KR100306025B1 - 순환 유동상 반응기 시스템을 구동하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

순환하는 유동상(CFB) 시스템 및 그의 구동방법은 과열을 위한 바람직한 조건을 제공하는 순수한 유동화가스를 주로 함유한 열전달구역을 제공한다. 이와 동시에 고부하조건 및 저부하조건 양쪽 모두에서 바람직한 열전달 성능을 달성하기 위한 열교환실내에 충분히 많은 고체물질의 유동을 제공한다. 열교환실(38)은 귀환덕트(16) 기저부 근처에 위치되고 입자분리기(14)와 CFB의 연소실(12) 사이를 연결하고, 이때 상기 연소실과 열교환실을 분리하는 공통벽(22a)을 가진다. 입자들은 상기 공통벽내의 고체입자 입구(42)을 통하여 연소실내로 재도입되고, 입자들은 상기 고체입자입구위의 공통벽 내 통로(52)를 통하여 직접 이동할 수 있다. 또한 가스입구(56)가 상기 통로 위의 공통벽 내에 제공될 수 있어서, 열교환실로부터의 유동화가스가 열교환실로부터 연소실내로 유동하도록 허용한다. 고체입자입구(42)는 다수개의 좁고 거의 수평인 가늘고 긴 수직으로 적층된 슬롯들(44)을 포함할 수 있다.

Description

[발명의 명칭]

순환 유동상 반응기 시스템을 구동하는 방법 및 장치

본 발명은 순환 유동상(CFB) 시스템을 구동하기 위한 신규한 방법 및 장치에 관한 것이다.

순환하는 유동화 보일러등과 같은 CFB시스템들은 예를들어 2m/s를 초과하는 정도로 빠른 가스속도를 가지며 고체입자의 유동상은 내부에 설치된 연소실을 포함한다. 입자분리기가 연소실 상부의 배출 개구로 연결되고, 분리기에서 분리된 입자들을 고체입자입구를 통하여 연소실 하부 내로 재순환시키기 위하여 귀환덕트가 그에 연결된다. 상기 시스템으로부터 열을 회수하기 위하여 열교환기가 재순환 시스템과 연결된다.

일반적으로 연소실 및 고온 연도 가스의 경로에 배치된 대류 섹션의 열전달 표면에 의하여 유동상 보일러로부터 열이 회수된다. 연소실의 주위벽들은 멤브레인 벽들로서 제작되는데 이 벽들에 수직관들이 핀으로 결합되어서 증발표면을 형성한다. 증기를 과열시키기위하여 과열기등과 같은 부가적인 열전달표면들이 연소실의 상부내에 배치될 수 있다.

마모 및 부식은 연소실내의 고온 및 높은 유동속도 환경에서 문제를 일으키므로, 열전달표면들은 고가의 내열물질로 제작되어야 한다.

통상의 CFB시스템에서는 저부하 조건에서 바람직한 증가의 과열을 달성하기가 어렵다. 연소실의 배출가스온도는 부하 감소에 따라 하강하는 경향을 띠고, 대류섹션에서 과열기의 바람직한 결과를 얻기 위해서는 특별한 장치들이 마련되어야 한다. 연소실내에 배치된 부가적인 과열기들은 보일러에 있어서 비용을 증가시킬뿐아니라 제어상의 문제점이 증대되므로 적합한 해결책이 되지 못한다.

따라서 연소실의 규모는 증가시키지 않으면서 시스템내에 열전달표면들을 부가하는 신규한 방식들을 찾아야할 필요가 폭증하고 있으며, 이는 압력용기의 규모를 증가시키게 된다.

과열 성능을 증대하기 위하여 외부 개별 열 교환기들(EHE)을 사용하는 것이 제안되었다. 외부 열 교환기들은 보통 너무 많은 공간을 소요한다. 변동하는 등으로 상이한 부하조건들에서 이의 열전달을 제어하기도 또한 어렵다.

미합중국 특허 제 4,716,856호에서는 순환 유동상 반응기의 재순환 시스템내에 열전달 표면들을 포함하는 것이 제안되었다. 열전달 표면들은 귀환덕트의 기저부분에 형성된 열교환실내에서 수집된 고체순환물질의 유동상에 배치된다. 따라서 순환하는 고체입자들은 개별적인 외부 열교환기를 사용할 필요없이 과열등에 필요한 부가적인 열을 제공한다.

그러나, 이러한 시스템은 연소가스에 실려서 열교환실내로 재순환되는 고온의 고체입자들에 좌우된다. 저 부하조건, 즉 낮은 유동화가스 유동속도에서, 가스 유동내에 존재하는 고온입자들의 이동이 과열에 필요한 열전달 용량을 유지하기에는 너무 적을 수 있다.

[발명의 요약]

본 발명의 목적은 상기에 언급된 단점들이 최소화될 수 있는 순환 유동상 시스템을 구동하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 순환 유동상 시스템의 상이한 부하들에 있어서 열을 회수하기 위한 개선된 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

이러한 목적들은 첨부된 특허청구범위에 따른 방법 및 순환 유동상 반응기 시스템에 의하여 달성된다.

본 발명의 따르면 연소실과 공통된 한개 벽 부분을 가지며 귀환덕트의 하부에 형성된 열교환실을 포함하는 CFB시스템을 구동하는 개선된 방법이 제공된다. 상기 방법은

(a) 연소실내에 고체입자들의 고속 유동상을 설치하고 연소가스와 그에 실린 고체입자들을 포함하는 입자부유물이 연소실에서 상향으로 유동되고 배출개구를 통하여 배출되도록 하는 단계;

(b) 입자분리기내 상기 입자부유물로부터 고체입자들을 분리하는 단계;

(c) 분리된 고체입자들을 그 하부에 열교환기를 가지는 귀환덕트내로 보내는 단계;

(d) 열교환실내에 고체입자들의 상을 설치하는 단계;

(e) 열교환실로부터의 고체입자들을 연소실내로 공통벽부분에 배치된 고체입자입구를 통하여 재도입하는 단계 및

(f) 직접 연소실로부터 귀환덕트의 하부로 부가적인 고체입자들을 도입하는 단계를 포함한다.

고부하 조건에서, 바람직한 열전달 성능을 가정할 때 대량의 고체입자유동이 연도가스에 실려서, 분리기, 귀환덕트 및 열교환실을 통하여 연소실내로 재순환된다.

저부하조건에서, 고체입자들은 연소실로부터 열교환실내로 그 사이의 공통벽내 통로를 통하여 직접 유동되고, 상기 고체의 직접유동은 열전달 용량을 향상시켜서 원하는 레벨을 달성하도록 한다.

열교환실로부터 연소실내로 2개 실들간의 공통벽에 배치된 고체입자 입구(들)을 통하여 고체입자들이 재도입될 수 있다. 고체입자 입구(들)은 내부의 입자상 표면 아래의 열교환실 하부에 위치될 수 있거나 고체입자 입구(들)이 ·기체로 하여금 귀환덕트로부터 연소실내로도 또한 유동하게끔 허용하는 열교환실내에 보다 높이 위치된 과유동개구를 구성할 수 있다.

많은 응용예에서, 고체입자입구들의 상기 유형 모두가 사용된다. 입자상의 표면 아래 배치된 입구들은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 입구를 통하여 입자들이 멋대로 유동하는 것을 방지하는 공통벽내에 하나가 다른 것 위에 겹쳐 배치되는 2개 또는 그 이상의 좁은(수직 치수가 작은) 수평 슬롯들에 의하여 형성된 고체 유동 밀봉부를 포함한다. 상기 슬롯들은 벽에 내장되는 프레임형 구조물내에 미리 제작될 수 있다.

슬롯들을 통하여 입자들이 직접 그리고 멋대로 유동하는 것을 방지하기 위한 목적으로, 슬롯들은 높이(h) 대 길이(1)의 비(h/1)가 0.5미만이어야 한다. 예를들어 슬롯이 형성된 공통벽 단면의 길이가 대략 200mm 내지 300mm의 길이를 갖는 그러한 슬롯들은 입자들이 그 슬롯들을 통하여 멋대로 유동하는 것을 막을수 있으려면 높이가 100 내지 150mm 미만이 되어야 한다. 그러한 슬롯에서, 고체입자들이 누적되어서 중력에 의하여 유동을 방지하는 밀봉 플러그를 형성하는 경향이 있다. 상기 슬롯들을 통한 고체입자들의 바람직한 유동은 슬롯 근처의 상내로 도입되는 가스를 이송함에 의하여 달성된다. 따라서, 입구들을 통한 고체입자유동 및 열교환상내 열전달표면들을 통과하는 입자들의 유동을 제어할 수가 있다.

입구들내의 거의 수평인 슬롯들은 완전히 수평인 필요는 없으나, 귀환덕트의 입구단부들보다 높은 레벨에 연소실의 출구단부를 갖도록 경사지게 제작되어서 슬롯의 길이(1)가 동일한 단면적을 가지는 수평슬롯들에 비하여 보다 감소하도록 할 수 있다. 경사진 슬롯은 또한 거친 물질이 슬롯의 입구단부에 축적되는 것을 방지한다.

본 발명의 한가지 중요한 양상에 따르면 가상적인 단일한 대형개구에 필요한 총 수직 치수(h_tot)가 여러개의 수직치수들(h₁,h₂,h₃,…)로 분할될 수 있는데, 각각의 분할 수직치수들은 요구되는 총 h_tot의 부분일뿐이다. 각 슬롯의 길이(1)는 수직 치수가 감소함에 따라서 동일비율로 감소될 수 있으며 고체유동의 밀봉효과는 감소되지 않는다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 일반적인(보통은 내화물로) 라이닝된 멤브레인 벽을 통하여 확장하기에만 충분한 길이인 짧은 슬롯들이 열교환실 및 연소실 사이에서, 그를 통하여 입자들을 이송하기 위하여 사용되고 또한 적합한 고체 유동 밀봉부를 제공한다.

슬롯들은 대략 길이(1) = 2개 실간의 공통벽의 총 너비(W)가 되고, 벽의 상기 너비는 관들 및 내화물라이닝을 포함한 것이다. 이는 선행기술로된 연소실로부터 멀리 도달하고 많은 공간을 차지하는 L-밸브 밀봉부에 비할 때 상당한 개선이 된다.

고에 유동밀봉부 통로들은 멤브레인 관벽 내 관들을 결합하는 핀들내에서 용이하게 형성될 수 있다. 많은 경우에 있어서, 통로에 필요한 공간을 제공하기 위하여 관들이 상호 떨어져서 구부러진, 벽부분에 통로들이 형성될 수 있다. 상기 통로들은 상호의 위에 배치될 수 있어서 알스트롬의 “길(gill) 밀봉부”고체 유동 밀봉부 접속을 이루고 미리 제작된 프레임내에 결합될 수 있다.

특히 고부하조건에서, 고체입자들은 상기 언급된 고체입자 개구들보다 높은 레벨에서 공통벽내에 형성된 한개 또는 그이상의 과유동개구들을 통하여 범람함으로써 연소실내로 재도입될 수 있다.

열교환실로부터 연소실내로 고체입자들을 재도입하기 위하여 작은 과유동개구들을 사용함으로써 큰입자들은 기타 방향, 즉 연소실로부터 열교환실내로 유동하지 못하도록 방지된다. 고부하조건에서 비교적 큰 입자들은 연소실하부에서 유동화될 수 있다. 이러한 큰 입자들이 열교환실내로 전달되는 것은 바람직하지 않다.

저부하 조건에서, 고체입자들을 과유동개구를 통하여 연소실내로 재도입시킬 필요가 없다. 열교환기내의 상표면 레벨은 과유동개구 아래로 유지될 수 있고 그대신 과유동개구가 고체입자들을 연소실로부터 열교환실내로 도입하는 통로로서 사용될 수 있다. 저부하 조건에서 고체입자들의 재도입이 과유동개구를 통해서만, 또는 2가지 유형의 고체입자 개구들 양쪽 모두를 통하여 일어난다.

고체입자들을 연소실내로 재도입하는 과유동개구는 귀환덕트로부터 연소실내로뿐만아니라 연소실로부터 귀환덕트내로도 동시에 또는 선택적으로 고체물질을 도입할 수 있도록 구성될 수 있다. 한편 고체입자들은 귀환덕트로 도입하고 고체입자들을 연소실내로 재도입하기 위한 상이한 유형의 개구들이 사용될 수 있다. 다양한 입자유도 개구들이 수평으로 나란히 배치되거나 상호의 위에 적층되어서 배치될 수 있다. 과유동개구들 내로 또는 그 근처로 가스유동을 주입하는 가스노즐들이 사용되어서 예를들면 고체입자들이 연소실로부터 귀환덕트내로 유동하는 것을 막는 등으로 개구를 통한 고체유동을 제어한다. 개구들을 통한 가스유동은 연소실내의 2차 대기 또는 그와 유사한 것으로서 사용될 수 있다. 또한 부가적인 개구들이 주로 귀환덕트로부터 연소실내로 가스를 도입하기 위하여 귀환덕트 및 연소실 사이의 공통벽에 보다 높은 위치에 형성될 수 있다.

입자들 및 상내에 배치된 열전달 표면들 사이의 열전달이 가능하도록 열교환기내의 입자상들이 유동화된다. 유동화가스는 가능하면 귀환덕트로부터 가스유동개구들을 통하여 유동상 위로 배출되는 것이 바람직하다. 유동화가스가 입자분리기내로 유동하는 것을 막기 위해서 기체 밀봉부가 귀환덕트 및 분리기 사이에 배치될 수 있다. 가스 밀봉부는 분리기의 기저덕트내에 배치된 입자들의 상을 형성한다. 기저덕트는 가능하면 고체 유동밀봉부에 의하여 귀환덕트와 연결되는 것이 바람직하다. 고체 유동밀봉부는 가능하면 입자들이 기저덕트로부터 기환덕트내로 멋대로 유동하는 것을 막는, 기저덕트 및 귀환덕트 사이의 공통벽내에 하나가 다른것위에 겹쳐 적층된, 2개 또는 그 이상의 수직으로는 좁은 수평 슬롯형 개구들을 포함한다.

과열기 표면등과 같은, 입자들로부터 열전달 표면으로의 열전달은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 유동화가스에 의하여 제어된다. 열전달표면 주위에 입자들의 증대된 유동화가스 유동 및 증대된 운동은 열전달을 증가시킨다. 열전달제어용의 대기 또는 불활성가스와 같은 가스가 여러개의 개별 노즐들을 통하여 도입될 수 있다.

본 발명의 또다른 실시예에 따르면, 상표면으로부터 하향으로 상의 기저부에 있는 고체입자 입구들로, 고온 고체입자들이 상을 통하여 유동하는 것을 제어함으로써 열전달이 제어될 수 있다. 이는 고체입자 입구들을 통한 고체입자들의 재도입을 제어하는 이송가스의 유동을 제어함으로써 달성된다. 귀환덕트내로 도입되는 고체입자들의 잉여부분 및 열전달에 불필요한 부분은 연소실내로 범람함으로써 재도입된다.

상표면 아래의 고체입자 입구(들)을 통하여 이송되는 고체물질의 양을 감소시키고 그에 따라서 연소실내로의 입자유동을 증가시킴으로써, 입자들의 증대된 분량이 연소실내로 재도입되기 이전에 고체입자들의 상표면 높이에 도달한다. 따라서 고체입자들의 감소된 분량은 열전달표면과 접하고 있는 상을 통하여 유동한다. 따라서, 상내의 온도가 감소하고, 입자들과 열전달표면 사이의 보다 낮은 온도차로 인하여 열전달도 또한 감소한다.

고체입자 입구(들)을 통하여 이송되는 고체물질의 양을 증가시킴으로써, 새로운 고온 고체물질의 증가분이 상을 통하여 계속적으로 이송될 수 있어서 온도를 높이고 따라서 상내의 열전달을 향상시킬 수 있다.

귀환덕트의 기저부에서 상은 고체물질이 연소실내로 재도입됨에 따라서 천천히 하향이동하고 새로운 물질이 상의 맨위에 계속해서 누적된다. 따라서 상의 높이는 본 발명의 제 3 실시예에 따르면 연소실내로 재도입되는 이송가스를 제어함으로써 과유동개구를 가지지 않은 열교환실내에서 제어될 수 있다. 몇몇경우에 있어서, 상의 높이가 열전달을 제어하는데 이용될 수 있다.

고체입자들의 배리어(barrier) 상 부분이 상표면 아래 고체입자입구 및 열교환실의 열전달 섹션의 유동화 가스입구들 근처에 있는 이송가스 입구들 사이에 유지된다. 이송가스 입구에 가까운 배리어상은 이송가스가 바람직한 열전달을 방해하는 것을 막는다. 이와동시에 열전달 섹션내에 보유된 고체입자들의 배리어 상 부분은 유동화가스가 상을 통하여 고체입자들의 이송을 방해한다. 대부분의 경우, 이러한 목적들은 단일한 배리어 상 부분을 사용하여 달성된다.

이송가스입구들 및 유동화가스 입구들 사시에 적당한 배리어 상을 보다 손쉽게 제공하기 위하여 열교환실은 경사지거나 계단식인 기저부를 가질 수 있다. 구획벽은 열전달 및 입자 이송섹션들사이의 경사진 기저부상에 배치될 수 있다. 유동화 가스가 상향 경사진 기저부를 통하여 열전달 섹션내로 도입된다.

이송가스는 경사진 기저부의 하부를 통하여 도입된다. 예를들어 약간만 유동화된 입자들의 배리어상의 경사진 기저부의 하부상에 보유되는 것이 바람직하다.

본 발명은 이송가스 또는 유동화가스가 상호 교란하는 것을 막기 위하여, 배리어 상이 기저부에 형성될 수 있도록 주의를 기울일 수 있는 한은 수평기저부로 된 귀환덕트를 가진 반응기 시스템내에 적용될 수 있다.

본 발명의 또다른 양상에 따르면 열교환실이 계단식 기저부를 가질 수 있는데, 이때 열전달섹션 및 고체입자 입구들은 상이한 레벨들에 배치된다. 열전달 섹션은 고체입자들의 배출보다 높은 레벨에 배치된다. 고체입자 입구들은 열교환실의 하향으로된 덕트나 채널부내로 개방될 수 있으며, 상기 채널부는 연소실로 연결된다.

입자들은 가능하면 열교환실로부터 연소실내로 직접 재도입되지만, 필요하다면 이후 연소실로 이어지게되는 중개실을 경유하여 재도입될 수 있다.

본 발명은 고부하 및 저부하 양쪽 조건 모두에서 열전달 제어에 중요한 개선을 가져온다. 바람직한 열전달 용량을 달성하기 위하여 고부하조건 및 저부하조건 모두에서 고체물질의 충분히 큰 유동이 열교환실내에 유지된다.

열전달 구역 내 가스 공간은 주로 알카리성이나 염화 또는 기타의 부식성 가스 성분들을 포함하고 따라서 과열에 매우 유리한 조건을 제공한다. 따라서 이 구역의 과열기는 연소실 자체내에 만연되어있는 부식성 조건들에서 상당히 더 높은 온도까지 가열될 수 있다. 따라서 500℃가 넘고 심지어는 550℃가 넘는 증기가 연료를 함유한 부식성 가스성분들의 연소시에 생성될 수 있다.

열을 과열용으로 활용하는 웨이스트(waste)/RDF연소보일러에 있어서의 문제점은 특히 다양한 종류의 부식을 유발하는 성분들을 함유한 순수하지 않은 가스 때문이다. 본 발명은 과열기 표면이 고온의 순환 물질과 안전한 가스대기에서 접촉하는 시스템을 제공함으로써 이 문제점을 극복한다. 또한 열교환실내에 느린(1m/s 미만의 기체속도를 갖는) 기포상을 사용함으로써 부식이 최소화된다. 열 전달 표면에 충돌하는 입자들은 매우 낮은 충격속도를 가진다. 부가적으로, 귀환덕트상의 부식은 상물질의 작은 입자 크기 덕분에 비교적 낮다.

본 발명에 따르면, 고체상실의 사이 열전달섹션 및 경사 기저부(또는 귀환덕트의 개별적인 하부출력채널부)에 의하여 고체입자 입구들과 인접한 고체입자 배출섹션으로 분할되고 다음과 같은 현저한 장점이 달성된다.

기계적인 손상 및(열전달이 감소되는 등의) 기타의 문제들을 유발할 수 있는 큰 입자들(예를들면 재 입자들, 상 내에 형성된 덩어리 또는 귀환덕트벽으로부터 떨어져나온 내화물질 등등)이 중력에 의하여 유동화 가스 입구의 레벨 아래로 귀환덕트에서 하향으로 떨어져서 열전달 구역으로부터 벗어난다.

본 발명은 매우 간단하고 소형인 CFB보일러구조를 제공한다. 분리기 및 귀환덕트를 포함하는 전체 재순환 시스템은 주로 부분적으로나마 평행한 수직 수관벽 패널들 2개가 그들사이에 거의 수직인 채널을 형성하여 구성된다. 채널은 가능하면 연소실과 공통인 한개의 벽을 가지는 것이 바람직하다. 상기 채널은 일반적으로 상부에 분리기를 가지며, 중앙부에는 귀환덕트를, 최하부에는 고체 상실을 갖는다. 고체 입구들, 과유동개구들 및, 귀환덕트를 연소실과 연결하는 기타의 가스 및 고체물질 통로들이 예를들면 프레임형 구조로서 공통벽에 미리 제작될 수 있다. 그러한 프레임 구조는 또한 멤브레인 벽 측에도 또한 용이하게 연결될 수 있다.

특히 본 발명은 최소한 대기 압력의 2배가되는, 대기압력을 상당히 넘는 압력에서 구동되는 가압 유동상 시스템들에 특히 유리하다. 이는 부가적인 열전달 표면들이 압력용기내의 보통 비어있는 공간내 귀환덕트내에 위치될 수 있으며 부가적인 열전달이 비교적 적은 가스유동에 의하여, 즉 적은 장비에 의하여 제어될 수 있기 때문이다. 본 발명은 압력용기에 내장되기 쉬운 소형의 연소시스템을 제공한다.

[도면의 간단한 설명]

하기 첨부된 도면을 참고로한 예제에 의하여 본 발명을 좀더 설명하기로 한다.

제1도는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 CFB장치를 통한 개략적인 수직 섹션을 도시한 것이다.

제2도는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 CFB장치를 통한 수직단면을 도시한 것이다.

[발명의 상세한 설명]

제1도 내부에 고속의 입자유동을 가진 연소실(12)을 가지는 순환 유동상 연소기(10)를 도시한 것으로 유동화 및/또는 연소가스(대기)를 참조번호(11)로 소개했다. 입자분리기(14)가 연소실(12) 상부로 연결되어서 연소실로부터 배출된, 연소가스와 고체물질의 혼합물에 실린 입자들을 분리한다. 분리기로부터 분리된 고체물질을 연소실(12) 하부내로 재순환시키기 위하여 귀환덕트(16)가 제공된다. 배출개구(18)는 입자분리기(14)를 연소실(12)과 연결한다. 가스출수(20)가 입자분리기(14)내에 배치된다.

연소실(12)의 벽들(22,24), 분리기(14)의 벽들(22,26,28) 및 귀환덕트(16)의 벽들(30,22)은 주로 수관이나 멤브레인 패널로 이루어진다. 연소실(12) 및 귀환덕트(16)의 벽들(22,24,30) 하부(22a,24a)는 내화 라이닝(32)에 의하여 보호될 수 있다.

분리기(14) 및 귀환덕트(16)는 연소실(12)의 한쪽 측벽(22)에 연결되고, 이로써 완전한 구조물을 형성한다. 분리기(14) 및 귀환덕트가 측벽(22)에 평행하게 배치된 수직관 패널(23)과 측벽(22)간의 공간내에 형성된다. 따라서 측벽(22)은 분리기(14)내의 한개벽과 귀환덕트(16)내의 한개 벽을 형성한다. 측벽(22) 하부의 하향경사진 부분은 귀환덕트(16) 및 연소실(12)간에 공통벽(22a)을 형성하고 측벽(22)의 상부는 분리기(14) 및 연소실(12)간의 이중벽 구조물(22b)의 한부분을 형성한다. 수직관 패널(23)은 분리기(14) 및 귀환덕트(16)의 (벽22로부터) 반대편 벽을 형성한다. 수직 관 패널(23)의 상부는 분리기(14)의 외벽(26)을 형성하고 관 패널(22)의 하부는 귀환덕트(16)의 외벽(30)을 형성한다. 내부의 가스/고체 부유물내에 도입된 가스들과 고체들을 분리하는 사이클론 효과를 제공하기 위하여 측벽(22)으로부터 바람직한 거리만큼 떨어져서 수직관 패널(23)이 제공된다. 보다 작은(고체 유동에 필요한) 단면적을 가진 귀환덕트채널(60)을 제공하기 위하여 수직관 패널(23)은 그의 중앙부에서 측벽(22)을 향하여 구부러진다.

분리기(14) 및 연소실(12)사이에 이중벽 구조물을 제공하기 위하여 제 2관 패널(34)로 이루어진 내벽(28)은 가능하면 측벽(22) 및 외벽(26) 사이의 분리기(14)내에 배치되는 것이 바람직하다. 하부 헤더(28´)가 관 패널(34)에 제공되어 이를 유체 재순환 시스템으로 연결한다. 내벽(28) 및 측벽(22) 상부(22b) 사이의 가스공간(29)은 연소실(12), 입자분리기(14) 및 귀환덕트(16)의 가스공간과 분리되어 가스가 새지 않는 공간이다. 몇몇 응용예에 있어서는 이중벽 구조물이 없으며 따라서 내벽(28)이 필요하고, 이러한 경우 측벽(22) 상부가 분리기(14)와 연소실(12) 사이에 공통벽을 형성할 수 있다. 본 발명의 또다른 대체 실시예(제2도 참조 -- 제2도의 부품은 제1도에서와 동일한 참조번호로 지시됨)에 있어서, 분리기(14) 및 귀환덕트(16)의 이중벽 구조물은 귀환덕트(16)의 외벽(26)을 이루는 관 패널에 의하여 형성될 수 있고 상기 관 패널은 그를 유동 재순환시스템으로 연결하기 위한 헤더(26´)를 가진다. 중개 수직관 패널(도시안됨)이 측벽(22)에 평행하게 제공될 수 있어서 그 사이의 공간을 형성하고, 측벽(22) 및 중개관 패널간 공간은 그 상부에서 분리기를 위한 이중벽 구조물 또는 내벽을 형성하고 그 하부에서는 귀환덕트를 형성한다. 그런다음 개별적인 2차 관패널이 1차 관패널 상부의 외부상에 연결되어서 분리기를 형성한다.

귀환덕트(16…제1도 참조)의 하부에서, 내부에 고체입자들의 상(38)을 가진 열교환실(36)이 제공된다. 열교환실(36)이 측벽(22)의 경사부의 상당히 아래에 형성되고, 따라서 열교환실(36)은 그위의 귀환덕트(16)보다 더큰 단면적을 갖는다.

상(38)은 되도록이면 열교환실(36) 내 재순화입자들의 기포상(38)인 것이 바람직하다. 상을 유동화하기 위한 가스가 유동화 가스 노즐들(39)을 통하여 도입된다. 열 전달 표면들(예를들면 관등등)(40)이 상(38)에 제공된다.

제1유형의 고체입자 입구(42)가 공통벽(22) 하부에 형성되어 열교환실(36)으로부터 연소실(12)내로 고체입자들이 이송되도록 허용한다. 제1유형의 고체입자 입구들(42)은 제1도에 도시된 바와같이 하나가 다른것위에 겹쳐 배치된 통로 또는 개구들(44)로 구성된다. 입구들(42)을 통하여 고체입자들을 이송하기 위하여 가스노즐들(45)을 통하여 이송가스가 도입된다.

귀환덕트(16)의 기저부가 계단식이고, 열전달 섹선(36)이 그위에 배치되고, 고체입자 입구들(42)을 통하여 고체입자들을 배출하기 위하여 상기 계단식 기저부(46)의 최하섹션에 개별적인 하부 섹션(48)을 가진다.

유동화가스 또는 이송가스가 상호 교란하는 것을 방지하여서 열전달의 바람직한 제어를 도모하기 위하여 입자들의 배리어 상(50)이 고체입자 입구(42) 및 열 전달섹션(36) 사이에 보유된다.

고체물질을 직접 연소실(12)로부터 귀환덕트(16)내로 도입하기 위한 통로(52)가 공통벽(22a)내 고체입자 상(38) 위에 배치된다. 연소실(12)내를 순환하는 고체물질, 특히 연소실(12) 벽을 따라 하향유동하는 고체물질은 통로(52)를 통하여 열교환실(36)내로 유동한다. 예를들면 다양한 형태의 립(lip;54) 등의 형태를 띤 안내수단(54)이 연소실(12)내에 형성될 수 있어서 고체 유동을 통로(52)쪽으로 안내하거나 고체 통로(52)의 단면적보다 큰면적으로부터 고체입자들을 귀환덕트내로 수집한다. 통로(52) 앞의 스크린(도시안됨)등의 수단이 제공되어서 바람직한 크기보다 큰 입자들이 통로(52)내로 유동하는 것을 방지한다.

특히 고부하조건들에서, 통로(52)는 또한 귀환덕트(16)로부터 연소실(12)내로 고체입자들을 재도입하기 위한 고체입자 입구의 과유동형태로서 사용된다. 고부하조건에서 연소실(12)로부터 입자가 범람함으로써 고체입자들이 연소실(12)로부터 귀환덕트(16)내로 유동하는 것을 막을수 있다. 고부하조건들에서 일반적으로 충분한 고체물질이 고체 분리기(14)를 통하여 귀환덕트(16)내로 이미 순환하고 있다. 통로들(52)을 통한 고체물질의 유동방향 및 유동속도가 예를들면 통로(52)내로 가스를 주입하는 등으로 가스 유동에 의하여 주변 체적의 바람직한 점까지 제어될 수 있다.

또는 고체입자들을 연소실(12)로부터 귀환덕트(16)내로 도입하기 위한 개별통로들 및, 고체입자들을 귀환덕트(16)로부터 연소실(12)내로 재도입하기 위한 과유동개구들이 사용될 수 있다. 만일 상이한 통로들과 과유동개구들이 사용된다면, 그들이 상이한 수직 및/또는 수평 위치들에 배치될 수 있으며, 고체입자들을 귀환덕트(16)내로 도입하는 어떤 통로가 되도록이면 과유동개구 위에 배치된다. 통로들 또는 과유동개구들은 또한 귀환덕트로부터 연소실(12)내로 가스를 배출하는데에도 또한 사용될 수 있다.

제1도의 실시예에서, 개별 가스 입구들(56)이 상(38)의 상부면 위의 어떤 레벨에 공통벽(22)내에 배치되는데, 이는 귀환덕트(16)의 가스공간(16˝)으로부터 연소실(12)내로 가스를 배출하기 위한 것이다.

연소실(12)의 측벽들(22,24) 하부들(22a,24a)은 되도록 그 상부에서 수직방향과 대략 15-40°의 각도를 이루는 등으로 경사져서 연소실(12) 상부에서보다 하부에서 더 작은 단면적을 제공하도록 하는 것이 바람직하다. 이는 연소실(12) 하부에서 보다 높은 유동 속도를 결과시키며 내부의 고체물질이 매우 활발하게 운동하도록 한다. 이는 고체입자들이 통로(52)를 통하여 귀환덕트(16)내로 직접 유동하는 것을 향상시킨다. 몇몇 응용예에서는, 가스가 연소실 하부내로 주입되어서 연소실(12)내 바람직한 위치에 고체물질의 분출구 또는 원천을 제공한다. 이러한 분출구들은 고체물질을 귀환덕트(16)내로 도입하는 통로(52)쪽으로 고체물질을 안내하는데에 사용된다.

귀환덕트(16) 상부 및 입자분리기(14) 사이에는 가스가 귀환덕트(16)로부터 분리기(14)내로 유동하는 것을 방지하기 위한 목적으로 가스 밀봉부(58)가 제공된다. 가스 밀봉부(58) 구조물은 분리기(14) 기저부에 형성된 덕트(60), 덕트(60)와 귀환덕트(16)상부 사이의 인입개구(62) 및 덕트(60)내에 상을 형성하는 고체입자를 포함한다. 상(64)내의 입자들은 노즐들(31)을 통하여 도입된 가스가 첨가된 유동화가스이며 노즐들(31´)을 통해 도입된 가스에 의하여 실(16˝)으로 이송된다. 인입개구(62)는 수직으로는 좁은 수평 슬롯들으로서 덕트(60) 및 귀환덕트(16) 간의 밀봉부를 형성한다. 상기 고체 유동 밀봉부는 분리기(14)로부터 귀환덕트(16)로 고체가 멋대로 유동하는 것을 방지하여서 바람직한 가스 밀봉부를 제공하는 바람직한 상 레벨이 덕트(60)내에 보유됨으로써 가스가 덕트(16˝)로부터 분리기(14)내로 유동하는 것을 방지하도록 한다.

가능하면 전체 시스템(10)이 일반적으로 대기압력의 최소 2배인 과대기 압력에서 가압유지되는 것이 바람직하다.

이제까지 본 발명의 가장 실용적이고 바람직한 실시예와 관련하여 본 발명을 기술하여 왔으나, 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 국한되지 않으며 다양한 변형 및 등가의 장치들을 포괄하도록 의도된다.

예를들면 상기 기술된 순환 유동상 시스템은 다수의 귀환덕트를 포함하고, 그들 중 한개 또는 몇개만이 상기 언급된 실(36)과 같은 열교환실을 포함할 수 있다.

또한 다수의 열교환 섹션들이 귀환덕트 하부에 수평으로 측벽(22)을 따라 차례로 배치될 수 있다. 고체물질이 열교환섹션들 간의 위치내로 귀환덕트내로 도입될 수 있으며/있거나 고체물질이 열교환기섹션들 내에 또는 그들사이위치에 배치된 고체입자 입구들이나 과유동개구들을 통하여 귀환덕트로부터 배출될 수 있다. 따라서 본 발명은 첨부된 특허 청구의 범위의 가장 광범위한 해석을 전제로 한 모든 등가의 방법 및 장치를 포괄한다.

Claims (23)

1. - 내부에 고체입자들의 유동상을 가진 연소실; - 연소실 상부에 있는 배출개구에 연결된 입자분리기; - 그의 상부에서 입자분리기에 연결되고 그 하부에서 연소실로 연결되는 귀환덕트; - 귀환덕트 하부에 형성된, 연소실과 공통인 벽 섹션을 가지는 열교환실; 및 - 공통벽 섹션내의 고체입자 입구를 이용하는 순환 유동상시스템을 구동하는 방법에 있어서, (a) 고체입자들의 고속유동상을 연소실내에 설치하여서 연도 가스 및 그에 실린 고체입자들을 포함하는 입자부유물이 연소실내를 상향 유동하도록하고 배출개구를 통하여 배출되도록하는 단계; (b) 입자분리기내에서 상기 입자 부유물로부터 고체입자들을 분리하는 단계; 및 (c) 분리된 고체입자들을 귀환덕트내로 보내는 단계를 포함하고, (d) 그 하부에 열교환실을 가진 귀환덕트 내에 고체입자들의 상을 설치하는 단계; (e) 연소실과 공통벽 섹션을 가지는 열교환실로부터 직접 연소실내로 공통벽 섹션내에 배치된 고체입자 입구를 통하여 고체입자들을 재도입하는 단계 및 (f) 직접 연소실로부터 귀환덕트의 하부로 공통벽 섹션내 통로를 통하여 부가적인 고체입자들을 도입하는 단계를 특징으로 하는 순환 유동상시스템을 구동하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 단계(d)가 고부하조건에서 주로 입자 부유물로부터 분리된 고체입자들을 내부에 수집함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 순환 유동상시스템을 구동하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 공통벽이 내부에 통로를 가지는것과, 저부하 조건들에서 주로 연소실 측벽 주변을 유동하는 입자들을 수집함으로써 열교환실내에 고체입자의 유동상을 보유하는 또하나의 단계를 포함하고 상기 입자들은 측벽에 수평으로 또는 경사각을 이루어서 또는 수직으로 유동하며 그들을 귀환덕트내로 벽의 통로를 통하여 보내는 것을 특징으로 하는 순환 유동상시스템을 구동하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 공통벽이 내부에 통로를 가지는 것과, 상기 단계(f)가 고체입자입구 위의 통로를 통하여 열교환실내로 부가적인 고체입자들을 도입함으로 수행되는 것을 특징으로 하는 순환 유동상시스템을 구동하는 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 단계(f)가 또한 연소실 하부의 경사진 벽 부분내 통로를 통하여 고체입자들을 열교환실내로 도입함으로서 수행되는 것을 특징으로 하는 순환 유동상시스템을 구동하는 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 단계(e)가 열교환실 상표면 아래에 배치된 수개의 수직으로 좁은 거의 수평인 슬롯들을 통하여 열교환실로부터 연소실 내로 고체입자들을 재도입함으로써 수행되고 상기 슬롯들은 공통벽내에 하나가 다른것위에 겹쳐 배치되는 것과, 고체 유동밸브가 열교환실내 유동상 및 연소실내 유동상 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 순환 유동상시스템을 구동하는 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 단계(e)가 공통벽내 과유동개구를 통하여 열교환실로부터 연소실 내로 고체입자들을 재도입함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 순환 유동상시스템을 구동하는 방법.
8. 제1항에 있어서, - 열전달 표면들이 열교환실내 고체입자상의 열전달 섹션내에 배치되는 것: - 고체입자입구들이 상의 다른섹션의 상 레벨 아래에 배치되는 것 및 - 상기 다른 섹션이 고체입자들의 배리어상에 의하여 열 전달섹션으로부터 분리되는것을 특징으로 하는 순환 유동상시스템을 구동하는 방법.
9. 제1항에 있어서, 열교환실을 통한 입자유동을 제어함으로써 열교환실내의 열전달을 제어하는 것을 특징으로 하는 순환 유동상시스템을 구동하는 방법.
10. 제1항에 있어서, 귀환덕트 상부 및 입자분리기 사이에 가스밀봉부를 제공하는 것을 특징으로 하는 순환 유동상시스템을 구동하는 방법.
11. 순환 유동상 반응기 시스템에 있어서, - 내부의 입자 고속유동상, 상부, 상부로부터의 배출개구 및 하부를 가지는 연소실; - 상기 연소실 내로 유동화가스를 도입하기 위한 수단; - 상기 배출개구를 통하여 연소실로부터 배출된 입자부유물로부터 고체입자들을 분리하기 위하여 배출개구에 연결된 입자분리기; 및 - 상부 및 하부를 가지며 그 상부에서는 상기 입자분리기로 연결되고 하부에서는 상기 연소실로 연결되는, 입자분리기로부터 분리된 고체입자들을 상기 연소실하부내로 재순환시키기 위한 귀환덕트를 포함하고, - 상기 귀환덕트 하부에 형성하고 내부에 고체입자의 상을 가지는, 귀환덕트를 통하여 재순환되는 고체입자들로부터 열을 회수하기 위한 열교환실; - 상기 연소실 및, 상기 귀환덕트의 적어도 상기 열교환실부분에 공통인 벽섹션; - 열교환실로부터 연소실 내로 고체입자들을 도입하기 위한, 상기 공통 벽섹션내의 고체입자 입구; 및 - 직접 상기 연소실로부터 상기 열교환실 내로 고체입자들을 도입하기 위한 수단을 특징으로 하는 순환 유동상 반응기 시스템.
12. 제11항에 있어서, 직접 상기 연소실로부터 상기 열교환실내로 고체입자들을 도입하기 위한 수단이 상기 고체입자 입구위에 상기 열교환실과 상기 연소실 사이의 공통벽섹션에 형성된 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 순환 유동상 반응기 시스템.
13. 제12항에 있어서, 고체입자들을 수집하고 그들을 상기 공통벽센셕내 통로쪽으로 보내기 위하여 연소실내에 수집수단이 배치되는 것을 특징으로 하는 순환 유동상 반응기 시스템.
14. 제12항에 있어서, 상기 공통벽 섹션이 경사지고 상기 열교환실의 상부가 상기 공통벽섹션으로 덮이도록 배치되는 것을 특징으로 하는 순환 유동상 반응기 시스템.
15. 제11항에 있어서, 상기 고체입자입구가 상기 열교환실내 상의 상부표면아래에 배치되고 상기 열교환실로부터 상기 연소실내로의 고체유동을 제어하기 위한 고체유동밀봉부를 포함하는 것을 특징으로 하는 순환 유동상 반응기 시스템.
16. 제11항에 있어서, 고체유동입구를 이루는 과유동개구가 고체입자들이 범람에 의하여 상기 열교환 섹션으로부터 상기 연소실까지 유동하도록 허용하기 위하여 상기 공통벽섹션내에 배치되는 것을 특징으로 하는 순환 유동상 반응기 시스템.
17. 제11항에 있어서, 상기 시스템이 상기 열교환실 기저부내로 유동화가스를 도입하기 위한 수단, 및 상기 연소실내로 유동화가스를 배출하기 위하여 귀환덕트 및 연소실 사이의 공통벽내에 배치되는 가스유동개구를 포함하는 것을 특징으로 하는 순환 유동상 반응기 시스템.
18. 제11항에 있어서, 상기 귀환덕트의 하부로부터 상기 입자분리기내로 가스가 유동하는 것을 막기 위하여 상기 귀환덕트의 상부에 가스밀봉부가 배치되는 것을 특징으로 하는 순환 유동상 반응기 시스템.
19. 제11항에 있어서, 상기 연소실이 봉입물을 형성하는 주로 수직인 다수의 제1관 패널들 및 주로 수직인 제2관 패널을 포함하고 상기 입자 분리기, 상기 귀환덕트 및 상기 열교환실이 상기 제1관 패널들중 하나와 상기 제2관 패널 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 순환 유동상 반응기 시스템.
20. 제11항에 있어서, 상기 연소실이 봉입물을 형성하는 주로 수직인 다수의 제1관 패널들 및 주로 수직인 제2관 패널을 포함하고 상기 입자분리기, 상기 귀환덕트 및 상기 열교환실이 상기 제1관 패널들 중 하나와 상기 제2관 패널 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 순환 유동상 반응기 시스템.
21. 제11항에 있어서, 상기 연소실이 봉입물을 형성하는 주로 수직인 다수의 제1관 패널들 및 주로 수직인 제2관 패널을 포함하고 상기 귀환덕트 및 상기 열교환실이 상기 제1관 패널들 중 하나와 상기 제2관 패널 사이에 형성되며, 또한 주로 수직인 제3관 패널을 포함하고 상기 입자 분리기가 상기 제2관 패널과 상기 제3관 패널 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 순환 유동상 반응기 시스템.
22. 제11항에 있어서, 상기 연소실, 입자분리기 및 열교환실이 모두 대기압력이 최소 2배인 압력에 놓이는 것을 특징으로 하는 순환 유동상 반응기 시스템.
23. 제1항에 있어서, 상기 단계들 (a)-(f)이 대기압력이 최소 2배인 압력에서 수행되는 것을 특징으로 하는 순환 유동상 시스템을 구동하는 방법.