4개의 헤드(38)를 가지는 것을 유동층 베드 장치.
  4. 제3항에 있어서, 노즐 조립체(30, 50) 각각은 부가로 2개이상의 헤드(38)를 가지는 것을 유동층 베드 장치.
  5. 제4항에 있어서, 노즐 조립체(30, 50)각각은 부가로 1개 이상의 헤드(38)를 가지는 것을 특징으로 하는 유동층 베드 장치.
  6. 제4항에 있어서, 노즐 조립체(30, 50) 각각은 부가로 2개 이상의 헤드(38)를 가지는 것을 특징으로 하는 유동층 베드 장치.
  7. 제4항에 있어서, 노즐 조립체(30, 50)의 일부는 4개의 헤드(38)를 가지는 것을 특징으로 하는 유동층 베드 장치.
KR1019970701642A 1994-09-16 1995-07-24 노즐 구조체를 가진 유동층 베드 KR100229763B1 (ko)

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