KR100250379B1 - 유동층 연소시스템 및 이에 사용되는 도관 - Google Patents

유동층 연소시스템 및 이에 사용되는 도관 Download PDF

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잭 이. 데온즈
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Abstract

본 발명은 도관이 반응기와 분리기를 연결하고 반응기의 노영역내에서 뻗어 있는 유동층연소시스템에 관한 것으로, 도관은 쐐기형을 하고 있으며 그 배출구 폭보다 주입구폭이 더 크게 되어 있고 도관의 하부벽은 외부측벽으로부터 위쪽으로 각이져 있으며, 노영역내에서 뻗어 있는 도관의 부분은 반응기의 측벽의 부분을 형성하는 냉각관에 의해 형성하며, 노영역의 외부로 뻗어 있는 도관의 부분은 분리기의 외부벽의 부분을 형성하는 냉각관에 의해 형성되어 있으며, 노영역 내부내에서 뻗어 있는 도관의 부분은 팽창조인트 또는 시일의 사용없이도 반응기와 분리기를 연결하기 위하여 노영역외부에 뻗어 있는 도관의 부분에 고착되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

유동층 연소시스템 및 이에 사용되는 도관
제1도는 본 발명의 유동층 연소시스템의 개략도.
제2도는 제1도의 선 2-2를 따른 확대단면도.
제3도는 반응기 및 분리기를 설명의 편의 및 명료를 위하여 결합시키지 않은 채로 묘사되어 있는 반응기, 분리기 및 도관의 부분을 형성하는 냉각관만을 나타내는 제1도의 유동층 연소시스템의 투시도.
제4도는 제2도의 도관의 부분의 확대 부분 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 유동층연소시스템 12 : 반응기
14 : 분리기 16 : 전면벽
18 : 후면벽 20, 22 : 측벽
24, 44 : 루프 26 : 바닥
30 : 공간챔버 32 : 노영역
38 : 외부실린더 40 : 내부실린더
46 : 환상팸버 48 : 냉각관
본 발명은 유동층연소 시스템 및 그에 사용되는 도관, 특히 반응기의 분리기를 연결하는 도관이 반응기의 노영역내에서 뻗어있도록 된 분리기에 연결된 반응기를 포함하는 유동층 연소 시스템 및 그에 사용되는 도관에 관한 것이다. 반응기가 분리기와 연결하여 사용된 유동층 연소 시스템은 잘 공지되어있다. 이러한 장치에서는 통상 석탄, 목재 또는 탈수된 오물 슬러지의 형태로만 미립자 연료층이 반응기의 노영역에 공급된다. 또한 공기가 미립자 연료층을 통하여 노영역의 층을 유동화시켜 비교적 저온에서 고연소 효율을 이룰수가 있다.
그러나 이 방법은 연도가스가 다량의 미립자를 포함하게 된다. 따라서 연도가스는 분리기로 들어가서 연도가스로 부터 미립자를 분리하고 분리된 미립자를 노영역의 층으로 재순환시킨다. 유동층 연소시스템은 일반적으로 우수하게 작동을 하며 효율적인 연료 연소 및, NOX및 SOX과 같은 공해물질의 낮은 방출을 유지 할수있는 여러 가지 잇점을 가지고 있다. 그러나, 이러한 시스템이 문제가 없는 것은 아니다. 예를들면 시스템에서의 분리기 효율 및 열 응력 때문에 고가의 팽창 조인트 및 시일의 사용을 포함하는 반응기를 분리기와 연결하는 복잡하고 고가의 장치를 사용해야만 한다. 또한 종래의 유동층 연소 시스템에서는 연도가스의 높은 온도때문에 반응기와 분리기 사이의 통로가 보통 비교적 고가의, 높은 온도의 내화물질로 라이닝된 도관으로 형성되어 있다. 이도관은 외부로 과량의 열손실이 초래되게 되는 내화물질의 비용과 중량 때문에 비교적 얇게 만들어 져서 시스템의 효율을 저하시키게 되거나, 또는 비교적 두껍게 하여 분리기의 부피, 중량 및 비용을 증가시키게 된다.
도관이 두꺼울지라도 완벽한 단열은 도관의 온도를 감당할 수 없을 정도로 올리기 때문에 모든 열손실이 방지되는 것도 아니다. 내화물질로 라이닝된 도관의 사용과 관련된 문제점은 내화물질의 사전 균열을 제거하기 위하여 시스템을 가동 시키기전에 벽을 데우는데 장시간이 소요된다는 문제점이 있다.
이 시간 지체는 불편하고 공정의 비용을 증가시킨다. 따라서 본 발명의 목적은 도관이 분리기의 효율을 증가시키고 시스템에서의 열응력을 감소시켜 고가의 팽창 조인트 또는 시일의 필요없이 분리기가 반응기에 직접 연결될 수 있는 상기 타입의 유동층 연소 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 시스템의 효율을 증가시킬 수 있도록 열손실을 감소할 수 있게끔 반응기를 분리기에 연결하기 위하여 도관이 사용되는 상기 타입의 유동층 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 또다른 목적은 고가의, 고온의 내화물질로 라이닝된 도관 작업이 감소되는 상기 타입의 유동층 연소 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 현저한 예열 시간없이 비교적 빨리 스팀 발생시스템이 사용될 수 있는 상기 타입의 유동층 연소 시스템을 제공하는 것이다. 상기 여러 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 시스템은 도관이 반응기의 분리기 사이에 위치되고 반응기의 노영역내에서 뻗어있는 유동층 연소시스템을 포함한다.
도관은 주입구 폭보다 큰 배출구 폭 및 도관의 외부 측벽으로 부터 상부로 부터 각이져 있는 하부벽을 가진 쐐기형이다. 노영역내부에서 뻗어있는 도관의 제1부분은 반응기벽을 형성하는 냉각관에 의해 형성되며 노영역외부로 뻗어 있는 도관의 제2부분은 역시 분리기 벽을 형성하는 냉각관에 의해 형성된다.
도관의 제1부분을 형성하는 반응기벽의 냉각관은 팽창 조인트 또는 시일의 사용없이 도관의 제2부분을 형성하는 분리기의 냉각관에 고착되어있다. 상기와 같은 설명에 덧붙여 본 발명의 추가적인 목적, 특징 및 잇점은 첨부도면을 참고로, 바람직하지만 꼭 그것으로 국한 되지는 않는 예시된 구체적 실시와 관련된 하기 상세 설명을 참고로 하여 더 충분히 설명될 것이다. 제1도 및 제2도를 보면 도면부호 ''10''은 반응기 또는 인클로져(12) 및 분리기(14)를 포함하는 유동층 연소시스템을 나타낸다.
반응기(12)는 전면벽(16), 후면벽(18), 측벽(20)(22), 루프(24) 및 바닥(26)을 가진다. 공기분산벽(28)은 반응기(12)의 하부 부분에서 적절하게 지지되며 반응기를 공간챔버(30) 및 노영역(32)으로 나눈다. 연로 및 용매입자 같은 고체가 주입구(34)를 통해 노영역(32)으로 주입된다. 또다른 주입구(36)는 강제송풍기등과 같은 적합한 소스(도시안됨)로 부터 가압된 산소를 포함하는 공기와 같은 가스를 공간 챔버(30)로 주입되어 분산벽(28)을 통하여 노영역(32)의 고체를 유동화 시키고 연료연소를 돕는다. 도시되지는 않았지만 종래의 기술은 노영역(32)에서 유동화된 연료입자를 연소하기 위하여 사용되었으며 고체 및 산소를 포함한 가스가 한위치 이상 및 한 레벨이상에서 종래의 방법으로 공급된다.
분리기(14)는 외부 실린더(38), 내부 실린더 또는 소용돌이판(40) (제2도 참조), 호퍼(42) 및 루프(44)를 가지는 사이클론 분리기이다. 외부실린더(38) 및 내부 실린더(40), 루프(44)는 하기에서 설명되는 바와같은 고체 및 기체를 받아들이고 분리하기 위한 환상 챔버(46)를 형성한다. 호퍼(42)는 종래의 방법으로 외부 장치에 연결될수도 있고 또는 분리된 고체를 노영역(32)으로 재순환 시키기 위해 노영역(12)로 연결될 수 있다. 또한 하나의 분리기(14)만을 예시하였지만 하나 또는 그이상의 분리기(도시안됨)가 반응기(12)에 연결될 수 있으며 사이클론 분리기외 다른 분리기가 설치될 수도 있다.
분리기의 수, 크기, 타입은 무엇보다도 연소시스템의 용량 및 경제적 관점에 의해 결정된다. 반응기 (12) 및 분리기(14)의 벽은 간격을 두어 평행하게 수직으로 뻗어 있는 냉각관(48) (제2도참조)으로 형성되어 있으며 제4도에 가장 잘 나타난 바와같이 연속적인 핀 (50)이 그들의 전길이가 기밀상태의 벽을 형성하도록 인접 냉각관(48)의 해당부분 사이에서 뻗어있다. 핀(50)은 용접과 같은 종래의 방법으로 해당냉각관(48)사이에 고착된다. 그 일부가 제1도에서 부호''52''로 나타내어진 여럿의 헤더는 각각 상기 기술된 여러벽의 단부에 배치되어있다. 도면에 나타내지는 않았지만 물 또는 스팀 또는 물과 스팀의 혼합물과 같은 냉각유체를 여러벽을 형성하는 냉각관(48)을 통해 순환시키기 위하여 종래의 유체흐름회로가 형성되어 있다. 유체 흐름 회로는 어떤 종래의 형태를 취할 수 있고 예를들면 스팀 드럼 및 여럿의 다운커머 및 연결피더, 라이저, 헤더등(도시안됨)과 함께 파이프를 이용할수 있다. 도관(54)은 반응기(12) 및 분리기(14)의 상부부분을 연결하며 제2도에 가장 잘 나타난 바와같이 도관(54)의 부분(54A)이 노영역(32) 내에서 뻗어있으며 도관(54)의 추가부분(54B)이 노영역(32)외부로 뻗어있다. 도관(54)은 내부측벽(56), 외부측벽(58) (제2도 및 제4도참조) 및 하부벽(60) 및 상부벽(62) (제3도 참조)에 의해 형성된다.
도관부분 (54A)(54B)은 모두 주입구 및 배출구를 가지고 있으며 도관부분(54A)의 주입구가 도관부분(54A)의 배출구 보다 큰폭을 가지고, 도관부분(54B)의 주입구가 도관부분(54B)의 배출구 보다 큰 폭을 가지도록 제2도 및 제4도에서 나타낸 바와같은 부분적인 쐐기형상으로 배열된다. 도관부분(54B) 의 배출구폭은 외부 측벽(58)에 수직으로 뻗어있고 그 배출구 끝단에서 내부측벽(56)을 교차하는 선을 따라 측정된다.
도관부분(54A)의 주입구는 노영역(32)과 유체흐름 연결상태에 있으며 도관부분(54B)의 배출구는 분리기(14)의 환상챔버(46)와 유체흐름 연결상태에 있다. 도관부분(54A)의 배출구는 용접과 같은 종래의 방법에 의해 제2도 및 제4도에 나타낸 영역(A)를 따라 도관부분 (54B)의 주입구에 직접 연결되어있다. 따라서 도관부분(54A)(54B)은 노영역(32)으로 부터 고체 및 가스를 분리기(14)의 환상챔버(46)로 향하게 하기 위한 단일의 기밀구조를 형성한다. 제3도에 나타낸 바와같이 도관부분(54A) 및 도관부분(54B)의 하부벽(60)은 바람직하기로는 도관부분(54A)(54B)의 외부측벽과 예각, 바람직하기로는 약 30 °를 형성한다. 도관(54)의 벽은 연속적인핀(50)에 의해 연결되는 냉각관(48)에 의해서도 역시 형성된다.
제2 내지 제4도에서 나타낸 바와같이 도관부분(54A)은 노영역(32)내에서 뻗어 있고 반응기(12)의 측벽(20)을 형성하는 냉각관(48)의 부분에 의해 형성된다.
제3도에서 가장 잘 나타낸 바와같이 반응기 측벽(20)의 상부, 후면부에서 측벽(20)의 모든 다른 냉각관(48)이 측벽(20)의 면으로부터 첫번째로 안쪽으로 굽어져 있어서 도관(54)의 하부벽(60)을 형성하며 그 다음 윗쪽으로 구부러져 도관의 내부측벽(56)을 형성한다. 상기 형태로 굽어지지 않은 측벽(20)의 냉각관(48)의 부분은 수직으로 유지되고 도관의 외부 측벽(58)을 형성한다. 노영역(32)내에서 뻗어있는 덕트부분(54A)의 상부벽(62)은 바람직하기로는 반응기 루프(24)의 부분에 의해 형성되지만 제3도에 나타낸 바와같이 반응기 측벽(20)의 면뒤의 내부벽(56)을 형성하는 냉각관의 부분을 굽히는 것과 같은 다른 방법으로도 형성될수도 있다. 제2도 내지 제4도에 나타낸 바와같이 도관부분(54B)은 분리기(14)의 냉각관(48)으로 부터 형성되는데 이것은 실린더 벽의 면으로 부터 분리기의 외부실린더(38)을 형성하는 냉각관(48)의 부분을 굽힘으로서 이루어질수 있다. 도관(54)의 내부면은 도관표면의 사전부식을 방지하기 위하여 내화물질(64) (제4도 참조)로 라이닝되어 있고 또한 노영역(32)내에서 뻗어있는 도관부분(54A)의 내부벽(56) 및 하부벽(60)은 모두 내부 및 외부면(54A)을 따라 내화물질(64)을 가지고 있다. 조작시 연료가 노영역(32)에서 연소되며 유동공기가 연료의 연소를 유지하고 노영역의 물질을 유동화 하기 위하여 노영역(32)으로 공급된다. 유동공기 및 연소의 함유기상 생성물(일반적으로 ''연도가스''라고 불린다)의 혼합물은 자연대류에 의해 노영역(32)을 통해 위로 향하고 연료 및 용제 입자 및 연소고체 생성물과 같은 함유고체의 적어도 일부는 도관(54)을 통해 분리기(14)의 환상 챔버(46)로 주입된다. 노영역(32)내에서 도관(54)를 뻗어있게 함으로서 연도가스 및 함유고체는 도관주입구로 방향을 바꾸게 된다.
연도가스 및 함유고체가 도관(54)으로 방향으로 바꿀 때, 보다 무거운 함유고체는 연도가스로부터 분리되기 시작하고 도관의 외부 옆벽(58)을 향해 움직이기 시작한다. 따라서 도관(54)은 분리기 (14)의 연장부로 작용을 하며 따라서 분리기 효율을 증가시킨다. 도관(54)의 쐐기 형태는 유체흐름의 유선형을 제공하며 비교적 좁은 도관 배출구는 더 우수한 분리기 효율을 얻게 해주며 유동층의 높은 고체 처리량으로 인한 사전 부식으로 부터 분리기(14)의 내부 실린더(40)를 보호해 주기도 한다. 또한 도관(54)의 각이진 하부벽(60)은 유체흐름의 유선형을 제공해 주며 도관의 외부 측벽(58)을 향해 연도가스에서 고체를 제거하는 역할도 하며 그에 의해 분리기 효율을 증가시키게 된다. 여럿의 다른 잇점은 상기 장치 형태로 부터 얻어진다. 예를들면 열손실은 내부 내화 절연을 위한 요건을 최소화 하도록 감소된다. 또한 고가의 고온 내화물질로 라이닝된 도관 작업의 필요성이 최소화 된다. 또한 유동층 연소기가 현저한 예열시간 없이도 비교적 빠르게 사용될 수 있다. 또한 분리기(14)의 효율이 증가되어 시스템에서의 열응력을 감소시켜 분리기가 고가의 팽창 조인트 또는 시일의 필요가 없이도 직접노(12)로 연결될 수 있다. 본 발명의 범위내에서 상기 내용은 여러 가지 변형이 가능하다는 것을 알수있다. 예를들면, 바람직한 것이지만 도관(54)은 냉각관(48)에 의해 형성되어질 필요가 없다. 또한, 노영역(32)내에서 뻗어있는 도관(54A)의 부분(54A)의 하부벽(60) 및 내부측벽(56)은 노측벽(20)의 면으로 부터 냉각관(48)을 굽힘에 의해 형성될 필요가 없다. 또한 노영역(32)내에서 뻗어있는 도관(54A)의 부분의 상부벽(62)은 반응기 루프(24)의 부분에 의해 형성될 필요는 없지만 반응기측벽(20)의 면뒤로 내부 도관벽(56)을 형성하는 냉각관의 부분을 굽히는 것과 같은 다른 방법으로도 형성될 수 있다. 또한, 바람직하지만, 도관(54)은 쐐기형일 필요는 없으며, 덕트의 하부벽(60)이 도관의 외부측벽(58)으로부터 예각상태로 뻗어있을 필요는 없다. 또한, 일반적으로 불필요 하지만 팽창조인트는 반응기(12) 및 분리기 (14)를 연결하는데 사용될 수 있다. 다른변형, 변경 및 치환이 상기 기술된 내용에서 의도 되었으며, 본 발명이 특정한 구체적 실시예를 참고로 하여 기술되었지만 상기 기술내용은 제한된 의미로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 선택적 적용뿐만 아니라 기술적 구체적 실시에 대한 여러변형이 상기 기술내용에 의해 본 발명에서 통상의 지식을 가진자에게 제안되어질 수 있다. 따라서 첨부된 특허청구범위는 폭 넓고, 발명의 진정한 범위에 일치되는 방법으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (17)

  1. (a) 복수의 냉각관으로 구성된 노영역을 가진 반응기; (b) 연료입자를 노영역으로 주입하기 위한 장치; (c) 상기 연료입자를 연소하여 기체 및 고체의 생성물을 형성하는 장치; (d) 상기 연료입자와 상기 연소로부터의 고체생성물을 함유하는 연도가스를 형성하기위해 유동가스가 상기 연소에 의한 기체생성물과 결합하도록 상기 노영역을 상기 유동가스로 유동시키는 장치; (e) 복수의 냉각관으로 형성되며, 상기의 연도가스 및 상기 함유물질을 받아들이고 분리하기 위한 분리기: (f) 일부의 냉각관에 의해 형성되며, 상기 연도가스 및 상기 함유물질을 상기 노영역으로부터 상기 분리기로 보내기 위해 상기 노영역을 상기 분리기로 연결하는 도관으로 구성된 것을 특징으로 하는 유동층연소시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 도관은 상기 노영역을 형성하는 상기 냉각관의 일부와 상기 분리기를 형성하는 상기 냉각관의 일부에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 유동층연소시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 냉각관중 적어도 일부가 상기 노영역의 벽을 형성하며, 상기 도관중 적어도 일부가 뒷쪽의 냉각관의 일정부분을 구부리는 것에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 유동층연소시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 냉각관중 일부가 상기 분리기의 벽을 형성하며, 상기 도관의 일부가 뒷쪽의 냉각관의 일정부분을 구부리는 것에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 유동층연소시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 냉각관의 첫 번째 부분이 상기 노영역의 벽을 형성하고, 상기 냉각관의 두 번째 부분이 상기 분리기의 벽을 형성하는 것을 특징으로 하는 유동층연소시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1도관 부분이 냉각관의 첫 번째 부분을 구부리는 것에 의해 형성되고, 상기 제2도관 부분이 상기 냉각관의 두 번째부분을 구부리는 것에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 유동층연소시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제1도관의 한 면이 노영역으로 확장하며, 상기 제2도관의 다른 면이 노영역의 바깥쪽으로 확장하는 것을 특징으로 하는 유동층연소시스템.
  8. 제6항에 있어서, 상기 노영역은 상기 냉각관의 첫 번째 영역으로 이루어지는 측벽과 루프를 가지며, 상기 제1도관부분은 내측벽과 외측벽을 가지며, 상부벽과 하부벽은 노영역으로 확장하고, 상기 하부벽은 상기 노영역의 측벽의 평면으로부터 상기 노영역으로 상기 노영역측벽의 상기 냉각관의 일부분을 구부리는 것에 의해 형성되며, 상기 도관의 내벽은 상기 노영역의 상기 루프를 향해 상향하는 상기 제1도관부분의 상기 하부벽을 형성하는 상기 냉각관의 일부분을 구부리는 것에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 유동층연소시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1도관부분은 내부측벽과 외부측벽 그리고 상부벽과 하부벽을 가지며, 상기 내부벽, 외부벽, 상부벽, 하부벽의 내부표면에 내화성물질이 부착되어 있는 것을 특징으로하는 유동층연소시스템.
  10. 제6항에 있어서, 상기 노영역으로 확장하는 제1도관부분의 영역이 주입구와 배출구를 가지며, 쐐기모양으로 형성되어 상기 주입구가 상기 배출구보다 큰 폭을 가지는 것을 특징으로하는 유동층연소시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 노영역의 외부로 확장하는 상기 제1도관부분의 상기 영역이 상기 노영역과 상기 분리기사이로 확장하는 것을 특징으로 하는 유동층연소시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 노영역의 외부로 확장하는 상기 제1도관부분의 상기 영역이 주입구와 배출구를 가지고 있으며, 쐐기형상을 하고 있어 상기 뒷쪽의 주입구가 상기 뒷쪽의 배출구보다 큰 폭을 가지며, 상기 주입구가 상기 노영역으로 확장하는 상기 제1도관부분의 상기 영역에 확보되는 것을 특징으로 하는 유동층연소시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 노 영역의 외부로 확장하는 상기 제1도관부분의 상기 영역은 예각으로 상기 추가적인 도관부분의 상기 바깥쪽 측벽으로부터 상향하여 확장하는 외곽측벽과 하부벽을 가지는 것을 특징으로 하는 유동층연소시스템.
  14. 제1항에 있어서, 상기 도관은 상기 노 영역으로부터의 상기 연도가스와 함유물질을 받아들이는 주입구와 상기 연도가스와 함유물질을 상기 분리기에 통과시키기 위한 배출구를 가지며, 상기 도관은 쐐기모양으로 상기 주입구가 상기 배출구보다 큰 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 유동층연소시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 도관은 외부 측벽과 하부벽을 가지며, 상기 하부벽은 예각으로 상기 외곽측벽으로부터 상향하여 확장하는 것을 특징으로 하는 유동층연소시스템.
  16. (a) 상기 냉각관의 일정부분에 의해 부분적으로 형성되며, 주입구단부 및 배출구단부를 가지며 입부가 상기 노영역내로 확장하는 제1도관부분, (b) 상기 분리기를 형성하는 상기 냉각관의 일정부분에 의해 부분적으로 형성되며, 주입구 및 배출구를 가지는 제2도관부분;및 (c) 상기 노영역을 상기 분리기와 유체흐름 연결상태로 하기 위하여 상기 제2도관부분의 상기 주입구를 상기 제1도관부분의 상기 배출구로 연결시키는 장치를 포함하며, 상기 반응기 및 분리기를 형성하는 벽의 적어도 일부분이 복수의 냉각관에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 노영역을 가지는 반응기를 분리기에 연결하는 도관.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제2도관부분의 상기 주입구단부가 상기 제1도관부분의 상기 배출구단부에 직접 용접되어있는 것을 특징으로 하는 도관.
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