KR100568897B1

KR100568897B1 - 환열성 및 전도성 열전달 시스템

Info

Publication number: KR100568897B1
Application number: KR1020037008025A
Authority: KR
Inventors: 글렌디. 주콜라; 마이클에스. 맥카트니; 폴알. 티볼트
Original assignee: 알스톰 테크놀러지 리미티드
Priority date: 2000-12-18
Filing date: 2001-10-10
Publication date: 2006-04-10
Also published as: CN1232754C; US20020124996A1; WO2002050474A1; EP1343999B1; KR20030066714A; EP1343999A1; US6554061B2; AU2002211631A1; CN1481489A; DE60120756T2; TW522208B; DE60120756D1

Abstract

환열성 및 전도성 열전달 시스템(10,10')은 다수의 재생 고체(24,24')로부터 열 전도에 의해 열전달면에 전달된 결과로서 열전달면(32,32')을 통해 흐르는 "작동 유체"의 열전달 시스템(10,10')의 제 2 부분(20,20') 내에서 가열을 실행하는 작용을 한다. 다수의 재생 고체(24,24')는 환열에 의해 열전달 시스템(10,10')의 제 1 부분(12,12') 내에서 내부 발생 열원 또는 외부 발생 열원(22,22')으로부터 자신의 열을 끌어낸다.

열전달, 환열, 전도, 재생고체, 가열.

Description

환열성 및 전도성 열전달 시스템{A recuperative and conductive heat transfer system}

본 발명은 열전달 시스템에 관한 것으로서, 특히 과열 재생고체 (regenerative solid)로부터 "작동 유체(working fluid)"에 열이 전달됨으로써 "작동 유체"의 가열을 실행하는 작용을 하는 환열성 및 전도성 열전달 시스템에 관한 것이다. 본원에서 사용되는 용어 "작동 유체"는 예를 들어 증기 또는 암모니아와 같은 열동력학적 사이클의 "작동 유체"를 말할 뿐만 아니라 프로세스 공급원료를 말하기도 한다. 과열 재생고체 자체를 가열하는 열원은 내부열원, 예를 들어 어떤 형식의 연소실에서 연료 및 공기의 연소 결과로서 발생되는 과열가스의 형태로서 가장 흔한 형태를 취할 수 있다. 하지만 상기 열원은 또한 외부열원의 형태가 될 수도 있으며, 예를 들어 터빈 또는 다른 유사장비로부터 나오는 과열가스 배출물의 형태이거나, 또는 어떤 종류의 화학반응의 결과로서 생성되는 과열 프로세스 스트림의 형태가 될 수 있다.

내부열원의 문제에 대해 더 설명하면, 화석연료 연소로는 유용한 작업을 할 목적으로 제어된 열을 재생하기 위한 장치로서 오랫동안 사용되고 있다. 이를 위해, 작업의 적용이 회전 킬른(kiln)에서와 같이 직접적인 작업의 형태로 될 수 있고, 또는 산업용이나 선박용이나 전력 생산을 위한 증기 발생기에서와 같이 간접적인 작업의 형태로 될 수 있다. 그러한 노에 관해서, 노의 덮개가 수벽(waterwall)으로 냉각되든가 또는 내화물질 라이닝으로 냉각되지 않든가 하는 차이점이 있다.

그러한 노는 본래부터 약 B.C. 4000년경에 도자기를 굽기 위한 필요와, 약 B.C. 3000년경에 구리를 용해하기 위한 필요로부터 발전되었다고 믿고 있다. 공기를 노로 송풍하기 위해 벨로우즈를 사용함으로써 연소를 촉진 및 개선하는 것은 약 B.C. 2000년경이라고 믿고 있다.

그러한 노와 가장 밀접하게 관련된 것은 대응하는 증기보일러이다. 그러한 보일러는 그리스와 로마가 기원인 것으로 나타나고, 가정용으로 사용되었다. 수관(water tube) 원리를 이용한 폼페이안 수 보일러(Pompeiian water boiler)가 기계적 작업을 하는 보일러로서 대략 B.C. 130년경에 가장 최초로 기록된 실 예 중 하나이다. 이를 위해, 폼페이안 수 보일러는 증기를 히어로 엔진(Hero's engine)으로 보내며, 중공 구체가 트러니언(trunnions)에 장착되어 회전하며, 하나의 트러니언이 증기를 통과시키며, 증기가 2개의 직각 노즐을 통해 배출되며 구체를 회전시킨다. 이것은 대부분의 사람들이 세계 최초의 반작용 터빈인 것으로 생각한다.

실제로 이후 1600년 동안, 일반적인 노와 특히 수벽 노는 본질상 무시된 기술이었다. 이것은, 토마스 사베리(Thomas Savery)에 의해 1698년에 최초로 상업적으로 성공한 증기 엔진이 발명될 때까지 증기가 작동 유체로서 적용되지 못하고 있었다는 사실에 부분적으로 기인된다. 1705년에, 뉴코멘(Newcomen)의 엔진이 뒤를 이었고, 1711년에 이 엔진은 일반적으로 탄광에서 물을 빼내는데 사용되었다. 자동조절 증기밸브는 1713년에 처음으로 나타난 것으로 믿고 있다.

여러 종류의 연관식 보일러가 18세기 후반에 발명되어, 소위 스카치(Scotch) 선박 보일러에서 절정에 달하였다. 연관식 보일러라는 이름이 내포하고 있듯이, 연관식 보일러에서 관들은 연소 공정이 튜브 번들(tube bundle) 내에서 발생되는 노의 구성부분이 되는 것으로 생각될 수 있다. 그러나, 이 당시에 그러한 유닛은 이용 가능한 강판 두께 때문에 작동압력이 약 150 psig.로 제한되었다. 그 후 이것은 연관식 보일러에서 이용 가능한 것보다 더 높은 압력과 큰 치수로서 증기 발생을 위한 현대의 수관식 보일러의 개발을 이끌었다. 현재, 그러한 현대의 증기 발생용 수관식 보일러는: 중앙 집적식(central-station) 증기발생기, 산업용 보일러, 유동층(fluidized-bed) 보일러 및 선박 보일러를 모두 포함하고 있다.

이러한 여러 가지 방식의 보일러 중에서, 본원이 이런 방식의 보일러 중 하나와 관련이 있는 환열 및 전도성 열전달 시스템을 분류할 필요가 있다면, 본원이 지향하는 환열 및 전도성 열전달 시스템은 내부열원이 그러한 환열 및 전도성 열전달 시스템과 연결되어 사용된다는 점에서 아마도 상술한 다른 여러 방식의 어떤 보일러보다 유동층 보일러에 더 유사한 것으로 생각된다. 그와 같이, 종래 기술이 관련되는 한에 있어서 여기서 설명의 초점은 기본적으로 유동층 보일러 방식에 집중될 것이다. 이를 위해, 유동층 반응기는, 유동층 내에서 반응물의 철저한 혼합 및 친밀한 접촉으로 인하여 시간과 에너지의 경제성을 개선함과 함께 높은 생산율을 초래하고 있는 비연소 반응으로서 몇십 년 동안 사용되고 있다. 고체 연료들을 연소하는 다른 방법들이 매우 높은 효율로 에너지를 발생할 수 있지만, 유동층 연소는 다른 방식에서의 많은 연소 문제점을 회피하기에 충분히 낮은 온도에서 고체 연료를 효율적으로 연소시킬 수 있다.

지금까지 산업에서, "유동층 보일러"에서 사용되는 용어 "유동(fluidized)"은 고체 물질에 자유롭게 흐르는 유체형 행동이 주어져 있는 상태를 말하는 것으로 알려져 있다. 즉, 가스가 고체 입자층을 통과할 때, 가스의 흐름이 입자들을 서로 분리시키는 경향을 갖는 힘을 발생시킨다. 가스 흐름이 느린 경우, 입자들은 다른 고체와 접촉한 채로 유지되어 이동에 저항하는 경향이 있다. 이러한 상태는 보통 고정층(fixed bed)이라고 한다. 한편, 가스 흐름이 증가할 때, 입자에 가해지는 힘이 분리시키기에 충분한 바로 그 지점이 도달된다. 그러면, 층이 유동하게 되며, 즉 고체들 사이의 가스 쿠션이 입자들을 자유롭게 이동시키며 층에 액체와 같은 특성을 부여한다.

유동층 보일러의 연소기에서 유동화 상태는 주로 층 입자의 직경 및 유동 속도에 의존한다. 그와 같이, 반드시 2개의 기본 유체층(fluid-bed) 연소시스템이 있으며, 각각 다른 유동화 상태에서 작동한다. 상기 2개의 기본 유체층 연소 시스템 중 하나는, 비교적 낮은 속도에서 굵은 층 입자의 치수로서 유체층이 조밀하여 균일한 고체 농도를 가지며 윤곽이 뚜렷한(well-defined) 표면을 가진다는 사실을 특징으로 한다. 이 시스템은 보통 당업자들이 발포 유체층(bubbling fluid bed)이라고 말하고 있는데, 왜냐하면 층을 유동시키는데 필요한 공기보다 과다한 공기가 기포의 형태로서 층을 통과하기 때문이다. 또한, 발포 유체층은 정숙한 층 고체의 혼합율과, 연도 가스(flue gas)에서 비교적 낮은 고체 오염(entrainment)을 특징으로 한다. 층의 적층량(bed inventory)을 유지하기 위해 편승된 물질이 층으로 재순환하는 일이 필요없는 반면, 성능을 강화하기 위해 상당히 큰 재순환율이 사용될 수 있다.

상기 2개의 기본 유체층 연소 시스템 중 다른 것은, 높은 속도와 미세한 층 입자 치수에서 고체 편승이 증가함에 따라 유체층 표면이 확산되며, 따라서 더 이상 층 표면을 한정하지 않는다는 사실을 특징으로 한다. 더구나 층의 적층량을 유지하기 위해 편승된 물질이 높은 비율로 층으로 재순환되는 일을 필요로 한다. 이러한 특성을 갖는 유동층은 가장 일반적으로 당업자가 순환 유체층이라고 하는데, 왜냐하면 물질이 연소기에서 입자 재순환시스템으로 다시 연소기로 순환하는 비율이 높기 때문이다. 또한 순환 유체층은 매우 높은 고체 혼합율을 특징으로 한다.

장시간에 걸쳐 발전되어온 종래 여러 가지 형태의 유동층 연소시스템에서 많은 예를 찾을 수 있다. 1950년대 후반의 과거로 돌아가서, 먼저 예로 제한하지 않는 제 1 실 예는, 1957년 12월 31일자 등록된 미국 특허 제 2,818,049 호의 대상을 이루고 있는 것이다. 상기 미국특허 제 2,818,049 호의 교시에 따라, 독립된 물질의 유동 의사-액체층(pseudo-liquid bed)을 사용하여 연소 유체로부터 열을 전달하는 방법이 제공되어 있는데, 상기 독립된 물질은 산화 촉매이며, 상승류 컬럼(upflow column) 및 하강류 컬럼(downflow column)을 포함하는 소정 경로를 통해 중력에 의해 연속적으로 순환된다. 계속해서, 대상 방법은 층을 유동 의사-액체 상태로 유지하며 또 연료의 주입 및 연소를 통해 상승류 컬럼에서 연소 가스들을 발생시킴으로써 하강류 컬럼의 밀도보다 실제로 상승류 컬럼의 밀도를 낮게 유지하는 단계와, 상승류 컬럼의 상단부에서의 연소 가스들의 일부를 상승류 컬럼에서 분리시키는 단계와, 유체에 열을 가하기 위해 연료의 주입 및 연소, 보다 위에 있는 상승류 컬럼의 위치에서 층과 간접적인 열교환을 하도록 유체를 통과시키는 단계와, 상술한 위치의 바로 하류측에 있는 층의 온도 및 편승한 가스의 온도가 실질적으로 상술한 위치의 바로 상류측의 온도보다 낮도록 층의 순환율을 유지하는 단계를 포함한다.

예로 제한하지 않는 제 2 실 예는, 1961년 5월 9일자 등록된 명칭이 "증기 발생 방법 및 장치"인 미국 특허 제 2,983,259호의 대상을 이루고 있는 것이다. 상기 미국 특허 제 2,983,259호의 교시에 따라, 최하부에 열교환 영역이 제공된다. 상기 최하부 열교환 영역에서의 물질은 바람직하게 적어도 활성산소 촉매의 일부분으로 제조되어 있어서 연료공기 혼합물이 이 영역에 직접 주입되어 실제로 효율적으로 산화될 수 있는 충분히 높은 촉매 활동도를 부여함으로써, 열을 방출하며 이에 따라 물질을 통해 위로 지나가는 과열된 가스 스트림을 만들어내며 동시에 이 열의 일부분이 상기 영역뿐만 아니라 상기 영역 위의 열교환 영역에도 흡수되게 한다. 실제적인 높이의 유동층 내에서 효율적이고 완전한 연소 또는 산화를 이루기 위해 또 연소 후원 가스를 타당한 정도로 예열시킨 상태에서는, 물질이 연료의 완전 산화를 실행하기에 충분한 촉매 활동도를 가지도록 활성산소 촉매가 사용되는 것이 필수적이며, 또한 연료의 가열 용량이 실제로 너무 클 때 물질의 온도가 사용되는 촉매의 비활성(deactivation) 온도를 초과한 온도 즉, 촉매가 그 촉매 활동도를 모두 또는 거의 대부분을 상실할 정도로 영구적으로 촉매가 손상되는 온도를 초과하지 않도록 하기 위해서 유동 물질로부터 상당한 양의 열을 흡수하기 위한 수단이 상기 층의 물질과 접촉시켜 제공되는 것이 필수적이다.

예로 제한하지 않는 제 3 실 예는, 1961년 8월 22일자 등록된 명칭이 "증기 가열 및 발생 방법"인 미국 특허 제 2,997,031호의 대상을 이루고 있다. 상기 미국 특허 제 2,997,031호의 교시에 따라, 연료 공기 혼합물이 촉매 산화재의 본체를 통과하는데, 이 산화재는 매우 얇은 입자층의 형태를 취하며 비교적 소량의 물질을 가지면서 낮은 활성온도에서 매우 높은 촉매 활동도를 가져서 비교적 값비싼 촉매이다. 상기 물질을 통과하는 연료 공기 혼합물은 촉매로 산화되고, 따라서 발생된 과열 연소가스가 도관을 둘러싸고 있는 물질의 층을 통과함으로써 이 물질의 온도를 상승시킨다. 연료 및 공기를 조절하여 층 내에 주입된 연료 및 공기 혼합물이 완전히 산화되는 포인트까지 물질의 층의 온도를 상승시킨다. 그 후 연료 및 공기가 이 층으로 공급되어 층 내부에서 산화되며 그때 높은 활동도의 촉매와 접촉하지 않고 지나가는 연료는 거의 없다.

예로 제한하지 않는 제 4 실 예는, 1963년 8월 27일자 등록된 명칭이 "증기 발생"인 미국 특허 제3,101,697호의 대상을 이루고 있다. 상기 미국 특허 제3,101,697호의 교시에 따라, 연료 공기 혼합물이 물질의 층 내에서 산화 또는 연소되기 전에, 산화 촉매보다 높은 온도로 가열시킬 필요가 있는 물질의 층의 바로 상류 측에서 산화 촉매가 사용된다. 별개의 물질의 층이 내부에 배치되어 있는 하우징이 제공된다. 상기 물질의 층은 하우징을 가로질러 연장하는 다수의 수평 배치된 연장 부재에서 지탱되며, 상기 물질이 이 부재들을 통과하여 아래로 지나갈 수 없지만 유동 가스가 부재들을 통해 위로 지나갈 수 있도록 대체로 평행하게 이격된 관계로 배치된다. 상기 부재들은 활성 산화 촉매로 코팅 또는 주입되어 있어서 촉매의 활성 온도가 연료 공기 혼합물을 산화시키는데 필요로 하는 최소의 층 온도보다 실제로 낮다. 촉매의 온도를 그 활성 온도로 충분히 상승시키도록 공기를 가열하는데 공기히터를 사용하여 상기 물질을 유동시키기 위해, 연장 부재들을 따라 하우징을 통해 그리고 물질의 층을 통해 공기를 위로 강제로 보내는 수단이 제공되어 있다. 연장 부재 아래에는 다수의 연료 분배관이 있고, 상기 부재 바로 위와 층의 하부에는 다른 그룹의 연료 분배관이 있다. 작동시에, 연장 부재 아래의 연료 분배관은 먼저 연료를 하우징 내로 분사시키는데 사용되고, 이 연료가 공기와 혼합되며, 촉매에 의해 산화되면서 동시에 발생된 열이 물질의 층 또는 층의 일부를 필요한 최소 온도까지 가열시킨다. 그 후 연료가 연장 부재 바로 위의 연료 분배관 내로 주입되고, 이 부재 아래의 연료 공급은 중단된다. 층을 지지하는 연장 부재 아래에 독립된 연료 분배관을 제공하는 대신에, 상기 부재들은 내부에 하향한 개구를 가진 중공형으로 하여 부재 자체가 연료를 공급할 수 있는 분배관을 형성할 수 있다.

예로 제한하지 않는 제 5 실 예는, 1963년 12월 31일자 등록된 명칭이 "연료 연소 방법"인 미국 특허 제3,115,925호의 대상을 이루고 있다. 상기 미국 특허 제3,115,925호의 교시에 따라, 유동층의 점화 온도가 상당히 낮은 시동 과정이 제공된다. 이를 위해, 금속염의 촉매 용액이 미립자 물질의 층에 분무되거나 또는 다른 방법으로 주입되며, 그 후 층이 점화 온도에 도달될 때까지 예열된다. 유동층에서 입자들이 표면에 남아 있는 건조한 염의 잔류물이 천연가스와 공기의 점화를 1150도 F(이 온도는 다른 방법으로는 점화점이 되었다)보다 낮은 온도에서 촉진시킨다.

예로 제한하지 않는 제 6 실 예는, 1964년 1월 28일자 등록된 명칭이 "증기 발생"인 미국 특허 제3,119,378호의 대상을 이루고 있다. 상기 미국 특허 제3,119,378호의 교시에 따라, 활성 및 비활성 온도를 가지며 동시에 비활성 온도가 화염 온도보다 낮은 상태에서 별개의 산화 촉매의 유동층을 위로 흐르게 하고 또, 촉매 온도를 비활성 온도보다 낮게 유지하는 동안 혼합물에 포함된 공기가 허용하는 정도까지 층 내의 연료의 촉매 산화를 실행하며 인화성의 범위를 벗어날 정도로 연료가 충분히 풍부한 연료 공기 혼합물을 위로 흐르게 하고, 나머지 연료와 층에서 나온 다른 유출물을 화염 연소에 영향을 받지 않은 별개의 불활성 물질의 다른 유동층을 통해 위로 통과시키고, 이에 의해 상기 물질을 실제로 유출물의 온도로 가열하여 촉매의 층의 충분한 연료를 산화시켜 다른 층의 온도를 연료 공기 혼합물을 산화시키기에 충분히 높은 값으로 상승시키며 동시에 촉매를 비활성 온도보다 낮게 유지하며, 연료의 나머지 부분의 연소를 지원하기 위해 상기 다른 층 내로 충분한 공기를 주입하고, 상기 다른 층에서 나머지 연료 부분을 산화시키고, 유체를 층과 간접적인 열교환 관계로 통과시킴으로써 층으로부터 유체에 열을 부여하는 유체 가열방법이 제공된다.

예로 제한하지 않는 제 7 실 예는, 1982년 4월 20일자 등록된 명칭이 "하이브리드 유동층 연소기"인 미국 특허 제4,325,327호의 대상을 이루고 있다. 상기 미국 특허 제4,325,327호의 교시에 따라, 제 1 대기압 발포 유동층 노가 제 2 난류성 순환 유동층 노와 결합되어 분쇄된 고체 연료로부터 열을 효율 좋게 발생시킨다. 제 2 노의 층은 분쇄된 고체 연료와, 제 1 층에서 나온 미반응의 석회암과, 제 1 층의 연도가스로부터 추출된 세광된(elutriated) 고체의 작은 크기들을 수용한다. 분쇄된 고체 연료의 2단계 연소기가 유동층의 단일 노를 사용하여 이용할 수 있는 것보다 큰 효율을 가진 시스템을 제공한다고 주장하고 있다.

예로 제한하지 않는 제 8 실 예는, 1982년 6월 22일자 등록된 명칭이 "유동층을 위한 고체 연료 공급시스템"인 미국 특허 제4,335,662호의 대상을 이루고 있는 것이 있다. 상기 미국 특허 제4,335,662호의 교시에 따라, 석회암과 함께 석탄을 연소하기 위한 유동층에는 층의 표면 수준 아래의 장소에서 횡방향으로 석탄을 배출하는 시스템으로부터 분쇄탄이 공급된다. 격실 또는 공급박스가 층의 한 측면에 장착되고, 그 내부는 위어판(weir plate)에 의해 층으로부터 분리되며, 상기 위어판 아래에서 석탄이 측방향으로 층 내로 흐르며, 한편 층 물질이 판 위의 격실 내로 들어가서 격실 내에서 소정의 최소 레벨의 물질을 유지한다.

예로 제한하지 않는 제 9 실 예는, 1982년 11월 23일자 등록된 명칭이 "유동 보일러"인 미국 특허 제4,360,339호의 대상을 이루고 있는 것이 있다. 상기 미국 특허 제4,360,339호의 교시에 따라, 연료 입자들이 연소되는 유동 영역에 인접하여 바로 아래에 배치된 불활성 열저장 입자의 정적 점화층을 갖는 유동층 셀이 제공되며, 상기 열저장 입자들은 대체로 형상이 구형이고, 각각의 입자는 입자 표면에서부터 선택된 길이로 외부로 연장하는 다수의 돌기를 가지며 이에 의해 정적 점화층 내에서 이웃하는 구형 입자들 사이에서 돌기의 선택된 길이와 일치하는 최소의 간격을 유지하고, 이에 의해 유동하는 공기가 과다한 압력 강하없이 정적 점화층을 통해 위로 유동영역으로 흐르도록 하고 또 연료입자들이 정적 점화층을 횡방향으로 관통하도록 하기 위해 정적 점화층 내에 충분한 보이드(void) 공간이 존재한다는 것을 보장한다.

예로 제한하지 않는 제 10 실 예는, 1984년 5월 1일자 등록된 명칭이 "유동층 보일러를 위한 액체 연료 및 공기 공급장치"인 미국 특허 제4,445,844호의 대상을 이루고 있다. 상기 미국 특허 제4,445,844호의 교시에 따라, 액체 연료를 연소시킬 수 있는 유동층 노가 제공된다. 분사기가 구멍이 없는 베드판(imperforate bed plate)을 통해 위로 연장하며, 상기 베드판이 유동 공기로 오일 또는 다른 액체 연료를 적절히 혼합하며, 이는 오일의 증발을 초래한다. 이러한 혼합물은 이 혼합물이 유동층으로 들어감에 따라 제한된 개구를 통과하며, 따라서 유동층의 횡단면을 통해 고속 흐름과 상당히 균일한 연료 및 연소 분배를 초래한다.

예로 제한하지 않는 제 11 실 예는, 1987년 1월 6일자 등록된 명칭이 "이동성 석탄 연소식 유동층 전력유닛"인 미국 특허 제4,633,818호의 대상을 이루고 있다. 상기 미국 특허 제4,633,818호의 교시에 따라, 이동성 석탄 연소식 유동층 노 시스템이 증기를 발생시켜 기관차에 동력을 부여하도록 제공되어 있다. 석탄이 유동 공기 내의 유동층 노 챔버 내에서 연소되어 과열 연도가스를 발생시키며, 이 가스가 노 챔버에서부터 보일러 뱅크 및 절약장치(economizer)로 통과한다. 보일러 뱅크 및 노 챔버의 벽 내에서 발생된 증기가 증기 드럼에 수집되며, 이 드럼에서부터 인베드 과열기(in-bed superheater)를 통과하며, 따라서 기관차를 구동하는 동력을 만드는 동력발생수단으로 지나간다.

예로 제한하지 않는 제 12 실 예는, 1995년 3월 28일자 등록된 명칭이 "내부순화 유동층(ICFB) 연소시스템 및 그 작동방법"인 미국 특허 제5,401,130호의 대상을 이루고 있다. 상기 미국 특허 제5,401,130호의 교시에 따라, 연소를 곤란하게 만드는 습기 및 재의 함량이 많은 목재 폐물/슬러지 혼합물을 소각 즉 연소를 실행하는데 특히 적합하게 사용되는 유동층 연소시스템이 제공된다. 상기 유동층 연소시스템은 층 고체로 구성된 유동층을 합체한 유동층 연소기를 포함한다. 공기가 공기분배기를 통해 유동층 내로 분사되어 제 1의 제어된 유동속도 영역 및 제 2의 제어된 유동속도 영역을 그 내부에서 확립한다. 물질이 상기 제 2의 제어된 유동속도 영역 위에서 유동층 연소기 내로 주입되고, 여기서 층 고체들이 물질 위로 낙하하며 주입되어서 그 물질을 덮는다. 다음에, 이 물질이 건조된 후 연소된다. 상기 물질에 편승된 불활성/트램프(inerts/tramp) 물질들/클링커(clinker) 뿐만 아니라 직경이 더 큰 고체들이 여기서부터 분리되며, 다음에 유동층 연소기에서 제거된다.

제한하지 않는 예로, 유동층 유닛의 종래 형태에 대한 여러 가지 다른 실 예는 다음과 같다. 제 1 실 예로서, 1987년 6월 9일에서 11일에 영국, 런던에서 개최된 코얼텍(Coaltech) '87 컨퍼런스에서 발표된 제이.지. 발라타인(J.G. Ballatyne)의 "고체 순환 보일러의 소개"라는 논문이 있다. 이 논문에서 설명된 바와 같은 보일러의 작동 모드에 따라, 입자 잔류 시간이 최대로 되도록 3 영역으로 배열된 조밀한 발포 유동층에서 연소가 발생한다. 이 층은 측정된 용해 알루미나 비드(alumina beads)에 연료 재(fuel ash) 및 석회암을 더하여 구성되며, 주요 유동속도는 재 및 돌의 미세 입자만이 연도가스와 함께 층을 떠나도록 선택된다. 적절한 그릿(grit) 하중 및 가스 속도 때문에, 연도가스는 멀티사이클론(multi-cyclone)으로 배출되기 전에 대류면을 통과할 수 있다. 냉각가스를 취급하는 상기 멀티사이클론은 연강 구조이며, 석회암 및 미연소 물질의 굵은 입자들을 재사용하기 위해 층으로 돌려보낸다. 이 층에서부터, 물질의 제어된 양이 비기계적 밸브에 의해 연속적으로 추출되며, 보일러 구조체와 일체로 된 수냉식 채널에서 냉각된다. 이 물질을 운반하는데 필요한 운반공기가 이차연소용으로 사용된다.

상술한 논문의 대상을 이루고 있는 보일러의 창작자는 더블유. 비. 존슨(W.B. Johnson)이라고 주장하고 있다. 이 사람은 1985년 9월 10일자로 등록된 명칭이 "유동층 연소장치 및 방법"인 미국특허 제4,539,939호의 발명자인 더블유. 존슨과 동일인으로 여겨진다. 더블유. 비. 존슨의 미국특허 제4,539,939호의 교시에 따라, 불활성 고체물질의 다수의 비교적 조밀한 비드형 입자가 연소층으로부터 분리된 열교환 수단을 통해 순환용 유동 연소층을 통해 산재된 채로 유지되며, 다른 층 구성물과 함께 유동층으로 복귀된다. 또한 미세한 석회암 입자들이 새로운 연료 입자와 함께 유동층 내로 주입될 수 있다. 순환하는 층 구성물은 아치형 열교환 출구로부터 배출되어 층 내의 순환을 증가시키기 위한 연소층에 대해 직접적으로 귀환하는 층 구성물을 수평방향으로 지향시킨다. 또한, 새로운 연료 및 미세한 석회암의 주입을 위한 입구가 아치형 배출 채널 바로 아래에 배치되어 수평 배출 속도를 강화시킨다. 대체로 아치형 배출 채널에 대향하는 연소실의 일부분은 층 내의 순환을 더욱 강화시키기 위해 경사진 벽 세그먼트를 구비한다.

유동층 유닛의 종래 형태에 대한 설명을 종결하기 전에, 유동층 유닛의 종래 형태의 여러 가지 양상에 대하여 특히, 그러한 유동층 유닛의 종래 형태에 대한 구조의 성질 및 작동 모드에 대하여 주의를 집중하는 것이 중요하다고 여겨진다. 이를 위해, 통상적으로 대형 순환 유동층 유닛의 그러한 종래 형태에서, 유동층 유닛의 종래 형태 특히 대형 순환 유동층 유닛의 종래 형태에 관한 구조의 작동 모드 및 성질에 따라, 미세한 고체 연료 재/흡수제 입자들은 이들 입자들이 유동층 열교환기로 흘러가서 통과하기 전에 연도가스로부터 분리되는 실 예에 주의하기 바란다. 그와 같이, 유동층 열교환기로 흘러가서 통과하게 되는 고체 입자들의 형식을 분류하려고 하는 시도가 없었다. 이를 위해, 그러한 작동 모드에 따라, 유동층 열교환기로 흘러들어가게 되는 고체 입자들은 대형 순환 유동층 유닛의 종래 형태의 연소기 내에 공기의 존재하에 고체 연료의 연소의 결과로서 생성되었던 모든 재의 혼합물로 전체적으로 구성된다.

덧붙여, 특히 대형 순환 유동층 유닛의 종래 형태에 대한 구조의 작동 모드 및 성질에 따라, 유체층 애쉬쿨러(fluid bed ash cooler)가 상기 대형 순환 유동층 유닛의 종래 형태에 사용될 때 그러한 유체층 애쉬쿨러는 통상적으로 재를 냉각하는데 사용되며, 상기 재는 대형 순환 유동층 유닛의 종래 형태의 연소기 내에 공기의 존재하에 고체 연료의 연소의 결과로서 생성된 것이며, 그러한 재가 상기 대형 유동층 유닛의 종래 형태를 떠나도록 만들어져 있다는 사실에도 역시 관련지어야 한다고 믿어진다. 그러한 유체층 애쉬쿨러는, 커다란 재 입자들에 편승된 미세 입자들로부터 커다란 재 입자들을 분리시키는 작용을 할 수 있으며, 그 후 분리된 미세 입자들이 상기 대형 순환 유동층 유닛으로 복귀하게 된다고 인정된다. 그러나 여기서 다시 앞의 문단에서 설명한 바와 같이, 유체층 애쉬쿨러의 경우에도 대형 순환 유동층 유닛의 종래 형태의 연소기 내에 공기의 존재하에 고체 연료의 연소의 결과로서 생성된 재를 집합적으로 포함하는 고체 입자들의 형식을 분류하고자 하는 시도는 없다. 즉, 앞의 문단에서 설명한 바와 같이, 상기 유체층 애쉬쿨러의 작용에 의해 분리되는 고체 입자들은 대형 순환 유동층 유닛의 종래 형태의 연소기 내에 공기의 존재하에 고체 연료의 연소의 결과로서 생성된 모든 재의 혼합물로 전체적으로 구성된다.

또한 이런 점에서, 이미 본원에서 참고로 한 미국특허 제4,539,939호의 교시에 따라, 보크사이트(bauxite)를 합체한 층 물질이 발포층에서 추출된다. 하지만, 상기 미국특허 제4,539,939호의 교시에서는, 보크사이트를 합체한 그러한 층 물질이 열교환기로 흘러들어가기 전에 보크사이트를 합체한 층 물질로부터 어떤 잔류 재 또는 연료를 분리하려고 하는 시도는 설명하고 있지 않다.

따라서, 이런 점에서 요약하면, 유동층 유닛의 종래 형태 특히 대형 순환 유동층 유닛의 종래 형태에 관해서는, 그러한 유동층 유닛의 종래 형태의 구조의 작동 모드 및 성질에 따라 고체 입자들이 유동층 열교환기로 복귀하기 전에 고체 입자들의 여러 가지 유형들을 분류/분리하는 작동을 실시하려고 시도하는 일이 종래 실시에서는 없었다. 더욱 중요하게는, 고체 입자들의 여러 가지 유형들을 분류/분리에 대한 그러한 시도가 유동층 열교환기 특히 그러한 유동층 열교환기가 대향류(counter flow) 열전달 시스템을 포함하는 경우와 관련되어 종래 기술에서 공개되거나 심지어 제안되지 않았다. 더 상세히 설명하면, 어떤 종래 기술의 문서에서도, 고체 입자들이 대향류 열전달 시스템을 통과하기 전 또는 후에, 유동층 유닛의 종래 형태의 연소기 내에 공기의 존재하에 고체 연료의 연소의 결과로서 생성된 재를 집합적으로 포함하는 고체 입자들의 유형들을 분류/분리를 실행한다고 하는 교시나 제안이 없었다.

본원에서 참고로 한 여러 미국 특허들의 교시에 따라 제조된 유동층 보일러뿐만 아니라 코얼텍 '87 컨퍼런스에서 발표된 상술한 논문의 주제를 이루는 유동층 보일러가 발명자들이 설계한 목적대로 작동하는 것으로 입증되었다고 주장하지만, 종래 기술에서 그러한 유동층 보일러를 더욱 개선할 필요가 있다는 증거가 있다. 특히, 종래 기술에서, 새로운 접근법에 입각하여 자신의 고체 보강 열전달을 특징으로 하는 디자인을 합체한 저렴한 열전달 시스템을 필요로 하는 증거가 있다. 이를 위해, 본원에서 참고로 한 여러 미국 특허들의 교시에 따라 제조된 그러한 유동층 보일러뿐만 아니라 코얼텍 '87 컨퍼런스에서 발표된 상술한 논문의 주제를 이루는 유동층 보일러 모두의 기본적 특성(이것은 여기에 "유동층 보일러"를 인용하도록 사용되는 용어에 관하여 놀라운 것이 아니다)은, 이 유동층 보일러가 발포층 형식의 작동 모드를 사용하거나 또는 순환 유동층 형식의 작동 모드를 사용하도록 설계되어 있는 것에 관계없이, 유동층 보일러의 작동을 실행하기 위해 내부에 유동용 공기(fluidizing air)의 사용을 필요로 한다. 즉, 발포층 형식의 작동 모드를 사용하거나 또는 순환 유동층 형식의 작동 모드를 사용하는 것에 관계없이, 필요한 작동 모드를 효율적으로 확립하려고 하면, 어떤 목적으로 유동용 공기를 사용해야 한다는 필요조건이 여전히 존재한다. 그러한 유동용 공기는, 발포층 형식의 작동 모드를 사용하거나 또는 순환 유동층 형식의 작동 모드를 사용하는 것에 관계없이, 예정된 속도에서 분사되도록 설계되고, 속도의 선택은 기본적으로 특정한 유동층 보일러가 발포층 형식의 모드에서 작동되는가 또는 순환 유동층 형식의 모드에서 작동되는가에 의해 결정되며, 따라서 그러한 유동용 공기는 물질들의 입자로 구성된 층을 통해 흘러가게 되고, 상기 입자의 성질은 예를 들어 연료 입자, 석회암 입자, 불활성 입자 등과 같이 여러 가지 형태를 가질 수 있다. 그와 같이, 지금까지 유동층 보일러의 종래 형태에서 그러한 유동용 공기의 사용에 대한 필요성 때문에, 연소 프로세스, 열전달 프로세스 및 이와 함께 환경 제어 프로세스의 완전한 분리(decoupling)를 현재까지 실행할 수 없었으며, 이러한 사실의 결과로서 지금까지 그러한 유동층 보일러의 종래 형태에 의하여 상기 프로세스들 즉, 연소 프로세스, 열전달 프로세스 및 환경 제어 프로세스 각각이 독립적으로 최적화될 가능성이 없었다.

따라서, 본 발명의 목적은 열전달 시스템에 관련되어 있는 한에 있어서 새로운 접근법의 사용에 입각하는 열전달 시스템을 위한 새롭고 개선된 디자인을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 저렴한 비용을 특징으로 하는 그러한 새롭고 개선된 열전달 시스템을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 목적은 고체 보강 열전달이 이 시스템에 의해 실현될 수 있다는 사실을 특징으로 하는 새롭고 개선된 열전달 시스템을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 이 시스템에 의해 연소 프로세스, 열전달 프로세스 및 환경 제어 프로세스의 완전한 분리가 된다는 사실을 특징으로 하는 새롭고 개선된 열전달 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 이 시스템에 의해 연소 프로세스, 열전달 프로세스 및 환경 제어 프로세스의 완전한 분리에 의해 상기 각각의 프로세스가 독립적으로 최적화될 수 있다는 사실을 특징으로 하는 새롭고 개선된 열전달 시스템을 제공하는 것이다.

여전히 본 발명의 다른 목적은 보크사이트와 같은 열전달 고체가 열전달 수단으로 흘러가기 전에 고체연료 재, 흡수제, 가연물 및 연도가스로부터 분류 단계에서 효율적으로 분리된다는 사실을 특징으로 하는 새롭고 개선된 열전달 시스템을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 열전달 시스템이, 연료가 고체, 액체 또는 기체이더라도 이 시스템에서 사용되는 분류 프로세스에 의해 연료 성질을 변화시킴으로써 영향을 받지 않으며 다만 열전달 고체 예를 들어 보크사이트만이 열전달 수단과 접촉하게 된다는 사실을 특징으로 하는 새롭고 개선된 열전달 시스템을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 내부열원이 그러한 새롭고 개선된 열전달 시스템과 연결되어 사용되는 범위에서는 내부열원의 영역에 열전달면이 구현되지 않는다는 사실을 특징으로 하는 새롭고 개선된 열전달 시스템을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 그러한 열전달 시스템이 그럼에도 불구하고 여전히 NOx 방출물의 최소화를 실행할 능력을 유지한다는 사실을 특징으로 하는 새롭고 개선된 열전달 시스템을 제공하는 것이다.

역시, 본 발명의 다른 목적은 이 시스템에 의해 황 포획물(sulfur capture)이 연소 프로세스에서 분리된다는 사실을 특징으로 하는 새롭고 개선된 열전달 시스템을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 최상의 모드 실시에 따라 유동층 열교환기의 필요성을 제거하며 그 결과로서 초래되는 부수적인 이득으로서 보조 동력이 감소되고, 송풍기 및 이와 관련된 덕트 라인의 비용이 제거되지만, 여전히 그러한 새롭고 개선된 열전달 시스템에 의해 외부 열전달면이 그 한 단부에서 대향류 섹션(counter current section)을 동반하는 유동층 디자인을 가질 수 있다는 사실을 특징으로 하는 새롭고 개선된 열전달 시스템을 제공하는 것이다.

역시, 본 발명의 다른 목적은 관례상 보다 일반적으로 사용되어야 할 필요가 있는 과열 사이클론 대신에 냉각 사이클론을 사용할 수 있다는 사실을 특징으로 하는 새롭고 개선된 열전달 시스템을 제공하는 것이다.

여전히, 본 발명의 다른 목적은 그러한 열전달 시스템이 비교적 저렴하게 제공되며 또한 구조가 비교적 간단하다는 유익한 특징을 갖는 새롭고 개선된 열전달 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명에 따라, 열전달 시스템에 관한 한 신규한 접근법의 사용에 입각하고 있는 디자인의 새롭고 개선된 열전달 시스템이 제공된다. 특히, 본 발명의 주제인 열전달 시스템은 고체 보강 열전달을 이용하여 저렴한 열전달 시스템을 디자인하는데 있어서 신규한 접근법을 보이고 있다. 본 발명의 주제인 열전달 시스템이 구체화하는 개념은, 연소 프로세스, 열전달 프로세스 및 환경 제어 프로세스의 완전한 분리를 실행하고, 따라서 각각의 프로세스가 독립적으로 최적화될 수 있는 것을 포함한다. 본 발명의 열전달 시스템과 종래 구조의 100 MW 순환 유동층 시스템과의 원가 비교에 기초하여, 그러한 원가 비교의 결과로부터, 본 발명의 열전달 시스템에 대한 모든 압력부(pressure part)의 원가들이 종래 구조의 100 MW 순환 유동층 시스템에 비해 약 65% 감소될 수 있고, 또 구조강과 설비 부지(plant footprint) 및 빌딩 용적에서의 감소들이 종래 구조의 100 MW 순환 유동층 시스템에서 얻을 수 있는 것에 비해 본 발명의 열전달 시스템에서 더 많이 달성될 수 있는 것으로 나타났다.

계속해서, 본 발명의 열전달 시스템은 고온 예를 들어 최고 1100 ℃에서 작동할 수 있으며 또한 사이클론으로부터 낮은 고체 재순환율을 갖는 하이브리드 디자인을 사용한다. 제 2 고체 순환 루프도 역시 여기에 중첩된다. 본 발명의 열전달 시스템의 작동 모드에 따라, 냉각 고체의 조밀한 스트림은 시스템의 제 1 부분의 상단으로 주입된다. 그 다음에, 상기 고체들이 본 발명의 열전달 시스템의 제 1 부분의 저부를 향해 낙하하는 반면에 열원 자체가 본 발명의 열전달 시스템의 제 1 부분의 출구에서 저온으로 유지되도록 냉각되고 있을 때, 상기 고체들은 본 발명의 열전달 시스템의 제 1 부분 내에서 냉각 고체와 열원 사이에서 발생하는 환열성 열전달의 결과로서 가열되고, 상기 열원이 본 발명의 열전달 시스템의 제 1 부분 내에서 또는 그 외부에서 발생될 수 있다. 과열 층 고체들은 본 발명의 열전달 시스템의 상기 제 1 부분으로부터 배출되어 플리넘 열교환기로 들어가며, 상기 플리넘 열교환기는 본 발명의 최선의 작동 모드에서는 필요로 하지 않지만 본 발명의 열전달 시스템의 제 1 부분 아래에 배치된다. 이런 점에서, 플리넘 열교환기가 열전달 고체들이 연소기로부터 중력에 의해 아래로 흘러 플리넘 열교환기 내로 들어갈 수 있도록 연소기에 충분히 가까이에 배치되어 있는 한 플리넘 열교환기는 연소기 바래 아래에 배치될 필요는 없다. 본 발명의 열전달 시스템의 모든 열전달면은 본 발명의 최선의 실시 모드에 따라, 상기 플리넘 열교환기 내에 배치된다. 본 발명의 열전달 시스템의 작동 모드에 따라, 고체들은 천천히 아래로 상기 플리넘 열교환기를 통해 이동하며, 이러한 이동은 본 발명의 최선의 실시 모드에 따라 이동층의 성질과 유사하다. 플리넘 열교환기 내에 고체와의 접촉을 목적으로 적절하게 배치된 관과 과열 고체와의 직접 접촉은 그들 사이에 높은 전도성 열전달율을 제공하며 열전달면의 필요조건에 대한 전체량을 감소시킨다.

열전달 시스템의 종래 형태에 비하여 본 발명의 열전달 시스템의 유익한 특성에 기여하는 중요한 형태 중 몇 가지는 다음과 같다: a) 크게 감소된 열전달면, b) 본 발명의 열전달 시스템이 구체화하는 기술에 의해 고온 랭킨 사이클(Rankine cycle)이 가능함, c) 단순한 압력부 디자인, d) 표준 압력부 디자인, e) 단순한 지지 디자인, f) 감소된 가스측 압력강하, g) 프로세스 최적화. 현저히 감소된 열전달면은 본 발명의 열전달 시스템이 구체화하는 디자인에 따라 모든 압력부 열전달면이 단일 대향류 열교환기에 통합되며, 상기 대향류 열교환기는 열전달 고체들이 연소기로부터 중력에 의해 아래로 상기 열교환기로 흘러갈 수 있도록 본 발명의 열전달 시스템의 상술한 제 1 부분에 대해 배치된다. 그와 같이, 과열 고체들과 열전달면의 직접 접촉은 모든 표면에 높은 열전달율을 제공한다. 또한, 연장된 표면들이 본 발명의 열전달 시스템에 사용될 수 있고, 이것이 열전달면에 대한 필요조건들을 더욱 감소시킨다. 원가 비교의 연구는, 본 발명의 열전달 시스템을 위한 총 압력부 무게와 원가가 본 발명의 열전달 시스템과 동일한 디자인 조건에서 작동하는 순환 유동층 시스템의 것보다 약 1/3이 된다는 것을 보여주고 있다.

본 발명의 열전달 시스템은 색다른 물질들을 개발하거나 사용할 필요가 없이 고온 랭킨 사이클 및 높은 설비효율을 사용할 수 있게 한다. 더구나, 본 발명의 열전달 시스템에서 과열 고체 이동층의 이동층형 운동(moving bed-like movement)을 사용함으로써 얻어지는 높은 열전달율은 본 발명의 최상의 실시 모드에 따라, 상기 과열 고체와 플리넘 열교환기의 관과의 높은 온도차의 필요성을 제거하고, 부수적으로 금속관의 최대 온도를 감소시킨다. 따라서, 고온 증기 조건은 본 발명의 열전달 시스템의 상기 제 1 부분 내에서 중간 온도로 실현될 수 있고 따라서 용이하게 입수 가능한 높은 니켈 합금의 사용을 가능하게 한다. 본 발명의 열전달 시스템의 플리넘 열교환기의 관에 연장된 표면을 추가하면 열전달면의 필요조건에 커다란 영향을 준다는 것이 시험에서 나타나고 있다. 이런 점에서, 본 발명의 열전달 시스템에서 얻을 수 있는 높은 열전달율 및 연장된 관 표면은, 모든 열전달 섹션들의 원가를 값비싼 고온 섹션에서 달성될 수 있는 것보다 약 50% 감소시킨다. 필요하면, 고온 핀형(finned) 표면의 개발에 의해 추가의 표면 감소가 가능하다.

본 발명의 열전달 시스템은 절약장치, 증발기 및 과열기를 위한 단일 회로를 갖춘 열전달 시스템을 통해 한 번에 작용한다. 이에 의해 단일 섹션 과열기는 중간 헤더의 필요성을 제거한다. 또한, 적용 가능한 경우, 본 발명의 열전달 시스템의 증기 출구가 터빈과 동일한 높이에 배치되기 때문에 열전달 시스템-터빈 연결관이 크게 감소된다. 본 발명의 열전달 시스템에 의해 증기측과 가스측의 불균형은 다른 관 섹션에 대해 고체 흐름을 제어한 결과로서 최소로 될 수 있다. 또한, 열전달 섹션이 연료 재와 접촉하지 않기 때문에 수트블로워(sootblower)를 필요로 하지 않는다. 추가로, 본 발명의 최상의 실시 모드에 따라 이동층형 운동의 결과로서 생성되는 전도성 열전달은, 일측면 가열을 받는 종래 기술의 열전달 시스템에서 보통 사용되는 수벽과 다르게, 관 중심선 주위에 균일한 열플럭스(heat flux)를 제공한다. 더나아가서, 본 발명의 열전달 시스템은 수벽이 없기 때문에, 종래 열전달 시스템에서 불리한 특성을 초래하는, 오스테나이트/페라이트 물질의 혼합으로 인한 수벽 제한 또는 단일측벽 열플럭스로 인한 응력 차이가 제거된다. 덧붙여, 종래 열전달 시스템이 겪는 것으로 공지되어 있는 고온부식도 역시 본 발명의 열전달 시스템에서는 제거된다.

당업자에게는 공지된 바와 같이, 종래 구조의 순환 유동층 시스템을 위한 압 력부 장치는 그 연소기에서 연소되는 특정 연료를 위해 설계되어야 한다. 또한, 당업자에게 종래 구조의 순환 유동층 시스템의 백패스(backpass)를 통과하는 가스 유량이 더 많은 연료 습기에 의해 증가한다는 것은 공지되어 있다. 따라서, 종래 구조의 순환 유동층 시스템의 백패스에서의 관 간격은 그러한 관들을 통과하는 적절한 가스 속도를 유지하기 위해 고습도의 연료를 위해 증가되어야 하며, 따라서 종래 구조의 순환 유동층 시스템의 경우에 대형이고 고가의 백패스를 초래한다. 이에 따라, 종래 구조의 순환 유동층 시스템에 관한 한, 그 연소기는 여러 종류의 연료를 필요로 할 때 최악의 연료에 적응하도록 설계되어야 한다.

한편, 본 발명의 열전달 시스템의 열전달면은, 내부 발생 열원(internally generated heat source)이 본 발명의 열전달 시스템과 연결되어 사용되거나, 또는 외부 발생 열원(externally generated heat source)이 본 발명의 열전달 시스템과 연결되어 사용되더라도, 연료 특성을 변경하는 것에 의해 영향을 받지는 않는다. 이것은 어느 경우에도 연소 가스 및 연료 재가 본 발명의 열전달 시스템과 접촉하지 않는다는 사실로부터 초래된다. 이것은, 이하에서 참고로 하는 분류 프로세스를 포함하기 때문이며, 상기 분류 프로세스는 본 발명의 최상의 실시 모드에 따라 플리넘 열교환기 앞에 배치되며, 따라서 상기 분류 프로세스가 열전달 고체 예를 들어 보크사이트를 고체 연료 재, 흡수제, 가연물 및 연도가스로부터 분리시키는 작용을 한다. 덧붙여, 본 발명의 열전달 시스템은, 내부 발생 열원이 본 발명의 열전달 시스템과 연결되어 사용될 때, 고습도의 연료에 의해 제 1 부분을 통해 높은 가스속도를 가질 것이다. 끝으로, 내부 발생 열원이 본 발명의 열전달 시스템과 연결되어 사용될 때, 본 발명의 열전달 시스템의 제 1 부분에서의 열 환열은 재순환하는 입자 크기 및 재순환율의 변화를 통해 다른 연료들을 위해 유지될 수 있다.

이어서, 본 발명의 열전달 시스템의 제 1 부분은 이 내부에서 어떤 열전달면도 구체화하지 않으며, 따라서 얇은 내화성 외피와 함께 원통형 자체-지지(self-supporting) 디자인에 대해 이상적이다. 더구나, 본 발명의 열전달 시스템에 관한 한, 그러한 장치는 버크스테이(buckstay)를 필요로 하지 않고 또 구조강의 필요조건을 크게 감소시킨다. 덧붙여, 열원이 본 발명의 열전달 시스템의 제 1 부분 내에서 냉각되기 때문에, 냉각 사이클론이 종래 구조의 순환 유동층 시스템에서 사용되는 것보다 상당히 작으며, 부수적으로 단지 소량의 내화물질 및 구조강을 필요로 할 것이다. 또한, 본 발명의 열전달 시스템에 의해, 그 열교환기를 위한 지지 필요조건이 상당히 감소되는데 왜냐하면, 그러한 열교환기에서 사용되는 튜브 번들이 지면에 가까이 배치되며, 종래 구조의 순환 유동층 시스템에서 사용되는 것보다 더 경량이기 때문이다.

또한, 주목할 것은, 본 발명의 열전달 시스템에서의 고체 순환율이 종래 구조의 순환 유동층 시스템보다 상당히 작으며, 따라서 더 낮은 가스측 압력강하를 가진다는 점이다. 또한, 과열 고체가 이동층형 모양으로 이동하도록 통과시키는 열교환기가, 본 발명의 열전달 시스템에서 사용되는 본 발명의 최상의 실시 모드에 따라, 유동층 열교환기(FBHE)에 대한 필요성을 제거하며, 상기 유동층 열교환기는 통상적으로 종래 구조의 순환 유동층에서 사용되는 부품이며, 따라서 보조 동력의 필요조건과 송풍기 및 덕트 라인의 원가를 감소시킨다.

상기 설명으로부터, 본 발명의 열전달 시스템에 의해 연소 프로세스, 열전달 프로세스 및 환경제어 프로세스가 효율적으로 분리되므로, 본 발명의 열전달 시스템이 프로세스 최적화를 위해 어느 정도 특별한 기회를 제공한다는 것을 용이하게 이해할 것이다. 또한, 본 발명의 열전달 시스템에 의해 종래 유동층 시스템의 연료 융통성이, 탄소 소모를 위한 사이클론 재순환과 연결되어 고온의 제 1 부분 내에서 여전히 유지될 수 있다. 추가로, 본 발명의 열전달 시스템에 의해 다음 특징이 달성될 수 있다: 질산화물 방출이 본 발명의 열전달 시스템의 제 1 부분의 하부에서 최소로 될 수 있다; 황 포획물이 이 목적을 위한 적절한 백엔드(backend) 시스템을 이용함으로써 본 발명의 열전달 시스템의 열원 발생 프로세스로부터 분리된다; 본 발명의 최상의 실시 모드에 따라 본 발명의 열전달 시스템을 한번에 통과할 정도로 석회암이 미세해야 한다는 조건이 있지만 여전히 본 발명의 열전달 시스템의 제 1 부분에서 석회암이 타서 생석회로 될 수 있다. 그러나, 매우 높은 황 석탄을 위해서는, 열전달 시스템의 제 1 부분에서 약간의 황 포획물을 얻는 것이 바람직한 상황이 있을 수 있다고 인식된다. 그러한 상황에서는, 석회암이 사이클론을 통과하기 전에 몇 시간 동안 재순환을 받게 하도록 석회암을 측정하는 것이 바람직하다.

도 1은 본 발명에 따라 제작된 열전달 시스템의 개략도이며, 내부 발생 열원이 열전달 시스템과 연결되어 사용되는 것을 도시한다.

도 2는 본 발명에 따라 제작된 열전달 시스템의 개략도이며, 외부 발생 열원 이 열전달 시스템과 연결되어 사용되는 것을 도시한다.

도 3은 도 1에 도시한 바와 같은 본 발명의 열전달 시스템의 제 1 부분과 그 플리넘 열교환기 사이에 본 발명의 최상의 실시 모드에 따른 기계적 접속부의 확대 측면도이며, 과열 고체들이 본 발명의 열전달 시스템의 작동 모드에 따라 상기 제 1 부분에서부터 플리넘 열교환기로 지나가며 횡단하는 도면.

도 4는 본 발명의 열전달 시스템의 섹션의 확대 측면도로서, 열전달 고체 예로서 보크사이트가 고체 연료 재, 흡수제, 가연물 및 연도가스로부터 분리되는 분류 프로세스를 수행한다.

이제 도면을 참고하면 특히, 도 1에서, 본 발명에 따라 제작된 열전달 시스템(10)이 도시되어 있고, 이 시스템과 연결되어 사용되는 내부 발생 열원이 도시되어 있다. 도 1을 참고하여 잘 이해할 수 있듯이, 열전달 시스템(10)은 제 1 부분 즉, 용기(12)를 포함하고, 이 용기는 자체적으로 2개의 영역 즉 하부영역과 상부영역으로 구성된다. 하부영역(14)은 연소영역 즉, 내부 발생 열원이 만들어지는 영역으로서 작용한다. 상기 영역(14) 내에, 화살표(16)로 도시한 바와 같이 분사되는 연료와, 화살표(18)로 도시한 바와 같이 분사되는 연소 공기가, 바람직하게 종래 발포층 기술을 사용하여 연소되며, 이에 의해 연료(16) 및 연소 공기(18)의 연소의 결과로서 생성 즉 발생되는 과열 가스의 형태로서 내부 발생 열원을 생성하게 된다.

용기(12)의 상부영역(20) 즉, 영역(14) 위에 배치된 용기(12) 내의 영역은, 약 6 내지 7초 정도의 비교적 긴 잔류시간이 제공됨으로써, 화살표(22)로 도시한 상향 흐름을 겪는 영역(14) 내에서 생성된 연소 생성물로 구성되는 내부 발생 열원 즉, 가스로부터 나온 열이, 화살표(26)로 도시된 하향 흐름을 겪으며 용기(12)의 상부영역(20) 내로 화살표(24)로 분사되는 고체 입자들의 흐름으로 전달되는 환열(이하에서 더 상세히 언급할 것임)이 발생될 수 있도록 반응기처럼 작동한다. 그와 같이, 용기(12)의 상부영역(20)은 반드시 대향류 직접 접촉 열교환기의 방법으로 작용한다. 이 때문에, 용기(12)의 하부영역(14)에서나 용기(12)의 상부영역(20)에서나 열이 물/증기로 전달되지 않는다. 따라서, 용기(12)의 벽은 내화물질로 라이닝되도록 설계된다. 또한, 고체 입자(24)는 내부 발생 열원 즉 가스(22)로부터 나온 열을, 도 1에 도면부호 28로 개략적으로 도시된 종래 형태의 공기 히터를 본 발명의 열전달 시스템(10)에서 사용할 수 있도록 충분히 낮은 온도로 환열시키는데 효과적이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따라, 가스(22)로부터 나오는 열의 환열을 실행하기 위한 목적으로 사용되는 고체 입자(24)는 고밀도뿐만 아니라 높은 열전도도를 가지도록 설계되어 있다. 즉, 밀도가 높을수록 또 고체 입자(24)의 개수가 많을수록, 즉 고체 입자(24)의 표면적이 클수록 용기(12)가 작아질 수 있다. 이를 위해, 다양한 형태의 보크사이트 예를 들어 Al₂O₃가 고체 입자(24)로서 사용하기에 적절하다는 것을 알게 되었다. 이런 점에서, 이런 형태의 보크사이트 예를 들어 Al₂O₃가 그 열적 성질 때문에 호감을 줄 뿐만 아니라, 또한 그들이 낮은 기술의 세라믹을 위한 원료로서 사용되기 때문에 전세계의 모든 국가에서 실제적으로 이용될 수 있다. 그러나 그러한 입자들이 바람직하게 구현해야 하는 상술한 특성들을 구체화하는 다른 유형의 입자들도 상술한 형태의 보크사이트 대신에 본 발명의 요지를 벗어나지 않고 사용될 수도 있다는 것을 이해할 것이다.

가스(22)로부터 나오는 열의 환열을 실행하기 위해 사용되는 고체 입자(24)들은 또한 고체 연료 재 및 흡수제 입자 보다 더 높은 밀도 및 입자 크기를 가지도록 설계되어 있다. 고체 입자(24)들은 용기(12)의 상부영역(20) 내에서 최대 가스속도에서 노를 통해 아래로 흐르도록 설계되며, 즉, 용기(12)의 상부영역(20) 내에서 고체 입자(24)의 종단속도가 용기(12)의 상부영역(20) 내에서 최대 가스속도보다 더 크다. 용기(12)의 상부영역(20) 내의 횡단면 영역은, 상부영역 내의 가스속도가 고체 연료 재 및 흡수제 입자들 대부분을 포함하여 이들을 도 1의 화살표(36) 방향으로 후술하는 방법으로 용기(12)에서 나와 위로 운반하기에 충분히 빠르다는 것을 보장하도록 설계된다.

고체 입자(24)들은 본질적으로 미세 입자 또는 굵은 고체연료 재 또는 흡수제가 플리넘 열교환기(30)로 전달되지 않는 것이 보증되는 그러한 방식으로 용기(12)의 하부영역(14)에서 배출된다. 본 발명의 최상의 실시 모드에 따라, 도 1에서 도면부호 31로 지칭되고 이하에서 더 언급하게 될 복수의 층 배출관(bed drain pipe)이, 각각의 층 배출관(31)의 입구(31a)가 용기(12)의 하부영역(14)의 플로어(floor:14a) 위에 배치되도록 위치된다. 용기(12)의 영역(14)의 플로어(14a) 위에 배치된 입구(31a)를 각각 갖는 복수의 층 배출관(31)을 포함하여 상기 디자인을 사용함으로써, 용기(12)의 영역(14)에서 플리넘 열교환기(30)로 큰 돌 등이 통과되지 않는다. 따라서, 그러한 큰 돌 등은 독립된 층 배출 처분 시스템에 의해 용기(12)로부터 제거될 수 있으며, 상기 층 배출 처분시스템이 도 1에서 도면부호 33으로 도시된 화살표에 의해 개략적으로 도시되어 있다.

특히 도 4의 설명과 연결되어 충분하게 기재되어 있는 방법에서, 공기 속도가 미세 입자(fines), 고체연료 재 및 흡수제 입자들이 복수의 층 배출관(31) 중 어느 배출관 아래로도 흘러가지 않도록 하기에 충분히 빠르며, 동시에 공기 흐름의 속도가 각각의 층 배출관(31)을 통해 플리넘 열교환기(30)로 흐르는 고체 입자(24)들의 하향 흐름을 방해하지 않을 정도로 충분하게 하는 양으로 공기가 각각의 층 배출관(31) 내로 주입된다. 각각의 층 배출관(31) 내로 주입되는 공기는 또한, 어느 하나의 층 배출관(31)으로 들어가게 될 어떤 미연소 탄소질 물질의 연소를 실행하는 작용을 한다. 그러한 연소로부터 생성된 열은 각각의 층 배출관(31)으로부터 용기(12)로 복귀하도록 설계되어 있다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 열전달 시스템(10)의 설명을 계속하면, 본 발명에 따라 구성된 열전달 시스템(10)은 제 2 부분 즉, 앞에서 언급하였던 플리넘 열교환기(30)를 추가로 포함한다. 도 1을 참고하여 잘 이해할 수 있듯이, 플리넘 열교환기(30) 내에서 하나 이상의 열전달면이 장착되어 적절하게 지탱된다. 본 발명의 열전달 시스템(10)의 도 1의 도면에 따라, 도 1에서 도면부호 32로 지칭된 4개의 열전달면이 지지 및 장착 목적을 위해 사용하기에 적절한 어떤 종래 형태의 장착수단(도면의 명료성을 위해 미도시)을 사용함으로써 플리넘 열교환기(30) 내에 적절하게 지지 및 장착된 것으로 개략적으로 도시되어 있으며, 바람직하게 플리넘 열교환기(30) 내에서 서로 적절하게 이격되어 있다. 그러나, 본 발명의 요지를 벗어나지 않고 4개 이상 또는 4개 이하의 열전달면(32)이 플리넘 열교환기(30)에 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

플리넘 열교환기(30)를 통해 반드시 고체 입자(24)의 간단한 질량 흐름(mass flow)이 플리넘 열교환기(30)로 들어가서 통과한 후 각각의 층 배출관(31)의 출구(31b)로부터 화살표(35)로 개략적으로 도시된 바와 같이 배출되므로, 상기 고체 입자(24)들이 용기(12)의 제 1 부분(20) 내에서 내부 발생 열원 즉 가스(22)로부터 나오는 열을 환열하면, 상기 고체 입자(24)들이 기본적으로 중력의 영향 하에서 매우 느린 속도 예로서 40 m/hr 정도에서 아래로 이동한다. 그와 같이, 상기 고체 입자(24)들은 아래로 이동할 때 이동층의 특성을 가진다. 본 발명의 최상의 실시 모드에 따라 상기 고체 입자(24)들이 아래로 이동할 때 이동층의 특성을 가지더라도, 상기 고체 입자(24)들도 역시 본 발명의 요지를 벗어나지 않고 어떤 다른 방법으로 아래로 이동할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 여기서 중요한 포인트는, 열전달 기능이 완전하게 대향류 형태로 실행되는 것이 바람직하며 또는 대안으로 열전달 기능이 적어도 부분적으로 대향류 형태로 실행된다는 것이다. 이를 위해, 열교환 기능의 적어도 일부분은 반드시 대향류 형태로 실행되어야 한다.

위에서 언급한 방법에서 하향 이동의 과정에서, 고체 입자(24)들의 상기 하향이동 질량 흐름은 열전달면(32)에 걸쳐 흐르고, 이 열전달면은 본 발명의 최상의 실시 모드에 따라 바람직하게 각각 복수의 개별 관(도면의 명료성을 위해 미도시)으로 구성되며, 이 개별 관이 집합될 때 단일 열전달면(32)으로 된다. 각각의 열전달면(32)의 각각의 관(미도시)을 통해 용어 "유체"라고 지칭된 화살표로 개략적으로 도시된 바와 같이 사이클의 "작동 유체"가 흐른다. 여기서 사용하고 있듯이, 용어 "작동 유체"는 예를 들어 증기 또는 암모니아와 같이 열동력학 사이클의 "작동 유체"를 말하는 것뿐만 아니라 프로세스 공급원료를 말하는 것으로 사용된다. 고체 입자(24)의 하향이동 질량 흐름과, 집합될 때 단일 열전달면(32)을 구성하는 관(미도시)을 통해 흐르는 작동 유체와의 사이에서 실행되는 전도성 열교환은 바람직하게 상술한 바와 같이 100% 대향류이다. 또한 상술한 바와 같이 고체 입자(24)의 하향이동 질량 흐름과 관(미도시)을 통해 흐르는 작동 유체 사이의 상기 전도성 열교환은 대안으로 적어도 부분적으로 대향류가 될 수 있다.

내부 발생 열원을 만들기 위해 연소를 겪게 되는 사용 연료가 변할 때, 각각의 열전달면(32)을 집합하여 구성하는 개별 관들(미도시) 사이의 간격을 그와 함께 변경시킬 필요는 없다. 또한, 각각의 열전달면(32)을 집합하여 구성하는 개별 관들(미도시)을 거쳐 가스가 흐르지 않기 때문에, 이에 따라 가스-대-관(gas-to-tube) 열교환기에서 종래 형태의 순환 유동층 시스템뿐만 아니라 종래 형태의 분쇄탄 연소식 증기 발생기의 경우에 가장 일반적으로 요구되고 있는 것들로서 과열기와, 재가열기와, 증발기 및 절약장치의 열전달면의 복수의 섹션에서 필요로 하는 가스측 속도 제한이 없다. 그와 같이, 본 발명의 열전달 시스템(10)에 의해 절약장치 입구로부터 과열기 출구에 이르는 단일 회로를 제공하며 이에 부수적인 효과로서 헤더의 압력 손실이 크게 제거될 수 있다고 생각된다.

본 발명의 최상의 실시 모드에 따라, 플리넘 열교환기(30) 내의 고체 입자(24)들은 실제로 100% 보크사이트 즉, Al₂O₃로 구성되며, 단지 최소량의 고체연료 재를 포함한다. 이것은 용기(12) 내에서 보크사이트 즉, Al₂O₃의 고체 입자(24)와 고체연료 재 사이에 분류가 실시된다는 사실에 기인한다. 즉, 용기(12)의 영역(14) 내에서 고체 연료(16)와 연소공기(18)의 연소로부터 나오는 고체연료 재는 미크론 크기로서 저밀도이며 따라서 가스(22)의 상향 흐름에 편승된다. 한편, 보크사이트 즉, Al₂O₃의 고체 입자(24)는 매우 조밀하여 600 내지 1200 미크론 크기이며, 그와 같이 너무 커서 가스(22)의 상향 흐름에 편승되지 않는다. 또한, 위에서 설명되었고 도 4의 설명과 연결지어 이하에서 더 많이 언급하게 되는 것으로서 공기의 주입과 연결되는 복수의 층 배출관(31)의 디자인은 추가의 분류를 제공하며, 또한 보크사이트 즉, Al₂O₃의 고체 입자(24)만이 하향으로 플리넘 열교환기(30)로 지나간다는 것을 보장한다. 따라서, 기본적으로 중력의 영향 하에서 보크사이트 즉, Al₂O₃의 고체 입자(24)는 위에서 설명한 바와 같이 아래로 이동한다.

계속해서 도 1을 참고하면, 고체 입자(24)가 도 1을 바라볼 때와 같이 플리넘 열교환기(30)의 저부에 도달할 때, 고체 입자(24)는 충분히 차가우며 즉 약 500 ℉ 의 온도를 가지므로, 도 1에서 도면부호 34로 지시된 점선으로 개략적으로 도시한 바와 같이 고체 입자(24)가 용기(12)의 상단으로 다시 운반되어 제 1 부분(20)으로 분사될 수 있으며, 상술한 바와 같이 한번 더 고체 입자(24)가 용기(12)를 통과하고 그 후 플리넘 열교환기(30)를 통해 흐르는 과정을 반복하게 된다. 본 발명의 열전달 시스템(10) 내에서 고체 입자(24)의 이러한 흐름은 본원에서 "하부 재순환 루프(lower recycle loop)"라고 한다.

본 발명의 열전달 시스템(10)의 용기(12)의 영역(14) 내에서 고체연료(16)와 연소공기(18)의 연소로부터 생성되는 고체연료 재의 물체에 대해 더 언급하면, 도 1에 도시한 바와 같이, 내부 발생 열원이 이와 관련지어 사용되고, 상기 고체연료 재는 전술한 바와 같이, 가스(22)에 편승되며, 따라서 용기(12)의 영역(14)에서 나와 위로 흐르며 용기(12)의 제 1 부분(20)을 통과하며, 결국 가스(22)가 이에 편승되는 고체연료 재와 함께 도 1의 화살표(36)로 도시된 바와 같이 종래 구조의 저온 즉 냉각 사이클론(도 1에서 도면부호 38로 도시됨)으로 배출된다. 냉각 사이클론(38) 내에서, 당업자에게 공지된 방법으로서, 고체연료 재가 가스(22)로부터 분리된다. 고체연료 재가 냉각 사이클론(38) 내에서 분리된 후, 분리된 고체연료 재의 일부분은 도 1에 점선 화살표(40)로 도시된 바와 같이, 용기(12)의 영역(14)으로 복귀되고, 배출되고 있는 분리된 고체연료 재의 나머지는 도 1에 점선 화살표(41)로 도시된 바와 같이 냉각 사이클론(38)에서 나와 최종적으로 폐기된다. 한편, 가스(22)는 냉각 사이클론(38)에서 고체연료 재로부터 분리된 후 도 1의 점선 화살표(42)로 도시된 바와 같이 냉각 사이클론(38)으로부터 공기히터(28)로 배출된다. 상술한 고체연료 재의 재순환은 본원에서 "상부 재순환 루프(upper recycle loop)" 라고 하며 기본적으로 다음의 2가지 기능을 수행한다: 1) 다른 방식으로 용기(12)로부터 배출되는 미연 탄소(unburned carbon)의 양을 감소시키고, 2) 플리넘 열교환기(30) 내에 발생하는 온도 이상에서 추가의 제어를 가능하게 한다.

플리넘 열교환기(30)의 온도는 고체 입자(24)의 하향이동 질량과 열전달면(32)의 관(미도시) 및 이 관을 통해 흐르는 작동 유체 사이의 전도성 열전달을 기초로 형성되기 때문에 매우 중요하다. 본 발명의 열전달 시스템(10)에서, 플리넘 열교환기(30) 내의 온도는 연소된 Q, 과다한 공기, 상부 재순환율 및 하부 재순환율의 함수이다. 주어진 연소된 Q 에 대해, 독립변수는 상부 재순환율 및 하부 재순환율로 된다. 고체 입자(24)의 온도를 증가시킬 필요가 있으면, 하부 재순환율이 감소될 수 있었지만, 용기(12)의 제 1 부분으로부터 가스(22)의 출구 온도가 감소된 표면적으로 인하여 증가되었으며, 여기서 열원으로부터 나오는 열을 환열하기 위해 즉 내부 발생 열원이 본 발명의 열전달 시스템(10)과 연결되어 사용되고 있을 때 상기 열원은 용기(12)의 영역(14) 내에서 고체연료(16)와 연소공기(18)의 연소로부터 생성된 가스(22)이다. 상부 재순환율은 고체 입자(24)의 온도를 증가시키기 위해 감소될 수 있었지만, 고체연료 재 내의 미연 탄소가 냉각 사이클론(38)으로부터 용기(12)의 영역(14)으로 재순환될 가능성이 거의 없다는 사실로 인해 탄소 손실이 증가되었다. 따라서, 최선의 전략은 2개의 변수 중 각각을 조정 즉, 하부 재순환율의 조정뿐만 아니라 상부 재순환율의 조정을 포함하는 어떤 조합이 바람직한 것으로 생각된다. 또한 여기서 주목해야 할 것은, 플리넘 열교환기(30) 내의 온도 상한이 명목상 1100 ℃ 인 고체연료(16)의 재 용해온도에 의해 초래된다는 사실이다. 이를 위해, 고체 입자(24)들이 플리넘 열교환기(30) 내에서 자유롭게 흐르도록 하기 위해 플리넘 열교환기(30) 내의 온도는, 용기(12)의 영역(14) 내에서 고체연료(16)와 연소공기(18)가 들러붙게 되는 온도보다 낮게 유지되어야 한다.

열원이 도 1에 도시한 바와 같이 내부 발생 열원일 때와 도2에 도시한 바와 같이 외부 발생 열원일 때, 열원으로부터 나오는 열을 환열함으로써 자유로이 흐르는 고체 입자(24) 또는 고체 입자(24')의 질량을 수집하면, 종래 형태의 순환층 시스템이나 종래 형태의 분쇄탄 연소식 증기 발생기에서 불가능한 많은 것들을 가능하게 할 수 있다. 예로 제한하지 않고, 도 1에 도시되어 있는 본 발명의 열전달 시스템(10)과 같이, 본 발명에 따라 제조된 열전달 시스템에 의해 가능하다고 생각되는 것을 언급하면 다음과 같다; 1) 대향류가 본 발명에 따라 제조된 열전달 시스템(10)의 모든 회로에서 가능하고; 2) 온도가 본 발명의 열전달 시스템(10)을 통해 저하될 때 열전달면(32)의 관(미도시)을 교체할 필요가 없고; 3) 고체연료(16)가 얼마나 나쁜가에 관계없이 열전달면(32)의 관(미도시)의 부식, 침식 또는 폐색(pluggage) 가능성이 없으며; 4) 열전달면(32)의 모든 관(미도시)이 고체연료(16)의 성질에 관계없이 핀(fin)을 가질 수 있고; 5) 열전달면(32)의 모든 관(미도시)이 전도에 의해 각각의 관의 축선 주위에서 균일하게 가열됨으로써 예를 들어, 수벽 형태의 구조에서 발생하는 것과 같은 관의 단일 측면 가열을 회피할 수 있고; 6) 가스-대-관의 열전달에서의 대류성 열전달보다 고체-대-관에서 전도율이 더 크다고 알려져 있다는 사실로 인하여 열전달이 크게 강화되었다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 열전달 시스템(10)의 설명을 완성하기 위해서, 여기서 주목해야 할 것은, 용기(12)의 영역(14)으로 분사되기 전에 연소공기(18)가, 화살표(42)로 도시된 바와 같이 공기히터(28)를 통해 흐르게 되는 가스들과, 화살표(44)로 도시된 바와 같이 이 목적을 위해 공기히터(28)로 들어가서 통과하게 되는 공기와의 열교환에 의하여 공기히터(28) 내에서 먼저 바람직하게 가열된다는 사실이다. 또한, 여기서 매우 중요하게 주목해야 할 것은, 반드시 본 발명의 최상의 실시 모드에 따른 열전달 시스템(10)에서 사용되는 유일한 공기가 용기(12)의 영역(14) 내로 분사되는 연소공기(18)라는 점이라고 생각된다. 또한, 여기서 주목해야 할 것은, 그러한 연소공기(18)가 사용되는 열원이 내부 발생 열원일 때에만 사용된다는 점이다. 이런 관점에서 더 나아가서, 매우 중요하게 인정해야 할 것으로 생각되는 것은, 공기 및/또는 어떤 가스와 함께 고체입자(24)들의 하향이동 질량의 유동화를 플리넘 열교환기(30) 내에서 수행하기 위해 플리넘 열교환기(30) 내로 분사되는 공기 및/또는 어떤 가스도 없다는 점이다. 본 발명의 열전달 시스템(10)에 사용되는 유일한 다른 공기는, 복수의 층 배출관(31) 중 어느 하나 이상의 관으로 다른 방법으로 들어갈 수 있는 어떤 미세 입자, 고체연료 재 및/또는 흡수제 입자와 고체입자(24) 사이를 추가의 분류를 실행하기 위해 복수의 층 배출관(31) 각각으로 주입되는 공기이다.

다음에, 도 2로 돌아가서, 본 발명에 따라 제조된 열전달 시스템(10')은, 도 1에 도시된 열전달 시스템(10)에서는 내부 발생 열원이 이 열전달 시스템과 연결되어 사용되는 반면에, 도 2에 도시된 열전달 시스템(10')에서는 도 1에 도시된 열전달 시스템(10)과 대비하여 외부 발생 열원이 이 열전달 시스템과 연결되어 사용된다는 점에서 도 1에 도시된 열전달 시스템(10)과 다르다. 도 2에 도시된 본 발명에 따른 열전달 시스템(10')의 작동 모드 및 구조의 성질을 이해시키기 위해서, 열전달 시스템(10)의 부품들과 일치하며 도 1에 도시된 것과 동일하고 본 발명에 따라 제조된 열전달 시스템(10)의 설명과 연결되어 앞에서 설명한 열전달 시스템(10')의 부품들은 도 2에서 그들이 동일한 부품임을 확인시키기 위해 도 1에서 사용된 도면 부호와 동일한 도면 부호에 위첨자(')를 부가하여 사용하고 있다.

따라서, 도 2를 참고하여 이해할 수 있듯이, 열전달 시스템(10')은 자체적으로 2개의 영역 즉 하부영역 및 상부영역으로 구성된 제 1 부분 즉 용기(12')를 포함한다. 하부영역(14')은 도 2에 화살표(15)로 개략적으로 도시된 외부 발생 열원을 받고 있는 영역으로서 작용한다. 이를 위해, 외부 발생 열원은 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 터빈 또는 이와 유사한 형식의 장치로부터 배출되는 과열 배기가스의 형태를 취하거나, 또는 어떤 종류의 화학 반응의 결과로서 생성되는 과열 프로세스 스트림의 형태를 취할 수 있다. 어느 경우에도, 외부 발생 열원이 과열 배기가스의 형태를 취하면, 상기 과열 배기가스는 도 2에 화살표(15)로 개략적으로 도시된 바와 같이 제 1 부분(12')의 하부영역(14')으로 분사된다. 그렇지 않고, 외부 발생 열원이 과열 프로세스 스트림의 형태를 취하면, 상기 과열 프로세스 스트림은 도 2에서 화살표(15)로 도시된 바와 같이 제 1 부분(12')의 하부영역(14')으로 분사된다.

용기(12')의 상부영역(20') 즉, 하부영역(14') 위에 배치된 용기(12') 내의 영역은, 6 내지 7초 정도의 상당히 긴 잔류시간이 제공되어, 도 1에 도시된 열전달 시스템(10)의 설명과 연결지어 앞에서 언급한 환열 즉, 외부 발생 열원으로부터의 열이 과열 배기가스 또는 과열 프로세스 스트림의 형태로 된 그러한 외부 열원일 때, 그러한 과열 배기가스 또는 과열 프로세스 스트림이 화살표(22')로 도시된 바와 같이 상향 흐름을 하면서, 화살표(24')를 따라 용기(12')의 상부영역(20') 내로 분사되어 화살표(26')로 도시된 하향 흐름을 하는 고체입자들의 흐름으로 전달되는 환열이 발생할 수 있도록 하는 반응기처럼 작용한다. 그와 같이, 용기(12')의 상부영역(20')은 필수적으로 대향류 직접접촉 열교환기처럼 기능한다. 이를 위해, 용기(12')의 영역(14')이나 용기(12')의 상부영역(20')에서는 열이 물/증기로 전달되지 않는다. 따라서, 용기(12')의 벽은 내화물질로 라이닝되도록 설계된다. 또한, 고체입자(24')는 부호 (22')로 개략 도시된 외부 발생 열원 즉, 과열 배기가스 또는 과열 프로세스 스트림으로부터 나오는 열을, 도 2에 개략 도시된 종래 형태의 공기히터(28')에 속하는 본 발명의 열전달 시스템(10')에서 사용할 수 있을 정도로 충분히 낮은 온도로 환열시키는데 효과적이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따라, 과열 배기가스 또는 과열 프로세스 스트림(22')으로부터 나오는 열의 환열을 고체입자로서 실행할 목적에 사용되는 고체입자(24')는 고밀도뿐만 아니라 높은 열전도도를 가지도록 설계된다. 즉 밀도가 높고 고체입자(24')의 개수가 많을수록 즉 고체입자(24')의 표면적이 넓을수록, 용기(12')가 작아진다. 이를 위해, 보크사이트 형태의 종류 예를 들어 Al₂O₃가 고체입자(24')로서 사용하기에 적절한 것으로 알려져 있다. 이런 점에서, 보크사이트 형태의 이런 종류 예를 들어 Al₂O₃가 그 열적 성질 때문에 매력을 끌뿐만 아니라, 또한 이것이 낮은 기술의 세라믹을 위한 원료로서 사용되기 때문에 사실상 전세계의 모든 국가에서 구하기 쉽다. 그러나, 그러한 입자들이 바람직하게 구체화해야 하는 상술한 특성을 구체화하는 다른 유형의 입자들이 상술한 보크사이트 형태의 종류 대신에 본 발명의 요지를 벗어나지 않고 사용될 수도 있다는 것을 이해할 것이다.

과열 배기가스 또는 과열 프로세스 스트림(22')으로부터 나오는 열의 환열을 고체입자로서 실행할 목적에 사용되는 고체입자(24')는 또한, 용기(12')의 하부영역(14') 내로 분사된 후에 용기(12') 내에서 상향 흐름을 하는 과열 배기가스 또는 과열 프로세스 스트림(22') 내에 편승될 수 있는 어떤 물체보다 더 높은 밀도 및 입자 크기를 가지도록 설계된다. 고체입자(24')는 용기(12')의 상부영역(20') 내에서 최대 가스속도로서 노를 통해 아래로 떨어지도록 설계되며 즉, 용기(12')의 상부영역(20') 내의 고체입자(24')의 종단속도는 용기(12')의 상부영역(20') 내에서 최대 가스속도보다 더 크다. 용기(12')의 상부영역(20') 내의 단면적은, 이 내부의 가스속도가 이하에서 더 언급하게 될 도 2의 화살표(36')로 도시한 바와 같이 과열 배기가스 또는 과열 프로세스 스트림(22')과 함께 위로 운반되어 용기(12') 밖으로 나올 수 있는 물체의 대부분을 편승하기에 충분히 빠르다는 것을 보장하도록 설계된다.

고체입자(24')는 과열 배기가스 또는 과열 프로세스 스트림(22')에 편승된 미세 입자 또는 굵은 물체가 반드시 플리넘 열교환기(30')로 전달되지 않도록 용기(12')의 하부영역(14')에서 배출된다. 본 발명의 최상의 실시 모드에 따라, 도 2에서 도면부호 31'로 각각 도시되며 이하에서 더 언급하게 될 복수의 층 배출관은, 각각의 입구(31a')가 용기(12')의 영역(14')의 플로어 위에 배치되도록 그렇게 위치한다. 용기(12')의 영역(14')의 플로어(14a') 위에 배치된 입구(31a')를 각각 갖는 복수의 층 배출관(31')을 사용하는 것을 포함하여 이러한 디자인을 사용함으로써, 큰 돌 등이 용기(12')의 영역(14')에서 플리넘 열교환기(30')로 지나가지 않는다. 따라서, 그러한 큰 돌 등은 단지 도 2에 화살표(33')로 개략적으로 도시된 독립된 층 배출 처분시스템에 의해 용기(12')에서 제거될 수 있다.

특히 도 4와 함께 더욱 상세히 설명하면, 공기는 복수의 층 배출관(31') 각각에 충분한 양이 주입되며, 이 경우 공기 속도는, 과열 배기가스 또는 과열 프로세스 스트림(22')에 편승되었을 수도 있는 어떤 물체의 흐름을 복수의 층 배출관(31') 중 어느 하나 이상의 관으로 향하는 것을 방지하기에 충분히 빠르며, 동시에 상기 공기 흐름의 속도는 복수의 층 배출관(31') 중 각각을 통해 플리넘 열교환기(30')로 향한 고체입자(24')의 하향 흐름을 방해하지 않을 정도로 되어있다. 각각의 층 배출관(31') 내로 주입되는 공기 또한 어떤 하나 이상의 층 배출관(31')으로 들어갔을 수도 있는 어떤 미연소 탄소질 물체의 연소를 실행하는 작용을 한다. 그러한 연소로부터 생성된 열은 각각의 층 배출관(31')으로부터 용기(12')로 복귀하도록 설계된다.

도 2에 도시된 본 발명의 열전달 시스템(10')의 설명을 계속하면, 본 발명에 따라 제조된 열전달 시스템(10')은 제 2 부분 즉, 앞서 언급한 플리넘 열교환기(30')를 추가로 포함한다. 도 2를 참고하면 잘 이해하게 되듯이, 하나 이상의 열전달면이 플리넘 열교환기(30') 내에 적절하게 지지되어 장착된다. 본 발명의 열전달 시스템(10')의 도 2의 실 예에 따라, 도 2에서 도면부호 32'로 각각 지칭된 4개의 열전달면이 장착 목적에 사용하기에 적절한 어떤 종래 형태의 장착수단(도면의 간략성을 유지하기 위해 미도시)을 사용하여 플리넘 열교환기(30') 내에 적절한 지지 장착관계로, 바람직하게는 플리넘 열교환기(30') 내에서 서로 적절한 거리를 두고 배치되며 개략적으로 도시되어 있다. 그러나, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 플리넘 열교환기(30')에서는 4개 이상 또는 4개 이하의 열전달면(32')이 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

플리넘 열교환기(30')를 통해 반드시 고체 입자(24')의 간단한 질량 흐름이 플리넘 열교환기(30')로 들어가서 통과한 후 각각의 층 배출관(31')의 출구(31b')로부터 화살표(35')로 개략적으로 도시된 바와 같이 배출되므로, 상기 고체 입자(24')들이 용기(12')의 제 1 부분(20') 내에서 외부 발생 열원 즉 과열 배기가스 또는 과열 프로세스 스트림(22')으로부터 나오는 열을 환열하면, 상기 고체 입자(24')들이 기본적으로 중력의 영향하에서 매우 느린 속도 예로서 40 m/hr 정도에서 아래로 이동한다. 그와 같이, 상기 고체 입자(24')들은 아래로 이동할 때 이동층의 특성을 가진다. 본 발명의 최상의 실시 모드에 따라 상기 고체 입자(24')들이 아래로 이동할 때 이동층의 특성을 가지더라도, 상기 고체 입자(24')들도 역시 본 발명의 요지를 벗어나지 않고 어떤 다른 방법으로 아래로 이동할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 여기서 중요한 포인트는, 열전달 기능이 적어도 부분적으로 대향류 형태로 실행된다는 것이다. 이를 위해, 열교환 기능의 적어도 일부분은 반드시 대향류 형태로 실행되어야 한다.

위에서 언급한 방법에서 하향 이동의 과정에서, 고체 입자(24')들의 상기 하향이동 질량 흐름은 열전달면(32')에 걸쳐 흐르고, 이 열전달면은 본 발명의 최상의 실시 모드에 따라 바람직하게 각각 복수의 개별 관(도면의 명료성을 위해 미도시)으로 구성되며, 이 개별 관이 집합될 때 단일 열전달면(32')으로 된다. 각각의 열전달면(32')의 각각의 관(미도시)을 통해 용어 "유체"라고 지칭된 화살표로 개략적으로 도시된 바와 같이 사이클의 "작동 유체"가 흐른다. 여기서 사용하고 있듯이, 용어 "작동 유체"는 예를 들어 증기 또는 암모니아와 같이 열동력학 사이클의 "작동 유체"를 말하는 것뿐만 아니라 프로세스 공급원료를 말하는 것으로 사용된다. 고체입자(24')의 하향이동 질량 흐름과, 집합될 때 단일 열전달면(32')을 구성하는 관(미도시)을 통해 흐르는 작동 유체와의 사이에서 실행되는 전도성 열교환은 바람직하게 상술한 바와 같이 100% 대향류이다. 또한 상술한 바와 같이 고체 입자(24')의 하향이동 질량 흐름과 관(미도시)을 통해 흐르는 작동 유체 사이의 상기 전도성 열교환은 대안으로 적어도 대향류가 될 수 있다.

열원을 만들기 위해 사용되는 연료가 변할 때, 각각의 열전달면(32')을 집합하여 구성하는 개별 관들(미도시) 사이의 간격을 그와 함께 변경시킬 필요는 없다. 또한, 각각의 열전달면(32')을 집합하여 구성하는 개별 관들(미도시)을 거쳐 가스가 흐르지 않기 때문에, 이에 따라 가스-대-관(gas-to-tube) 열교환기에서 종래 형태의 순환 유동층 시스템뿐만 아니라 종래 형태의 분쇄탄 연소식 증기 발생기의 경우에 가장 일반적으로 요구되고 있는 것들로서 과열기와, 재가열기와, 증발기 및 절약장치의 열전달면의 복수의 섹션에서 필요로 하는 가스측 속도 제한이 없다. 그와 같이, 본 발명의 열전달 시스템(10')에 의해 절약장치 입구로부터 과열기 출구에 이르는 단일 회로를 제공하며 이에 부수적인 효과로서 헤더의 압력 손실이 크게 제거될 수 있다고 생각된다.

본 발명의 최상의 실시 모드에 따라, 플리넘 열교환기(30') 내의 고체 입자(24')들은 실제로 100% 보크사이트 즉, Al₂O₃로 구성되며, 단지 최소량의 다른 물체만을 포함한다. 이것은 용기(12) 내에서 보크사이트 즉, Al₂O₃의 고체 입자(24')와 과열 배기가스 또는 과열 프로세스 스트림에 편승될 수 있는 어떤 물체 사이에 분류가 실시된다는 사실에 기인한다. 즉, 과열 배기가스 또는 과열 프로세스 스트림(22')에 편승될 수 있는 어떤 물체는 과열 배기가스 또는 과열 프로세스 스트림의 상향 흐름에 편승될 수 있을 정도로 미크론 크기로서 저밀도이다. 한편, 보크사이트 즉, Al₂O₃의 고체 입자(24')는 매우 조밀하여 600 내지 1200 미크론 크기이며, 그와 같이 너무 커서 과열 배기가스 또는 과열 프로세스 스트림(22')의 상향 흐름에 편승되지 않는다. 또한, 위에서 설명되었고 도 4의 설명과 연결지어 이하에서 더 많이 언급하게 되는 것으로서 공기의 주입과 연결된 복수의 층 배출관(31')의 디자인은 추가의 분류를 제공하며, 또한 보크사이트 즉, Al₂O₃의 고체 입자(24)만이 하향으로 플리넘 열교환기(30)로 지나간다는 것을 보장한다. 따라서, 기본적으로 중력의 영향하에서 보크사이트 즉, Al₂O₃의 고체 입자(24)는 위에서 설명한 바와 같이 아래로 이동한다.

계속해서 도 2를 참고하면, 고체 입자(24')가 도 2를 바라볼 때와 같이 플리넘 열교환기(30')의 저부에 도달할 때, 고체 입자(24')는 충분히 차가우며 즉 약 500 ℉ 의 온도를 가지므로, 도 2에서 도면부호 34'로 지시된 점선으로 개략적으로 도시한 바와 같이 고체 입자(24')가 용기(12')의 상단으로 다시 운반되어 제 1 부분(20')으로 분사될 수 있으며, 상술한 바와 같이 한번 더 고체 입자(24')가 용기(12')를 통과하고 그 후 플리넘 열교환기(30')를 통해 흐르는 과정을 반복하게 된다. 본 발명의 열전달 시스템(10') 내에서 고체 입자(24')의 이러한 흐름은 본원에서 "하부 재순환 루프"라고 한다.

도 2에 도시한 바와 같이 과열 배기가스 또는 과열 프로세스 스트림(22')에 편승될 수 있는 물체에 대해 더 언급하면, 외부 발생 열원이 열전달 시스템(10')과 연결되어 사용되고, 상기 물체는 과열 배기가스 또는 과열 프로세스 스트림(22')에 의해 용기(12')의 영역(14')에서 나와 위로 흐르며 용기(12')의 제 1 부분(20')을 통과하며, 결국 과열 배기가스 또는 과열 프로세스 스트림(22')이 이에 편승된 물체와 함께 도 2의 화살표(36')로 도시된 바와 같이 종래 구조의 저온 즉, 냉각 사이클론(도 2에서 도면부호 38'로 도시됨)으로 배출된다. 냉각 사이클론(38') 내에서, 당업자에게 공지된 방법으로서, 과열 배기가스 또는 과열 프로세스 스트림(22')에 편승되었던 물체가 이로부터 분리된다. 물체가 냉각 사이클론(38) 내에서 분리된 후, 과열 배기가스 또는 과열 프로세스 스트림(22')에 편승되었던 물체의 일부분은 도 2에 점선 화살표(40')로 도시된 바와 같이, 용기(12')의 영역(14')으로 복귀되고, 배출되고 있는 그러한 물체의 나머지는 도 2에 점선 화살표(41')로 도시된 바와 같이 냉각 사이클론(38')에서 나와 최종적으로 폐기된다. 한편, 과열 배기가스 또는 과열 프로세스 스트림(22')은 이에 편승된 물체가 분리된 후 도 2의 점선 화살표(42')로 도시된 바와 같이 냉각 사이클론(38')으로부터 공기히터(28')로 배출된다. 상술한 바와 같이 과열 배기가스 또는 과열 프로세스 스트림(22')에 편승될 수 있는 그러한 물체의 재순환은 본원에서 "상부 재순환 루프"라고 한다.

플리넘 열교환기(30')의 온도는 고체 입자(24')의 하향이동 질량과 열전달 면(32')의 관(미도시) 및 이 관을 통해 흐르는 작동 유체 사이의 전도성 열전달을 기초로 형성되기 때문에 매우 중요하다. 본 발명의 열전달 시스템(10')에서, 플리넘 열교환기(30') 내의 온도는 연소된 Q, 과다한 공기, 상부 재순환율 및 하부 재순환율의 함수이다. 주어진 연소된 Q 에 대해, 독립변수는 상부 재순환율 및 하부 재순환율로 된다. 고체입자(24')의 온도를 증가시킬 필요가 있으면, 하부 재순환율이 감소될 수 있었지만, 용기(12)의 제 1 부분으로부터 과열 배기가스 또는 과열 프로세스 스트림(22')의 출구 온도가 감소된 표면적으로 인하여 증가되었으며, 여기서 열원으로부터 나오는 열을 환열하기 위해 즉 외부 발생 열원이 도 2에 도시된 열전달 시스템(10')의 경우와 같이 사용되고 있을 때, 상기 열원은 과열 배기가스 또는 과열 프로세스 스트림(22')이다. 상부 재순환율은 고체 입자(24')의 온도를 증가시키기 위해 감소될 수 있었지만, 과열 배기가스 또는 과열 프로세스 스트림(22')에 편승될 수 있는 미연소 탄소질 물체가 냉각 사이클론(38')으로부터 용기(12')의 영역(14')으로 재순환될 가능성이 거의 없다는 사실로 인해 탄소 손실이 증가되었다. 따라서, 최선의 전략은 2개의 변수 중 각각을 조정 즉, 하부 재순환율의 조정뿐만 아니라 상부 재순환율의 조정을 포함하는 어떤 조합이 바람직한 것으로 생각된다.

열원이 도 1에 도시한 바와 같이 내부 발생 열원일 때와 도 2에 도시한 바와 같이 외부 발생 열원일 때, 열원으로부터 나오는 열을 환열함으로써 자유로이 흐르는 고체 입자(24) 또는 고체 입자(24')의 질량을 수집하면, 종래 형태의 순환층 시스템이나 종래 형태의 분쇄탄 연소식 증기 발생기에서 불가능한 많은 것들을 가능하게 할 수 있다. 예로 제한하지 않고, 도 2에 도시되어 있는 본 발명의 열전달 시스템(10')과 같이, 본 발명에 따라 제조된 열전달 시스템에 의해 가능하다고 생각되는 것을 언급하면 다음과 같다; 1) 대향류가 본 발명에 따라 제조된 열전달 시스템(10')의 모든 회로에서 가능하고; 2) 온도가 본 발명의 열전달 시스템(10')을 통해 저하할 때 열전달면(32')의 관(미도시)을 교체할 필요가 없고; 3) 열전달 시스템(10')에서 사용되는 외부 발생 열원의 성질에 관계없이 열전달면(32')의 관(미도시)의 부식, 침식 또는 폐색(pluggage) 가능성이 없으며; 4) 열전달면(32')의 모든 관(미도시)이 과열 배기가스 또는 과열 프로세스 스트림(22')의 성질에 관계없이 핀(fin)을 가질 수 있고; 5) 열전달면(32')의 모든 관(미도시)이 전도에 의해 각각의 관의 축선 주위에서 균일하게 가열됨으로써 예를 들어 수벽 형태의 구조에서 발생하는 것과 같은 관의 단일 측면 가열을 회피할 수 있고; 6) 가스-대-관의 열전달에서의 대류성 열전달보다 고체-대-관에서 전도율이 더 크다고 알려져 있다는 사실로 인하여 열전달이 크게 강화되었다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 열전달 시스템(10')의 설명을 완성하기 위해서, 매우 중요하게 인정해야 할 것으로 생각되는 것은, 공기 및/또는 가스와 함께 고체입자(24')들의 하향이동 질량의 유동화를 플리넘 열교환기(30') 내에서 수행하기 위해 플리넘 열교환기(30') 내로 분사되는 공기 및/또는 가스도 없다는 점이다. 본 발명의 열전달 시스템(10')에 사용되는 유일한 다른 공기는, 본 발명의 최상의 실시 모드에 따라, 복수의 층 배출관(31') 중 어느 하나 이상의 관으로 다른 방법으로 들어갈 수 있는 과열 배기가스 또는 과열 프로세스 스트림(22')에 편승될 수 있는 어떤 물체와 고체입자(24) 사이를 추가의 분류를 실행하기 위해 복수의 층 배출관(31) 각각으로 주입되는 공기이다.

다음으로 도 3을 간략하게 언급한다. 이를 위해, 도 3에서는, 도 1에 도시된 바와 같은 본 발명의 열전달 시스템(10)의 제 1 부분 즉 용기(12)와, 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 최상의 실시 모드에 따라 용기(12)로부터 플리넘 열교환기(30)로 통과하는 과열 고체입자(24)가 횡단하는 플리넘 열교환기(30) 사이의 본 발명의 최상의 실시 모드에 따른 기계적 상호 접속부를 확대한 측면도가 도시되어 있다. 특히, 도 3을 참고하면 잘 이해하게 되듯이, 용기(12)의 영역(14)과 플리넘 열교환기(30) 사이에는 도 3에 도면부호 29로 도시된 공간이 존재하도록 기계적 상호접속부가 실시된다. 즉, 상기 공간(29)을 포위하는 주변부가 플리넘 열교환기(30)와 용기(12)의 영역(14)의 플로어(14a)와의 기계적 상호 접속을 실시하기 위한 목적으로 사용하기에 적합한 종래 형태의 수단을 사용함으로써 폐쇄되므로, 용기(12)와 플리넘 열교환기(30)가 서로 이격 관계에서 그들 사이에 연장하는 한정된 공간(29)을 가지며 지지된다. 도 1에 도시된 바와 같이 제조된 본 발명의 열전달 시스템(10)의 설명과, 도 2에 도시된 바와 같이 제조된 본 발명의 열전달 시스템(10')의 설명과 연결되어 앞에서 기술한 바와 같이, 도 1에 도시된 열전달 시스템(10)의 경우에서의 복수의 층 배출관(31)과 도 2에 도시된 열전달 시스템(10')의 경우에서의 복수의 층 배출관(31')은 한정된 공간(29)을 두고 있어서, 도 1에 도시된 바와 같이 제조된 본 발명의 열전달 시스템(10)의 경우에 용기(12)의 영역(14)과 플리넘 열교환기(30) 사이에 단독의 교통수단을 구성하도록 하고, 또 도 2에 도시된 바와 같이 제조된 본 발명의 열전달 시스템(10')의 경우에 용기(12')의 영역(14')과 플리넘 열교환기(30') 사이에 단독의 교통수단을 구성하도록 하고 있다. 이를 위해, 도 3을 참고하면 잘 이해되듯이, 복수의 층 배출관(31)이 도 3에 도시된 바와 같이 용기(12)의 영역(14)의 플로어(14a)를 통과하여 위로 돌출하므로 각각의 층 배출관(31)의 입구(31a)가 용기(12)의 영역(14)의 플로어(14a)에 대해 이격 관계로 배치된다. 유사하게, 각각의 층 배출관(31)의 출구(31b)가 도 3에 도시된 바와 같이 플리넘 열교환기(30) 내로 들어가므로 각각의 층 배출관(31)의 출구(31b)가 한정된 공간(29)에서부터 적절한 범위까지 플리넘 열교환기(30) 내로 연장하게 된다.

다음으로 도 4에 대해 언급하면, 도 1에 도시된 바와 같은 본 발명의 열전달 시스템(10)의 섹션을 확대하여 도시하고 있으며, 열전달 입자(24) 예로서 보크사이트가 고체연료 재, 흡수제, 가연물 및 연도가스로부터 분리되도록 하는 분류공정이 실행된다. 이를 위해, 도 4에는 용기(12)의 영역(14)의 플로어(14a)의 일부분과, 플리넘 열교환기(30)의 상부(도 4를 바라볼 때)의 표면(30a)의 일부분을 도시하고 있다. 덧붙여, 도 4에는 예증으로서 복수의 층 배출관(31) 중 단 하나를 도시하고 있는데, 이 층 배출관은 용기의 영역(14) 내에 위치하며 바닥(14a)에 대해 적절하게 이격되어 있는 입구(31a)와, 플리넘 열교환기(30) 내에 위치하여 플리넘 열교환기의 상부 표면(30a)에 대해 적절하게 이격되어 있는 출구(31b)를 구비한다.

다시 도 4에 대해 언급하면, 도시된 바와 같이 본 발명의 최상의 실시 모드에 따라, 용기(12)의 영역(14)의 플로어(14a)와 플리넘 열교환기(30)의 상부 표면(30a) 양쪽에서 적절하게 이격되도록 하며 도 4에 도시된 층 배출관(31)을 포위하는 관계로 장착되어 있는 분류수단(46)이 있다. 상기 분류수단(46)을 층 배출관(31)을 포위하는 관계로 장착하기에 적절한 장착수단(도면의 명료성을 위해 미도시)의 어떤 종래 형태를 사용하여도 좋다. 도 1을 참고하면 가장 잘 이해되듯이, 본 발명의 최상의 실시 모드에 따라 분류수단(46)은 바람직하게 각각의 층 배출관(31)과 협동하도록 관련되어 있으므로, 개별 분류수단(46)의 개수는 도 1에 도시된 바와 같이 제조된 본 발명의 열전달 시스템(10)에 사용되는 개별 층 배출관(31)의 개수와 일치한다. 유사한 방법으로, 도 2를 참고하면 가장 잘 이해되듯이, 본 발명의 최상의 실시 모드에 따라 분류수단(46')은 바람직하게 각각의 층 배출관(31')과 협동하도록 관련되어 있으므로, 개별 분류수단(46')의 개수는 도 2에 도시된 바와 같이 제조된 본 발명의 열전달 시스템(10')에 사용되는 개별 층 배출관(31')의 개수와 일치한다. 그러나, 개별 층 배출관(31)의 개수보다 더 적은 수의 분류수단(46)이 본 발명의 요지를 벗어나지 않고 본 발명의 열전달 시스템(10)에 사용될 수 있고, 유사한 방법으로 개별 층 배출관(31')의 개수보다 더 적은 수의 분류수단(46')이 본 발명의 요지를 벗어나지 않고 본 발명의 열전달 시스템(10')에 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

계속해서, 도 4를 참고하면 가장 잘 이해되듯이, 분류수단(46)은 실질적으로 원형 부재(48)를 구비하며, 이 원형 부재에 관형 부재(50)의 한 단부가 종래 적절한 수단의 어떤 형태를 사용하여 적절하게 부착되고, 관형 부재(50)의 다른 단부가 적절한 공기공급원(미도시)에 연결되어 있어서, 공기가 적절한 매니폴드형 수단(도면의 명료성을 위해 미도시)을 통해 관형 부재(50)로 들어가서 이를 통과하여 층 배출관(31)을 포위하는 관계에 있는 원형 부재(48)로 흐르게 하며, 여기서 그러한 공기가 도 4에 도면부호 52로 도시된 복수의 구멍을 통해 층 배출관(31)으로 들어가게 되며, 상기 구멍들은 이 목적을 위해 층 배출관(31)의 외주 둘레에 서로 적절한 간격을 두고 제공되어 있다. 도 4에 점선으로 도시된 개수보다 많거나 또는 적은 수의 구멍(52)이 본 발명의 요지를 벗어나지 않고 사용될 수 있다. 공기가 층 배출관(31)의 외주에 제공된 구멍을 통해 층 배출관(31)으로 들어간 후 층 배출관(31)을 통해 위로 흘러서 용기(12)의 영역(14)으로 들어간다. 상술한 방법으로 층 배출관(31) 내에 주입되는 공기의 양은, 미세 입자(fines), 고체연료 재 및 흡수제 입자와 같은 불필요한 물체가 용기(12)의 영역(14)으로부터 아래로 흘러 층 배출관(31)을 통해 플리넘 열교환기(30) 내로 들어가는 것을 방지할 정도로 공기속도가 충분히 높게 되며, 동시에 고체입자(24)의 하향 흐름이 용기(12)의 영역(14)에서부터 층 배출관(31)을 통해 플리넘 열교환기(30) 내로 들어가는 것을 방해하지 않을 정도의 공기속도가 되도록 설계되어 있다.

따라서, 본 발명에 따라 열전달 시스템에 관한 한에 있어서 새로운 접근법의 실시에 입각하여 열전달 시스템을 위한 새롭고 개선된 디자인이 제공되었다. 또한 본 발명에 따라 저렴한 원가를 특징으로 하는 그러한 새롭고 개선된 열전달 시스템이 제공되었다. 마찬가지로, 본 발명에 따라 고체 보강 열전달이 실현될 수 있다는 사실을 특징으로 하는 그러한 새롭고 개선된 열전달 시스템이 제공되었다. 또한 본 발명에 따라 연소 프로세스, 열전달 프로세스 및 환경제어 프로세스를 완전히 분리하는 것을 특징으로 하는 그러한 새롭고 개선된 열전달 시스템이 제공되었다. 그 외에, 본 발명에 따라 이 시스템에 의해 연소 프로세스, 열전달 프로세스 및 환경 제어 프로세스의 완전한 분리에 의해 상기 각각의 프로세스가 독립적으로 최적화 될 수 있다는 사실을 특징으로 하는 그러한 새롭고 개선된 열전달 시스템이 제공되었다. 추가로, 본 발명에 따라 보크사이트와 같은 열전달 고체가 열전달 수단으로 흘러가기 전에 고체연료 재, 흡수제, 가연물 및 연도가스로부터 분류 단계에서 효율적으로 분리된다는 사실을 특징으로 하는 그러한 새롭고 개선된 열전달 시스템이 제공되었다. 또한, 본 발명에 따라 열전달 시스템이, 연료가 고체, 액체 또는 기체이더라도 이 시스템에서 사용되는 분류 프로세스에 의해 연료 성질을 변화시킴으로써 영향을 받지 않으며 다만 열전달 고체 예를 들어 보크사이트만이 열전달 수단과 접촉하게 된다는 사실을 특징으로 하는 그러한 새롭고 개선된 열전달 시스템이 제공되었다. 또한, 본 발명에 따라 내부열원이 그러한 새롭고 개선된 열전달 시스템과 연결되어 사용되는 범위에서는 내부열원의 영역에 열전달면이 구현되지 않는다는 사실을 특징으로 하는 그러한 새롭고 개선된 열전달 시스템이 제공되었다. 또한, 본 발명에 따라 그러한 열전달 시스템이 그럼에도 불구하고 여전히 NOx 방출물의 최소화를 실행할 능력을 유지한다는 사실을 특징으로 하는 그러한 새롭고 개선된 열전달 시스템이 제공되었다. 역시, 본 발명에 따라 이 시스템에 의해 황 포획물(sulfur capture)이 연소 프로세스에서 분리된다는 사실을 특징으로 하는 그러한 새롭고 개선된 열전달 시스템이 제공되었다. 또한, 본 발명에 따라, 최상의 실시 모드에따라 유동층 열교환기의 필요성을 제거하며 그 결과로서 초래되는 부수적인 이득으로서 보조 동력이 감소되고, 송풍기 및 이와 관련된 덕트 라인의 비용이 제거되지만, 여전히 그러한 새롭고 개선된 열전달 시스템에 의해 외부 열전달면이 그 한 단부에서 대향류 섹션을 동반하는 유동층 디자인을 가질 수 있다는 사실을 특징으로 하는 그러한 새롭고 개선된 열전달 시스템이 제공되었다. 또한, 본 발명에 따라 관례상 보다 일반적으로 사용되어야 할 필요가 있는 과열 사이클론 대신에 냉각 사이클론을 사용할 수 있다는 사실을 특징으로 하는 그러한 새롭고 개선된 열전달 시스템이 제공되었다. 끝으로, 본 발명에 따라 그러한 열전달 시스템이 비교적 저렴하게 제공되며 또한 구조가 비교적 간단하다는 유익한 특징을 갖는 그러한 새롭고 개선된 열전달 시스템이 제공되었다.

본 발명의 여러 가지 실시 예를 설명하였지만, 앞에서 몇 가지 시사한 실시 예의 변경들이 당업자에게는 용이하게 만들어질 것이다. 따라서, 본 출원인은 상술한 변경예 뿐만 아니라 본 발명의 범위 내에 있는 다른 변경 예들을 본원의 청구범위에 들어오게 할 작정이다.

Claims

과열 재생고체들로부터 작동 유체로의 열전달에 의해 상기 작동 유체의 가열을 실행하는 작용을 하는 열전달 시스템으로,

a. 상부영역 및 하부영역을 갖는 제 1 부분;

b. 상기 제 1 부분의 상기 하부영역에 제공되며, 상기 하부영역으로부터 상기 상부영역으로 상기 제 1 부분 내에서 위로 이동할 수 있는 열원;

c. 상기 제 1 부분의 상기 상부영역에 제공된 다량의 재생고체;

d. 상기 제 1 부분에 기계적으로 상호접속되는 제 2 부분;

e. 상기 제 1 부분의 상기 하부영역 내에서부터 상기 제 2 부분 내로 연장하며, 한 단부에 위치한 입구와 다른 단부에 위치한 출구를 갖는 층 배출관 수단;

f. 상기 제 2 부분 내에 장착 관계로 지지된 열교환기 수단을 포함하며,

상기 다량의 재생고체 각각은 상기 제 1 부분 내에서의 각각의 상기 다량의 재생고체의 종단속도가 상기 제 1 부분 내에서의 상기 열원의 최고상향속도보다 크게 될 정도로 충분한 밀도 및 입자 크기를 가지며, 상기 다량의 재생고체는 상기 제 1 부분 내에서 상기 상부영역에서부터 상기 하부영역으로 아래로 이동할 수 있으므로, 상기 다량의 재생고체는 상기 제 1 부분 내에서 상기 열원이 상기 하부영역에서부터 상기 상부영역으로 위로 이동할 때, 이와 동시에 상기 다량의 재생고체가 상기 제 1 부분 내에서 상기 상부영역에서부터 상기 하부영역으로 아래로 이동하면서 상기 열원이 가지는 열의 환열의 결과로서 가열되고,

상기 층 배출관 수단은 상기 제 1 부분의 상기 하부영역 내에 위치한 상기 입구를 가지도록 상기 제 1 부분의 상기 하부영역 내로 돌출되는 한 단부와, 상기 제 2 부분 내에 위치한 상기 출구를 가지도록 상기 제 2 부분 내로 돌출되는 다른 단부를 가지므로, 상기 다량의 재생고체가 상기 제 1 부분의 상기 하부영역에서 상기 층 배출관 수단으로 들어가며 상기 층 배출관 수단을 통과하여 아래로 흐르며, 여기서 상기 다량의 재생고체가 상기 층 배출관 수단에서 빠져나온 다음에 상기 제 2 부분을 통해 아래로 이동층의 방법으로 흐르고,

상기 열교환기 수단은 거기를 통과하는 작동 유체를 가지고, 상기 열교환기 수단은 상기 작동 유체가 상기 열교환기 수단을 통해 흐를 때 상기 다량의 재생고체가 상기 열교환기 수단을 포위하는 관계로 상기 제 2 부분을 통해 아래로 이동층의 방법으로 흐르면서 상기 작동 유체가 가열되는 한편 상기 다량의 재생고체가 상기 제 1 부분에서 가열된 상기 다량의 재생고체와 상기 열교환기 수단을 통해 흐르는 상기 작동 유체 사이의 전도성 열전달의 결과로서 냉각되도록 작동하는 열전달 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 열원은 상기 제 1 부분의 상기 하부영역 내에서 내부적으로 발생되는 열전달 시스템.
제 1 항에 있어서, 공기 및 고체연료가 각각 상기 제 1 부분의 상기 하부영역 내로 분사되고, 이어서 상기 공기 및 고체연료가 상기 제 1 부분의 상기 하부영역 내에서 연소되고, 상기 열원이 상기 제 1 부분의 상기 하부영역 내에서의 상기 공기 및 고체연료의 연소로부터 생성되는 열로부터 상기 제 1 부분의 상기 하부영역 내에서 내부적으로 발생되는 열전달 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 열원이 상기 제 1 부분의 상기 하부영역의 외부에서 발생되는 열전달 시스템.
제 4 항에 있어서, 상기 제 1 부분의 상기 하부영역의 외부에서 발생된 상기 열원은 터빈으로부터의 과열 배기가스를 포함하고, 상기 과열 배기가스는 그 후 상기 제 1 부분의 상기 하부영역 내에 주입되는 열전달 시스템.
제 4 항에 있어서, 상기 제 1 부분의 상기 하부영역의 외부에서 발생된 상기 열원은 화학 반응의 어떤 형태의 결과로서 생성된 과열 프로세스 스트림을 포함하고, 상기 과열 프로세스 스트림은 그 후 상기 제 1 부분의 상기 하부영역 내에 주입되는 열전달 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 다량의 재생고체는 보크사이트 입자들을 포함하는 열전달 시스템.
제 1 항에 있어서, 외부의 공기공급원에 연결될 수 있으며 상기 층 배출관 수단과 작동 상으로 연결되는 분류수단을 추가로 포함하고, 상기 분류수단은 불필요한 물체가 상기 제 1 부분의 상기 하부영역에서부터 아래로 흘러 상기 층 배출관 수단을 통해 상기 제 2 부분으로 들어가는 것을 방지하기에 충분히 빠른 공기속도가 되도록 충분한 양의 공기를 상기 층 배출관 수단으로 주입하는 작용을 하는 열전달 시스템.
제 8 항에 있어서, 상기 분류수단은 외주 둘레에 복수의 구멍이 형성되는 상기 층 배출관 수단을 포위하는 관계로 장착된 적어도 하나의 원형 부재와, 적어도 하나의 관형 부재를 포함하고, 상기 관형 부재는 상기 적어도 하나의 원형 부재에 부착되는 하나의 단부와 외부의 공기공급원에 연결될 수 있는 다른 단부를 가지며, 상기 외부의 공기공급원으로부터 상기 적어도 하나의 원형 부재로 공기를 공급하는 작용을 하는 열전달 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 층 배출관 수단은 상기 제 1 부분의 상기 하부영역 내에서부터 상기 제 2 부분 내로 각각의 배출관이 연장하도록 하기 위해 서로 이격 관계로 지지된 적어도 한 쌍의 층 배출관 수단을 포함하고, 상기 적어도 한 쌍의 층 배출관 수단은 각각 한 단부에 위치한 입구와 다른 단부에 위치한 출구를 가지고, 상기 적어도 한 쌍의 층 배출관 수단은 각각 상기 제 1 부분의 상기 하부영역 내에 위치된 상기 입구를 가지도록 상기 제 1 부분의 상기 하부영역 내로 돌출되는 한 단부와, 상기 제 2 부분 내에 위치된 상기 출구를 가지도록 상기 제 2 부분 내로 돌출되는 다른 단부를 가지며, 따라서 상기 적어도 한 쌍의 층 배출관 수단은 상기 제 1 부분의 상기 하부영역으로부터 상기 제 2 부분으로 상기 다량의 재생고체를 운반시키는 작용을 하는 열전달 시스템.
제 10항에 있어서, 외부의 공기공급원에 연결될 수 있으며 상기 층 배출관 수단과 작동 상으로 연결되는 분류수단을 추가로 포함하고, 상기 분류수단은 적어도 한 쌍의 원형 부재와 적어도 한 쌍의 관형 부재를 포함하고, 상기 적어도 한 쌍의 원형 부재는 각각 외주 둘레에 복수의 구멍이 형성되는 상기 적어도 한 쌍의 층 배출관 수단을 포위하는 관계로 장착되고, 상기 적어도 한 쌍의 관형 부재는 각각 상기 적어도 한 쌍의 원형 부재 중 대응하는 원형 부재에 부착되는 하나의 단부와 외부의 공기공급원에 연결될 수 있는 다른 단부를 가지며, 상기 적어도 한 쌍의 관형 부재는 각각 외부의 공기공급원으로부터 상기 한 단부가 부착되어 있는 상기 적어도 한 쌍의 원형 부재 중 하나로 공기를 공급하는 작용을 하는 열전달 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 열교환기 수단은 상기 열교환기 수단 내에서 서로 이격 관계로 지지된 다수의 열전달면을 포함하고, 상기 다수의 열전달면 각각은 이 열전달면을 통해 흐르는 작동 유체를 가지며, 상기 작동 유체가 상기 각각의 열전달면을 통해 흐를 때 상기 작동 유체가 상기 각각의 열전달면을 포위하는 관계로 상기 제 2 부분을 통해 아래로 이동층의 방법으로 흐르는 상기 다량의 재생고체에 의해 가열되고, 한편 상기 다량의 재생고체가 상기 각각의 열전달면을 통해 흐르는 상기 작동 유체와 상기 다량의 재생고체 사이의 전도성 열전달의 결과로서 냉각되는 열전달 시스템.
제 12항에 있어서, 상기 각각의 열전달면을 통해 흐르는 상기 작동 유체는 증기인 열전달 시스템.
제 12항에 있어서, 상기 각각의 열전달면을 통해 흐르는 상기 작동 유체는 암모니아인 열전달 시스템.
제 12항에 있어서, 상기 각각의 열전달면을 통해 흐르는 상기 작동 유체는 프로세스 공급원료(process feedstock)인 열전달 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 제 2 부분은 상기 다량의 재생고체를 상기 제 2 부분으로부터 배출하기 위한 배출수단을 포함하고, 상기 제 1 부분의 상기 상부영역은 상기 다량의 재생고체를 수용하기 위한 수용수단을 포함하는 열전달 시스템.
제 16항에 있어서, 상기 제 2 부분의 상기 배출수단과 상기 제 1 부분의 상기 상부영역의 상기 수용수단을 상호연결하는 재순환수단을 추가로 포함하고, 상기 재순환수단은 상기 다량의 재생고체를 상기 제 2 부분의 상기 배출수단으로부터 상기 제 1 부분의 상기 상부영역의 상기 수용수단으로 재순환시키는 작용을 하는 열전달 시스템.