KR100291353B1 - 유동층 반응기 시스템 - Google Patents

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KR100291353B1
KR100291353B1 KR1019930010530A KR930010530A KR100291353B1 KR 100291353 B1 KR100291353 B1 KR 100291353B1 KR 1019930010530 A KR1019930010530 A KR 1019930010530A KR 930010530 A KR930010530 A KR 930010530A KR 100291353 B1 KR100291353 B1 KR 100291353B1
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안토니오 가르시아-말롤 쥬안
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잭 이. 데온즈
포스터 휠러 에너지 코퍼레이션
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Abstract

본 발명은 열교환기가 구비된 유동층 반응기 시스템 및 그 작동 방법에 관한 것으로, 열 교환기가 유동층을 봉하고 다수의 주수관을 가지는 공통벽을 가지며 반응기에 인접하여 배치되고 반응기내 유동층으로 부터 연통 기체 및 이송된 입상 재료의 혼합물을 분리하며 분리된 입상 재료를 열교환기내 유동층으로 통과시키고 냉각제가 반응기내 유동층으로 통과된 재료로 부터 열을 제거하도록 열 교환기내 분리된 재료와 열 교환 관계로 통과되고 보조 연료를 냉각제의 온도를 제어하도록 연소를 위한 열 교환기에 공급하는 것을 특징으로 한다.

Description

유동층 반응기 시스템
제1도는 본 발명의 유동층 반응기를 나타내는 개략도.
제2도는 제1도내 선 2 - 2를 따라 취해지는 횡 단면도이고,
제3도는 제1도내 선 3 - 3 을 따라 취해진 횡 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
12 : 반응기 18,38 : 패쇄기
20 : 플레이트 24 : 분배기
28 : 분리기 30 : 덕트
62 : 버너
본 발명은 유동층 반응기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 열교환기가 구비되어 있는 유동층 반응기 시스템 및 그의 작동 방법에 관한 것이다.
유동층 반응기는 일반적으로 황함유 석탄 및 석탄 연소의 결과로서 생성되는 황산화물에 대한 흡착제를 포함하고 입상 재료층을 통하여 통과하는 기체를 포함해서 층을 유동시키고 비교적 낮은 온도에서 연료가 연소되는 것을 촉진한다. 반응기를 스팀 터빈등을 구동시키기 위해서 스팀 발생 시스템내에 사용할 적에, 스팀을 발생시키기 위해 유동층 재료에 열 교환 관련하여 통상적인 물 흐름 순환을 통하여 물 또는 냉각제를 통과시킨다. 상기 시스템은 유동층 반응기로 부터의 연도 기체에서 운송된 입상 고체를 분리하고 층으로 연료기체를 재 순환시키는 분리기를 포함한다. 이것에 의해 고 연소효율, 고황산화물 흡착, 저 질소 산화물 방출 및 연료 융통성의 장점을 조합 할 수 있게 된다.
이러한 형태 시스템의 반응기내 사용되는 가장 대표적인 유동층은 입상재료의 층이 비교적 높은 밀도 및 잘 한정되거나 분산된 상부 표면을 갖는 “버블링” 유동층으로 언급된다. 다른 형태의 유동층은 “순환” 유동층을 사용한다. 이 기술에 따르면, 유동층 밀도는 대표적인 버블링 유동층의 유동층 밀도 이하이고 공기속도는 버블링 층의 공기속도와 같거나 버블링층의 공기 속도보다 더 크며 층을 통과하는 연도 기체는 실질적으로 포화되는 양까지 미세 입상 고체를 운반한다.
또한, 순환 유동층은 층을 연료 열방출 패턴에 덜 민감하게 만들어서 온도변화를 줄여 질소 산화물 방출을 낮은 수준으로 안정화시키는 비교적 높은 고체 재순환을 특징으로 한다. 높은 고체 재순환은 흡착제 및 연료소모를 줄이는 황산화물 흡착제 및 연료 잔류 시간의 증가에 기인하여 전체 시스템 효율을 개선한다.
유동층 반응기를 순환시킬 적에 종종, 높은 열 전달 속도로 열 에너지를 빼어내기 위해 물로 냉각된 표면을 사용하는 사이클론 분리기로부터의 회수 고체 - 스트리임내 열교환기가 배치된다. 스팀 발생시, 상기 부가 열에너지는 스팀의 출구온도를 터빈 요구치에 보다 적합하도록 조절하여 사용될 수 있다. 전형적으로, 비교적 높은 수요 부하에서, 열 교환기는 반응기로 총 열 부하량중 비교적 작은량만을 공급하는 반면, 비교적 높은 수요량에서는 열교환기는 총 열부하의 대략 20% 까지 공급할 수 있다.
불운하게도, 열교환기가 그 결과 낮은 수요 부하량 및 운전 개시 조건하에 유동층 반응기의 총 열 부하의 상당한 양을 공급할 수 있는 동안, 열 교환기는 전형적으로 열 조절에 대한 제한된 용량을 갖는다. 보다 구체적으로, 상기 낮은 요구 부하량 및 운전개시 조건시, 물 / 스팀의 출구온도는 우선하는 반응기 조건에 기인한 최적치 이하이다. 이것은 시스템의 총 효율을 감소시키고 적합하지 않은 냉각제를 수용하는 외부 장치상에 기계 응력을 증가시킨다.
그러므로 열 교환기가 열 조절을 위한 부가적인 용량을 제공하는 반응기부에 인접하여 구비되는 유동층 반응기 시스템 및 그 작동 방법을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
열교환기내 유동층의 표면 유동 속도가 반응기의 열 수요 요구치에 따라 달라지는 상기 형태의 유동층 반응기 시스템 및 그 작동 방법을 제공하는 것이 본 발명의 또 하나의 목적이다. 열교환기내 유동층의 크기가 반응기의 열 수요 요구치에 따라 달라지는 유동층 반응기 시스템 및 그 작동 방법을 제공하는 것이 본 발명의 또 하나의 목적이다.
외부 연료가 반응기의 열 수요 요구치에 따라 열 교환기에 공급되는 유동층 반응기 시스템 및 그 작동방법을 제공하는것이 또 하나의 목적이다.
이러한 목적을 이루기 위해서, 본 발명의 시스템은 유동층으로 구성되고 시스템의 반응기 부에 인접하여 배치되는 열 교환기를 포함한다. 반응기내의 유동층으로 부터 연도 기체 및 이송된 입상 재료를 분리하고, 연도기체를 열 회수 영역으로 통과시키고 분리된 입상재료를 열 교환기로 통과시킨다. 반응기로 부터 입상재료가 유동되고 열 교환 표면이 유동 입자들로부터 열을 배출해내기 위해 열 교환기내 구비된다.
또한, 낮은 수요 부하량 및 운전 개시조건일 경우에 부가적인 열 에너지를 공급하기 위해 버너가 열 교환기내 배치된다. 열 교환기내 고체는 반응기내 유동층으로 회수된다.
본 발명의 목적, 특징 및 이점이 다음의 상세한 설명에 의해 보다 상세히 기술되며 또한 첨부도면과 관련하여 구체적 실시예에 따라 상세히 기술될 것이다. 본 발명의 시스템 및 방법은 제1도내 참조부호 “10”에 의해 표시되는 천연 수 순환스팀 발생기의 일부를 형성하는 유동층 반응기와 관련하여 기술될 것이다.
스팀발생기(10)는 유동층 반응기(12), 분리 부(14) 및 열 회수 영역(16)을 포함한다. 반응기(12)는 수직폐쇄기(18) 및 석탄의 연소시 발생된 황 산화물을 흡수하기 위해, 석탄 및 석회석과 같은 흡착제 재료의 비교적 미세 입자들을 포함하는 입상재료의 충을 지지하기 위해 반응기 저부에 배치되고 적합하게 폐쇄기의 벽에 부착되는 관통된 공기 분배기 판(20)을 포함한다. 플레넘(22)는 강제 통풍기와 같은 적합한 소오스(도시되지 않음)로 부터 공급되고 입상 재료의 충을 유동시키도록 적합하게 조절되는 공기를 받아들이기 위한 플레이트(20) 아래에 한정되고, 본 발명의 바람직스러운 구체적 실시예에 따르면, 공기 속도는 상기 기술된 바와같은 순환 유동층을 만들어 내기 위한 크기이다. 하나 이상의 분배기(24)가 층상위에 입상 재료를 도입하기 위한 폐쇄기(18)의 벽을 통해 구비되고 드레인 파이프(26)가 폐쇄기(18)로 부터 비교적 굵은 소비된 입상재료를 방출하기 위한 분배기 플레이트(20) 내 오프닝과 일치된다. 폐쇄기(18)의 벽은 수직으로 확장되어 배치되어 있는 다수의 주수관을 포함하고 물을 증기로 변환시키기 위해 관을 통해 물을 보내도록 흐름 순환이 제공된다. 폐쇄기(18) 벽 구조는 일반적이기 때문에, 벽이 보다 상세하게 기술되지 않을 것이다.
폐쇄기(18)에 인접하여 구비되어 있고 폐쇄기(18)의 후방벽의 상부에 형성되어 있는 오프닝으로 부터 분리기(28)의 상부에 형성되어 있는 입구 오프닝으로 펼쳐져 있는 덕트(30)에 의해 연결되어 있는 하나 이상의 사이클론분리기(28)를 포함한다. 분리기(28)는 폐쇄기(18)내 유동층으로 부터 연도기체 및 운반된 비교적 미세한 입상 재료를 받아들이고, 분리기내 발생된 원심력에 의해 연도기체로 부터 비교적 미세한 입상재료를 분리하기 위해 일반적인 방법으로 운전된다. 비교적 깨끗한 연도 기체가 분리기(28) 내에 생기고 덕트(32)를 경유하여 열 회수 영역(16)을 통과한다. 열 회수 영역(16)은 출구 덕트(16a)를 경유하여 기체가 방출되는 일반적인 방법으로 깨끗한 연도 기체로 부터 열을 제거하도록 작동한다.
분리기(28)로 부터 분리된 고체는 분리기의 하부 말단에 연결되어 있는 호퍼(28a)로 통과하고 나서 호퍼의 출구에 연결되어있는 딥레그(34)로 통과한다. 딥레그(34)가 인접하여 배치되고 폐쇄기(18) 후방벽의 하부를 나누면서 실질적으로 직사각형 폐쇄기(38)를 포함하는 열 교환기(36)에 연결된다. 공기 분배기 플레이트(40)가 폐쇄기(38)의 하부에 배치되고 분배 플레이트(40)을 통해 폐쇄기(38)의 내부로 외부 소오스(표시되지 않음) 로부터 받아들여진 공기를 도입하도록 공기 플레넘(42)을 한정한다. 제1도내 참조부호 “43” 에 의해 표시되는 것은 기술된 바와같이 폐쇄기(38)의 내부로부터 비교적 미세한 소비된 입상 재료를 방출하기 위해 플레이트(40)내 오프닝과 일치시켜 진다. 제1도 내 참조부호 “44”에 의해 표시된 것인 세 개의 오프닝이 기술된 바와같이 열 교환기(36)으로 부터 반응기(12)로 고체 및 기체를 전달하기 위해 폐쇄기(38)(18) 사이의 공통벽을 통해 형성된다. 분배벽(45)이 오프닝(44)에 대해 형성되고 아래로 확장되어 있어서 열 교환기(36)로부터 고체 재료가 반응기(12)내부로 통과하도록 통로를 한정한다.
딥레그(34)로 부터 받아들여진 비교적 미세 입상 재료를 받아들이고 입상재료를 폐쇄기(38)로 분배하기 위하여 작은 트로프 폐쇄기(46)가 인접하여 형성되고 폐쇄기(38)의 후방 벽의 중간 부분을 공유한다. 공기 분배 플레이트(48)가 폐쇄기(46)의 하부에 배치되고 분배기 플레이트(48)을 통해 외부 소오스로 부터 받아들여진 공기를 폐쇄기(46)의 내부로 도입하도록 공기 플레넘(50)을 한정한다. 오프닝(52)이 폐쇄기(46)로 부터 폐쇄기(38)로 고체 및 유동기체를 전달하기 위해 폐쇄기(46) 및 폐쇄기(38) 사이의 공통벽내 형성된다.
제2도 및 제3도에 표시된 바와같이, 두개의 분배 벽(58a,58b)이 폐쇄기(38)내 포함되고 각각 세개의 부분(42a,42b,42c)및 세개의 부분(38a,38b,38c)으로 플레넘(42)및 폐쇄기(38)를 나누기 위해 폐쇄기의 베이스로 부터 플레이트(40)를 통해 폐쇄기의 루프로 확장된다. 제2도에 표시된 바와같이, 두개의 분배 벽(60a,60b)이 세개의 부분(46a,46b,46c)로 나누기 위해 폐쇄기(46)의 저부로 부터 플레이트(48)(제1도)을 통해 폐쇄기의 벽위 중간쯤에 확장된다. 두개의 분배벽(60a,60b)이 또한 세개의 부분으로 플레넘(50)(제1도)을 나눈다는 것을 알 수 있다.
제1도를 참조할 적에, 참조부호 “62” 에 의해 표시된 세개의 버너들이 부가적인 열을 공급하는 일반적인 방법과 같이 기체 또는 오일과 같은 연료를 연소하기 위해 각기 폐쇄부분(38a,38b,38c)내 배치된다. 또한, 참조부호 “64” 에 의해 표시된 세개의 열 교환기 관 묶음이 폐쇄 부분내 미교적 미세한 입상 재료로 부터 열을 빼내기 위해 물과같은 냉각 유체를 받아들이기 위해 각기 폐쇄부분(38a,38b,38c)내 배치된다. 부가적으로, 세개의 오프닝(44a,44b,44c)(제2도)이 폐쇄기(38,18) 사이의 공통벽내에 형성되고 세개의 드레인 파이프(43a,43b,43c)(제3도)는 기술된 바와같이 각기 폐쇄부분(38a,38b,38c)의 내부로 부터 입상재료를 방출하기 위한 분배기 플레이트(40)내 형성된 오프닝과 일치된다.
조작시, 분배기(24)로 부터 입상 연료 및 흡착제 재료를 요구되어지는 바와 같이 폐쇄기(18)로 도입한다. 외부 소오스로 부터의 가압된 공기가 재료를 유동시키기 위해 공기 플레넘(22)으로, 분배기 플레이트(20)를 통해 폐쇄기(18)내의 입상 재료층으로 통과한다.
라이트오프 버너(도시되지 않음) 또는 그와 같은 것이 폐쇄기(18)내 배치되고 입상 연료 재료를 연소시키기 위해 점화된다. 재료의 온도가 비교적 높은 수준에 도달했을 적에, 분배기(24)로 부터 부가적인 연료가 반응기(12)로 방출된다. 반응기(12)내 재료는 연료의 연소에 의해 발생된 열에 의해 자체 연소되고, 공기 및 연소된 기체 생성물의 혼합물(이후 “연도기체” 로 함)이 반응기(12)를 통해 상부로 통과하고 비교적 미세한 입상재료를 폐쇄기(18)내 층으로 부터 운반한다.
공기 플레넘(22)를 경유하여 분배기 플레이트(20)를 통해 반응기(12)의 내부로 도입되는 공기의 속도는 반응기(12)내 입상재료의 크기에 따라 정해지는 결과 순환 유동층이 형성되고 입상재료는 층내 입상 재료의 실질적인 운반이 이루어질때까지 유동된다. 그 결과, 반응기(12)의 상부로 통과하는 연도기체는 비교적 미세한 입상재료로 포화된다. 완전 연소에 필요한 공기의 나머지는 일반적인 방법으로 이차 공기로서 도입된다.
포화된 연도 기체는 반응기(12)의 상부로 통과하고 덕트(30)를 통해 배출되며 사이클론 분리기(28)로 통과한다. 분리기(28)내에서, 비교적 미세한 입상재료가 연도 기체로 부터 분리되고 전자는 호퍼(28a)를 통과하여 딥레그(34)를 경유하여 폐쇄 부분(46a)으로 주입된다. 분리기(28)로 부터 정제된 연도 기체가 덕트(32)를 경유하여 외부 장치로 배출되기 전에 회수 영역(16)을 통해 통과하기 위해 열회수영역(16)으로 배출한다. 물과 같은 냉각 유체가 연도기체로부터 열을 배출하기 위해 열 회수 영역(16)내 배치되어 있는 과열기, 재열기 및 이코노마이저(도시되지 않음)를 포함하여 통상적인 물 흐름순환을 통과한다.
폐쇄부분(46b)은 딥레그(34)로 부터 비교적 미세한 입상 재료를 받아들인다. 입상 재료는 폐쇄부분(46b)아래에 배치된 플레넘(50)의 부분에 공급된 공기에 의해 유동되고, 폐쇄부분(46b)을 넘쳐 흐르며 폐쇄 부분(46a, 46c)및 폐쇄부분(38b)을 채운다. 폐쇄부분(46)으로 부터 폐쇄부분(46a, 46b) 및 폐쇄부분(38b)으로 비교적 미세 입상 재료의 흐름이 폐쇄부분(46)아래에 배치 되어있는 플레넘(50)의 부분에 공급되는 공기의 유동 속도에 의해 조절된다.
유사하게, 폐쇄부분(46a,46c)로 부터 폐쇄부분(38a,38c)로 비교적 미세한 입상 재료의 흐름이 폐쇄부분(46a,46c)아래에 배치된 플레넘(50)의 부분에 공급된 공기의 유동속도에 의해 조절된다. 일반적으로, 폐쇄부분(46a,46b,46c)아래에 배치된 플레넘의 부분에 공급되는 기체는 폐쇄부분(46a,46b,46c)내 비교적 미세 입상 재료의 부착을 열 교환기 관(64)를 가리기에 적어도 충분한 정도로 하기위해 조절된다. 비교적 미세한 입상 재료가 그후 반응기(12)로 오프닝(44a,44b,44c)을 경유하여 회수되나 각기 폐쇄부분(38a,38b,38c)으로부터 드레인 파이프(43a,43b,43c)를 거쳐 방출되어 반응기(12)내 비교적 미세한 입상 재료가 조절될 수 있게한다.
폐쇄부분(38a,38b,38c)내 입상재료의 유동화가 각기 플레넘(42a,42b,42c)으로 공급되는 공기의 유동화 속도에 의해 독립적으로 조절된다.
물과 같은 차가운 유체가, 후자층의 온도조절을 이루기 위해 각기 반응기 및 폐쇄기 부분(38a,38b,38c)내 입상재료의 층으로부터 열을 방출시키기 위해 반응기(12)의 벽을 형성하는 관 및 열 교환기(36)내 열 교환기관 묶음(64)을 통과한다. 또한, 버너(62)(제1도)는 층의 부가적인 온도조절을 이루기 위해 필수적으로 운전 개시 및 저 부하 조작시 폐쇄기 부분(38a,38b,38c) 내 입상재료의 층으로 열을 제공한다. 상기의 결과로서, 열 교환기관 묶음(64)을 통과하는 냉각 유체의 최종배출 온도의 실질적인 조절이 터빈요구치에 보다 적합하게 맞추어지도록 이루어질 수 있다. 예컨대, 폐쇄기 부분(38a,38b,38c)로의 미세 입상 재료의 흐름 및 그결과로 열 교환기 관 묶음(64)와 접촉되는 것이 플레넘(50)에 공급되는 유동화 공기 속도에 의해 조절될 수 있고 그결과, 열 교환 관 묶음(64)을 통해 흐르는 냉각 유체로의 열 전달을 조절한다. 부가적으로, 폐쇄기 부분(38a,38b,38c)내 배치된 개개의 층은 독립적으로 각기, 플레넘(42a,42b,42c)및 드레인 파이프(43a,43b,43c)에 의해 유동되거나 드레인 될 수 있어서, 그 결과 열 교환 관 묶음(64)을 통해 흐르는 냉각 유체로의 열 전달을 조절한다.
또한, 버너(62)는 운전개시 및 저부하 조작시 열 교환 관 묶음(64)을 통해 흐르는 냉각 유체로 상당한 열을 제공하는 결과 총 시스템 효율을 증가시키고 냉각제를 받아들이는 외부장치상에 기계 응력을 감소시킨다.
본 발명의 요지에서 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지 변형이 가능하다는 것을 알 수 있다. 예컨대, 폐쇄기(38)에 제공되는 부가적으로 조절되는 열의 적어도 일부가 플레넘(42)를 향하는 공기를 가열하는 버너에 의해 공급 될 수 있다.
여러가지 변형 및 치환이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 첨부된 특허청구범위 내에서 광범위하게 이루어질 것이다.

Claims (11)

  1. 반응기(12), 상기 반응기내 연소가능한 입상 재료의 유동층을 지지하는 수단(20), 상기 반응기에 인접하여 배치되고 복수개의 열교환 폐쇄기를 구비하는 열교환 수단(36), 상기 유동층으로 부터 운반된 입상재료 및 연도기체의 혼합물을 받아들이고 상기 연도기체로 부터 상기 입상 재료를 분리하기 위한 분리 수단(28), 상기 분리된 입상 재료를 상기 분리수단으로부터 받아들이고, 상기 분리된 입상재료를 상기 열 교환 수단중의 하나의 폐쇄기로 통과시키는 딥레그 수단(34), 상기 분리된 입상재료를 상기 하나의 폐쇄기로부터 다른 폐쇄기로 통과시키는 것을 허용하는 분배벽 수단(58a, 58b), 상기 분리된 입상재료를 유동시키기 위해 상기 폐쇄기내에서 상기 분리된 입상 재료를 통해 공기를 통과시키는 수단(40), 상기 분리된 입상재료를 냉각시키기 위하여 상기 분리된 입상재료와 열 교환 관계로 냉각제를 선택적으로 통과시키기 위한 상기 폐쇄기의 각각에 배치된 수단(64), 및 상기 분리된 입상재료로 선택적으로 열을 공급하기 위해 상기 폐쇄기들의 각각에 위치하는 버너 수단(62)을 구비하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열교환기가 하나이상의 입구 폐쇄기와 입구 폐쇄기와 인접하는 하나이상의 열교환 폐쇄기를 구비하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 폐쇄기내의 상기 유동층의 유동을 개별적으로 조절하기 위하여 상기 폐쇄기로의 상기 유동공기를 조절하기 위한 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 버너가 각각의 폐쇄기내에 배치되는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기 시스템.
  5. 제2항에 있어서, 상기 분리된 입상재료가 딥레그 수단(34)으로부터 상기 입구 폐쇄기중의 하나로, 그리고 상기 하나의 입구 폐쇄기로부터 하나이상의 열교환 폐쇄기로 통과하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 분리된 입상재료의 일부가 상기 하나의 입구 폐쇄기로부터 하나이상의 다른 입구폐쇄기로, 그리고 각각 다른 입구 폐쇄기로부터 대응하는 하나의 열교환 폐쇄기로 통과하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 분리된 입상재료의 다른 부분이 상기 하나의 입구 폐쇄기로부터 대응하는 열교환 폐쇄기로 직접 통과하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 분리된 입상재료가 하나의 폐쇄기에서 넘쳐 다른 폐쇄기로 떨어지는 것에 의해 상기 폐쇄기들사이를 통과하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기 시스템.
  9. 제7항에 있어서, 상기 폐쇄기내의 상기 유동층의 유동을 개별적으로 조절하기 위하여 상기 폐쇄기를 향하는 상기 유동공기를 조절하기 위한 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기 시스템.
  10. 제7항에 있어서, 버너가 상기 각각의 열교환 폐쇄기내에 배치되는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기 시스템.
  11. 제7항에 있어서, 상기 폐쇄기내의 하나이상의 상기 유동층을 개별적으로 드레인 시키기 위하여 드레인 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기 시스템.
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