KR100616582B1 - 유동층가스화 연소로 - Google Patents

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미요시노리히사
도요다세이이치로
호소다슈고
가시마노부타카
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Abstract

가스화 노와 연소로가 일체화되어 있고, 가스화 노에서 발생한 미연숯을 연소로에서 연소시키고, 이 연소열을 가스화용 열원으로서 이용할 수 있는 유동층가스화 연소로이다. 유동층가스화 연소로(1)는 제 1 칸막이벽(2)에 의하여 분할된 가스화 노(3)와 연소로(4)를 구비하고 있다. 가스화 노(3)에 있어서는 노바닥에 있는 산기장치(32, 33)에 의하여 유동매체의 선회류가 형성되고, 상승류의 일부는 연소로(4)로 유입된다. 연소로(4)는 제 2 칸막이벽(5)에 의하여 주연소실(6)과 열회수실(7)로 분할되어 있다. 주연소실(6)에 있어서는 노바닥에 있는 산기장치(34, 35)에 의하여 유동매체의 선회류가 형성되고, 상승류의 일부는 열회수실(7)로 유입된다.

Description

유동층가스화 연소로{FLUIDIZED BED GASIFICATION COMBUSTION FURNACE}
본 발명은 가스화유동층로와 연소유동층로를 일체화한 유동층가스화　연소로에 관한 것이다.
석탄을 사용하여 고효율의 발전을 행하는 시도가 이루어지고 있다.
그 하나로서, 도 14에 나타내는 소위 가압유동상연소로 토핑사이클이 제안되어 있다. 이 시스템은 유동상가스화 노(501)에서 석탄을 먼저 가스화한다. 그때 가스화 노(501)에서 발생한 탄소주체의 가연분, 소위 숯(char)을 가스화 노(501)와는 다른 숯연소로(502)에서 연소시킨다. 즉, 가스화 노(501)에서 생성된 가스와 숯의 혼합물은 사이클론(505)으로 도입되고 여기서 가스와 숯으로 분리되어 숯은 숯연소로 (502)로 보내지고, 가스는 연소기(503)로 보내여진다. 한편 숯연소로(502)에는 가스화 노(501)로부터 유동매체와 숯이 도입되어 숯연소로(502)내에서 숯은 연소되고, 숯의 연소에 의해 가열된 유동매체는 가스화 노(501)로 복귀된다. 그리고 가스화 노 (501)에서 생긴 가연가스와 숯연소로(502)에서 발생하는 연소배기가스를 연소기 (503)에서 혼합연소시켜 온도를 더욱 올리고 나서 가스터빈(504)으로 도입한다. 또 숯연소로(502)에서 발생한 연소배기가스와 재는 사이클론(506)에서 분리되어 상기한 바와 같이 연소배기가스는 연소기(503)로 도입되고, 재는 사이클론의 바닥부로부터 배출된다.
상기 숯연소로(502)에 있어서의 숯의 연소에 의해 발생한 증기는 증기터어빈 (508)에 도입된 후, 배열보일러(509)에 의해 가열되고, 그후 숯연소로(502)로 환류한다. 가스터빈(504)으로부터 배출된 연소배기가스는 배열보일러(509)를 지나 굴뚝(511)으로부터 배출된다.
가스터빈의 효율은 가스터빈 입구의 가스온도가 높을수록 효율이 좋아지며 전체시스템의 효율을 올리기 위해서는 가스터빈 입구의 가스온도를 고온으로 유지하는 것이 매우 중요하게 된다.
한편, 석탄은 탄종류에 따라 가스화특성이 크게 다르나, 일반적으로 가스화반응은 반응온도가 높을수록 촉진되고 가스화율도 높아지기 때문에 다양한 석탄을 연료로서 사용하기 위해서는 가스화 노의 온도를 어떻게 안정되게 또한 고온으로 유지할 수 있을 지가 매우 중요한 최대의 포인트이다.
가스화 노의 온도유지방법은 크게 나누어 2가지이다. 하나는 가스화 노에 투입된 연료의 일부를 가스화할 뿐만 아니라 연소시키는 방법, 또 하나는 가스화 노에서 생긴 숯을 유동매체와 함께 숯연소로로 도입하여 숯를 연소시켜 유동매체를 가열하고, 가열된 유동매체를 가스화 노로 되돌리는 방법이다. 일반적으로 고체의 연소반응속도와 가스의 연소반응속도는 오더(order)가 다를 수록 가스의 연소쪽이 빠르다. 따라서 전자의 경우, 가스화 노에 공급된 산소의 대부분은 그곳에서 발생한 가스성분과 반응하고 가스화의 수율을 저하시키게 된다. 후자의 경우는 가스화 노에서 발생한 가스가 온도유지를 위해 소비되지 않기 때문에 가스의 수율이 높아 탄종류에 대한 적응성이 넓다.
그러나 후자의 방법은 가스화 노로부터 숯연소로로 대량의 고열의 열매체를 순환시키는 기술이 필요하게 되나, 이 기술은 미연분을 함유하는 고온입자의 핸들링기술이며, 기술적으로 매우 어려운 문제가 있다. 가압유동상연소로 토핑사이클이 아직 실용화에 이르지 않은 것은 이 미연분를 함유하는 고온입자의 핸들링기술이 미완성이기 때문이라는 것이 실상이다.
한편, 숯연소로와 가스화 노를 인접시켜 배치하여 양자 사이에서의 고온입자의 반송거리를 현저하게 짧게 하고자 하는 시도가 제안되고 있다. 이 기술은 가스화 노에 인접하여 숯연소로를 설치하고, 숯연소로의 층내에 층내 전열관을 배치한 것이다.
유동층내에 놓여진 전열관과 열매체의 열전달율은, 도 15에 나타내는 바와 같이 유동화가스의 공탑속도(superficial velocity)가 최저유동화에 필요한 속도의 2배 이상이면 유동의 강약에 상관없이 거의 일정하다. 즉, 유동층내에 배치된 전열관으로부터는 공탑속도에 관계없이 항상 어느 일정량의 수열이 행하여지는 것이다. 따라서 층내에서의 발생열량이 변화되는 것 같은 사태, 예를 들어 부하변화에 따르는 급탄량변동 등이 생긴 경우에도 전열량이 일정하기 때문에 결과적으로 유동층의 온도가 변화되게 된다.
가압유동상연소로 토핑사이클에서는 가스화 노 출구의 가스온도 및 연소로 출구의 가스온도를 각각 소정의 고온으로 유지하는 것이 중요하며, 숯연소로와 가스화 노를 인접시켜 배치한 구조에 있어서는 유동매체가 숯연소로와 가스화 노를 서로 순환하고 있기 때문에 서로 관련이 있어 이와 같은 층온의 변동은 시스템전체의 안정운용에 치명적인 영향을 미치게 된다.
층내 전열관을 가진 숯연소로의 층온변동을 억제하는 방법으로서, 연소로에 뿜어내는 유동화가스중의 산소량을 부하에 따라 변화시켜 연소량을 변화시킴으로써 층온을 제어하는 방법도 있다.
그러나 산소량제어에 의한 연소량제어는 응답성이 나쁘고, 안정제어가 곤란 하기 때문에 층온이 폭주하여 유동매체나 재가 용융하여 유동층을 유지할 수 없게 되어 운전불능에 빠질 염려가 있다.
가스화 노를 고온으로 유지하기 위해서는 숯연소로에 있어서 숯을 연소시킴으로써 열매체를 가열하여 그 고온의 열매체를 가스화 노에 공급할 필요가 있기 때문에, 숯연소로의 층온를 높게 하지 않으면 안된다. 그러나 숯연소로의 층온을 너무 높게 하면 클링커(clinker)가 발생하기 때문에 층온를 한정된 소정의 범위내로 제어할 필요가 있고 숯연소로는 뛰어난 층온제어기능을 가지고 있을 것이 필요하다.
숯연소실의 온도를 제어하는 데 가장 용이한 방법은 온도가 상승하였을 때 저온의 열매체를 공급하는 방법이다. 예를 들어 층온을 950℃ 에서 900℃로 50℃내리기 위하여 필요한 유동매체의 양은 공급하는 유동매체의 온도에 의하나, 공급하는 유동매체의 온도가 400℃인 경우, 공급해야 할 유동매체의 양은 유동매체 전량의 50/(900-400)=1/10 이면 된다. 반대로 층의 온도가 목표치보다도 내려간 경우에는 스스로 숯의 연소열로 층온은 상승하여 회복하기 때문에 아무것도 할 필요가 없다.
따라서 연소로의 층온의 변동을 보면서 필요에 따라 저온의 유동매체를 숯연소로에 공급할 수 있는 방법이 있으면 숯연소로의 온도제어는 용이하게 실현할 수 있는 것이다. 이 경우 공급된 유동매체와 같은 양의 유동매체를 숯연소로로부터 배출하는 것도 중요하다.
한편, 종래 대기압(atmospheric pressure)의 유동상보일러에 있어서는 유동층의 안에서 석탄을 연소시켜 가열된 유동매체 및 연소배기가스로부터 열을 회수한다. 도 16은 종래의 대기압의 유동상보일러의 일례를 나타내는 개략도이다. 유동상 보일러는 격벽(隔璧)(600)에 의해 구획된 연소로(601)와 열회수실(602)을 구비하고 있다. 열회수실(602)에는 유동매체로부터의 수열용 전열면(603)이 설치되고, 프리보드에는 연소가스로부터 수열하는 전열면(604)이 설치되어 있다. 전열면(603, 604)에 의한 수열에 의하여 생성된 증기는 증기터빈(605)을 구동한다.
석탄은 탄종류에 따라 성상이 크게 다르기 때문에 유동층내에서의 연소율도 다르고, 유동매체로부터 수열하는 열량과 연소가스로부터 수열하는 열량의 비율이나 탄종류에 따라 다양하다.
따라서 유동매체로부터의 수열용 전열면과 연소가스로부터의 수열용 전열면의 적정배치가 탄종류에 따라 달라지게 되고 종래는 탄종류에 따라 보일러의 전열면배치를 바꾼 설계가 이루어졌다. 따라서 보일러의 개조없이 탄종류를 바꾸기에는 큰 제약이 있어, 탄종류를 크게 변경하고자 하면 보일러의 개조를 할 수 밖에 없는 것이였다. 왜냐하면 수열량에 대하여 과잉의 전열면은 온도저하를 초래하고 연소불량이나 연소가스의 환경특성을 악화시키는 원인이 되고, 반대로 전열면부족은 온도의 상승을 초래하여 재의 용융에 의한 클링커트러블이나 유동매체의 응집에 의한 아그로메레이션(agglomeration)이라는 트러블(trouble)의 원인이 된다.
따라서 본 발명은 상기한 과제를 해소하여 별도의 연소로를 필요로 하지 않고 가스화 노 및 연소로가 일체이기 때문에 필요한 스페이스가 적어도 되고, 또 석탄 등의 숯발생량이 큰 연료이더라도 숯의 이송량을 용이하게 제어할 수 있으며 게다가 배관내부의 폐색 등의 문제가 없고 간단한 설비로 숯를 연소하여, 또한 숯의 연소열을 가스화용 열원으로서 이용할 수 있음과 동시에 연소로의 층온제어를 용이하고 정확하게 행할 수 있으며, 더구나 클링커의 발생이 없고, 부정형의 불연성물질을 함유하는 연료이더라도 사용할 수 있는 등, 폭넓은 연료를 이용가능하고, 또 한 고효율이고 유해배출물이 매우 적은 고도의 환경친화적인 유동층가스화 연소로를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또 본 발명은 보일러의 전열면배치를 바꾸는 일 없이 즉, 보일러의 개조를 하지 않고 각종 탄종류에 대응할 수 있는 유동상석탄보일러인 유동층가스화 연소로를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제 1 형태에 있어서는 유동층로로서 복수의 칸막이벽에 의해 가스화 노와 연소로의 주연소실과 열회수실로 분할하여 상기 가스화 노 및 주연소실의 적어도 한쪽에는 유동매체의 선회류를 형성하고, 가스화 노와 주연소실의 사이에서 유동매체의 순환류를 형성하며 또한 상기 열회수실과 주연소실의 사이에 유동매체의 순환류를 형성하고, 열회수실 유동층내에는 전열면을 배치한 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명은 1개의 유동상로로서 내부에는 기능적으로 명확하게 구분된 가스화실, 숯연소실, 열회수실 3개가 각각 격벽을 거쳐 설치되어 있으며, 또한 숯연소실과 가스화실, 숯연소실과 열회수실은 각각 인접하여 설치되어 있는 것이 특징이다.
열회수실내에는 층내 전열관이 배치되어 항상 내부의 유동매체를 냉각하고 있다. 열회수실과 숯연소실 사이의 격벽은 수직하고, 상면은 대략 유동층 상면근처까지이고, 노바닥 가까이에는 개구부가 설치되어 있다. 격벽 근처의 숯연소실은 유동매체가 심하게 내뿜어지는 강유동화영역을 형성하고 있으며, 내뿜어진 유동매체의 일부는 열회수실로 뛰어든다. 숯연소로의 온도가 설정치를 넘어서 상승한 경우에는 열회수실의 유동매체의 침강속도를 높여 노바닥 근처의 개구부로부터 숯연소실내로 유입하는 냉각된 유동매체의 양을 증가시킴으로써 신속하게 숯연소로의 온도를 저하시킬 수 있다.
또 열회수실에서 유동매체를 냉각하기 위하여 회수한 열에너지는 증기로서 회수하여 증기터빈을 구동하여 효율적으로 이용할 수 있다.
또 본 발명의 제 2 형태에 있어서는 유동층로로서, 제 1 칸막이벽으로 가스화 노와 연소로로 분할함과 동시에, 이 제 1 칸막이벽은 하부와 상부 즉, 유동층표면 근처에서 서로 연락하도록 개구를 가지며, 상기 가스화 노에 있어서는 유동층내에 다른 유동화속도를 주도록 산기장치(散氣裝置)를 노바닥부분에 설치하고, 상기 제 1칸막이벽에 가까운 구역의 유동층은 실질적으로 큰 유동화속도가 주어진 강유동화영역으로 하여 유동매체의 상승류를 생기게 하고, 상기 제 1 칸막이벽과 떨어진 구역은 실질적으로 작은 유동화속도가 주어진 약유동화영역으로 하여 유동매체의 침강류를 생기게 하며, 이 약유동화영역에는 가연물을 투입하도록 구성하고 상기 강유동화영역에 있어서의 상기 상승류의 일부는 유동층표면 근처에서 상기 약유동화영역을 향하는 흐름이 되어 가스화 노의 유동층내로 선회류를 형성함과 동시에 일부는 반전류로 되어 상기 제 1 칸막이벽 상부의 연락구로부터 연소로에 유입하고, 상기 제 1 칸막이벽을 개재한 상기 연소로에 있어서는 다시 제 2 칸막이벽을 설치하여 유동층부분을 주연소실과 열회수실로 분할하여 상기 제 2 칸막이벽은 하부의 연락구에 의해 주연소실과 열회수실을 서로 연락함과 동시에, 상단부는 유동층표면 근처까지로 하여 프리보드부분에 있어서는 주연소실과 열회수실을 일체화시키고, 상기 주연소실에 있어서는 유동층내에 다른 유동화속도를 주도록 산기장치를 노바닥부분에 설치하고, 상기 제 1 칸막이벽에 가까운 구역의 유동층은 실질적으로 작은 유동화속도가 주어진 약유동화영역으로 하고, 또 제 2 칸막이벽에 가까운 구역은 실질적으로 큰 유동화속도가 주어진 강유동화영역으로 한 결과, 약유동화영역에는 유동매체의 침강류를 생기게 하고, 이 침강류의 일부는 제 1 칸막이벽의 하부연락구로부터 가스화 노로 환류하여 가스화 노와 주연소실과의 사이에 순환류를 일으키고, 또 강유동화영역에는 유동매체의 상승류를 생기게 하고, 이 상승류의 일부는 제 1 칸막이벽측의 약유동화영역을 향하는 흐름이 되어 주연소실 유동층내에도 선회류를 생기게 함과 동시에 일부는 반전류가 되어 제 2 칸막이벽을 넘어 열회수실로 들어가고, 상기 열회수실에서는 유동층내에 실질적으로 작은 유동화속도를 주도록 산기장치를 노바닥부분에 설치하여 약유동화영역을 형성하는 결과, 주연소실로부터 제 2 칸막이벽 상부를 넘어 열회수실로 들어간 유동매체가 열회수실에서 침강하고, 이 제 2 칸막이벽의 하부연락구를 통하여 주연소실로 환류하는 것 같은 순환류를 구성하고, 열회수실 유동층내에는 전열면을 배치한 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 제 2 형태에 있어서는 이하에 열거하는 작용을 가진다.
(1) 유동층로의 내부를 제 1 칸막이벽으로 가스화 노와 연소로로 분할함으로써, 가스화기능과 연소기능이 분리되고, 1개의 유동층로이면서 동시에 2개의 기능을 독립으로 작용시키는 것이 가능하게 된다.
이 제 1 칸막이벽은 상부의 유동층표면 근처 및 하부에서 서로 연락하도록 개구를 가지며, 또한 가스화 노에 있어서는 유동층내에 다른 유동화속도를 주도록 산기장치를 노바닥부분에 설치하고, 제 1 칸막이벽에 가까운 유동층을 실질적으로 큰 유동화속도가 주어진 강유동화영역으로 하여 유동매체의 상승류를 생기게하고, 다른쪽의 유동층을 실질적으로 작은 유동화속도가 주어진 약유동화영역으로하여 유동매체의 침강류를 생기게 한다. 그 결과 유동층내에 선회류를 형성함과 동시에 강유동화영역의 상승류중 일부의 유동매체는 반전류가 되어 제 1 칸막이벽상부 연락구를 통하여 연소로로 유입된다.
따라서 이 상기 약유동화영역에 가연물을 투입하도록 구성하면, 가연물은 침강류에 빨려들어가 선회류에 의해 균일하게 분산혼합하여 충분한 체류시간을 취하여 부분연소가스화작용을 받는다. 한편 가스화하기 어려운 숯은 반전류에 의해 연 소로에 도입된다.
한편, 제 1 칸막이벽의 맞은편쪽에 형성되는 연소로에 있어서는 다시 유동층내에 제 2 칸막이벽을 설치하여 유동층부분을 주연소실과 열회수실로 분할하고, 이 제 2 칸막이벽은 하부의 연락구에서 주연소실과 열회수실을 서로 연락함과 동시에, 상단부는 유동층표면 근처까지로 하고, 프리보드부분에 있어서는 주연소실과 열회수실은 일체화되어 있다. 또 주연소실에 있어서는 유동층내에 다른 유동화속도를 주도록 산기장치를 노바닥부분에 설치하고, 주연소실에 있어서 가스화 노와의 연락구 부근의 유동층은 실질적으로 작은 유동화속도가 주어진 약유동화영역으로 하여 유동매체의 침강류를 생기게함과 동시에, 제 2 칸막이벽측 즉, 열회수실측의 유동층은 실질적으로 큰 유동화속도가 주어진 강유동화영역으로 하여 유동매체의 상승류를 생기게 한다.
그 결과 상승류의 일부는 약유동화영역을 향하는 흐름이 되어 주연소실 유동층내로 선회류를 생기게함과 동시에 일부는 제 2 칸막이 벽을 넘어 열회수실로 유입된다. 따라서 가스화 노로부터의 미연숯은 연소로내의 침강류에 빨려들어가 선회류로 균일하게 분산혼합하여 충분한 체류시간을 취하여 완전하게 연소된다. 또한 프리보드에 2차공기를 투입함으로써 연소와 탈황반응을 완결시킬 수 있다.
한편 발생열량의 일부는 고온의 유동매체에 의하여 제 1 칸막이벽 하부의 연락구로부터 가스화 노로 환류하여 가스화용 열원의 일부로서 기여한다. 또한 일부의 열량은 고온의 유동매체에 의하여 제 2 칸막이벽을 넘어 열회수실로 유입된다.
열회수실에 있어서는 유동층내에 실질적으로 작은 유동화속도를 주도록 산기 장치를 노바닥부분에 설치하여 약유동화영역을 형성하고, 주연소실로부터 제 2 칸막이벽 상부를 넘어 열회수실로 들어간 고온의 유동매체가 열회수실에서 침강하고, 이 제 2 칸막이벽의 하부 연락구를 통하여 주연소실로 환류하는 것 같은 순환류를 구성하고 있으며, 열회수실 유동층내에 배치된 전열면에 의하여 수열된다.
또 열회수실내는 약유동화영역이기 때문에 층내 전열관의 마모가 적고, 유동매체로서 규사의 사용이 가능하며, 석회석의 사용량은 탈황반응상의 필요최소한으로 좋기 때문에 재의 배출량이 적어 환경대책상 유리하다. 또 가스화 노 및 연소로에서는 통상 650∼950℃의 범위에서 가스화 또는 연소를 행한다.
(2) 투입되는 가연물중에 불연성의 부정형물질이 포함되어 있어도 유동층내의 선회류의 방향과 불연물 배출방향이 일치하고 있고, 또 노바닥도 불연물배출구를 향하여 경사져 있기 때문에 불연물은 용이하게 배출될 수 있다.
(3) 제 1 칸막이벽 및 제 2 칸막이벽 모두 강유동화영역측으로 쓰러지는 것 같은 경사면을 이룸으로써 상승류를 방향전환하여 선회류를 형성하는 데 공헌하고, 또 배후의 약유동화영역측은 수직면을 이룸으로써 침강류가 정체하는 일 없이 원활하게 형성된다.
(4) 가스화 노의 생성가스 및 연소로로부터의 연소배기가스를 각각 용융화로로 도입합류하고, 가연성가스, 가연분을 함유하는 미립자를 1200℃이상의 고온에서 연소, 재분을 용융시킴으로써 유해가스성분의 고온분해, 폐기물인 재의 용융감용화 및 중금속류의 용출방지가 가능하다.
(5) 본 발명의 유동층가스화 연소로를 내압구조로 하거나 압력용기에 내장하 여 대기압 이상에서 운전하고, 또한 인출된 배출가스를 각각 집진하며 그후 가스 터빈으로 도입함으로써 가스터빈입구 온도를 13OO℃ 이상으로 운전할 수 있고 발전효율을 대폭 향상시킬 수 있다.
가스화 노에 연료를 공급하여 부분연소가스화시키고, 발생하는 미연숯등 중 생성가스와 동반하는 것은 후단에 설치한 가스냉각장치에서 6OO℃이하로 냉각함으로써 예를 들어 가스터빈 블레이드의 고온부식의 원인이 되는 Na, K 등의 알칼리 금속을 고화 또는 입자표면에 고정화하고, 이 입자를 집진기로 포집한 후 연소로로 도입하여 완전연소시킨다.
또 연소로의 연소배기가스는 압력용기를 나온 후, 후단에 설치한 가스냉각기에서 600℃이하로 냉각하고, 이 냉각에 의하여 Na, K 등의 알칼리금속을 고화 또는 입자표면에 고정화한 후 집진기로 포집하여 배출한다.
고온부식의 원인이 되는 Na, K를 제거하여 청정해진 연소배기가스와, 상기 가스화 노를 나온 후 집진되어 청정해진 생성가스를 가스터빈으로 도입하여 1300℃ 이상의 고온으로 연소하여 가스터빈을 고효율로 구동한다. 가스터빈은 콤프레서 및 발전기를 구동한다.
한편 연료로서 석탄을 사용하는 경우, 석회석을 혼합 또는 별도로 공급하여 노내 탈황반응시킬 수 있다. 즉 가스화 노에 의해 발생하는 황화수소 H2S를 CaO와 탈황반응시켜 CaS로 하고 생성가스에 동반시켜 집진기로 포집하여 주연소실에 투입하는 외에 가스화 노로부터 제　1　칸막이벽　상부의 연락구를 지나는 반전류에 의하여 미연숯 등과 함께 CaS를 주연소실로 도입한다. 따라서 산화분위기에서 완전히 연소하고, 또 CaS는 CaSO4가 되어 연소배기가스에 동반하여 집진기로 포집, 배출한다.
본 발명의 제 3 형태에 있어서는 유동층로로서 제 l 칸막이벽으로 가스화 노와 연소로로 분할함과 동시에, 이 제 1 칸막이벽은 하부와 상부 즉 유동층표면 근처에 개구부를 가지고 가스화 노와 연소로를 서로 연락하고, 상기 가스화 노에 있어서는 유동층내에 다른 유동화속도를 주도록 산기장치를 노바닥부분에 설치하고, 상기 제 1 칸막이벽에 가까운 쪽의 유동화부분을 실질적으로 큰 유동화속도가 주어진 강유동화영역으로 하여 유동매체의 상승류를 생기게 하고, 상기 제 1 칸막이벽과 떨어진 구역은 실질적으로 작은 유동화속도가 주어진 약유동화영역으로 하여 유동매체의 침강류를 생기게 하고, 이 약유동화영역에 가연물을 투입하도록 구성하며, 상기 강유동화영역에 있어서의 상승류의 일부는 유동층표면 근처에서 상기 약유동화영역을 향하는 흐름이 되어 가스화 노유동층내에 선회류를 형성함과 동시에, 일부는 반전류가 되어 상기 제 1 칸막이벽 상부의 연락구로부터 연소로로 유입하고, 상기 연소로에 있어서는 유동층내에 다른 유동화속도를 주도록 산기장치를 노바닥부분에 설치하고, 상기 가스화 노와의 제 1 칸막이벽에 가까운 구역을 실질적으로 작은 유동화속도가 주어진 약유동화영역으로 하여 유동매체의 침강류를 생기게 하고, 상기 제 1 칸막이벽과 떨어진 구역은 실질적으로 큰 유동화속도가 주어진 강유동화영역으로 하여 유동매체의 상승류를 생기게 하여 유동층내에 선회류를 형성시키는 결과, 상기 가스화 노로부터 칸막이벽 상부의 연락구를 통하여 연소로로 유입된 유동매체는 연소로내의 선회류에 의하여 유동층내를 하강하면서 미가스화성분인 숯이 연소하여 고온으로 된 유동매체의 일부는 노바닥부근에서 제 1 칸막이벽 하부의 연락구로부터 가스화 노로 환류함으로써 가스화 노에 있어서의 열분해가스화의 열원으로서 작용하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 제 3 형태에 있어서는 가스화 노에 있어서 유동층내에 다른 유동화속도를 주도록 산기장치를 노바닥부분에 설치하고, 제 l 칸막이벽에 가까운 유동층을 실질적으로 큰 유동화속도가 주어진 강유동화영역으로 하여 유동매체의 상승류를 생기게 하고, 다른쪽의 유동층을 실질적으로 작은 유동화속도가 주어진 약유동화영역으로 하여 유동매체의 침강류를 생기게 한다. 그 결과 유동층내에 선회류를 형성함과 동시에, 강유동화영역의 상승류중 일부의 유동매체는 반전류로서 제 1 칸막이벽 상부 연락구를 통하여 연소로로 유입된다.
따라서 이 약유동화영역에 가연물을 투입하도록 구성하면 가연물은 침강류에 빨려들어가 선회류로 균일하게 분산혼합되어 충분한 체류시간을 취하여 부분연소가스화작용을 받는다. 한편 가스화하기 어려운 숯은 반전류에 의하여 연소로로 도입된다.
한편, 제 1 칸막이벽의 맞은편측에 형성되는 연소로에 있어서는 유동층내에 다른 유동화속도를 주도록 산기장치를 노바닥부분에 설치하고, 가스화 노와의 제 1 칸막이벽에 가까운 구역의 유동층은 실질적으로 작은 유동화속도가 주어진 약유동화영역으로 되여 유동매체의 침강류를 생기게 함과 동시에, 제 1 칸막이벽측과 떨어진 구역의 유동층은 실질적으로 큰 유동화속도가 주어진 강유동화영역으로 되여 유동매체의 상승류를 생기게 한다. 그 결과 상승류의 일부는 약유동화영역을 향하는 흐름이 되어 연소로의 유동층내에 선회류를 생기게 한다. 가스화 노로부터 칸막이벽 상부의 연락구를 통하여 연소로로 유입된 유동매체는 연소로내의 선회류에 의하여 유동층내를 하강하면서 미가스화 성분인 숯이 연소하여 고온이 된 유동매체의 일부는 노바닥부근에서 칸막이벽 하부의 연락구로부터 가스화 노로 환류됨으로써 가스화 노에 있어서의 열분해가스화의 열원으로서 작용한다.
연료의 열분해가스화작용을 생기게 하기 위해서는, 열에너지가 필요하며, 통상 석탄가스화의 경우, 석탄을 연소시켜 얻어지는 열에너지를 이용하고 있다. 따라서 가스화효율의 향상을 도모하여 타르발생의 억제를 위해서는 고온화가 필요하기 때문에 원래 될 수 있는 한 가스로 전화해야 할 석탄을 쓸데 없게 연소하고 있는 것이 실상이다.
본 발명의 제 3 형태에서는 상기한 바와 같이 미가스화성분인 숯의 연소열을 고온유동매체에 의하여 가스화 노로 환원하기 때문에 그 열량분만큼 석탄의 연소를 절약할 수 있다. 그 결과 공기의 투입량을 줄일 수 있어 가스화효율의 향상과, 단위체적당 가스의 발열량을 증가시키는 것이 가능하게 된다.
또한 본 발명의 제 4 형태에 있어서는 유동층로로서 동심의 제 1 칸막이벽으로 원통형상의 가스화 노와 그 주위에 형성되는 둥근고리형상의 연소로로 분할함과 동시에 이 제 1 칸막이벽은 상부의 유동층표면 근처 및 하부에서 서로 연락하도록 개구를 가지며, 상기 이 제 1 칸막이벽으로 둘러싸인 원통형상의 가스화 노에 있어서는 유동층내에 다른 유동화속도를 주도록 산기장치를 노바닥부분에 설치하고, 중심부근의 원통형상 범위의 유동층을 실질적으로 작은 유동화속도가 주어진 약유동화영역으로 하여 유동매체의 침강류를 생기게 하고, 상기 제 1 칸막이벽에 가까운 둥근고리형상범위의 유동층을 실질적으로 큰 유동화속도가 주어진 강유동화영역으로 하여 유동매체의 상승류를 생기게 하고, 일부는 상기 제 1 칸막이벽 상부의 연락구를 통하여 연소로로 유입되고, 일부는 중앙의 약유동화영역을 향하는 흐름으로서 가스화 노의 유동층내에 선회류를 형성함과 동시에 이 약유동화영역에 가연물을 투입하도록 구성하고, 상기 제 1 칸막이벽 바깥쪽의 둥근고리형상의 연소로에 있어서는 반경방향으로 제 2 칸막이벽을 설치하여 유동층부분을 복수의 주연소실과 열회수실로 각각 분할하고, 상기 제 2 칸막이벽은 하부의 연락구에서 주연소실과 열회수실을 서로 연락함과 동시에 상단부는 유동층표면 근처까지로 하고, 프리보드부분에 있어서는 주연소실과 열회수실을 일체화시키며, 상기 주연소실에 있어서는 유동층내에 다른 유동화속도를 주도록 산기장치를 노바닥부분에 설치하고, 상기 주연소실의 중앙부에서 또한 가스화 노와의 연락구 부근의 유동층은 실질적으로 작은 유동화속도가 주어진 약유동화영역으로 하여 유동매체의 침강류를 생기게 하고, 일부는 제 l 칸막이벽의 하부연락구를 통하여 가스화 노로 환류함과 동시에, 일부는 제 2 칸막이벽측의 실질적으로 큰 유동화속도가 주어진 강유동화영역을 향하는 흐름이 되고, 또한 이 강유동화영역에서는 유동매체는 상승류가 되며, 그 결과 주연소실 유동층내에 선회류를 생기게 함과 동시에 상승류의 일부는 제 2 칸막이벽 상부를 넘는 반전류가 되어 열회수실로 들어가고, 상기 열회수실에 있어서는 유동층내에 실질적으로 작은 유동화속도를 주도록 산기장치를 노바닥부분에 설치하여 약유동화영역을 형성하고, 주연소실로부터 제 2 칸막이벽 상부를 넘어 열회수실로 들어간 유동매체가 열회수실에서 침강하고, 이 제 2 칸막이벽의 하부연락구를 통하여 주연소실로 환류하는 것 같은 순환류를 구성하며, 열회수실유동층내에는 전열면을 배치한 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 제 4 형태에 있어서는 유동층로의 내부를 동심의 제 1 칸막이벽으로 원통형상의 가스화 노와 그 주위에 형성되는 둥근고리형상의 연소로로 분할함으로써 가스화기능과 연소기능이 분리되고, 1개의 유동층로이면서 동시에 2개의 기능을 독립으로 작동시키는 것이 가능하게 된다.
이 제 l 칸막이벽은 상부의 유동층표면근처 및 하부에서 서로 연락하도록 개구를 가지며, 또한 이 제 1 칸막이벽으로 둘러싸인 원통형상의 가스화 노에 있어서는 유동층내에 다른 유동화속도를 주도록 산기장치를 노바닥부분에 설치하고, 중심부근의 원통형상범위의 유동층을 실질적으로 작은 유동화속도가 주어진 약유동화영역으로 하여 유동매체의 침강류를 생기게 하고, 또 제 1 칸막이벽에 가까운 둥근고리형상 범위의 유동층을 실질적으로 큰 유동화속도가 주어진 강유동화영역으로 하여 유동매체의 상승류를 생기게 한다. 그 결과 유동층내에 선회류를 형성함과 동시에 일부의 유동매체는 반전류로서 제 1 칸막이벽 상부 연락구를 통하여 연소로로 유입된다.
따라서 이 약유동화영역에 가연물을 투입하도록 구성하면 가연물은 침강류에 빨려들어가 선회류로 균일하게 분산혼합되고, 충분한 체류시간을 취하여 부분연소 가스화작용을 받는다. 한편 가스화하기 어려운 숯은 반전류에 의하여 연소로로 도입된다.
한편, 제 1 칸막이벽 바깥쪽의 둥근고리형상의 연소로에 있어서는 반경방향으로 제 2 칸막이벽을 설치하여 유동층부분을 복수의 주연소실과, 열회수실로 각각 분할하고, 이 제 2 칸막이벽은 하부의 연락구에서 주연소실과 열회수실을 서로 연락함과 동시에 상단부는 유동층표면 근처까지로 하고, 프리보드부분에 있어서는 주연소실과 열회수실을 일체화시키며, 또 주연소실에 있어서는 유동층내에 다른 유동화속도를 주도록 산기장치를 노바닥부분에 설치하고, 주연소실의 중앙부에서 또한 가스화 노와의 연락구 부근의 유동층은 실질적으로 작은 유동화속도가 주어진 약유동화영역으로 하여 유동매체의 침강류를 생기게함과 동시에, 제 2 칸막이벽쪽 즉, 열회수실측의 유동층은 실질적으로 큰 유동화속도가 주어진 강유동화영역으로하여 유동매체의 상승류를 생기게 하고, 일부는 약유동화영역을 향하는 흐름이 되어 주연소실 유동층내에 선회류를 생기게 함과 동시에 일부는 제 2 칸막이벽을 넘어 열회수실로 유입된다. 그 결과 가스화 노로부터의 미연숯은 연소로내의 침강류에 빨려들어가 선회류로 균일하게 분산혼합되고, 충분한 체류시간을 취하여 완전하게 연소된다. 또한 프리보드에 2차공기를 투입함으로써 연소와 탈황반응을 완결시킬 수 있다.
한편 발생열량의 일부는 고온의 유동매체에 의해서 제 1 칸막이벽 하부의 연락구로부터 가스화 노로 환류하여 가스화용 열원의 일부로서 기여한다. 또한 일부의 열량은 고온의 유동매체에 의하여 제 2 칸막이벽을 넘어 열회수실로 들어간다.
열회수실에서는 유동층내에 실질적으로 작은 유동화속도를 주도록 산기장치를 노바닥부분에 설치하여 약유동화영역을 형성하고, 주연소실로부터 제 2 칸막이벽 상부를 넘어 열회수실로 들어간 고온의 유동매체가 열회수실에서 침강하며 이 제 2 칸막이벽의 하부연락구를 통하여 주연소실로 환류하는 것 같은 순환류를 구성하고 있고, 열회수실 유동층내에 배치된 전열면에 의하여 수열된다.
또, 열회수실내는 약유동화영역이기 때문에 층내 전열관의 마모가 적고, 유동매체로서 규사의 사용이 가능하며, 석회석의 사용량은 탈황반응상의 필요최소한으로 좋기 때문에 재의 배출량이 적어 환경대책상 유리하다. 또 가스화 노 및 연소로에서는 650∼950℃의 범위에서 가스화 또는 연소를 행한다.
본 발명의 제 4 형태에 있어서도 제 2 형태에 있어서의 (2)∼(5)에 열거하는 작용을 가지는 것이다.
본 발명의 제 5 형태에 있어서는 유동층로로서, 동심의 제 1 칸막이벽으로 원통형상의 가스화 노와 그 주위에 형성되는 둥근고리형상의 연소로로 분할됨과 동시에 이 제 1 칸막이벽은 상부의 유동층표면 근처 및 하부에서 서로 연락하도록 개구를 가지며, 상기 이 제 1 칸막이벽으로 둘러싸인 원통형상의 가스화 노에 있어서는 유동층내에 다른 유동화속도를 주도록 산기장치를 노바닥부분에 설치하고 중심부근의 원통형상 범위의 유동층을 실질적으로 작은 유동화속도가 주어진 약유동화영역으로 하여 유동매체의 침강류를 생기게 하고, 상기 제 1 칸막이벽에 가까운 둥근고리형상 범위의 유동층을 실질적으로 큰 유동화속도가 주어진 강유동화영역으로 하여 유동매체의 상승류를 생기게 하고, 일부는 상기 제 1 칸막이벽 상부의 연락구를 통하여 연소로로 유입되고 일부는 중앙의 약유동화영역을 향하는 흐름으로 하여 가스화 노의 유동층내에 선회류를 형성함과 동시에 이 약유동화영역에 가연물을 투입하도록 구성하고, 상기 연소로에 있어서는 유동층내에 다른 유동화속도를 주도록 산기장치를 노바닥부분에 설치하고, 상기 가스화 노와의 제 1 칸막이벽에 가까운 구역을 실질적으로 작은 유동화속도가 주어진 약유동화영역으로 하여 유동매체의 침강류를 생기게 하고, 또 제 1 칸막이벽과 떨어진 구역은 실질적으로 큰 유동화속도가 주어진 강유동화영역으로 하여 유동매체의 상승류를 생기게 하고, 가스화 노로부터 칸막이벽 상부의 연락구를 통하여 연소로에 유입된 유동매체는 유동층내를 하강하면서 미가스화성분인 숯이 연소하여 고온이 된 유동매체의 일부는 노바닥부근에서 제 1 칸막이벽 하부의 연락구로부터 가스화 노로 환류함으로써 가스화 노에 있어서의 열분해가스화의 열원으로서 작용하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 제 5 형태에 있어서는 제 1 칸막이벽으로 둘러싸인 원통형상의 가스화 노에 있어서는, 유동층내에 다른 유동화속도를 주도록 산기장치를 노바닥부분에 설치하여 중심부근의 원통형상범위의 유동층을 실질적으로 작은 유동화속도가 주어진 약유동화영역으로 하여 유동매체의 침강류를 생기게 하고, 또 제 1 칸막이벽에 가까운 둥근고리형상범위의 유동층을 실질적으로 큰 유동화속도가 주어진 강유동화영역으로 하여 유동매체의 상승류를 생기게 한다. 그 결과 유동층내에 선회류를 형성함과 동시에 일부의 유동매체는 반전류로서 제 1 칸막이벽 상부 연락구를 통하여 연소로로 유입된다.
따라서 이 약유동화영역에 가연물을 투입하도록 구성하면 가연물은 침강류에 빨려들어가 선회류로 균일하게 분산혼합되어 충분한 체류시간을 취하여 부분연소가스화작용을 받는다. 한편 가스화하기 어려운 숯은 반전류에 의하여 연소로로 도입된다.
한편 제 1 칸막이벽 바깥쪽의 둥근고리형상의 연소로에 있어서는 유동층내에 다른 유동화속도를 주도록 산기장치를 노바닥부분에 설치하고, 가스화 노와의 제 1 칸막이벽에 가까운 구역의 유동층은 실질적으로 작은 유동화속도가 주어진 약유동화영역으로 하여 유동매체의 침강류를 생기게함과 동시에 제 1 칸막이벽측과 떨어진 구역의 유동층은 실질적으로 큰 유동화속도가 주어진 강유동화영역으로 하여 유동매체의 상승류를 생기게 한다. 가스화 노로부터 칸막이벽 상부의 연락구를 통하여 연소로로 유입된 유동매체는 유동층내를 하강하면서 미가스화성분인 숯이 연소하여 고온으로 된 유동매체의 일부는 노바닥부근에서 칸막이벽 하부의 연락구로부터 가스화 노로 환류됨으로써 가스화 노에 있어서의 열분해가스화의 열원으로서 작용한다.
연료의 열분해가스화작용을 생기게 하기 위해서는 열에너지가 필요하여 통상 석탄가스화의 경우, 석탄을 연소시켜 얻어지는 열에너지를 이용하고 있다. 따라서 가스화효율의 향상을 도모하여 타르발생의 억제를 위해서는 고온화가 필요하기 때문에 원래 될 수 있는 한 가스로 전화해야 할 석탄을 쓸데 없이 연소하고 있는 것이 실상이다.
본 발명의 제 5 형태에서는 상기한 바와 같이 미가스화성분인 숯의 연소열을 고온유동매체에 의해 가스화 노로 환원하기 때문에 그 열량분만큼 석탄의 연소를 절약할 수 있다. 그 결과 공기의 투입량을 줄일 수 있어 가스화효율의 향상과 단위체적당 가스의 발열량을 증가시키는 것이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명에 관한 유동층가스화 연소로의 일 실시예를 나타내는 종단면도,
도 2는 본 발명에 관한 유동층가스화 연소로의 다른 실시예를 나타내는 종단면도,
도 3은 본 발명에 관한 유동층가스화 연소로의 다른 형태를 나타내는 평면도,
도 4는 폐열보일러 및 증기터빈과 조합시켜 사용되는 본 발명에 관한 유동층가스화 연소로를 나타내는 계통도,
도 5는 본 발명에 관한 유동층가스화 연소로를 대기압 이상의 압력조건으로 운전하는 경우의 시스템을 나타내는 계통도,
도 6은 본 발명에 관한 원통형의 유동층가스화 연소로의 일 실시예를 나타내는 종단면도,
도 7은 도 6에 있어서의 유동층부분의 수평단면을 나타내는 도,
도 8은 폐열보일러 및 증기터빈과 조합시켜 사용되는 본 발명에 관한 원통형 유동층가스화 연소로를 나타내는 모식도,
도 9는 본 발명에 관한 원통형 유동층가스화 연소로를 대기압 이상의 압력조건으로 운전하는 경우의 시스템을 나타내는 모식도,
도 10은 본 발명의 제 1 칸막이벽 및 제 2 칸막이벽의 상세구조를 나타내는 단면도,
도 11은 원통형 유동층가스화 연소로의 종단면도,
도 12는 유동층부분의 수평단면을 나타내는 도,
도 13은 본 발명의 유동층가스화 연소로의 일종인 대기압의 유동상 석탄보일러의 실시예를 나타내는 종단면도,
도 14는 종래의 가압연소로 토핑사이클을 나타내는 모식도,
도 15은 전열관의 열전달율과 유동화질량속도의 관계를 나타내는 도,
도 16은 종래의 유동상 석탄보일러의 개략도이다.
도 1은 본 발명에 관한 유동층가스화 연소로의 종단면도이다. 본 실시예의 유동층로(1)는 수평단면이 개략 직사각형을 이루고 있다. 도 1에 나타내는 바와 같이 유동층로(1)의 내부는 제 1 칸막이벽(2)에 의해 가스화 노(3)와 연소로(4)로 분할되어 있다. 제 1 칸막이벽(2)에는 상부연락구(37), 하부연락구(38)가 설치되어 있고, 가스화 노(3)와 연소로(4)가 서로 연락되어 있다. 가스화 노(3)에는 가스배출구(49)가 설치되고, 이 가스배출구(49)로부터 생성가스(50)가 외부로 도출된다.
한편 연소로(4)는 다시 제 2 칸막이벽(5)에 의해 주연소실(6)과 열회수실(7)로 분할되어 있다. 단 위쪽에서는 분할되지 않고 프리보드부분은 주연소실과 열회수실은 일체화되어 있으며, 각각의 연소배기가스는 프리보드부분에서 혼합된 후, 가스배출구(51)로부터 연소배기가스(52)로 되어 외부로 도출된다. 열회수실(7)에는 전열면(46)이 매설되어 있고 유동매체로부터 열회수할 수 있다. 또 제 2 칸막이벽(5)에는 하부연락구(40)가 설치되어 있고, 상부개구부(39)와 아울러 주연소실 (6)과 열회수실(7) 상호의 유동매체의 이동이 가능하게 되어 있다.
가스화 노(3)의 하부에는 노바닥(27, 28)이 구성되어 있고, 노바닥(27, 28)의 하부에는 윈드박스(8, 9)가 설치되어 있다. 윈드박스(8, 9)에는 각각 접속구(13, 14)를 통하여 유동화가스(18, 19)가 도입된다. 한편 노바닥(27, 28)에는 각각 산기장치(32, 33)가 설치되어 있다. 산기장치(32)로부터는 실질적으로 작은 유동화속도를 주도록 유동화가스를 분출하고, 그 결과 노바닥(27)의 위쪽에 약유동화영역 (41)을 형성한다. 산기장치(33)로부터는 실질적으로 큰 유동화속도를 주도록 유동화가스를 분출하고 노바닥(28)의 위쪽에 강유동화영역(42)을 형성한다.
가스화 노(3)의 유동층내에 2개의 다른 유동화영역이 존재하는 결과, 유동매체가 약유동화영역(41)에서 침강하고, 강유동화영역(42)에서 상승하는 선회류가 생긴다.
한편 연소로(4)에 있어서도 주연소실(6)의 하부에는 노바닥(29, 30)이 구성되어 있고, 노바닥(29, 30)의 하부에는 윈드박스(10, 11)가 설치되어 있다. 윈드박스(10, 11)에는 각각 접속구(15, 16)를 통하여 유동화가스(20, 21)가 도입된다.한편 노바닥(29, 30)에는 각각 산기장치(34, 35)가 설치되어 있다. 산기장치(34)로부터는 실질적으로 작은 유동화속도를 주도록 유동화가스를 분출하고, 그 결과 노바닥(29)의 위쪽에 약유동화영역(43)을 형성한다. 산기장치(35)로부터는 실질적 으로 큰 유동화속도를 주도록 유동화가스를 분출하고, 노바닥(30)의 위쪽에 강유동화영역(44)을 형성한다.
주연소실(6)의 유동층내에 2개의 다른 유동화영역이 존재하는 결과, 유동매체가 약유동화영역(43)에서 침강하고, 강유동화영역(44)에서 상승하는 선회류가 생긴다.
한편 열회수실(7)에 있어서도 하부에는 노바닥(31)이 구성되어 있고, 노바닥 (31)의 하부에는 윈드박스(12)가 설치되어 있다. 윈드박스(12)에는 접속구(17)를 통하여 유동화가스(22)가 도입된다. 또 노바닥(31)에는 산기장치(36)가 설치되어 있다. 산기장치(36)로부터는 실질적으로 작은 유동화속도를 주도록 유동화가스를 분출하고, 그 결과 노바닥(31)의 위쪽에 약유동화영역(45)을 형성한다.
상기한 바와 같이 유동화속도가 다른 복수의 유동화영역을 조합시킴으로써 이하와 같은 흐름이 생긴다.
즉, 가스화 노(3)의 유동층내에 있어서는 약유동화영역(41)에서 유동매체는 침강류(55)를 타고 하강한다. 그리고 노바닥(27) 근처에서 강유동화영역(42)을 향하는 수평류(56)로 바뀌고, 강유동화영역(42)에서는 다시 상승류(57)가 된다. 한편 상승류(5)는 유동층표면 근처에서 약유동화영역(41)을 향하는 흐름(58)과 제 1 칸막이벽(2)의 연락구(37)를 지나 연소로(4)를 향하는 반전류(59)로 분기된다.
따라서 가스화 노(3)의 유동층 내부에서는 약유동화영역(41)에서 침강하고, 강유동화영역(42)에서 상승하는 선회류가 형성되는 한편으로 일부의 유동매체는 제 1 칸막이벽 상부의 연락구(37)를 통하여 주연소실(6)로 도입된다.
한편, 주연소실(6)에 있어서도 노바닥(29)의 위쪽에는 약유동화영역(43)이 형성되고, 또한 노바닥(30)의 위쪽에는 강유동화영역(44)이 형성되어 있기 때문에 주연소실(6)의 유동층내에서도 약유동화영역(43)에서 유동매체는 침강류(60)를 타고 하강한다. 그리고 노바닥(29)의 근처에서 일부는 제 1 칸막이벽(2)의 하부연락구(38)을 지나는 환류(67)가 되어 가스화 노(3)로 되돌아가는 외에 강유동화영역 (44)을 향하는 수평류(61)가 되고, 강유동화영역(44)에서는 다시 상승류(62)가 된다. 한편 상승류(62)는 유동층표면 근처에서 약유동화영역(43)을 향하는 흐름(63)과 제 2 칸막이벽(5)의 상부개구부(39)를 지나 열회수실(7)을 향하는 반전류(64)로 분기된다.
따라서 연소로(4)의 유동층내부에서는 약유동화영역(43)에서 침강하고, 강유동화영역(44)에서 상승하는 선회류가 형성되는 한편으로, 일부의 유동매체는 제 2 칸막이벽(5)의 상부를 넘어 열회수실(7)로 도입된다.
한편 열회수실(7)에 있어서는 약유동화영역(45)이 형성되어 있기 때문에, 침강류(65)가 생기고, 다시 유동매체는 제 2 칸막이벽(5)의 하부연락구(40)를 지나는 환류(66)에 의해 주연소실(6)로 되돌아간다. 이와 같이 가스화 노(3), 연소로(4)의 주연소실(6), 연소로(4)의 열회수실(7)의 유동층에 있어서는 각각 내부의 선회류와 상호의 순환류가 형성되어 진다.
따라서 가스화 노(3)의 약유동화영역(41)의 위쪽에 가연물투입구(47)를 설치하여 가연물(48)을 투입하면 침강류(55)에 의해 가스화 노(3)의 유동층내부로 빨려들어가 선회류에 의해 균일하게 분산혼합되어 부분연소, 가스화가 행하여진다. 가스화 노(3)의 노바닥부분에 공급되는 유동화가스의 산소함유량은 투입되는 가연물(48)에 대한 이론연소에 필요한 산소량이하로 설정되어 있다. 이 유동화가스는 공기, 수증기, 산소, 또는 연소배기가스중의 어느 하나 또는 그들중 2개 이상을 조합시킨 것으로 이루어져 있다.
한편 미연숯을 함유하는 유동매체는 반전류(59)에 의해 주연소실(6)에 도입되고, 그곳에서 침강류(60)에 의해 유동층내로 빨려들어가 선회류에 의해 균일하게 분산혼합되어 산화분위기에서 완전히 연소된다. 도 1에 나타내는 바와 같이 필요에 따라 약유동화영역(43)의 위쪽에 연료투입구(68)를 설치하고, 보조연료(69)를 공급하는 것도 가능하다.
또 프리보드에 복수의 노즐(53)을 설치하고, 2차공기(54)를 도입하여 완전히 연소시키는 것도 필요에 따라 행할 수 있다.
연소로(4)의 주연소실(6)내에서의 연소에 의해 발생한 열량은 일부가 제 1 칸막이벽(2)의 하부연락구(38)를 지나는 환류(67)에 의해 가스화 노(3)에 도입되어 가스화열원으로 되는 외에, 제 2 칸막이벽 상부(39)를 넘는 반전류(64)로서 열회수실(7)로 들어가 침강류(65)로 된 후, 제 2 칸막이벽 하부연락구(40)로부터 주연소실(6)로 되돌아가는 유동매체순환류에 의해 열회수실(7)로 운반되어 전열면(46)을 지나 외부로 인출된다.
이와 같이 투입된 가연물의 에너지에 관하여 일부는 가스가 되어 화학에너지로서 인출되고, 가스화하기 어려운 성분은 열에너지로서 유효하게 고효율로 회수되는 것이 가능하다.
또 투입되는 가연물중에 불연분이 혼입되어 있는 것도 많다. 그 때문에 본 실시예에 있어서는 가스화 노(3)의 노바닥(28)과 연소로(4)의 노바닥(29)과의 사이에 불연물배출구(23)가 설치되어 있고, 이 배출구(23)로부터 불연물(25)을 배출하 도록 하고 있다. 또한 보조연료(69)에 불연물이 혼입되어 있는 경우에는 본 실시예와 같이 주연소실(6)의 노바닥(30)과 열회수실(7)의 노바닥(31)사이에 불연물배출구(24)를 설치하고, 이 배출구(24)로부터 불연물(26)을 배출하여도 좋다. 또 불연물배출을 쉽게 하기 위하여 각각의 노바닥이 불연물출구를 향하여 하강경사면을 이루고 있는 것이 바람직하다. 가스화 노(3)와 연소로(4)의 경계를 이루는 제 1 칸막이벽(2)은 가스화 노측에 있어서는 가스화 노측으로 쓰러지는 것 같은 경사면(2a)을 이루고 한편의 연소로측은 수직면으로 되어 있다. 연소로(4)에 있어서 주연소실(6)과 열회수실(7)의 경계를 이루는 제 2 칸막이벽(5)은 주연소실측에 있어서는 주연소실측으로 쓰러지는 것 같은 경사면(5a)을 이루고, 한편의 열회수실측은 수직면으로 되어 있다. 또한 상기 경사면(2a, 5a)은 수직면으로 되어 있어도 좋다.
도 2는 본 발명에 관한 유동층가스화 연소로의 다른 종단면도이다. 도 2에 나타내는 바와 같이 유동층로(1)의 내부는 제 1 칸막이벽(2)에 의해 가스화 노(3)와 연소로(4)로 분할되어 있다. 제 l 칸막이벽(2)에는 상부연락구(37), 하부연락구 (38)가 설치되어 있어 가스화 노(3)와 연소로(4)가 서로 연락되어 있다. 가스화 노 (3)와 연소로(4)의 경계를 이루는 제 1 칸막이벽(2)은 제 1 실시예와 마찬가지로 경사면을 가져도 좋고 수직면으로 되어 있어도 좋다. 제 2 칸막이벽(5)도 마찬가지이다. 가스화 노(3)에는 가스배출구(49)가 설치되고, 이 가스배출구(49)로부터 생성가스(50)가 외부로 도출된다.
한편 연소로(4)는 다시 제 2 칸막이벽(5)에 의해 주연소실(6)과 열회수실(7)로 분할되어 있다. 단, 위쪽에서는 분할되지 않고 프리보드부분은 주연소실과 열회수실은 일체화되어 있고 각각의 연소배기가스는 프리보드부분에서 혼합된 후, 가스배출구(51)로부터 미연소가스(52)가 되어 외부로 도출된다. 열회수실(7)에는 전열면(46)이 매설되어 있고, 유동매체로부터 열회수할 수 있다. 또 제 2 칸막이벽(5)에는 하부연락구(40)가 설치되어 있어 상부개구부(39)와 아울러 주연소실(6)과 열회수실(7) 상호의 유동매체의 이동이 가능하게 되어 있다.
가스화 노(3)의 하부에는 노바닥(27, 28)이 구성되어 있고, 노바닥(27, 28)의 하부에는 윈드박스(8, 9)가 설치되어 있다. 윈드박스(8, 9)에는 각각 접속구(l3, 14)를 통하여 유동화가스(18a, 19a)가 도입된다. 한편 노바닥(27, 28)에는 각각 산기장치(32, 33)가 설치되어 있다. 산기장치(32)로부터는 실질적으로 큰 유동화속도를 주도록 유동화가스를 분출하고, 그 결과 노바닥(27)의 위쪽에 강유동화영역 (41a)을 형성한다. 산기장치(33)로부터는 실질적으로 작은 유동화속도를 주도록 유동화가스를 분출하고, 노바닥(28)의 위쪽에 약유동화영역(42a)을 형성한다.
가스화 노(3)의 유동층내에 2개의 다른 유동화영역이 존재하는 결과, 유동매체가 강유동화영역(41a)에서 상승하고, 약유동화영역(42a)에서 하강하는 선회류가 생긴다.
한편 연소로(4)에 있어서도 주연소실(6)의 하부에는 노바닥(29, 30, 130a)이 구성되어 있고, 노바닥(29, 30, 130a)의 하부에는 윈드박스(10, 11, 111a)가 설치 되어 있다. 윈드박스(10, 11, 111a)에는 각각 접속구(15, 16, 116a)를 통하여 유동화가스(20a, 27a, 21a)가 도입된다. 한편 노바닥(29, 30, 130a)에는 각각 산기장치(34, 35, 135a)가 설치되어 있다. 산기장치(34, 35)로부터는 실질적으로 큰 유동화속도를 주도록 유동화가스를 분출하고, 그 결과 노바닥(29, 30)의 위쪽에 강유동화영역(162a, 62a)을 형성한다. 산기장치(135a)에서는 실질적으로 작은 유동화속도를 주도록 유동화가스를 분출하고 노바닥(130a)의 위쪽에 약유동화영역(43a)을 형성한다.
주연소실(6)의 유동층내에 2개의 다른 유동화영역이 존재하는 결과, 유동매체가 약유동화영역(44a)에서 침강하고, 강유동화영역(43a, 43a)에서 상승하는 선회류가 생긴다.
한편, 열회수실(7)에 있어서도 하부에는 노바닥(31)가 구성되어 있고, 노바닥(31)의 하부에는 윈드박스(12)가 설치되어 있다. 윈드박스(12)에는 접속구(17)를 통하여 유동화가스(22)가 도입된다. 또 노바닥(31)에는 산기장치(36)가 설치되어 있다. 산기장치(36)로부터는 실질적으로 작은 유동화속도를 주도록 유동화가스를 분출하고, 그 결과 노바닥(31)의 위쪽에 약유동화영역(45)을 형성한다.
상기한 바와 같이 유동화속도가 다른 복수의 유동화영역을 조합시킴으로써 이하와 같은 흐름이 생긴다.
즉, 가스화 노(3)의 유동층내에 있어서는 약유동화영역(42a)에서 유동매체는 침강류(57a)를 타고 하강한다. 그리고 노바닥(28) 근처에서 강유동화영역(41a)을 향하는 수평류(56a)로 바뀌고, 강유동화영역(41a)에서는 다시 상승류(55a)가 된다. 한편, 하강류(57a)는 노바닥(28) 근처에서 강유동화영역(41a)을 향하는 흐름(56a)과 제 1 칸막이벽(2)의 연락구(38)를 지나 연소로(4)를 향하는 반전류(60a)로 분기된다.
따라서 가스화 노(3)의 유동층 내부에서는 약유동화영역(42a)에서 침강하고, 강유동화영역(41a)에서 상승하는 선회류가 형성되는 한편으로, 일부의 유동매체는 제 1 칸막이벽 하부의 연락구(38)를 통하여 주연소실(6)에 도입된다.
한편 주연소실(6)에 있어서도 노바닥(29, 30)의 위쪽에는 강유동화영역(43a)이 형성되고, 또 노바닥(130a)의 위쪽에는 약유동화영역(44a)이 형성되어 있기 때문에 주연소실(6)의 유동층내에서도 약유동화영역(44a)에서 유동매체는 침강류 (70a)를 타고 하강한다. 그리고 유동층표면 근처에서 일부는 제 1 칸막이벽(2)의 상부연락구(37)를 지나는 반전류(59a)가 되어 가스화 노(3)로 되돌아가는 것 외에 약유동화영역(44a)을 향하는 수평류(171a)가 되고, 약유동화영역(44a)에서는 다시 하강류(70a)로 된다. 한편 상승류(62a)는 유동층표면 근처에서 약유동화영역(44a)을 향하는 흐름(71a)과 제 2 칸막이벽(5)의 상부개구부(39)를 지나 열회수실(7)을 향하는 반전류(64)로 분기된다.
따라서 연소로(4)의 주연소실(6)의 유동층 내부에서는 약유동화영역(44a)에서 침강하고, 강유동화영역(43a)에서 상승하는 선회류가 형성되는 한편으로 일부의 유동매체는 제 2 칸막이벽(5)의 상부를 넘어 열회수실(7)로 도입되고, 다시 일부의 유동매체는 제 1 칸막이벽(2)의 상부연락구(37)를 통하여 가스화실(3)로 도입된다.
한편, 열회수실(7)에 있어서는 약유동화영역(45)이 형성되어 있기 때문에, 침강류(65)가 생기고, 다시 유동매체는 제 2 칸막이벽(5)의 하부연락구(40)을 지나는 환류(66)에 의해 주연소실(6)로 되돌아간다. 이와 같이 가스화 노(3), 연소로 (4)의 주연소실(6)의 유동층에 있어서는 각각 내부의 선회류와 상호의 순환류가 형성되어 있고, 연소로(4)의 열회수실(7)에 있어서는 내부의 침강류와 주연소실(6)과의 사이의 순환류가 형성되어 있다.
따라서 가스화 노(3)의 약유동화영역(42a)의 위쪽에 가연물투입구(47)를 설치하고 가연물(48)을 투입하면 침강류(57a)에 의해 가스화 노(3)의 유동층 내부로 빨려들어가 선회류에 의해 균일하게 분산혼합되어 부분연소, 가스화가 행하여진다. 가스화 노(3)의 노바닥부분에 공급되는 유동화가스의 산소함유량은 투입되는 가연물 (48)에 대한 이론연소에 필요한 산소량이하로 설정되어 있다. 이 유동화가스는 공기, 수증기, 산소, 또는 연소배기가스중의 어느 하나이거나 또는 그들중 2개 이상을 조합시킨 것으로 이루어져 있다.
한편 미연숯을 함유하는 유동매체는 반전류(60a)에 의해 주연소실(6)로 도입되고 선회류에 의해 균일하게 분산혼합되어 산화분위기에서 완전히 연소된다. 도 2에 나타내는 바와 같이 필요에 따라 주연소실(6)의 위쪽에 연료투입구(68)를 설치하고 보조연료(69)를 공급하는 것도 가능하다.
또 프리보드에 복수의 노즐(53)을 설치하고 2차공기(54)를 도입하여 완전히 연소시키는 것도 필요에 따라 행할 수 있다.
연소로(4)의 주연소실(6)내에 있어서의 연소에 의해 발생한 열량은 일부가 제 1 칸막이벽(2)의 상부연락구(37)를 지나는 반전류(59a)에 의해 가스화 노(3)로 도입되어 가스화열원이 되는 외에 제 2 칸막이벽 상부(39)를 넘는 반전류(64)로서 열회수실(7)로 들어가 침강류(65)로 된 후, 제 2 칸막이벽 하부연락구(40)로부터 주연소실(6)로 되돌아가는 유동매체순환류에 의해 열회수실(7)로 운반되어 전열면 (46)을 지나 외부로 인출된다.
이와 같이 투입된 가연물의 에너지에 관하여 일부는 가스가 되어 화학에너지로서 인출되고, 가스화하기 어려운 성분은 열에너지로서 유효하게 고효율로 회수하는 것이 가능하다.
또 투입되는 가연물중에 불연분이 혼입되어 있는 것도 많다. 그 때문에 본 실시예에 있어서는 가스화 노(3)의 노바닥(28)과 연소로(4)의 노바닥(29)사이에 불연물배출구(23)가 설치되어 있고, 이 배출구(23)로부터 불연물(25)을 배출하도록 하고 있다. 또한 보조연료(69)에 불연물이 혼입되어 있는 경우에는 본 실시예와 같이 주연소실(6)의 노바닥(30)과 열회수실(7)의 노바닥(31)사이에 불연물배출구 (24)를 설치하고, 이 배출구(24)로부터 불연물(26)을 배출하여도 좋다. 또 불연물배출을 용이하게 하기 위하여 각각의 노바닥이 불연물출구를 향하여 하강경사면을 이루고 있는 것이 바람직하다.
도 3은 도 1 및 도 2에 나타내는 유동층가스화 연소로의 다른 형태의 실시예를 나타낸다. 도 1 및 도 2에 나타내는 실시예에 있어서는 각각 수평단면이 직사각형형상의 가스화 노(3), 주연소실(6), 열회수실(7)이 일직선상에 나란히 배치되어 있으나, 도 3에 나타내는 실시예에서는 직각으로 조합시킨 예를 나타낸다. 도 3은 본 발명의 유동층연소가스화 노의 수평단면도를 나타내고 있고, 유동층로(1)의 내부를 제 1 칸막이벽(2)으로 가스화 노(3)와 연소로(4)로 분할하고 있다.
한편 연소로(4)는 다시 제 2 칸막이벽(5)에 의해 주연소실(6)과 열회수실(7)로 분할되어 있으나, 도 1의 실시예의 경우와는 달리, 제 1 칸막이벽(2)과 제 2 칸막이벽(5)은 동일평면상에 있고, 가스화 노(3)와 열회수실(7)은 제 3 칸막이벽(70)을 사이에 두고 인접되어 있다. 단, 제 3 칸막이벽(70)에는 개구부는 없고 완전히 분리되어 있다.
또 유동층에 관해서는 도 1의 실시예와 같이, 유동화속도가 다른 영역을 형성함으로써 가스화 노(3)의 유동층에 있어서는 약유동화영역(41)에서 침강하고, 강유동화영역(42)에서 상승하는 순환류가 구성되며, 일부는 반전류로 되어 주연소실 (6)로 이행한다.
한편, 주연소실(6)에 있어서도 마찬가지로 약유동화영역(43)에서 침강하고, 강유동화영역(44)에서 상승하는 순환류가 구성되고, 일부는 반전류(64)로 되어 열회수실(7)로 이행되나, 도 1의 실시예의 경우와는 달리 주연소실(6)에 있어서의 순환류의 선회면은 가스화 노(3)에 있어서의 순환류의 선회면과는 직각으로 되어 있다. 또 주연소실(6)과 열회수실(7)사이의 순환류의 선회면도 주연소실(6)내에서의 순환류의 선회면과는 직각으로 되어 있다. 이와 같이 구성함으로써 유동층로(1)의 수평단면형상이 더욱 정사각형에 가깝게 되어 제작상, 플랜트구성상의 이점이 있다.
도 4는 폐열보일러 및 증기터빈과 조합시켜 사용되는 본 발명의 유동층가스화 연소로의 실시예이다. 도 4에 나타내는 바와 같이 가스화 노(3)의 가스배출구 (49)로부터 배출된 생성가스와 연소로(4)의 가스배출구(51)로부터 배출된 연소배기가스는 각각 용융연소로(101)로 유도되어 원통형의 1차연소실(102)에 탄젠셜(접선방향)로 들어간다. 1차 연소실(102) 및 2차 연소실(103)에는 필요에 따라 보조연료(104)가 공급되고, 산소 또는 공기 또는 그것들의 혼합기체가 들어가 1200∼1500 ℃이상에서 연소된다. 그 결과 재가 용융하고, 또 다이옥신, PCB 등의 유해물질이 고온에서 분해된다. 용융재(106)는 배출구(105)를 나온 후, 수실(107)에서 급냉되고, 슬래그(108)로 되어 배출된다.
한편 용융연소로(101)로부터 배출되는 고온의 연소가스는 폐열보일러(109),이코노마이저(110), 공기예열기(111)에서 순차 냉각되고, 집진기(112), 유인송풍기 (113)를 거쳐 대기로 방출된다. 공기예열기(111)를 나온 연소가스에는 필요에 따라 집진기(112)의 바로 앞에서 소석회 등의 중화제(114)가 첨가된다.
한편 보일러급수(116)는 이코노마이저(110)를 경유하여 폐열보일러(109)로과열증기(121)로 되어 증기터빈을 구동한다. 또 연소용 기체(115)는 산소, 공기, 또는 그것들의 혼합기체로서 공기예열기(111)로 가열되고, 용융연소로(1O1) 및 연소로(4)의 프리보드에 공급된다. 또 본 도면에는 도시 생략하였으나, 유동화가스 (18∼22)로 하는 것도 가능하다. 또 층내 전열관(46)에서 얻어진 증기는 중압 또는 저압터빈을 구동한다.
또한 특히 도시는 생략하였으나, 폐열보일러(109), 이코노마이저(110), 공기예열기(111)로부터 배출되는 재(117, 118)는 연소로(4)로 되돌리는 것도 가능하다.
한편, 집진기(112)로 포집된 날림재(119)는 휘산된 Na, K 등의 알칼리금속염 을 함유하는 경우에는 처리기(120)에 의해 약품처리된다.
도 5는 본 발명의 유동층가스화 연소로를 대기압 이상의 압력조건에서 운전하는 경우의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 5에서는 도시 생략하였으나, 유동층로(1) 그 자체를 내압구조로 하여도 좋다. 그러나 내열기능과 내압기능을 분리하는 쪽이 구조상, 유리하기 때문에 본 실시예에서는 유동층로(1)를 압력용기(201)의 내부에 격납하고, 가스화 노(3) 및 연소로(4)를 대기압 이상으로 운전하는 것을 가능하게 하고 있다.
연소로(4)로부터의 연소가스배출구(51), 가스화 노(3)로부터의 생성가스배출구(49), 가스화 노(3)에 대한 가연물공급구(47), 연소로(4)의 2차 공기공급구(53) 및 그외의 유동화가스공급라인, 불연물배출라인 등은 압력용기(201)를 관통하고 있다.
본 실시예에 있어서는 가스화 노(3)에 가연물(48)을 공급하여 부분연소가스화시킨다. 가연물공급방법은 본 도면에 기재된 스크류에 의한 방법의 외에 공기수송이나 슬러리상태에서의 공급도 가능하다.
가스화 노(3)에서 발생하는 미연숯 등 중 생성가스와 동반한 것은 후단에 설치한 가스냉각장치(202)에서 600℃ 이하로 냉각하고, 예를 들어 가스터빈블레이드의 고온부식의 원인이 되는 Na, K 등의 알칼리금속을 고화 또는 입자표면에 고정화하고, 이 입자를 집진기(203)로 포집한 후, 연소로(4)로 도입하여 완전연소시킨다. 연소로(4)의 연소배기가스는 압력용기(201)를 나온 후, 후단에 설치한 가스냉각장치(204)로 600℃ 이하로 냉각하고, 이 냉각에 의하여 Na, K 등의 알칼리금속을 고화 또는 입자표면에 고정화하며 이 입자를 집진기(205)로 포집하여 배출한다. 집진기(203, 205)에는 세라믹필터를 사용하는 것이 많으나 다른 형식의 집진기이어도 좋다.
고온부식의 원인이 되는 Na, K를 제거하여 청정하게 된 연소가스와, 상기 가스화 노(3)를 나온 후 집진기(203)로 집진되어 청정하게 된 생성가스를 연소기(206)로 혼합연소시키나 각각의 가스를 냉각한 만큼 연소기(206)에 들어오는 열에너지가 저하하기 때문에 연소기(206)에 의해 고온연소시키기 위해서는 연소로 (4)에서의 공기과잉율을 되도록 적게 하여 운전하고 연소배기가스량을 저감한다. 그리고 연소기(206)에서 연소에 필요한 산소는 별도의 산소(207)로서 연소기(206)에 공급한다.
연소기(206)로부터의 고온고압 연소배기가스는 가스터빈(209)을 고효율로 구동한다. 가스터빈(209)은 컴프레서(2l0), 발전기(211)를 구동한다.
가스터빈(209)을 나온 배기가스는 열회수장치(212)로 냉각된 후, 대기방출된다. 또한 본 실시예에서는 터빈블레이드의 재질이 향상되면 가스냉각장치(202, 204)는 생략하여도 좋다.
한편 가연물(48)로서 석탄을 사용하는 경우 석회석(214)을 혼합 또는 별도로 공급하여 노내 탈황반응시킨다. 즉, 가스화 노(3)에서 발생하는 황화수소(H2S)를 CaO와 탈황반응시켜 CaS로 하고, 생성가스에 동반시켜 집진기(203)로 포집하여 주연소실(6)에 투입한다.
또 가스화 노(3)로부터 제 l 칸막이벽 상부의 연락구을 지나는 반전류에 의해 미연숯 등과 함께 CaS를 함유하는 유동매체가 주연소실(6)로 도입된다. 그곳에서 침강류에 의해 유동층내에 빨려들어가 선회류에 의해 균일하게 분산혼합되고, 산화분위기에서 완전히 연소되며, 또 CaS는 CaSO4가 되고 연소배기가스에 동반하여 집진기 (205)로 포집, 배출된다. 또한 가스화 노(3)에 있어서의 노내 탈황반응이 불충분한 경우, 가스화 노를 나온 후, 추가의 탈황반응장치(213)를 설치하는 것도 좋다.
도 6은 본 발명에 관한 원통형 유동층가스화 연소로의 부분단면도이다. 도 7은 유동층부분의 수평단면을 나타낸다. 또 도 6에 있어서 유동층부분의 수직단면은 도 7의 a-a 화살표에 해당한다. 여기서는 도 6, 도 7을 사용하여 설명한다.
도 6 및 도 7에 나타내는 실시예에 있어서 도 1에 나타내는 실시예에 있어서의 요소(또는 부재)와 동일 또는 유사한 기능을 가지는 요소(또는 부재)는 동일부호를 사용하여 설명한다.
원통형 유동층로(1)의 내부는 외벽과 동심의 제 1 칸막이벽(2)에 의해 가스화 노(3)와 둥근고리형상의 연소로(4)로 분할되어 있다. 상기 제 1 칸막이벽(2)에는 복수의 직사각형형상의 상부연락구(37), 복수의 직사각형형상의 하부연락구(38)가 설치되어 있어 가스화 노(3)와 연소로(4)가 서로 연락되어 있다. 가스화 노(3)와 연소로(4)의 경계를 이루는 제 1 칸막이벽(2)은 본 도면에서는 생략하며, 도 10에 나타내는 바와 같이 가스화 노측에 있어서는 가스화 노측으로 쓰러지는 것 같은 경사면을 이루고, 한편 연소로측은 수직면으로 되어 있다. 가스화 노(3)에는 가스배출구(49)가 설치되며 이 가스배출구(49)로부터 생성가스(50)가 외부로 도출된다.
한편 연소로(4)는 더욱 반경방향으로 연장되는 복수의 제 2 칸막이벽(5)에 의하여 복수의 주연소실(6)과 복수의 열회수실(7)로 분할되어 있다. 단, 위쪽에서는 분할되지 않고, 프리보드부분은 주연소실과 열회수실은 일체화되어 있으며, 각각의 연소배기가스는 프리보드부분에서 혼합된 후, 가스배출구(5l)로부터 연소배기가스(52)가 되어 외부로 도출된다. 각 열회수실(7)에는 전열면(46)이 매설되어 있어 유동매체로부터 열회수할 수 있다. 또 각 제 2 칸막이벽(5)에는 하부연락구 (40)가 설치되어 있고, 상부개구부(39)와 아울러 주연소실(6)과 열회수실(7)상호의 유동매체의 이동이 가능하게 되어 있다.
가스화 노(3)의 하부에는 중앙에 노바닥(27)이 구성되고, 이 노바닥(27)을 둘러 싸도록 둥근고리형상의 노바닥(28)이 구성되어 있다. 노바닥(27, 28)의 하부에는 윈드박스(8, 9)가 설치되어 있고, 윈드박스(8, 9)에는 각각 접속구(13, 14)를 통하여 유동화가스(18, 19)가 도입된다.
한편, 노바닥(27, 28)에는 각각 산기장치(32, 33)가 설치되어 있다. 산기장치(32)로부터는 실질적으로 작은 유동화속도를 주도록 유동화가스를 분출하고, 그 결과 노바닥(27)의 위쪽에 약유동화영역(41)을 형성한다. 산기장치(33)로부터는 실질적으로 큰 유동화속도를 주도록 유동화가스를 분출하여 노바닥(28)의 위쪽에 강유동화영역(42)을 형성한다.
가스화 노(3)의 유동층내에 2개의 다른 유동화영역이 존재하는 결과, 주위의 둥근고리형상 범위의 강유동화영역(42)에서 상승하여 중앙을 향하여 흘러 들어 중앙부의 원통형 범위의 약유동화영역(41)에서 침강하는 선회류가 생긴다.
한편 연소로(4)에 있어서도 주연소실(6)의 하부에는 노바닥(29, 30)이 구성되어 있고, 노바닥(29, 30)의 하부에는 윈드박스(10, 11)가 설치되어 있다. 윈드박스(10, 11)에는 각각 접속구(15, 16)를 통하여 유동화가스(20, 2l)가 도입된다. 한편, 노바닥(29, 30)에는 각각 산기장치(34, 35)가 설치되어 있다. 산기장치(34)로부터는 실질적으로 작은 유동화속도를 주도록 유동화가스를 분출하고, 그 결과 노바닥(29)의 위쪽에 약유동화영역(43)을 형성한다. 산기장치(35)로부터는 실질적으로 큰 유동화속도를 주도록 유동화가스를 분출하여 노바닥(30)의 위쪽에 강유동화영역(44)을 형성한다.
주연소실(6)의 유동층내에 2개의 다른 유동화영역이 존재하는 결과, 약유동화영역(43)에서 침강하고, 강유동화영역(44)에서 상승하는 선회류가 생긴다.
한편, 열회수실(7)에 있어서도 하부에는 노바닥(31)이 구성되어 있고, 노바닥(31)의 하부에는 윈드박스(12)가 설치되어 있다. 윈드박스(12)에는 접속구(17)를 통하여 유동화가스(22)가 도입된다. 또 노바닥(31)에는 산기장치(36)가 설치되어 있다. 산기장치(36)로부터는 실질적으로 작은 유동화속도를 주도록 유동화가스를 분출하고, 그 결과 노바닥(31)의 위쪽에 약유동화영역(45)을 형성한다.
상기한 바와 같이 가스화 노(3), 연소로(4)의 내부에 유동화속도가 다른 유동화영역을 조합시킴으로써 이하와 같은 흐름이 생긴다.
즉, 가스화 노(3)의 유동층내에서는 약유동화영역(41)에서 유동매체는 침강류 (55)를 타고 하강한다. 그리고 노바닥(27)의 근처에서 강유동화영역(42)을 향하는 수평류(56)로 바뀌고, 강유동화영역(42)에서는 다시 상승류(57)가 된다. 한편 상승류(57)는 유동층표면 근처에서 중앙의 약유동화영역(41)을 향하는 흐름(58)과 제 1 칸막이벽(2)의 연락구(37)를 지나 연소로(4)를 향하는 반전류(59)로 분기된다.
따라서 가스화 노(3)의 유동층 내부에서는 약유동화영역에서 침강하고, 강유동화영역에서 상승하는 선회류가 형성되는 한편으로 일부의 유동매체는 제 1 칸막이벽의 상부의 연락구(37)를 통하여 연소로(4)의 주연소실(6)로 도입된다.
한편, 주연소실(6)에 있어서도 연락구(37) 부근에는 약유동화영역(43)이 형성되고, 또 노바닥(30)의 위쪽에는 강유동화영역(44)이 형성되어 있기 때문에 주연소실(6)의 유동층내에서도 약유동화영역(43)에서 유동매체는 침강류(60)를 타고 하강한다. 그 때문에 반전류(59)에 의해 가스화 노(3)로부터 유입된 미연숯을 함유하는 유동매체도 침강류(60)를 타고 연소로의 내부에 빨려들어가 완전히 연소한다.
그리고 노바닥 근처에서 일부의 유동매체는 제 1 칸막이벽(2)의 하부연락구 (38)를 지나는 환류(67)가 되어 가스화 노(3)로 되돌아가는 것 외에 강유동화영역 (44)을 향하는 수평류(61)가 되고, 강유동화영역(44)에서는 다시 상승류(62)로 된다. 한편, 상승류(62)는 유동층표면 근처에서 약유동화영역(43)을 향하는 흐름 (63)과 제 2 칸막이벽(5)의 상부공간을 지나 열회수실(7)로 향하는 반전류(64)로 분기된다.
따라서 연소로(4)의 유동층 내부에서는 약유동화영역(43)에서 침강하고, 강유동화영역(44)에서 상승하는 흐름이 형성되는 한편으로 일부의 유동매체는 제 2 칸막이벽(5) 상부를 넘어 열회수실(7)로 도입되며, 다시 다른 유동매체는 제 1 칸막이벽(2) 하부의 연락구(38)로부터 가스화 노(3)로 환류된다.
한편, 열회수실(7)에 있어서는 약유동화영역(45)이 형성되어 있기 때문에, 침강류(65)가 생기고 또한 유동매체는 제 2 칸막이벽(5)의 하부연락구(40)을 지나는 환류(66)에 의해 주연소실(6)로 되돌아간다. 이와 같이 가스화 노(3), 연소로 (4)의 주연소실(6), 연소로(4)의 열회수실(7)의 유동층에 있어서는 각각 내부의 선회류와 상호의 순환류가 형성되어 진다.
따라서, 가스화 노(3)의 약유동화영역(41)의 위쪽에 가연물투입구(47)을 설치하고 가연물(48)을 투입하면 침강류(55)에 의해 가스화 노(3)의 유동층내부에 빨려들어가 선회류에 의해 균일하게 분산혼합되어 부분연소, 가스화가 행하여진다. 가스화 노(3)의 노바닥부분에 공급하는 유동화가스의 산소함유량은 투입되는 가연물(48)에 대한 이론연소에 필요한 산소량 이하로 설정되어 있다. 이 유동화가스는 공기, 수증기, 산소, 또는 연소배기가스중의 어느 하나 또는 그것들중 2개 이상을 조합시킨 것으로 이루어져 있다.
한편, 미연숯을 함유하는 유동매체는 반전류(59)에 의해 주연소실(6)로 도입되고, 그곳에서 침강류(60)에 의해 유동층내에 빨려들어가 선회류에 의해 균일하게 분산혼합되어 산화분위기에서 완전히 연소된다. 도 5에 나타내는 바와 같이 필요에 따라 약유동화영역(43)의 위쪽에 연료투입구(68)을 설치하고 보조연료(69)를 공급하는 것도 가능하다.
또 프리보드에 복수의 노즐(53)을 설치하고 2차공기(54)를 도입하여 완전히 연소시키는 것도 필요에 따라 행할 수 있다.
연소로(4)의 주연소실(6)내에서의 연소에 의해 발생한 열량은 일부가 제 1 칸막이벽(2)의 하부연락구(38)를 지나는 환류(67)에 의해 가스화 노(3)에 도입되어 가스화열원이 되는 것 외에 제 2 칸막이벽 상부를 넘어 열회수실(7)로 들어가고, 하부연락구(40)로부터 주연소실(6)로 되돌아가는 유동매체순환류에 의하여 열회수실의 전열면(46)을 지나 외부로 인출된다.
이와 같이 투입된 가연물의 에너지에 관하여 일부는 가스로 되어 화학에너지로서 인출되고, 가스화되기 어려운 성분은 연소로(4)에 의해 열에너지로 전환하여 유효하게 고효율로 회수하는 것이 가능하다.
또 투입되는 가연물중에 불연분이 혼입되어 있는 것도 많다. 그 때문에 본 실시예에서는 가스화 노(3)의 노바닥(28)과 연소로(4)의 노바닥(29)사이에 불연물배출구(23)가 설치되어 있고, 이 배출구(23)로부터 불연물(25)을 배출하도록 하고 있다. 또한 보조연료(69)에 불연물이 혼입되어 있는 경우에는 특별히 도시하지 않았으나, 마찬가지로 제 2 칸막이벽 하부부근, 주연소실 노바닥과 열회수실 노바닥의 사이에 불연물배출구를 설치하고 불연물을 배출하여도 좋다. 또 불연물배출을 용이하게 하기 위하여 각각의 노바닥이 불연물출구를 향하여 하강경사면을 이루고 있는 것이 바람직하다. 연소로(4)에 있어서 주연소실(6)과 열회수실(7)의 경계를 이루는 제 2 칸막이벽(5)은 본 도면에서는 생략하고, 도 10에 단면을 나타내나, 주연소실측에서는 주연소실측으로 쓰러지는 것 같은 경사면을 이루고, 한편의 열회수실측은 수직면으로 되어 있어도 좋다.
도 8 및 도 9는 폐열보일러 및 증기터빈과 조합시켜 사용되는 본 발명의 원 통형 유동층가스화 연소로의 실시예이다.
도 8에 나타내는 바와 같이 가스화 노(3)의 가스배출구(49)로부터 배출된 생성가스와, 연소로(4)의 가스배출구(51)로부터 배출된 연소배기가스는 각각 용융연소로(101)로 유도되어 원통형의 1차 연소실(102)에 탄젠셜(접선방향)로 들어간다. 1차 연소실(102) 및 2차 연소실(103)에는 필요에 따라 보조연료(104)가 공급되고, 산소 또는 공기, 또는 그것들의 혼합기체가 들어가고 1200∼1300℃이상에서 연소한다. 그 결과 재가 용융하고, 또 다이옥신, PCB 등의 유해물질이 고온에서 분해된다. 용융재(106)는 배출구(105)를 나온 후, 수실(107)에서 급냉되어 슬래그(108)가 되어 배출된다.
한편, 용융연소로(101)로부터 배출되는 고온의 연소가스는 폐열보일러(109), 이코너마이저(110), 공기예열기(111)로 순차 냉각되고, 집진기(112), 유인송풍기 (113)를 거쳐 대기로 방출된다. 공기예열기(1ll)을 나온 연소가스에는 필요에 따라 집진기(1l2)의 바로 앞에서 소석회 등의 중화제(114)가 첨가된다.
한편, 보일러급수(116)는 이코너마이저(110)를 경유하여 폐열보일러(109)에 의해 과열증기(l21)가 되어 증기터빈을 구동한다. 또 연소용 기체(115)는 산소, 공기, 또는 그것들의 혼합기체로서 공기예열기(111)에서 가열되고, 용융연소로 (101) 및 연소로(4)의 프리보드에 공급된다. 또 본 도면에는 도시 생략하였으나 유동화가스(18∼22)로 하는 것도 가능하다. 또 층내전열관(46)에서 얻어진 증기는 중압 또는 저압터빈을 구동한다.
또한 특별히 도시하지 않았으나, 폐열보일러(109), 이코너마이저(110), 공기 예열기(111)로부터 배출되는 재(117, 118)는 연소로(4)로 되돌리는 것도 가능하다.
한편, 집진기(112)로 포집된 날림재(119)는 휘산된 Na, K 등의 알칼리금속염을 함유하는 경우에는 처리기(120)에 의해 약품처리된다.
도 9는 본 발명의 유동층가스화 연소로를 대기압 이상의 압력조건으로 운전하는 경우의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 9에서는 도시 생략하였으나, 유동층로(1) 그자체를 내압구조로 하여도 좋다. 그러나 내열기능과 내압기능을 분리한 쪽이 구조상, 유리하기 때문에 본 실시예에서는 유동층로(1)를 압력용기(20l)의 내부에 격납하고, 가스화 노(3) 및 연소로 (4)를 대기압이상으로 운전하는 것을 가능하게 하고 있다.
연소로(4)로부터의 연소가스배출구(51), 가스화 노(3)로부터의 생성가스배출구(49), 가스화 노(3)에 대한 가연물공급구(47), 연소로(4)의 2차 공기공급구(53) 및 그 밖의 유동화가스공급라인, 불연물배출라인 등은 압력용기(201)를 관통하고 있다.
본 실시예에서는 가스화 노(3)에 가연물(48)을 공급하여 부분연소 가스화시킨다. 가연물공급방법은 본 도면에 기재한 스크류에 의한 방법의 외에 공기수송이나 슬러리상태에서의 공급도 가능하다.
가스화 노(3)에서 발생하는 미연숯중 생성가스에 동반하는 것은 후단에 설치한 가스냉각장치(202)에 의해 600℃이하로 냉각하고, 예를 들어 가스터빈블레이드의 고온부식의 원인이 되는 Na, K 등의 알칼리금속을 고화 또는 입자표면에 고정화하고, 이 입자를 집진기(203)로 포집한 후 연소로(4)로 도입하여 완전연소시킨다. 연소로 (4)의 연소배기가스는 압력용기(201)를 나온 후, 후단에 설치한 가스냉각장치(204)에 의해 600℃이하로 냉각하고, 이 냉각에 의하여 Na, K 등의 알칼리금속을 고화 또는 입자표면에 고정화하고, 이 입자를 집진기(205)로 포집하여 배출한다. 집진기 (203, 205)에는 세라믹필터를 사용하는 것이 많으나, 다른 형식의 집진기이어도 좋다.
고온부식의 원인이 되는 Na, K를 제거하여 청정해진 연소가스와, 상기 가스화 노(3)를 나온 후 집진기(203)로 집진되어 청정해진 생성가스를 연소기(206)로 혼합연소시키나, 각각의 가스를 냉각한 만큼 연소기(206)에 들어온 열에너지가 저하하기 때문에 연소기(206)에 의해 고온연소시키기 위해서는 연소로(4)에서의 공기과잉율을 되도록이면 적게 하여 운전하고 연소배기가스량을 저감한다. 그리고 연소기 (206)에서 연소에 필요한 산소는 별도의 산소(207)로서 연소기(206)에 공급한다.
연소기(206)로부터의 고온고압 연소배기가스는 가스터빈(209)을 고효율로 구동한다. 가스터빈(209)은 콤프레서(210), 발전기(211)를 구동한다.
가스터빈(209)을 나온 배기가스는 열회수장치(212)에서 냉각된 후, 대기방출된다. 또한 본 실시예에 있어서는 터빈블레이드의 재질이 향상되면, 가스냉각장치 (202, 204)는 생략하여도 좋다.
한편, 가연물(48)로서 석탄을 사용하는 경우, 석회석(214)을 혼합 또는 별도로 공급하여 화로내 탈황반응시킨다. 즉, 가스화 노(3)에 의해 발생하는 황화수소 (H2 S)를 CaO와 탈황반응시켜 CaS로 하고 생성가스에 동반시켜 집진기(203)로 포집하여 주연소실(6)에 투입한다.
또 가스화 노(3)로부터 제 1 칸막이벽 상부의 연락구을 지나는 반전류에 의해서 미연숯 등과 함께 CaS를 함유하는 유동매체가 주연소실(6)로 도입된다. 그곳에서 침강류에 의해 유동층내로 빨려들어가 선회류에 의해 균일하게 분산혼합되어 산화분위기에서 완전히 연소되고, 또 CaS는 CaSO4가 되어 연소배기가스에 동반하여 집진기(205)로 포집, 배출된다. 또한 가스화 노(3)에 있어서의 노내 탈황반응이 불충분한 경우, 가스화 노를 나온 후, 추가의 탈황반응장치(213)를 설치하는 것도 좋다.
도 10에서는 칸막이벽의 구조의 일례를 나타낸다.
강유동화영역(302)에 형성되는 상승류(304)의 방향을 바꾸도록 칸막이벽 (301)이 경사면(301a)을 가지고 있고, 한편 경사면(301a)의 반대면은 수직면으로 되어 있어 칸막이벽 상단을 넘은 반전류(305)가 정체하지 않고 그대로 침강류(306) 로 되어 약유동화영역(303)을 하강하도록 구성되어 있다. 본 구조는 본 발명의 제 1 칸막이벽, 제 2 칸막이벽중의 어느것이어도 좋다. 또한 도 1 내지 도 9에 나타내는 실시예에 있어서, 제 1 칸막이벽, 제 2 칸막이벽에 경사면을 형성하지 않고 수직벽으로 하여도 좋다.
다음에 본 발명에 관한 원통형 유동층가스화 연소로의 다른 실시예를 도 11 및 도 12를 참조하여 설명한다. 도 11은 원통형 유동층가스화 연소로의 종단면도이다. 도 12는 유동층부분의 수평단면을 나타낸다. 도 11 및 도 12에 나타내는 실시예에 있어서, 도 6 및 도 7에 나타내는 실시예에 있어서의 요소(또는 부재)와 동일 또는 유사한 기능을 가지는 요소(또는 부재)는 동일부호를 사용하여 설명한다.
본 실시예에 있어서는 원통형 유동층로(1)의 내부는 외벽과 동심의 제 1 칸막이벽(2)에 의해 중앙부의 원형의 연소로(4)와, 그 바깥쪽의 둥근고리형상의 노부(爐部)로 분할되어 있다. 둥근고리형상의 노부는 반경방향으로 연장되는 복수의 제 2 칸막이벽(5)에 의해 복수의 가스화 노(3)와 복수의 열회수실(7)로 분할되어 있다. 제 1 칸막이벽(2)에는 복수의 직사각형형상의 상부연락구(37), 복수의 직사각형형상의 하부연락구(38)가 설치되어 있고 가스화 노(3)와 연소로(4)가 서로 연락되어 있다.
가스화 노(3)에는 가스배출구(49)가 설치되고, 이 가스배출구(49)로부터 생성가스(50)가 외부로 도출된다. 또 제 1 칸막이벽(2)은 연소로(4)의 주연소실(6)과 열회수실(7)을 유동상부분에 있어서만 분할하고 있고, 프리보드부분은 연소로(4)의 주연소실(6)과 열회수실(7)이 일체화되어 있으며, 각각의 연소배기가스는 프리보드부분에서 혼합된 후, 가스배출구(51)로부터 연소배기가스(52)가 되어 외부로 도출된다. 각 열회수실(7)에는 전열면(46)이 매설되어 있어 유동매체로부터 열회수할 수 있다. 또 제 1 칸막이벽(2)에는 하부연락구(40)가 설치되어 있고, 상부개구부 (39)와 아울러 주연소실(6)과 열회수실(7)상호의 유동매체의 이동이 가능하게 되어 있다.
연소로(4)의 하부에는 중앙에 노바닥(27)이 구성되고, 이 노바닥(27)을 둘러 싸도록 둥근고리형상의 노바닥(28)이 구성되어 있다. 노바닥(27, 28)의 하부에는 윈드박스(8, 9)가 설치되어 있고, 윈드박스(8, 9)에는 각각 접속구를 통하여 유동화가스(18, 19)가 도입된다.
한편, 노바닥(27, 28)에는 도 6에 나타내는 실시예와 마찬가지로 각각 산기장치(32, 33)가 설치되어 있다. 산기장치(32)로부터는 실질적으로 작은 유동화속도를 주도록 유동화가스를 분출하고, 그 결과 노바닥(27)의 위쪽에 약유동화영역 (41)을 형성한다. 산기장치(33)로부터는 실질적으로 큰 유동화속도를 주도록 유동화가스를 분출하고 노바닥(28)의 위쪽에 강유동화영역(42)을 형성한다.
연소로(4)의 유동층내에 2개의 다른 유동화영역이 존재하는 결과, 주위의 둥근고리형상 범위의 강유동화영역(42)에서 상승하고, 중앙을 향하여 흘러 들어 중앙부의 원형상 범위의 약유동화영역(41)에서 침강하는 선회류가 생긴다.
한편 가스화 노(3) 및 열회수실(7)에 있어서도 하부에는 각각 노바닥(29, 31)이 구성되어 있고, 노바닥(29, 31)의 하부에는 윈드박스(l0, 12)가 설치되어 있다. 윈드박스(10, 12)에는 각각 접속구를 통하여 유동화가스(21, 22)가 도입된다. 한편 노바닥(29, 31)에는 도 5에 나타내는 실시예와 마찬가지로 각각 산기장치(34, 36)가 설치되어 있다. 산기장치(34)로부터는 실질적으로 작은 유동화속도를 주도록 유동화가스를 분출하고, 그 결과 노바닥(29)의 위쪽에 약유동화영역(43)을 형성한다. 산기장치(36)로부터는 실질적으로 작은 유동화속도를 주도록 유동화가스를 분출하고, 노바닥(31)의 위쪽에 약유동화영역(45)을 형성한다.
상기한 바와 같이 구성함으로써 이하와 같은 유동매체의 흐름이 생긴다.
즉, 가스화 노(3)의 유동층내에서는 약유동화성(43)에서 유동매체는 침강류를 타고 하강한다. 그리고 유동매체는 노바닥(29)의 근처에서 하부연락구(38)를 통하여 연소로(4)로 유입된다.
연소로(4)의 주연소실(6)의 유동층내에서는 약유동화영역(41)에서 유동매체는 침강류를 타고 하강한다. 그리고 노바닥(27)의 근처에서 강유동화영역(42)을 향하는 수평류로 바뀌고, 강유동화영역(42)에서는 다시 상승류가 된다. 한편 상승류는 유동층표면 근처에서 중앙의 약유동화영역(41)을 향하는 흐름과, 제 1 칸막이벽(2)의 연락구(37)를 지나 가스화 노(3)를 향하는 반전류 및 제 1 칸막이벽(2)의 상부개구(39)로부터 열회수실(7)를 향하는 반전류로 분기된다.
따라서 연소로(4)의 유동층 내부에서는 약유동화영역에서 침강하고, 강유동화영역에서 상승하는 선회류가 형성되는 한편 일부의 유동매체는 제 1 칸막이벽 상부의 연락구(37) 및 상부개구(39)를 지나 가스화 노(3) 및 열회수실(7)로 도입된다. 상기한 바와 같이 가스화 노(3)로 유입된 유동매체는 침강류를 타고 하강한다.
한편, 열회수실(7)에 있어서는 약유동화영역(45)이 형성되어 있기 때문에, 침강류가 생기고, 또한 유동매체는 제 1 칸막이벽(2)의 하부연락구(40)를 지나는 환류에 의해 주연소실(6)로 되돌아간다.
따라서 가스화 노(3)의 약유동화영역(43)의 위쪽에 가연물투입구(47)을 설치하고 가연물(48)을 투입하면 침강류에 의해 가스화 노(3)의 유동층내부로 빨려들어가 부분연소, 가스화가 행하여진다. 또 가스화 노(3)의 노바닥부분의 약간 위쪽에도 가연물투입구(47)가 형성되어 있다.
가연물투입구(47)는 통상 가스화 노의 수에 대하여 l개씩 설치하나, 대형기의 경우 가스화 노가 커져 가스화 노내의 연료분산이 불충분하게 되는 경우는 가스화 노의 노바닥를 분할하여 유동화의 강도를 부분적으로 바꿀 수 있도록 하고, 예를 들어 가스화 노내에 약유동화영역과 강유동화영역을 형성하여 내부선회류를 생기게 하여 연료의 분산을 촉진하는 것도 유효하다.
도 12는 가스화 노의 노바닥를 방사상으로 3분할하여 중앙부에 약유동화영역 (43)을, 양쪽 끝에 강유동화영역(44)을 설치하도록 한 경우의 예로 나타내고 있다. 이 경우 가연물은 중앙의 약유동화영역(43)에 투입되고 층내를 침강하면서 열분해, 가스화되고, 약유동화영역(43)의 하부에서 양쪽의 강유동화영역(44)측으로 이동한다. 강유동화영역(44)에서는 가연물의 흐름은 상승류로 바뀌고, 다시 층의 상부에서 화살표(63)로 나타내는 바와 같이 중앙의 약유동화영역(43)쪽으로 흘러 든다.
주연소실(6)로부터 가스화 노(3)로 유입되는 유동매체의 흐름(59)은 주연소실 (6)로부터 열분해, 가스화에 필요한 열량을 유동매체가 현열로서 가스화 노(3)에 공급한다는 관계상 많은 쪽이나 바람직하다. 따라서 주연소실(6)과 가스화 노(3)의 제 1 칸막이벽의 상부개구(37)는 개구면적을 크게 잡기 위하여 가스화 노전면에 걸치는 것이 바람직하나, 가스화 노내에 약유동화영역(43), 강유동화영역(44)을 형성하는 경우에는 상부개구(37)를 약유동화영역에만 설치하는 것도 유효하다. 이와 같이 함으로써 열분해, 가스화가 불충분한 가연물이 주연소실로 유입되어 연소되는 것에 의한 가스화율의 저하를 억제할 수 있다.
한편, 가스화 노(3)내의 미연숯을 함유하는 유동매체는 하부연락구(38)를 통하여 주연소실(6)로 도입되고, 선회류에 의해 균일하게 분산혼합되어 산화분위기에서 완전히 연소된다. 도 11에 나타내는 바와 같이 가스화 노(3)로 필요에 따라 약유동화영역(43)의 상부에 연료투입구(68)을 설치하고 보조연료(69)를 공급하는 것도 가능하다.
또 프리보드에 복수의 노즐(53)을 설치하고 2차공기(54)를 도입하여 완전히 연소시키는 것도 필요에 따라 행할 수 있다.
연소로(4)의 주연소실(6)내에서의 연소에 의해 발생한 열량은 일부가 제 1 칸막이벽(2)의 상부연락구(37)를 지나는 유동매체의 흐름에 의해 가스화 노(3)에 도입되어 가스화열원이 되는 외에 제 1 칸막이벽(2)의 상부를 넘어 열회수실(7)로 들어가 하부연락구(40)로부터 주연소실(6)로 되돌아가는 유동매체순환류에 의해 열회수실의 전열면(46)을 지나 외부로 인출된다.
이와 같이 투입된 가연물의 에너지에 관하여 일부는 가스가 되어 화학에너지로서 인출되고, 가스화하기 어려운 성분은 연소로(4)에 의해 열에너지로 전환되어 유효하게 고효율로 회수하는 것이 가능하다.
또 투입되는 가연물중에 불연분이 혼입되어 있는 일도 많다. 그 때문에 본 실시예에 있어서는 연소로(4)의 노바닥(28)과 가스화 노(3)의 노바닥(29)과의 사이에 불연물배출구(23)를 설치함과 동시에 연소로(4)의 노바닥(28)과 열회수실(7)의 노바닥(31)과의 사이에 불연물배출구(23)를 설치하고, 이들 배출구(23)로부터 불연물(25)을 배출하도록 하고 있다.
이상 설명한 바와 같이, 주연소실(6)내는 중앙부의 유동화속도가 주변부의 유동화속도보다도 낮게 억제되어 있고, 주변부에서는 심하게 유동화하여 유동매체가 내뿜어지고 중앙부에서 침강이동층을 형성하는 소위 내부선회류가 형성되어 진다.
이와 같은 구성으로 함으로써 주연소실(6)측의 고온의 유동매체가 제 1 칸막이벽(2)을 통하여 가스화 노(3)측으로 유입되기 쉬워져 가스화에 필요한 열량이 공급되기 쉬워지고, 발열반응이 생겨 있는 주연소실(6)의 열확산도 촉진할 수 있기 때문에 국소적인 고온부가 생기기 어렵고, 입자응집화(agglomeration)의 발생을 억제할 수 있다.
가스화 노(3)내는 모두 비교적 완만한 유동층을 형성시킴으로써 미반응숯의 뛰어나옴을 억제하여 효과적으로 가스화반응을 행하게 하는 것이 가능하게 된다. 주연소실(6)로부터의 유동매체의 유입이 충분하면 가스화 노(3)의 유동화가스는 전혀 산소를 함유할 필요가 없고, 그 경우는 가스화 노(3)내에서 발열반응이 생기지 않기 때문에 입자응집 형성의 가능성이 전무하게 된다.
열회수실(7)도 비교적 완만한 유동층이 형성되나, 그 때문에 입자응집화의 발생이 염려되는 경우는 유동화가스의 산소농도를 내리거나 또는 산소를 함유하지 않는 가스로 유동화시킴으로써 대처할 수 있다.
열회수실(7)의 프리보드부는 주연소실(6)의 프리보드부와 일체화되어도 좋고, 그 경우는 완전연소를 촉진하기 위하여 필요에 따라 2차공기를 불어넣는 것도 할 수 있다. 열회수실(7)의 유동화가스의 산소농도를 억제하여 열회수실(7) 상부의 산소농도가 거의 제로가 되는 것 같은 경우는 열회수실(7)의 프리보드부를 가스화 노(3)의 프리보드부와 일체화하여도 좋다.
가연물의 성상에 의해 노내에 숯이 축적되는 것 같은 경우는 주연소실(6)의 주변부, 주연소실(6)의 중앙부, 열회수실(7), 가스화 노(3)의 순으로 유동화가스중의 산소농도를 높여 가는 것이 유효한 대처방법이다. 반대로 숯이 축적되지 않은 가연물성상의 경우는 가스화 노(3), 열회수실(7), 주연소실(6)의 중앙부, 주연소실(6)의 주변부의 순으로 산소농도를 내림으로써 더욱 유효한 가스화반응을 행하게 할 수 있다.
도 13은 본 발명에 관한 유동층가스화 연소로의 일종인 대기압의 유동상 석탄보일러의 실시예를 나타내는 개략도이다. 도 13에 나타내는 바와 같이 유동상 석탄보일러의 노내는 가스화실(401), 연소실(402), 열회수실(403)로 3분할되고, 연료는 가스화실(401)에 공급되어 열분해, 가스화된다. 가스화실(401)에 인접하여 연소실(402)을 설치하고, 다시 연소실(402)에 인접하여 열회수실(403)을 설치한다. 대기압의 유동상 석탄보일러에 본 발명을 응용할 때의 프리보드부는 가스화실 (4O1), 연소실(402), 열회수실(403)의 상부에서 일체화되어 서로 칸막이되어 있지 않다. 열회수실(403)내에는 유동매체로부터 수열하는 전열면(406)이 설치되어 있다. 프리보드부에는 가스의 흐름방향을 따라 증기과열기(404A), 증발기(404B)가 순서대로 설치된 구성으로 이루어지는 전열면(404)이 설치되어 있다. 또 프리보드부의 벽면에는 높이방향, 수평방향으로 복수의 2차공기 공급노즐(405A, 405B)이 설치되어 있다. 전열면(404, 406)의 수열에 의해 생성된 증기는 증기터빈(407)으로 유도되어 이것을 구동한다. 한편 유동상 석탄보일러로부터 배출된 연소배기가스는 절탄기(408),공기예열기(409), 버그필터(410)를 경유하여 굴뚝(411)으로부터 배출된다. 또 블로워(412)에 의해 공급된 공기는 공기예열기(409)에 의해 가열된 후, 유동상 보일러의 바닥부로부터 화로내에 유동화가스 및 연소용가스로서 공급된다.
가스화실(401), 연소실(402), 열회수실(403)의 유동화가스는 공기이며, 가스화실(401)로는 공급되는 연료의 이론공기량의 약 1 내지 2할의 공기를 공급한다. 가스화실(401)에 공급되는 공기량의 계량으로서는 연소에 의하여 생기는 열량과, 가스화반응에 필요한 열과 가스의 현열로서 층으로부터 꺼내지는 열량의 합계를 비교하였을 때, 상기 합계의 열량쪽이 상기 연소에 의해 생기는 열량보다 약간 커지는 정도의 공기량이 바람직하다. 이와 같은 공기량이면 가스화실(401)의 층온를 유지하는 데 부족한 열량을 인접한 연소실(402)로부터 유입시키는 유동매체의 열로 보충할 수 있어 가스화실(401)의 층온제어가 용이하게 되는 것이다. 또한 도시는 생략하였으나, 가스화실(401), 연소실(402), 열회수실(403)의 각각의 유동화가스의 유량 및 조성은 독립하여 제어하는 것이 가능하다. 상기 조성으로서는 공기에, 산소및 수증기의 적어도 한쪽을 더한 유동화가스를 생각할 수 있다.
가스화실(401)은 800℃ 내지 950°로 유지되고, 그곳에 공급된 연료는 부분연소, 열분해, 가스화되고, 미연가스 및 부분연소에 의해 발생한 연소가스의 혼합가스는 가스화실(401) 상부의 프리보드부로 유도된다. 한편, 층내에 잔존한 미반응숯은 가스화실(401)과 연소실(402) 사이의 입자순환에 따라 연소실(402)측으로 유입되고, 그곳에서 완전연소된다. 연소실(402)에 공급되는 공기량은 그곳으로 유입되는 숯의 연소에 필요한 이론연소 공기량보다도 약간 많다. 구체적으로는 이론연소 공기량의 약 110 내지 120%의 공기를 공급함으로써 고온의 층온에서 연소가 촉진됨과 동시에, 탈황반응과 저NOx 연소에 가장 적합한 800℃ 내지 900℃의 온도로 유지되도록 열회수실(403)로부터 저온의 유동매체를 필요에 따라 적절하게 공급할 수 있게 되어 있다.
상기와 같은 조건으로 운전하면, 유동층부[가스화실(401), 연소실(402), 열회수실(403)]로 불어넣은 합계의 공기비는 석탄의 성상, 특히 연료비에 의하나, 대강 70∼90%가 되고, 나머지 10∼30% 분의 연소반응은 프리보드에 의해 생기게 된다. 따라서, 프리보드로의 2차공기 불어 넣는 곳을 복수개 설치하여 두고 필요에 따라 불어 넣는 곳을 바꿈으로써 프리보드의 온도를 자유롭게 제어할 수 있는 것이다.
예를 들어 층내 연소율이 높고, 프리보드의 가스온도가 저하되는 것 같은 탄종류에 있어서는 프리보드에 설치한 증기과열기관(404A), 증발기관(404B)의 상부에 2차공기(405B)를 불어 넣음으로써 프리보드의 전열관(404)에서의 수열을 억제하고, 또한 보일러출구의 연소가스온도를 적정하게 유지할 수 있다. 반대로 층내 연소율이 낮은 탄종류에 있어서는 유동층부에 설치한 전열관(406)과 프리보드에 설치한 전열관(404) 사이의 공간에 2차공기(405A)를 불어 넣어 연소시킨 후, 프리보드의 전열관에서 수열함으로써 층내에서의 수열를 보충할 수 있다. 그 중간적인 탄종류에 있어서는 보일러출구의 가스온도를 감시하면서 프리보드에 설치한 전열관의 위쪽, 아래쪽에 각각 불어 넣는 2차공기(405B, 405A)의 배분을 조절함으로써 최적의 상태로 조절할 수 있다.
또 이와 같은 구성으로 함으로써 유동상보일러의 설치면적을 줄일 수 있다. 층내 연소율이 높은 연료의 경우, 통상의 유동층 연소로에서 연소시키면 층내에서 수열해야 할 열량이 많기 때문에 필요한 층내 전열면적이 많이 필요하게 되고, 그 층내 전열관배치를 위해 유동층부의 수평단면적이 커져 설치면적의 증대를 초래하하는 경우가 있으나, 본 발명을 응용한 대기압유동상 석탄보일러는 층내 연소를 억제하여 프리보드연소시킬 수 있기 때문에 전열관중 프리보드에 배치하는 전열면의 비율을 증가시킬 수 있기 때문에 보일러형상은 세로로 길어져 수평단면적이 감소하고, 설치면적을 감소시킬 수 있는 것이다.
또한, 상기한 바와 같이 도 1 내지 도 13에 나타내는 실시예에 있어서, 동일한 작용 및 기능을 가지는 구성요소는 동일부호를 붙여 나타내고 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 이하에 열거하는 효과를 가진다.
(1) 부분연소가스화한 후, 숯을 완전하게 연소할 수 있으므로 가스화하기 어려운 숯발생량이 많은 가연물이더라도 이용할 수 있고, 가스화용융시스템 등의 장점을 살릴 수 있다.
(2) 가스화 노와 연소로가 일체화되어 있어 컴팩트하다.
(3) 미반응숯의 이송이 간편하고 제어가 용이하다. 즉, 가스화 노와 연소로가 일체화되어 있기 때문에 가스화 노로부터 연소로로의 숯의 이송에 관해서는 배관이나 L밸브 등, 복잡한 기계설비가 불필요하며, 또한 이송량은 가스화 노, 연소로 상호의 유동화속도의 변화에 의하여 제어되기 때문에 용이하고 또한 심플하다. 또 배관내부에서의 폐색트러블 등도 없다.
(4) 가스화 노의 가스화 열원으로서 연소로로부터의 환류유동매체의 보유열량을 유효하게 이용될 수 있기 때문에 가스화 노에 대한 공기의 투입량을 줄일 수 있고, 가스화효율의 향상과 단위체적당의 가스의 발열량을 증가시키는 것이 가능해진다.
(5) 가스화 노에 있어서의 연료분산이 양호하다. 즉, 가스화 노유동층 내부에 있어서의 선회류에 의해 연료의 빨아들임이 좋고 체류시간을 길게 취하는 외에 분산혼합이 좋기 때문에 균일한 부분연소가스화가 가능하고, 또 연료의 공급개소도 적어서 좋다.
(6) 불연물을 함유하는 연료이더라도 이용할 수 있다.
(7) 대기압 이상으로 운전함으로써 더욱 높은 효율을 얻을 수 있다. 즉, 종래의 가압유동상 보일러에 있어서는 가스터빈입구 온도가 850 내지 900℃이었던 것에 대하여 석탄을 가스화 노로 부분연소에 의해 가스화하고, 나머지 가연분은 연소로에서 완전연소하여 각각의 화로로부터 배출되는 생성가스와 연소배기가스를 가스터빈에 도입함으로써 가스터빈입구에서의 연소가스온도를 1300℃이상으로 올릴 수 있다. 그 결과 송전단 효율을 42% 내지 46%로 대폭 향상시킬 수 있다.
(8) 연소로가 내부순환유동상 보일러이므로, 이하의 효과를 가진다.
1) 연소로에서의 발생열을 고효율로 회수할 수 있다.
2) 부하변화시의 제어에 관하여 유동층의 층높이 변화의 필요가 없고, 열회수실의 유동화속도를 변화시킴으로써 간단하게 대응할 수 있다.
3) 유동층의 층높이 변화가 필요하지 않기 때문에 유동매체 저류조나 이송배 관 등의 설비가 불필요하고, 설비를 간소할 수 있다.
4) 부하변화시에 있어서도 유동층 온도 및 연소가스온도를 일정하게 제어할 수 있고, 가스터빈효율이 안정되어 있다.
5) 열회수실이 약유동화영역이기 때문에 층내 전열관의 마모가 적고, 그 때문에 유동매체에 단단한 규사의 사용이 가능하며, 재의 배출량이 적다.
또 본 발명의 유동층가스화 연소로의 일종인 유동상 석탄보일러에 있어서는, 탄종류가 변화되더라도 보일러의 전열면을 변경 또는 개조하는 일 없이 대응할 수있다.
본 발명은 도시쓰레기 및 산업폐기물을 포함하는 폐기물, 또는 석탄 등의 고형연료를 가스화하여 연소시키는 시스템에 이용가능하다.

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  71. 그 내부가 칸막이벽(2)에 의해 가스화 노(3)와 연소로(4)로 분할되는 유동층 가스화 연소로에 있어서,
    상기 가스화 노(3)는, 그 하부에 노바닥(27, 28), 생성된 가스를 배출하는 가스 배출구(49), 및 가스화 노(3)와 연소로(4) 사이를 연통하기 위한 상기 칸막이 벽 내 하부 연락구(38)를 가지고,
    유동가스가 상기 노바닥(27, 28)으로부터 가스화 노(3)로 유입되고, 상기 칸막이벽(2)과 상기 하부 연락구(38)에 인접하는 영역 내 노바닥 상부에는 유동매체의 약유동화영역(42a)을 형성하고, 그 밖의 노바닥 상부에는 강유동화영역(41a)을 형성하며,
    상기 연소로(4)는 연소 배기 가스 배출구(51), 및 상기 연소로(4)의 하부에 노바닥(29, 30)을 가지고,
    유동가스가 상기 노바닥(29, 30)으로부터 가스화 노(3)로 유입되고, 상기 칸막이벽(2)과 상기 하부 연락구(38)에 인접하는 영역 내 노바닥 상부에는 유동매체의 강유동화영역(43a)을 형성하고, 그 밖의 노바닥 상부에는 유동매체의 약유동화영역(44a)을 형성하며,
    상기 유동층 가스화 연소로(1)는, 상기 가스화 노(3)의 상기 노바닥(27, 28)과 상기 연소로(4)의 상기 노바닥(29, 30) 사이의 상기 하부 연락구(38) 근처에 제공되는 불연물배출구(23)를 가지는 것을 특징으로 하는 유동층 가스화 연소로.
  72. 제 71항에 있어서,
    가연물을 위한 공급부(47)가 상기 가스화 노(3)의 상기 유동층 상부에 제공되는 것을 특징으로 하는 유동층 가스화 연소로.
  73. 제 71항 또는 제 72항에 있어서,
    연소로(4)의 약유동화영역(44a)은 연소로(4)의 강유동화영역(43a)에 인접한 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 유동층 가스화 연소로.
  74. 제 73항에 있어서,
    상기 연소로(4)의 노바닥은 상기 하부 연락구(38)를 향하여 아래쪽으로 경사진 것을 특징으로 하는 유동층 가스화 연소로.
  75. 제 71항 또는 제 72항에 있어서,
    상기 가스화 노(3)의 노바닥 상부의 유동매체의 강유동화영역(41a)이 상기 칸막이벽(2)과 반대쪽의 노바닥 상부에 형성되는 것을 특징으로 하는 유동층 가스화 연소로.
  76. 제 71항 또는 제 72항에 있어서,
    상기 가스화 노(3)의 약유동화영역(42a)과 가스화 노(3)의 강유동화영역(41a)이 서로 인접하게 형성되는 것을 특징으로 하는 유동층 가스화 연소로.
  77. 제 72항에 있어서,
    상기 가연물은 자치 도시 또는 산업상의 폐기물인 것을 특징으로 하는 유동층 가스화 연소로.
  78. 제 72항 또는 제 77항에 있어서,
    상기 가연물은 불연물을 포함하는 것을 특징으로 하는 유동층 가스화 연소로.
  79. 그 하부에 위치되는 노바닥(27, 28)을 가지는 가스화 노(3)와, 그 하부에 위치되는 노바닥(29, 30)을 가지는 연소로(4)와, 상기 가스화 노(3)와 상기 연소로(4)를 서로 분리하기 위한 칸막이벽(2)을 이용하는 가스화 연소 방법에 있어서,
    상기 칸막이벽에 인접한 상기 가스화 노(3)의 유동층 내 약유동화영역(42a)을 형성하기 위해 실질적으로 낮은 유동 속도를 가지도록, 상기 가스화 노(3)의 상기 노바닥(27, 28)으로부터 유동 가스를 배출하는 단계;
    상기 가스화 노(3)의 상기 유동층 내 강유동화영역(41a)을 형성하기 위해 실질적으로 높은 유동 속도를 가지도록 상기 가스화 노(3)의 상기 노바닥(27, 28)으로부터 유동 가스를 배출하는 단계;
    상기 가스화 노(3)의 상기 약유동화영역(42a)에 불연물(25)을 포함하는 가연물(48)을 공급하는 단계;
    생성된 가스와 숯을 생성하기 위해 상기 가스화 노(3) 내 상기 가연물을 가스화하는 단계;
    상기 칸막이벽(2)에 인접한 상기 연소로(4)의 유동층 내 강유동화영역(43a)을 형성하기 위해 실질적으로 높은 유동 속도를 가지도록, 상기 연소로(4)의 상기 노바닥(29, 30)으로부터 유동 가스를 배출하는 단계;
    상기 칸막이벽(2) 내 제공된 하부 연락구(38)를 통해서 상기 연소로(4) 내부로 상기 가스화 노(3)로부터 상기 숯을 포함하는 유동매체(60a)를 유입하는 단계;
    상기 가스화 노(3)의 상기 노바닥(27, 28)과 상기 연소로(4)의 상기 노바닥(29,30) 사이에 제공되는 불연물배출구(23)를 통해 상기 불연물(25)을 방출하는 단계;
    상기 연소로(4)의 상기 유동층 내 약유동화영역(44a)을 형성하기 위해 실질적으로 낮은 유동 속도를 가지도록 상기 연소로(4)의 상기 노바닥(29, 30)으로부터 유동 가스를 배출하는 단계; 및
    상기 연소로(4) 내 유입된 상기 숯을 연소하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스화 연소 방법.
  80. 제 79항에 있어서,
    상기 연소로(3)의 상기 노바닥으로부터 배출된 유동화 가스는 공기, 수증기, 산소, 연소 배기 가스 중의 어느 하나 또는 그것들 중 적어도 2개 이상을 조합시킨 것을 특징으로 하는 가스화 연소 방법.
  81. 제 79항 또는 제 80항에 있어서,
    상기 노바닥은 상기 불연물배출구(23)를 향하여 아래쪽으로 경사진 것을 특징으로 하는 가스화 연소 방법.
  82. 제 79항 또는 제 80항에 있어서,
    상기 가연물(48)은 자치 도시의 폐기물, 산업상 폐기물, 고체 연료 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스화 연소 방법.
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