KR100353138B1 - 분할형유동층수관보일러 - Google Patents

Abstract

연속성의 수관벽으로 형성된 유동층을 포함하는 유동층 연소구간, 유동층 연소구간에서 발생된 휘발성분을 연소하는 프리보드구간, 그리고 열을 연소배기가스로부터 회복하기 위해 수관을 통해 프리보드구간의 하류측에 접속된 스팀드럼과 물드럼으로 구성된 대류열 전송구간으로 구성되어 있는 유동층 수관 보일러: 상기 유동층 연소구간과 프리보드구간은 서로에 접속된 분리가능한 모듈로 형성되고, 유동층 연소구간과 대류열 전송구간 사이에서의 보일러 물의 순환을 프리보드구간과 대류열 전송구간 사이에서의 것과 분리되는 것을 특징으로 한다.

Description

분할형 유동층 수관보일러

(기술분야)

본 발명은 유동층 보일러에 관한 것으로서, 특히 최소한 유동층벽이 수관으로 구성된 유동층 수관보일러(fluidized bed water tube boiler)에 관한 것이다.

(종래기술)

유동층 수관보일러는 유동층연소섹션, 프리보드섹션(freeboard section) 및 대류열전달섹션을 포함하여 이루어진다. 먼저, 제 8도를 참조하여 종래의 유동층 수관보일러가 설명된다.

제 8도에 있어서, 유동층 수관보일러는 공통의 수관벽(11)으로 형성된 유동층연소섹션(1)과 프리보드섹션(2)을 포함하여 이루어진다. 유동층연소섹션(1)내에서 발생된 연소가스는 프리보드섹션(2)를 통과한 다음, 보일러내에 마련된 대류열전달섹션(3)으로 도입된 후, 열교환된 후에 배기가스출구(10)를 통해 외부로 배출된다.

보일러물은 물드럼(water drum; 5)으로부터 인도되고, 공통 수관벽(11)을 따라 올라가, 스팀드럼(steam drum; 4)으로 들어간다. 대류열전달섹션(3)에 있어서, 보일러물은 대류열전달섹션의 후방벽(13)내의 관을 통해 하강이동하여 물드럼(5)으로 들어가고, 그 후 가열되면서 대류열전달섹션내의 열전달관(14)을 통해 상승이동하여 스팀드럼(4)에 되돌아온다. 이로 인해, 유동층 수관보일러는 스팀드럼, 물드럼 및 수관이 보일러물을 순환시키도록 상호작동하게 구성된다. 발생된 스팀은 스팀출구(27)를 통해 배출된다.

제 8도에 도시된 유동층 수관보일러의 작동에 있어서, 유동공기는 유동공기 입구(6)를 통해 에어플리넘(air plenum; 7)내로 도입된다. 그 후, 공기는 노(爐) 바닥에 마련된 유동공기 분산노즐(9)을 통해 3 Uo/Umf~12 Uo/Umf로 유동층연소섹션내로 불어 넣어져, 유동층연소섹션내의 유동매체가 유동화된다. 연료는 연료공급 포트(28)를 통해 가열된 유동매체에 공급된다.

유동층연소섹션내에서 연료가 연소되는 동안, 유동층내에서 가열되어 생성된 연소 가능한 폭발성 성분뿐만 아니라, 아직 연소되지 않고 유동층내에 존재하는 연료분말이 프리보드섹션에 공급된 2차 공기로 더욱 연소된다. 프리보드섹션의 상부로부터 화살표(⇒)방향으로 배기가스가 배출된 다음, 상부로부터 대류열전달섹션(3)으로 유입된 후, 대류열전달섹션(14)내의 보일러물을 가열한 후 배기가스 출구(10)를 통해 외부로 배출된다.

또한, 제 8도에 있어서 참조번호(8)는 유동층의 내부연소 표면을 보호하는 내화성물질을 지시하고, 참조번호(15')는 수관을 구부림으로써 형성된 유동층내의 열전달관을 지시한다.

반면, 유동층이 와류형으로 되어 있고, 또는 경사진 격벽이 와류 유동층내에 설치되어, 경사진 격벽의 후방표면과 노벽 사이에 열회수챔버를 형성하는 여러 형태의 유동층 수관보일러가 공지되어 있다.

연소될 연료와 재료의 종류에 따라 연소율과 다른 요소(factor)가 다르기 때문에, 사용되는 연료와 연소물에 대해 적용되도록 보일러가 설계된다. 특히, 프리보드가 중요한 역할을 하기 때문에, 그 체적 및 형태는 사용에 따라 다른 설계사항으로 만들어진다.

따라서, 일단 노가 작동중이면 연료를 교환하기가 어렵다. 산업폐기물을 연소시키는 경우에 있어서, 배기가스 특성이 연소되는 폐기물의 성질의 변화에 따라 저하되는 문제가 있다.

유동층 보일러는 여러 종류의 연료에 적합하도록 설계되고, 저등급 석탄 및 산업폐기물과 같은 광범위한 물질을 연소하는데 이용될 수 있다. 그러나, 이러한 유동층 보일러의 이점은 상기 언급한 이유로 아직 완전히 이용되고 있지 않다.

또한, 이용되는 연료에 따라 설계가 결정되기 때문에, 중간크기와 소형의 유동층 보일러에 대해서도 표준설계를 만드는 것이 어렵다.

이러한 문제점은 기본적으로 수관 보일러 자체의 성질탓이다. 더욱 상세하게, 수관보일러는 구조와 기능면에서 우수하고, 산업용 또는 공익용으로 오늘날 이용되는 대부분의 보일러는 수관보일러이다.

수관 보일러의 설계에 관하여, 수관벽과 열전달관을 통해 보일러물을 적당하게 순환시키는 것이 중요하다. 이로 인해, 보일러의 형태 및 구조는 이러한 관점과 사용되는 연료의 성질과 예상되는 연소수준에 따라 결정된다.

따라서, 만약 노가 작동된 후 연료를 교환하면, 일반적으로 연소와 배기가스의 특성면에서 저하가 초래된다. 수관 자체는 보일러의 일체적인 부분이고 압력부로서 기능하기 때문에, 이러한 문제를 해결하기 위해 보일러의 프리보드 구조를 교환하는 것은 어려우며 비용이 많이든다. 또한, 물순환은 이러한 재구성후에 적당한 수준으로 유지되어야 한다.

유동층 수관보일러가 석탄과 같은 고형연료를 연소하는데 종종 이용되지만, 유동층 수관보일러의 노하중(furnace load)은 중유보일러 또는 가스연료보일러의 노하중보다 더 작고, 배기가스내의 재(ash)문제를 해결하기 위해 대류열전달섹션에서 낮은 흐름속도를 필요로 한다. 이것은 유동층연소섹션, 프리보드섹션 및 대류열전달섹션의 크기증가로 이어진다. 이로 인해, 10T/H∼20T/H 스팀레벨의 보일러조차도, 수송한계로 인해 현장에서 조립되어야만 한다.

한편, 10T/H~20T/H 등급의 중유보일러 또는 가스연료 보일러는 공장에서 제조되어, 추가조립의 필요없이 완성된 생산품으로서 현장으로 수송될 수 있다. 따라서, 이들 보일러는 비용과 구성효율면에서 유동층 수관보일러 보다 우수하다. 결과적으로, 유동층 수관보일러는 석탄 연소에 일반적으로 이용되지 않았다.

본 발명은 상기된 문제점을 해결하기 위한 것이다. 이러한 목적을 위해, 간단히, 본 발명은 유동층연소섹션, 프리보드섹션 및 (원한다면) 대류열전달섹션을 분리 및 분할 가능한 방식으로 형성함으로써 구성된다. 대류열전달섹션과 유동층 연소섹션의 수관 사이에, 그리고 대류열전달섹션과 프리보드섹션의 수관 사이에, 대류열전달섹션의 물을 서로에 독립적으로 순환시키도록 설계된다. 더욱 상세하게, 본 발명은 다음의 (1) 내지 (10)의 10개의 발명으로 이루어진다.

(1) 연속적인 수관벽으로부터 형성된 유동층을 포함하는 유동층연소섹션; 상기 유동층연소섹션내에서 발생된 휘발성분을 연소하는 프리보드섹션; 및 연소배기가스로부터 열을 회수하기 위해 수관을 통해 상기 프리보드섹션의 하류측에 연결된 스팀드럼과 물드럼으로 구성된 대류열전달섹션을 포함하여 이루어지는 유동층 수관보일러에 있어서, 상기 유동층연소섹션과 상기 프리보드섹션이 서로에 연결된 분리가능한 모듈로서 형성되고, 상기 유동층연소섹션과 상기 대류열전달섹션 사이의 보일러 물순환이 상기 프리보드섹션과 상기 대류열전달섹션 사이의 물순환과 분리되는 것을 특징으로 하는 유동층 수관보일러.

(2) 상기 (1)에 있어서, 상기 유동층연소섹션과 상기 프리보드섹션 사이의 경계 근처의 상기 수관벽을 둘러싸도록, 프리보드섹션 하부헤더와 유동층연소섹션 상부헤더를 포함하여 이루어지는 2개의 대류헤더가 제공되고, 상기 유동층연소섹션과 상기 프리보드섹션은 상기 두 헤더 사이에서 분리 가능하며, 상기 유동층연소섹션모듈은 상기 유동층의 하부를 둘러싸도록 제공된 상기 유동층연소섹션 상부헤더와 유동층연소섹션 하부헤더가 수관그룹에 의해 서로 연통되어, 상기 유동층연소섹션의 상기 벽을 형성도록 구성되는 것을 특징으로 하는 유동층 수관보일러.

(3) 연속적인 수관벽으로부터 형성된 유동층을 포함하는 유동층연소섹션; 상기 유동층연소섹션내에서 발생된 휘발성분을 연소하는 프리보드섹션; 및 연소배기가스로부터 열을 회수하기 위해 수관을 통해 상기 프리보드섹션의 하류측에 연결된 스팀드럼과 물드럼을 포함하는 대류열전달섹션을 포함하여 이루어지는 유동층 수관보일러에 있어서, 상기 유동층연소섹션과 상기 프리보드섹션 사이의 경계 근처의 상기 수관벽을 둘러싸도록, 프리보드섹션 하부헤더와 유동층연소섹션 상부헤더를 포함하여 이루어지는 2개의 대류헤더가 제공되고, 상기 유동층연소섹션과 상기 프리보드섹션은 상기 두 헤더 사이에서 분리 가능하며, 상기 유동층연소섹션은 상기 유동층의 하부를 둘러싸도록 제공된 상기 유동층연소섹션 상부헤더와 유동층연소섹션 하부헤더가 수관그룹에 의해 서로 연통되어, 상기 유동층연소섹션의 상기 벽을 형성도록 모듈로서 구성되고, 상기 프리보드섹션은, 상기 프리보드섹션의 상부에 제공된 프리보드섹션 하부헤더와 프리보드섹션 상부헤더가 수관그룹에 의해 서로 연통되어, 상기 프리보드섹션의 벽을 형성하도록 구성된 모듈로서 형성되며, 상기 프리보드섹션은 상기 대류열전달섹션으로부터 분리 가능하여, 상기 보일러가 상기 유동층연소섹션, 상기 프리보드섹션 및 상기 대류열전달섹션의 3모듈로 분할되는 것을 특징으로 하는 유동층 수관보일러.

(4) 상기 (3)에 있어서, 상기 프리보드섹션은 상기 프리보드섹션과 상기 대류열전달섹션을 연결하는 연도에서 상기 대류열전달섹션으로부터 분리될 수 있는 것을 특징으로 하는 유동층 수관보일러.

(5) 상기 (3)에 있어서, 상기 대류열전달섹션 모듈은 상기 스팀드럼과 상기 물드럼이 수관에 의해 상호 연결되는 자연순환형의 보일러로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 유동층 수관보일러.

(6) 상기 (5)에 있어서, 상기 스팀드럼과 상기 물드럼은 유동층연소섹션 상승관과 유동층연소섹션 물 하강관에 의해 상기 유동층연소섹션 상부헤더와 상기 유동층연소섹션 하부헤더에 각각 연결 가능하고, 상기 스팀드럼과 상기 스팀드럼 또는 상기 물드럼의 하부가 프리보드섹션 상승관과 프리보드섹션 물하강관에 의해 상기 프리보드섹션 상부헤더와 상기 프리보드섹션 하부헤더에 각각 연결 가능한 것을특징으로 하는 유동층 수관보일러.

(7) 상기 (1)에 있어서, 상기 유동층연소섹션이 상부헤더, 하부헤더, 및 상기 두 헤더를 상호 연결하는 수관벽으로 구성되고, 상기 각 헤더는 정사각형 형태를 구비하며, 상기 보일러의 정면에서 볼때 좌측 및 우측에 위치된 상기 수관벽의 수관벽은 크고 작은 정도로 각각 안쪽으로 교호적으로 돌출하는 수관그룹으로 형성되고, 상기 크게 돌출한 수관그룹은 내화성물질에 의해 하부면에서 보호되어 상기 주 유동챔버와 상기 열회수챔버를 형성하며, 또한 상기 주 유동층내의 열매체의 유동방향을 변경하도록 적용된 디플렉터로서 작용하고, 상기 작게 돌출한 수관그룹은 상기 열회수층으로부터 열을 회수하는 자연순환형의 열회수챔버 인베드 열전달관으로서 작용하는 것을 특징으로 하는 유동층 수관보일러.

(8) 상기 (7)에 있어서, 상기 대류열전달섹션이 상기 스팀드럼, 상기 물드럼, 및 상기 수관을 포함하여 이루어지는 자연순환형 보일러로부터 형성되고, 상기 스팀드럼과 상기 물드럼은 상승관과 하강관에 의해 상기 유동층연소섹션모듈의 상부헤더와 하부헤더에 각각 연결 가능한 것을 특징으로 하는 유동층 수관보일러.

(9) 상기 (7)에 있어서, 상기 유동층연소섹션은, 상기 수관벽옆에, 상기 열회수챔버 인베드 열 전달관의 그룹이 상부헤더와 하부헤더에 각각 연결된 복수의 독립유닛으로 분류되도록 구성되고, 상기 유닛은 상기 유동층연소섹션의 측면으로부터 상기 열회수층내로 삽입되며, 각 상기 유닛의 상기 상부헤더와 하부헤더는 관을 통해 상기 유동층연소섹션의 상기 상부헤더와 하부헤더에 각각 연결되어, 자연순환형의 상기 열 회수챔버 인베드 열전달관을 구성하고, 상기 유닛은 상기 유동층연소섹션에 분리 가능하게 부착되는 것을 특징으로 하는 유동층 수관보일러.

(10) 상기 (7) 내지 (9)중 어느 하나에 있어서, 상기 대류열전달섹션내에 수집된 프라이 애시(fly ash)를 상기 유동층연소섹션으로 되돌리기 위해, 상기 대류 열전달섹션 아래에 수송설비가 제공되고, 상기 수송설비는 상기 유동층연소섹션에 결합된 말단부(distal end)를 구비하는 것을 특징으로 하는 유동층 수관보일러.

본 발명은 상기와 같이 구성되기 때문에, 본 발명은 전체 유동층 보일러를 통해서가 아니라, 서로 독립적으로 유동층연소섹션과 대류열전달섹션 사이, 및 프리보드섹션과 대류열전달섹션 사이에 국부적으로 물순환을 행하고, 이로 인해 유동층연소섹션, 프리보드섹션 및 원한다면 대류열전달섹션을 분리된 유닛으로 분할하는 것을 가능하게 한다. 결과적으로, 이들 섹션은 연소되는 재료의 성질에 따라 여러 조합으로 이용될 수 있는 분리된 모듈로서 개별적으로 설계 및 제작될 수 있다. 또한, 프리보드섹션모듈은 노가 작동을 시작한 후에도 연소되는 재료의 교환에 따라 다른 프리보드섹션모듈로 교체될 수 있다.

또한, 강판, 내화성물질과 단연물질로부터 프리보드섹션모듈을 형성하는 것이 가능하다. 이것은 CO, N₂O 및 다이옥신 방출을 감소시킬 수 있는 프리보드섹션내의 고온발생을 가능하게 한다. 또한, 수관구조가 존재하지 않기 때문애, 프리보드섹션은 물순환을 고려할 필요없이, 연소성능 및 배기가스방출을 향상시킬 목적으로 설계될 수 있다.

또한, 2개 이상의 모듈로 기능적으로 분할된 유동층보일러에 의해, 각 모듈은 공장에서 제작되어 현장으로 수송될 수 있다. 따라서, 종래기술과는 달리, 현장에서 모듈을 서로 연결시키기만 함으로써 10T/H∼20T/H의 스팀레벨을 갖는 유동층 보일러도 구성될 수 있다. 이것은 구성과 작동을 단순화시키고, 구성에 소요되는 비용과 시간을 감소시킨다. 이로 인해, 모듈로의 분리는 설계의 표준화를 용이하게하고 제작비용을 절감시킴으로써, 상기한 종래의 유동층수관보일러의 결점을 극복할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시형태가 예시적으로 도시된 첨부도면을 참조하여, 본 발명의 상기 및 다른 목적, 특성 및 이점이 다음의 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.

이하에, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

제1도에 도시된 유동층수관보일러에 있어서, 유동층연소섹션(1)과 프리보드섹션(2) 사이에, 각각 평면상으로 정사각형 형상을 구비하는 프리보드섹션 하부헤더(lower header; 21)와 유동층연소섹션 상부헤더(20)가 설치되어, 프리보드섹션(2)과 유동층연소섹션(1)이 서로 독립적으로 만들어진다. 양 헤더는 조인트플랜지(joint flange; 17)에서 볼트결합으로 상호 연결된다.

연소배기가스가 통과하여 프리보드섹션(2)으로부터 대류열전달섹션(3)으로 도입되는 배기가스 도입덕트가 조인트플랜지(18)에서 볼트결합으로 연결되어, 프리보드(2)와 대류열전달섹션(3)이 서로 분리 가능하다.

한편, 프리보드섹션의 상단에 프리보드섹션 상부헤더(22)가 설치되고, 이 상부헤더(22)와 상기한 프리보드섹션 하부헤더(21)가 프리보드섹션 수관벽(16)을 구성하는 수관그룹에 의해 상호 연결된다. 프리보드섹션 하부헤더(21)는 프리보드섹션 물하강관(25)에 의해 대류열전달섹션내의 스팀드럼(4)의 하부에 연결되거나, 또는 (도시되지는 않았지만) 프리보드섹션 하부헤더(21)가 물드럼(5)보다 낮은 위치에 있을 때 물 하강관에 의해 물드럼(5)에 연결되며, 프리보드섹션 상승관(26)에 의해 프리보드 상부헤더(22)가 스팀드럼(4)에 연결되어, 보일러물이 프리보드섹션 수관벽(16)과 대류열전달섹션(3) 사이를 순환하도록 한다.

프리보드섹션 상부헤더(22)는 하부헤더(21)와 유사하게 프리보드섹션의 상부를 둘러싸도록 제공된다.

또한, 유동층연소섹션의 수관벽(15)을 구성하는 수관그룹에 의해 유동층연소섹션 상부헤더(20)가 유동층연소섹션을 둘러싸도록 유동층연소섹션의 하부에 설치된 유동층연소섹션 하부헤더(19)에 연결된다. 또한, 유동층연소섹션 상부헤더(20)가 유동층연소섹션 상승관(24)에 의해 스팀드럼(4)에 연결되고, 유동층연소섹션 하부헤더(19)가 유동층연소섹션 물하강관(23)에 의해 물드럼(5)에 연결되어, 보일러물이 유동층연소섹션의 수관벽(15)을 구성하는 수관그룹 및 대류열전달섹션(3) 사이를 순환할 수 있다.

도시되지는 않았지만, 유동층연소섹션 하부헤더(19)가 하강수관에 의해 스팀드럼(5)의 하부에 연결된다.

프리보드섹션 물하강관(25), 프리보드섹션 상승관(26), 유동층연소섹션 물하강관(23) 및 유동층연소섹션 물상승관(24)은 탈착 가능하게 각 플랜지에서 볼트결합에 의해 연결된다.

다음, 유동층연소섹션과 프리보드섹션내의 보일러물의 흐름에 대해 설명한다.

유동층연소섹션(1)내에서, 보일러물은 유동층연소섹션 하광관(23)을 통해 물드럼(5)으로부터 유동층연소섹션 하부헤더(19)로 유입된 다음, 가열되면서 유동층연소섹션 수관벽(15)과 인베드 열전달관(in-bed heat transfer tube; 15')를 통해 상승하여, 유동층연소섹션 상부헤더(20)내에 함께 집합되며, 유동층연소섹션 상승관(24)을 통해 스팀드럼(4)으로 전송된다.

프리보드섹션(2)내에서, 보일러물은 프리보드섹션 물하강관(25)을 통해 프리보드섹션 하부헤더(21)로 유입된 다음, 가열되면서 프리보드섹션 수관벽(16)의 수관을 통해 상승하여, 프리보드섹션 상부헤더(22)내에 함께 집합되며, 프리보드섹션 상승관(26)을 통해 스팀드럼(4)으로 순환된다.

대류열전달섹션(3)내에서는, 종래기술과 같이, 보일러물은 대류열전달섹션의 후방벽(13)내의 관을 통해 물드럼(5)을 향하여 하강이동한 다음, 가열되면서 대류열전달관(14)을 통해 상승하여, 스팀드럼으로 순환된다.

상기한 바와 같이, 대류열전달섹션(3)내의 보일러물순환 뿐만 아니라, 유동층연소섹션(1)과 대류열전달섹션(3) 사이의 보일러물 순환, 프리보드(2)와 대류열전달섹션(3) 사이의 보일러물 순환은 서로 독립적으로 행해진다. 이로 인해, 예를 들어, 프리보드섹션(2)이 수관벽을 이용하지 않는 단열재료로 형성된 대체물로 교체된다 하더라도, 유동층연소섹션(1)과 대류열전달섹션(3) 사이의 보일러물순환과, 대류열전달섹션(3)내의 보일러물순환은 영향을 받지 않는다.

참조번호 33은 2차 공기공급포트를 도시된다.

다음, 제 2도를 참조하여 프리보드벽이 단열재료로 형성된 유동층 수관보일러가 설명된다.

제 2도에 도시된 유동층 수관보일러는, 제 1도에 모두 도시된 수관벽과 각 플랜지에서 볼트결합에 의해 연결된 프리보드섹션 물하강관(25) 및 프리보드섹션 상승관(26)을 포함하여 이루어진 프리보드섹션(2)을 제거하고, 플랜지(17, 18)와 볼트를 이용하여 프리보드섹션(2')을 부착함으로써 얻어진다. 프리보드섹션(2')은 강판(31)으로 제조되고, 내부표면은 내화성물질/단열물질(32)에 의해 보호된다. 나머지 구조는 제 1도에 도시된 유동층 수관보일러와 동일하다.

또한, 제 2도에서 도시된 실시형태에 있어서, 프리보드섹션(2')과 유동층연소섹션(1)은 익스팬션(expansion; 30) 아래와 위에 마련된 조인트플랜지에서 볼트 결합에 의해 익스팬션(30)을 통해 상호 연결된다.

제 1도의 유동층 수관보일러와 유사하게 제 2도에 도시된 유동층 수관보일러에 있어서, 보일러 저부의 유동공기입구(6)를 통해 유동공기(fluidized air)가 공기플리넘(air plenum; 7)으로 유입된다. 그 후, 공기는 유동공기 분산노즐(9)을 통해 유동층연소섹션(1)내로 불어 넣어져 유동층을 유동화시키고, 고체연료 공급포트(28)를 통해 공급된 고체연료를 유동상태로 연소시킨다. 연소 가능한 휘발성분 뿐만 아니라, 아직 연소되지 않고 연소가스와 함께 유동층내에 존재하는 연료분말이 2차공기노즐(33)을 통해 공급된 2차공기로 프리보드섹션(2')내에서 더욱 연소된다.

프리보드섹션(2')이 강판(31)과 내화성물질/단열물질(32)로 구성되기 때문에, 비산된 연료분말등이 CO, N₂O 및 다이옥신을 감소시키는데 효과적인 900℃∼950℃의 고온에서 연소될 수 있다. 프리보드섹션내의 온도를 조절하기 위해 물주입포트(34)가 프리보드섹션의 최상부에 설치된다. 프리보드섹션내에서 완전히 연소된 후, 연소배기가스는 조인트플랜지(18)에 의해 프리보드섹션과 대류열전달섹션(3) 사이에 연결된 연도(煙道)를 통해 프리보드섹션으로부터 대류열전달섹션(3)으로 유입된다.

연소배기가스는 대류열전달섹션내의 대류열전달관(14)을 통해 흐르는 보일러물을 통해 보일러물로부터 열회수후에 배기가스출구(10)를 통해 외부로 배출된다.

한편, 보일러물은 하강수관(23)에 의해 물드럼(5)으로부터 하부헤더(19)로 유입된 다음, 수관벽(15)의 수관과 인베드 열전달관(15')내에서 가열되어 스팀과 물의 혼합물이 된다. 이 혼합물은 수관과 인베드 열전달관을 통해 상승하여, 상부헤더(20)내에 함께 집합된 다음, 상승관(24)을 경유하여 혼합물이 스팀과 물로 분리되는 스팀드럼(4)으로 유입된다. 스팀은 주(主)스팀출구(27)을 통해 외부로 인도되고, 보일러물은 대류열전달섹션의 후방벽관(13)을 통해 하강 이동하여, 물드럼(5)으로 되돌아온다. 이로 인해, 유동층연소섹션(1)과 대류열전달섹션(3) 사이에서 보일러물의 자연순환흐름이 얻어진다.

대류열전달섹션(3)에 있어서, 대류열전달섹션의 후방벽관(13)을 통해 스팀드럼(4)으로부터 물드럼(5)으로 하강하는 보일러물이 열전달관(14)을 통해 올라가면서 가열되어 스팀과 물의 혼합흐름이 되고, 스팀드럼(4)으로 되돌아와 보일러물의 자연순환흐름을 제공한다.

따라서, 프리보드섹션이 강판과 내화성물질/단열물질로 형성되더라도, 유동층 수관보일러에 특유한 보일러물의 자연순환이 전혀 손상되지 않고 유지된다.

제 2도에 도시된 유동층 수관보일러에 있어서, 프리보드섹션은 모든 다른 섹션에 완전하게 독립한 구조를 갖는다. 따라서, 예를 들어 프리보드섹션내에서의 연소가스의 체류시간을 증가시키기 위해, 작동을 시작한 후 한 종류의 연료에서 다른 종류의 연료로 전환하는 것이 요구될 때에도, 즉 프리보드섹션의 체적을 증가시키는 것이 바람직할 때에도, 프리보드섹션은 조인트플랜지(17, 18)로부터 볼트를 제거하여 더 큰체적을 갖는 다른 것으로 용이하게 교체될 수 있다.

제 3도를 참조하여, 제 2도에 도시된 것으로부터 변형된 유동층 수관보일러를 설명한다.

제 3도에 도시된 유동층 수관보일러는 제 2도에 도시된 유동층 수관보일러의 프리보드섹션을 중간부에서 상부와 하부로 분할하고, 상부와 하부의 단부에 분할 플랜지(35)를 설치함으로써 얻어진다. 프리보드섹션의 체적을 증가하는 것이 요망되면, 플랜지(35)로부터 볼트를 풀고, 상부 프리보드섹션(36)을 제거하며, 부가된 프리보드섹션(37)을 결합하고, 상부 프리보드섹션(36)을 부가된 프리보드섹션(37)위에 위치시키며, 마지막으로 플랜지(35)를 통해 두 프리보드섹션(36, 37)을 하부섹션에 볼트를 조임으로써 실현된다. 이로 인해, 프리보드섹션의 체적이 용이하게 증가될 수 있다.

제 4도 내지 제 7도를 참조하여, 와류 유동층이 형성되는 주 유동층 챔버를 제공하도록 유동층내에 경사진 격벽을 구비하는 유동층연소섹션과; 열회수층이 형성되어 유동층으로부터 열을 회수하는 열회수챔버를 포함하는 유동층 수관보일러에 대해 설명한다.

제 4도 내지 7도에서 도시된 유동층 수관보일러는 기본적으로 제 4도에 도시된 바와 같이, 세개의 모듈, 즉 유동층연소섹션(100), 프리보드(103) 및 대류열전달섹션(104)으로 분할된다. 추가적으로, 보통 유동층연소섹션(101)과 프리보드(103) 사이에 익스팬션(102)이 조립된다. 다른 익스팬션(102')과 유사하게 프리보드(103)와 대류열전달섹션(104) 사이에 조립되지만, 종종 생략된다. 제 4도 내지 제 7도에 도시된 실시형태에 있어서, 슈트(chute; 105)와; 수송수단, 예를 들어 대류열전달섹션(104)내로 낙하된 프라이 애시를 유동층연소섹션으로 되돌리는 스크류 컨베이어(106)가 보조설비로서 추가적으로 조합된다.

제 5도, 제 6도 및 제 7도를 참조하여, 상기한 유동층 수관보일러가 상세히 설명된다.

<유동층 연소섹션모듈>

유동층연소섹션(101)은 유동층연소섹션 하부헤더(111), 유동층연소섹션 상부헤더(112) 및 두 헤더를 상호 연결하고 유동층연소섹션을 둘러싸는 유동층연소섹션 수관벽(122)을 포함하여 이루어지고, 큰 개구가 유동층연소섹션의 상단에 형성되어 배기가스통로를 제공한다. 유동층연소섹션(101)의 내부표면은 내화성물질(123)로 도포된다. 또한, 배출포트(120)가 연소 불가능한 물질을 추출하기 위해 노 저부의두 측단부에 마련된다.

노 내부는 노 배에 배치된 열회수챔버 인베드 열전달관(115)을 구비하는 열회수챔버(B)와 중심부의 주 유동층연소챔버(A)로 분할된다. 이들 두 챔버는 유동층연소섹션 상부헤더(112)로부터 노내로 돌출하는 스크린수관(screen water tube; 113)에 의해 분할된다(제 6도 참조). 스크린수관(113)은 수평방향에 대해 35° ∼45° 각도로 경사지도록 하부에서 구부러진다. 구부려진 부분 전후의 스크린수관(113)의 영역은 내화성물질(121)로 덮힌다. 이로 인해, 스크린수관(113)이 유동층연소섹션을 주 유동층연소챔버(A)와 열회수챔버(B)로 분할하고, 스크린수관의 경사진 부분은 유동매체의 이동방향을 상향흐름으로부터 중심을 향하는 와류흐름으로 전환하는 디플렉터(deflector)로서 작용하는 중요한 역할을 한다. 유동층연소섹션 하부헤더(111)와 유동층연소섹션 상부헤더(112)는 유동층연소섹션 물하강관(108)과(제 5도 및 제 7도 참조) 유동층연소섹션 상승관(107)에 의해(제 5도, 제 6도 및 7도 참조) 대류열전달섹션모듈(104)의 물드럼(132)과 스팀드럼(131)과 각각 연통된다.

주 유동층연소챔버(A)는 유동층을 형성하도록 노 저부 아래에 마련된 에어플리넘(air plnum; 126)을 구비하고, 에어플리넘(126)의 내부는 3부분으로 분할된다. 유동공기입구(127, 128)를 통해 공기가 이들 3부분으로 유입된다. 한편, 에어플리넘(126)내의 공기가 공기분산노즐(119)를 통해 노 내부의 유입되어 열 매체를 유동화시킨다. 노 저부는 내화성물질(118)에 의해 보호된다. 또한, 열회수챔버(B)내의 열매체를 유동화시키기 위해, 공기분배관(110)이 관(110)으로부터 유동공기를 공급하도록 열회수챔버 인베드 열전달관(115) 아래에 설치된다(제 6도 참조).

연료공급관(125)과 재순환된 애시복귀포트(106')가 수관벽에 추가적으로 마련된다.

제 4도 내지 제 7도에 도시된 것과 같은 와류 유동층과 열회수챔버를 포함하는 유동층보일러의 작동방법이 일본국특허 공개번호 1-800659에 상세하게 설명된다.

<열회수챔버 인베드 열전달관 유닛>

한편, 열회수챔버 인베드 열전달관(115)은 주 유동층 챔버(A)로부터 분할된 열회수챔버(B)내에 배치된다. 열전달관(115)은 상부헤더(114)와 하부헤더(114')를 상호 연결하여, 열회수챔버 인베드 열전달관 유닛(109)을 구성한다. 열회수챔버 인베드 열전달관 유닛(109)의 상부헤더(114)는 연결관(116)에 의해 유동층연소섹션(101)의 상부헤더(112)와 연통되고, 열회수챔버 인베드 열전달관 유닛(109)의 하부헤더(114')는 연결관(117)에 의해 유동층연소섹션(101)의 하부헤더(111)와 연통된다. 결과적으로, 물하강된(108)을 통해 대류열전달섹션 모듈의 물드럼(132)으로부터 유입된 보일러물이 유동층 연소섹션모듈(101)의 하부헤더(111)를 경유하여 열전달관유닛(109)의 하부헤더(114')에 연결관(117)을 통해 인도되고, 열전달관(115)내에서 가열되어 스팀과 물의 혼합흐름으로 변환된다. 그후, 이 혼합름이 상부헤더(114)내에 함께 집합된 다음, 유동층 연소섹션모듈(101)의 연결관(116)과 상부헤더(112)를 통해 대류열전달섹션모듈(104)의 스팀드럼으로 복귀되어, 자연순환흐름을 형성한다.

연결관(116, 117)은 각 플랜지에서 볼트결합으로 연결되어, 헤더(114, 114')와, 열회수챔버 인베드 열전달관(115)이 열회수챔버 인베드 열전달관유닛(109)으로서 함께 제거될 수 있다.

<프리보드모듈>

프리보드모듈(103)은 익스팬션(102)를 통해 각 플랜지에서의 볼트결합에 의해 유동층 연소섹션모듈(101)에 연결된다.

프리보드모듈(103)은 강판으로 제조되고, 내부표면은 내화성물질/단열물질(124)로 도포된다. 또한, 2차 연소에 필요한 복수의 2차 공기노즐(129)과, 필요하다면 물주입포트(130)가 프리보드모듈(103)에 제공된다.

<대류열전달섹션모듈>

대류열전달섹션모듈(104)은 프리보드모듈(103)의 하류측에 설치되고, 각 플랜지에서 볼트결합에 의해 프리보드모듈(103)의 측면개구에 연결된다. 이 결합부에, 익스팬션(102')이 개재된다(제 4도 참조). 대류열전달섹션모듈(104)은 스팀드럼(131), 물드럼(132) 및 이들 드럼을 함께 연결하는 수관그룹(133)을 포함하여 이루어진다. 프리보드모듈로부터 결합부(134)를 통해 유입된 배기가스는 수관그룹(133)내에서 열회수된 다음, 배기가스출구(135)를 통해 외부로 배출된다.

보일러물은 노즐(136)을 통해 공급되고 발생된 스팀은 주 스팀출구(137)를 통해 외부로 배출된다. 스팀드럼(131)과 물드럼(132)은 각각 유동층연소섹션 상승관(107)과 유동층연소섹션 물하강관(108)에 의해 유동층연소섹션모듈(101)과 연통된다.

한편, 보일러 애시컨베이어(106)가 애시슈트(ash chute; 105)를 경유하여 대류열전달섹션모듈(104)의 저부의 애시배출포트(138)에 연결되고, 컨베이어(106)의 출구단(exit end)은 유동층연소섹션모듈(101)의 재순환된 애시복귀포트(106')에 결합된다. 따라서, 대류열전달섹션모듈(104)내에 떨어진 프라이 애시등은 유동층연소섹모듈(101)로 복귀될 수 있다.

제1도, 제 2도 및 제 3도에 도시된 유동층 수관보일러가 제 4도 내지 제 7도를 참조하여 상술된 형태의 와류 유동층에 대해 변형된 유동층연소섹션을 구비할 수 있고, 또한 슈트, 스크류 컨베이어, 및 재순환된 애시 복귀포트 등이 제공될 수도 있다.

본 발명에 따른 유동층 수관보일러가 상기와 같이 구성되므로, 본 발명은 다음의 이로운 효과를 구비한다.

(1) 유동층 수관보일러는 보일러물이 다른 기능을 구비하는 각 모듈내에서, 즉 인베드 열전달관 또는 열회수챔버를 구비하는 유동층연소섹션, 미연소된 휘발가스등을 연소시키는 프리보드섹션, 및 연소배기가스로부터 열을 회수하는 대류열전달섹션내에서 독립적으로 순환되도록 구성되기 때문에, 서로 분리되고 분할될 수 있는 독립된 구조물로서 유동층연소섹션, 프리보드섹션 및 원한다면 대류열전달섹션을 구성하는 것이 가능하다. 결과적으로, 작동시작 후에도 연료의 교환이 가능하다. 예를 들어, 본 발명에 있어서, 많은 양의 휘발성분의 존재로 인해 프리보드섹션내에서의 체류시간을 증가시키는 것이 요구되면, 전체 보일러가 교체되어야 하는 종래기술과는 대조적으로, 프리보드섹션이 더 큰 체적의 다른 유닛으로 교체될 수있다.

(2) 유동층연소섹션, 프리보드섹션 및 원한다면 대류열전달섹션은 상술한 바와 같이 서로 분리 및 분할될 수 있는 독립된 구조물이기 때문에, 3개의 모듈중 하나는 수관을 구비하지 않도록 형성될 수 있다. 다시 말해서, 강판과 내화성물질/단열물질로부터 프리보드섹션만을 형성하여, CO, N₂O 및 다이옥신 방출을 감소시키는 프리보드섹션내의 더 높은 온도를 생성하는 것이 가능하다. 또한, 수관을 구비하지 않는 구조물은 물순환을 고려할 필요가 없어, 프리보드섹션이 연소를 위한 최적의 구조를 갖게 한다.

(3) 유동층 수관보일러는 둘 또는 세개의 모듈, 즉 인베드 열전달관을 구비하는 유동층연소섹션, 미연소된 휘발가스등을 연소하는 프리보드섹션, 및 원한다면 연소배기가스로부터 열을 회수하는 대류열전달섹션으로 기능상 분할되고, 종래에는 각각에 대해 다른 설계가 요구되어졌던 석탄, 쓰레기 및 산업폐기물과 같은 다른 정도의 연소성을 갖는 여러 가연성물질이, 각 표준모듈그룹중에서 최적모듈의 유동층연소섹션, 프리보드섹션 및 대류열전달섹션을 선택하고, 대상연료의 연소성의 정도를 고려하여 서로 이들을 결합함으로써, 본 발명에 따라 효과적으로 처리될 수 있다. 따라서, 가격을 낮추고 효율을 증가시키는 새로운 연료에 대해 새로운 설계가 필요하지 않다.

(4) 모듈로의 분할은 제조비용을 절감하는 것 뿐만 아니라, 설계 및 제작을 용이하게 표준화시키는 것을 가능하게 한다.

(5) 모듈로의 분할때문에, 각 모듈은 공장에서 하나씩 제작될 수 있다. 이로 인해, 20T/H∼30T/H의 스팀레벨을 갖는 보일러에 대해서도, 최종생산품으로 형성된 분리된 모듈이 현장으로 수송되어 그곳에서 조립될 수 있다. 이로 인해, 각 부품을 현장에서 용접하여 보일러를 조립하여야 하는 종래기술과 비교할 때, 설치작업이 크게 단순화되고, 비용이 절감될 수 있다.

제 1도는 본 발명의 유동층 수관보일러의 일 실시형태를 나타내는 수직단면도,

제 2도는 프리보드섹션이 내화성물질/단열물질로 덮힌 강판으로 만들어진, 본 발명에 따른 유동층 수관보일러의 다른 실시형태를 나타내는 수직단면도,

제 3도는 제 2도에 도시된 유동층 수관보일러의 프리보드섹션과 다른 프리보드섹션을 구비하는 다른 실시형태를 나타내는 수직단면도,

제 4도는 유동층 수관보일러가 유동층연소섹션 모듈, 프리보드섹션모듈, 및 대류열전달섹션 모듈로 분할된 상태를 나타내는 측면도,

제 5도는 유동층연소섹션과 프리보드섹션만이 수직적으로 구분 배열된 본 발명의 유동층 수관보일러의 일예를 나타내는 측면도,

제 6도는 제 5도의 선 X-X에 따른 단면도에 대응하는, 정면에서 본 유동층연소섹션과 프리보드섹션의 우측 절반을 나타내는 도,

제 7도는 제 4도에서 분할된 것으로 도시된 유동층연소섹션 모듈, 프리보드섹션모듈, 대류열전달섹션 모듈등이 조립되어 있는 상태를 나타내는 유동층 수관보일러의 사시도, 및

제 8도는 종래의 유동층 수관보일러의 일예의 수직단면도이다.

Claims (6)

1. 고형성분을 연소하는 주 유동층을 형성하는 주 유동챔버, 및 상기 주유동층으로부터 열을 회수하는 열회수층을 형성하는 열회수챔버를 포함하는 유동층연소 섹션모듈과; 상기 주 유동층에서 발생된 휘발성분을 연소하는 프리보드 섹션모듈과; 상기 연소가스로부터 열을 회수하는 대류열전달 섹션모듈을 포함하여 이루어지는 유동층 수관 보일러에 있어서,

   상기 유동층연소 섹션모듈은 상부헤더, 하부헤더, 및 상기 두 헤더를 상호연결하는 수관벽으로 구성되고, 상기 각 헤더는 정사각형 형태를 구비하며,

   상기 보일러의 정면에서 볼때 좌측 및 우측에 위치된 상기 수관벽의 수관은 각각 크고 작은 정도로 안쪽으로 교호적으로 돌출하는 수관그룹으로 형성되고,

   상기 크게 돌출한 수관그룹은 내화성물질에 의해 하부면에서 보호되어 상기 주 유동챔버와 상기 열회수챔버를 형성하며, 또한 상기 주 유동층내의 열매체의 유동방향을 변경하도록 적용된 디플렉터로서 작용하고,

   상기 작게 돌출한 수관그룹은 상기 열회수층으로부터 열을 회수하는 자연순환형의 열회수챔버 인베드 열전달관으로서 작용하는 것을 특징으로 하는 유동층 수관 보일러.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 프리보드 섹션모듈은 상기 프리보드섹션내의 고온을 유지하기 위해 강판, 내화성물질 및 열절연물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 유동층 수관 보일러.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 대류열전달 섹션모듈은 상기 스팀드럼, 상기 물드럼, 및 상기 수관을 포함하여 이루어지는 자연순환형 보일러로부터 형성되고,

   상기 스팀드럼과 상기 물드럼은 상승관과 하강관에 의해 상기 유동층연소 섹션모듈의 상부헤더와 하부헤더에 각각 연결 가능한 것을 특징으로 하는 유동층 수관 보일러.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 프리보드섹션은 그 중간부에 제공된 수평분할 평면을 구비하고, 상기 중간 수평분할 평면에서 다른 프리보드 유닛과 결합될 수 있는 것을 특징으로 하는 유동층 수관 보일러.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 유동층연소 섹션모듈은, 상기 수관벽 옆에, 상기 열회수챔버 인베드 열전달관의 그룹이 상부헤더와 하부헤더에 각각 연결된 복수의 독립유닛으로 분류되도록 구성되고, 상기 유닛은 상기 유동층연소섹션의 측면으로부터 상기 열회수층내로 삽입되며,

   각 상기 유닛의 상기 상부헤더와 하부헤더는 관을 통해 상기 유동층연소 섹션모듈의 상기 상부헤더와 하부헤더에 각각 연결되어, 자연순환형의 상기 열회수챔버 인베드 열전달관을 구성하고, 상기 유닛은 상기 유동층연소 섹션모듈에 분리 가능하게 부착되는 것을 특징으로 하는 유동층 수관 보일러.
6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 대류열전달 섹션모듈내에 수집된 프라이 애시를 상기 유동층연소 섹션모듈로 되돌리기 위해, 상기 대류열전달 섹션모듈 아래에 수송설비가 제공되고, 상기 수송설비의 말단부는 상기 유동층연소 섹션모듈에 결합되는 것을 특징으로 하는 유동층 수관 보일러.