KR100902538B1 - Boiler and method of retrofitting burner for boiler - Google Patents

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Abstract

연료를 연소시키기 위해 실질적 순수 산소 분위기를 사용함으로써, 보다 적은 온실 가스를 생성하도록 설계 또는 개조된 보일러(10). 주 버너(14) 및 워터 튜브(13a)를 갖는 보일러가 제공된다. 이 보일러는 보일러 증기 출구 아래 및 두 버너 영역(15) 위의 영역(26)에 필요에 따라 배치된 적어도 하나의 보조 버너(24)Fmf 포함한다. 보조 버너는 증기의 품질 및 온도를 증가시키기 위한 열 또는 에너지를 제공한다. 보조 버너는 가압된 공기가 아닌 산소의 사용의 결과로서 보일러를 통한 배기 가스의 감소된 유량을 통해 손실된 열 및 에너지를 제공한다.

Figure R1020077011026

버너, 워터 튜브, 보일러

Boiler 10 designed or modified to produce less greenhouse gases by using a substantially pure oxygen atmosphere to burn fuel. A boiler having a main burner 14 and a water tube 13a is provided. The boiler comprises at least one auxiliary burner 24 Fmf disposed as necessary in the zone 26 below the boiler steam outlet and above the two burner zones 15. Auxiliary burners provide heat or energy to increase the quality and temperature of the steam. Auxiliary burners provide lost heat and energy through a reduced flow rate of exhaust gas through the boiler as a result of the use of oxygen rather than pressurized air.

Figure R1020077011026

Burner, Water Tube, Boiler

Description

보일러 및 보일러의 버너 개조 방법{BOILER AND METHOD OF RETROFITTING BURNER FOR BOILER}BOILER AND METHOD OF RETROFITTING BURNER FOR BOILER}

본 발명은 정상적인 연소 공기 부재 상태의 산소 및 연료로 동작하고, 종래의 연소 영역(region)보다 뛰어난 보일러내의 증기의 과열 및/또는 재열온도를 제어하는 개선된 방법을 채용하는 과열 및/또는 재열된 증기 온도를 필요로 하도록 설계 또는 변경된 증기 보일러에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 증기 보일러의 출구에서 적절한 증기 온도를 유지하기 위해 필요한 바에 따라 과열 및/또는 재열 영역과 대류 영역에서 열 및 에너지를 부스트하기 위해 대류 영역에서 정상적인 연소 공기가 부재한 상태의 산소 및 연료를 사용하는 하나 이상의 부가적 버너를 구비한 보일러에 관한 것이다.The present invention operates with oxygen and fuel in the absence of normal combustion air, and overheating and / or reheating employing an improved method of controlling the overheating and / or reheating temperature of steam in boilers superior to conventional combustion regions. A steam boiler is designed or modified to require steam temperature. More specifically, the present invention is directed to the absence of normal combustion air in the convection zone to boost heat and energy in the overheat and / or reheat zone and the convection zone as required to maintain a suitable steam temperature at the outlet of the steam boiler. A boiler with one or more additional burners using oxygen and fuel.

무엇보다도, 증기 및 전기의 생성을 위해 공공 회사, 산업 및 지자체에 의해 사용되는 발전소 및/또는 증기 플랜트는 통상적으로 상이한 프로세스 및 기타 용례에 사용될 수 있는 증기를 생성하기 위한 크고 작은 보일러 시스템과, 터빈을 포함하며, 이 터빈은 순차적으로 발전기 및 기타 장치를 구동한다. 일반적으로, 19세기까지의 기본 디자인을 가지는 보일러는 무수한 튜브를 포함하며, 이를 통해 물이 순환한다. 또한, 보일러는 통상적으로 화석 연료를 포함하는 다양한 탄소 기반 연 료가 공급되는 버너 또는 버너들을 포함하며, 이 화석 연료는 공기가 존재하는 상태에서 점화 및 연소된다. 버너 및 워터 튜브는 서로 근접하며, 버너 또는 버너들에 의해 생성된 열은 튜브내의 물을 가열한다. 뜨거운 물은 뜨거운 물이 무수한 튜브내에서 상승할 때 지속적으로 보다 뜨거워지도록 버너의 존재하에 가열된 가스가 그러하듯 보일러의 버너 섹션 위로 상승하게 된다. 통상적으로, 튜브는 대기압하에서 약 100℃에서 비등하는 물이 비등하지 않고 지속적으로 보다 뜨거워지도록 압력하에 존재한다.First of all, power plants and / or steam plants used by public companies, industries and municipalities for the generation of steam and electricity are typically large and small boiler systems for generating steam that can be used for different processes and other applications, and turbines. It includes, the turbine sequentially drives the generator and other devices. In general, boilers with a basic design up to the nineteenth century contain a myriad of tubes through which water circulates. In addition, boilers typically include burners or burners fed with various carbon based fuels, including fossil fuels, which are ignited and burned in the presence of air. The burner and water tube are in close proximity to each other and the heat generated by the burner or burners heats the water in the tube. The hot water rises above the burner section of the boiler, as does the heated gas in the presence of the burner so that the hot water is continuously hotter as it rises in the myriad of tubes. Typically, the tube is under pressure so that water boiling at about 100 ° C. under atmospheric pressure does not boil and continues to get hotter.

이들 보일러는 통상적으로, 수 비트 높이 내지 수 층 높이이며, 거의 그 상단부에 뜨거운 물이 워터 튜브의 제한영역을 벗어나고, 증기로 증발할 수 있게 하는 영역을 포함한다. 물의 갑작스러운 방출 및 그 증기로의 변환은 현저한 터빈 회전 동력을 제공한다. 이런 보일러는 보일러가 설계되는 임무에 필요한 열 및 에너지 소요를 생성 및/또는 초과하도록 가공된다.These boilers are typically a few bits high to several stories high and comprise a region at their upper end that allows hot water to escape the confines of the water tube and evaporate into steam. The sudden release of water and its conversion to steam provide significant turbine rotational power. Such boilers are engineered to generate and / or exceed the heat and energy requirements needed for the mission in which the boiler is designed.

이들 보일러 시스템에 대한 개선은 과열 및 재열 영역의 포함을 포함하며, 이는 배기 가스의 급속한 흐름내에 배치된 과열 및 재열 튜브를 통해 증기를 통과시킴으로써 증기의 온도가 추가로 단계상승되게 하는 수단을 제공한다. 이들 장치는 증기의 연소 폐열을 사용하여 증기의 온도를 그 포화점 위로 상승시킨다. 증가된 에너지를 갖는 증기의 장점 보다, 과열된 증기는 보다 건조하며, 이 보다 건조한 증기는 보다 높은 함습량을 가지는 증기 보다 터빈 블레이드상에 보다 적은 유해한 영향을 갖는다는 것이 판명되었다. 건조한 증기는 포화 증기 보다 많은 체적당 에너지를 갖는 것으로 판명되었다.Improvements to these boiler systems include the inclusion of superheat and reheat zones, which provide a means to further step the temperature of the steam by passing the steam through a superheat and reheat tube disposed within a rapid flow of exhaust gas. . These devices use the combustion waste heat of the steam to raise the temperature of the steam above its saturation point. More than the advantage of steam with increased energy, superheated steam has been found to be drier, and this drier steam has less harmful effects on turbine blades than steam with higher moisture content. Dry steam has been found to have more energy per volume than saturated steam.

일반적으로, 보일러는 필요한 바 보다 많은 에너지가 생성되도록 설계되며, 이 에너지는 원하는 온도로 증기를 냉각시킴으로써 감쇄된다. 거의 18%가 산소인 공기를 사용하는 종래 기술 시스템에서, 공기의 흐름은 연료를 완전하게 연소시키기 위해 산소의 화학양론적 비율을 제공하도록 증가되어야만 한다. 높은 유동 압력의 공기를 사용하는 것은 워터 튜브의 높이 전반에 걸쳐, 보일러의 버너 영역으로부터 급속히 고온 가스가 상승하게 한다. 이와 같이, 보일러의 상단부까지의 과열기의 증기 및 물에 에너지를 전달하고 그를 지속적으로 가열하기 위해 필요한 열 및 에너지가 입수된다. 그러나, 이런 장점과 함께, 질소 농후 공기가 존재하는 상태에서의 연료의 연소는 유해 온실 가스인 질소 산화물(NOX)의 생성을 유발하는 것으로 판명되었다. 종래 기술의 보일러에서, 보일러내의 공기의 연소 및 완전 연소를 위한 산소의 화학양론적 비율을 제공하기 위해 필요한 보일러내로의 증가된 공기 흐름은 부수적으로 대량의 흐름과 대량의 NOx의 생성을 동반한다.In general, boilers are designed to produce more energy than is needed, which is attenuated by cooling the steam to the desired temperature. In prior art systems using air where nearly 18% is oxygen, the flow of air must be increased to provide a stoichiometric ratio of oxygen to completely burn the fuel. Using high flow pressure air causes hot gas to rise rapidly from the burner area of the boiler, throughout the height of the water tube. As such, the heat and energy required to transfer energy to the steam and water of the superheater to the top of the boiler and to continuously heat it are obtained. However, with this advantage, combustion of fuel in the presence of nitrogen rich air has been found to cause the generation of nitrogen oxides (NO X ), which are hazardous greenhouse gases. In prior art boilers, the increased air flow into the boiler required to provide a stoichiometric ratio of oxygen for combustion and complete combustion of the air in the boiler is accompanied by a large amount of flow and the generation of large amounts of NO x . .

온실 가스를 감소시키는 한가지 방법은 여기에 전문이 기술되어 있는 것처럼 본 명세서에 그 전문이 참조로 통합되어 있는 본 발명의 양수인 소유의, 발명의 명칭이 산소함유 연료 연소 시스템 및 그 사용법인 미국 특허 제6,436,737호에 설명되어 있다. '737 특허에는 과다한 NOx 가 생성되지 않도록 버너에 실질적으로 순수한 산소가 공급되는 시스템이 개시되어 있다. 이런 시스템은 현존하는 보일러의 변경 및 새로운 보일러 양자 모두에 사용될 수 있다. One method of reducing greenhouse gases is U.S. Patent No. 6, entitled Oxygenated Fuel Combustion System, and Uses of the Assignee of the Invention, which is hereby incorporated by reference in its entirety as described herein. 6,436,737. The '737 patent discloses a system in which the burner is supplied with substantially pure oxygen such that excess NO x is not produced. This system can be used for both existing boiler modifications and new boilers.

그러나, 가압되지 않은 유량의 순수 산소의 사용이 공기와 함께 사용되는 급 속/강제 유동을 필요로하지 않고, 연료를 소비하기 위해 필요한 화학양론적 비율을 생성하기 때문에, 열 및 에너지도 보일러의 높이 까지 위로 강제이송(다른 방식에서는 보일러내로 공기를 펌핑하기 위해 사용되는 압력에 의해)되지 않는다. 결과적으로, 본 기술의 숙련자에게 알려져 있는 특정 보일러에 대하여, 이런 산소 공급 시스템에서, 보일러내의 보다 높은 높이의 가열된 가스내에 침지되지(bathing) 않는 튜브내의 물은 적절한 양의 열 및 에너지가 생성되기 이전에 냉각되기 시작한다. 또한, 이런 보일러에서, 필요한 과열 증기를 생성하기 위해 필요한 정도로 과열 요소를 지나치는 고온 가스의 흐름이 발생하지 않는다. 이는 이런 보일러가 종래 기술 온실 가스 생성 노에 대한 효과적인 대안이 될 수 없게 한다.However, since the use of pure oxygen at an unpressurized flow rate does not require a rapid / forced flow used with air and produces the stoichiometric ratio needed to consume fuel, heat and energy are also high in the boiler's height. It is not forced up to (otherwise by the pressure used to pump air into the boiler). As a result, for certain boilers known to those skilled in the art, in such an oxygen supply system, the water in the tube that is not bathed in the higher height heated gas in the boiler will produce an appropriate amount of heat and energy. It begins to cool before. In addition, in such boilers, no flow of hot gas passes over the superheating element to the extent necessary to produce the necessary superheated steam. This prevents such boilers from becoming an effective alternative to prior art greenhouse gas generating furnaces.

NOx 의 생성을 피하면서, 보다 높은 품질의 증기를 갖는 것이 바람직하다.It is desirable to have higher quality steam, while avoiding the production of NO x .

본 발명에 따라서, 물의 최초 가열을 위한 정상 연소 공기의 부재 상태의 연료 및 산소를 사용하는 적어도 하나의 주 버너와, 적어도 하나의 주 버너에 인접한 제1 단부 및 보일러 증기 출구에 인접하면서 제1 단부로부터 이격된 제2 단부를 각각 가지는 워터 튜브의 집단을 포함하는 보일러가 제공된다. 이 보일러는 또한 증기 출구와 증기 전달 연결 상태의 과열기 및/또는 재열기를 추가로 포함할 수 있다. 적어도 하나의 보조 버너가 보일러의 과열 및/또는 재열 영역내에서, 보일러의 증기의 온도 및 품질을 적절히 증가시키기 위한 보다 많은 열 또는 에너지를 생성하기 위해 통상적 버너 위치 위에 제공된다. According to the invention, at least one main burner using fuel and oxygen in the absence of normal combustion air for initial heating of water, a first end adjacent to the at least one main burner and a first end adjacent to the boiler steam outlet A boiler is provided that includes a collection of water tubes each having a second end spaced from it. The boiler may further comprise a superheater and / or a reheater in a steam outlet and steam delivery connection. At least one auxiliary burner is provided above the conventional burner position to generate more heat or energy in the overheat and / or reheat zone of the boiler to adequately increase the temperature and quality of the boiler's steam.

본 발명의 일 실시예에서, 현존하는 종래 기술의 보일러는 가압된 공기가 아닌 실질적인 순수 산소를 공급받도록 변경된다. 이런 보일러의 변경은 원하는 증기의 품질 및 양을 생성하도록 필요한 열 및 에너지를 제공하기 위해 주 버너 영역 위에 적어도 하나의 보조 버너를 전략적으로 배치하는 것을 포함한다. 양호한 실시예에서, 변경된 종래의 시스템이든 새롭게 설계된 보일러이든, 보조 버너는 실질적 순수 산소를 공급받는다.In one embodiment of the present invention, existing prior art boilers are modified to receive substantially pure oxygen rather than pressurized air. Modification of such boilers involves strategically placing at least one secondary burner above the primary burner area to provide the heat and energy needed to produce the desired quality and amount of steam. In a preferred embodiment, the auxiliary burners, whether modified conventional systems or newly designed boilers, are supplied with substantially pure oxygen.

보일러의 동작시, 주 버너 또는 버너들은 워터 튜브내에서 흐르는 물을 가열하여, 보일러내에서 가열된 물이 상승하게 한다. 가열된 물은 증기 출구에서 증기로 증발하며, 증기는 과열 장치로 전달된다. 대류 흐름의 결과로서, 열이 과열 영역의 증기에 추가되어 증기의 온도를 포화점 위로 상승시킨다. 보조 버너는 추가된 열을 제공하여, 보다 일정하고 일관성있는 증기의 가열에 대한 제어를 가능하게 한다. 이 방식으로, 적절히 가열된 증기가 터빈에 공급되어 터빈이 효과적이고 적절한 방식으로 동작할 수 있게 한다. 다른 실시예에서, 하나 이상의 보조 가열기가 제공되며, 그래서, 필요시, 과열 요소에 적용되는 열이 보다 신중하게 제어될 수 있다. 일반적으로 공기 보다 낮은 유량의 산소의 사용으로 인한 본 실시예의 가열된 가스의 감소된 흐름 때문에, 주 버너 또는 주 버너들로부터의 에너지는 불충분한 열 및 에너지를 극복하기 위해 적어도 하나의 보조가열기에 의해 보완된다. 주 버너(들)의 높이와 증기 출구 사이에 배치된 적어도 하나의 보조 버너는 튜브내의 물 및 과열 영역의 증기에 열 또는 에너지를 제공하여 저 흐름 산소의 사용을 통해 소실된 에너지를 제공한다.In operation of the boiler, the main burners or burners heat the water flowing in the water tube, causing the heated water to rise in the boiler. The heated water evaporates to steam at the steam outlet and the steam is passed to the superheater. As a result of the convection flow, heat is added to the steam in the superheated zone to raise the temperature of the steam above the saturation point. Auxiliary burners provide added heat, allowing for more consistent and consistent control of steam heating. In this way, properly heated steam is supplied to the turbine to enable the turbine to operate in an effective and appropriate manner. In another embodiment, one or more auxiliary heaters are provided so that the heat applied to the overheating element can be more carefully controlled, if necessary. In general, due to the reduced flow of the heated gas of the present embodiment due to the use of oxygen at a lower flow rate than the air, the energy from the main burner or main burners is transferred to at least one subheater to overcome insufficient heat and energy. Complemented by At least one auxiliary burner disposed between the height of the main burner (s) and the vapor outlet provides heat or energy to the steam in the water and superheat zones in the tube to provide lost energy through the use of low flow oxygen.

다른 실시예에서, 보조 버너는 온실 가스가 최소화되도록 연료에 대해 화학양론적 비율로, 정상 연소 가스 대신 산소 생성 시스템으로부터의 산소를 공급받는다. 약 80% 질소로 구성된 정상 연소 공기가 현저한 열을 소비하고, 이는 배출물에 대한 손실이기 때문에, 산소 생성 시스템으로부터의 산소의 사용은 배출물에 대한 열 손실을 감소시키고, 보다 효과적인 방식으로 버너의 열이 과열기에 적용될 수 있게 한다. 다른 실시예에서, 보조 및 주 버너 양자 모두는 화학양론적 비율로 산소 생성 시스템으로부터 산소를 공급받는다.In another embodiment, the auxiliary burner is supplied with oxygen from an oxygen generation system instead of normal combustion gas at a stoichiometric ratio of fuel so that greenhouse gases are minimized. Since normal combustion air consisting of about 80% nitrogen consumes significant heat, which is a loss to the emissions, the use of oxygen from the oxygen generating system reduces the heat loss to the emissions, and in a more effective way the heat of the burner It can be applied to the superheater. In another embodiment, both the secondary and main burners are supplied oxygen from an oxygen production system at stoichiometric ratios.

가열된 증기는 증기 출구에서 증기로 증발하며, 증기는 과열 장치에 전달되고, 여기서, 보조 버너는 생성되는 증기의 품질을 향상시키기 위해 추가된 열 및 에너지를 지속적으로 제공한다. 과열기로부터의 증기는 그후 터빈에 공급될 수 있다. 일 실시예에서, 증기는 터빈으로부터 재열 장치로 반환되고, 여기서, 주 및 보조 버너 양자 모두에 의해 제공되는 열 및 에너지의 존재하에 배치되며, 다시 터빈으로 전송된다. 보조 버너에 의해 생성된 대류 흐름의 결과로서, 통상적으로 저 흐름 산소 공급 버너가 열 및 에너지 간극을 갖는 영역의 증기에 열 또는 에너지가 추가되며, 이렇게 하지 않으면, 보일러내의 물이 냉각되게 된다. 대류 흐름은 증기의 온도를 포화점 위로 상승시켜 원하는 품질 및 양의 증기를 생성한다. 보조 버너는 추가된 열 또는 에너지를 제공하여, 보다 일정하고, 일관성있는 증기의 가열을 가능하게 한다. 이 방식으로, 적절히 가열된 증기가 터빈에 제공되어 터빈이 효과적이고 적절한 방식으로 동작하게 한다.The heated steam evaporates to steam at the steam outlet, and the steam is delivered to the superheater, where the auxiliary burner continuously provides added heat and energy to improve the quality of the steam produced. Steam from the superheater can then be supplied to the turbine. In one embodiment, the steam is returned from the turbine to the reheat device, where it is placed in the presence of heat and energy provided by both the primary and secondary burners, and is sent back to the turbine. As a result of the convective flow generated by the auxiliary burner, heat or energy is typically added to the steam in the region where the low flow oxygen supply burner has a heat and energy gap, otherwise the water in the boiler is cooled. The convection stream raises the temperature of the steam above the saturation point to produce the desired quality and amount of steam. Auxiliary burners provide added heat or energy, allowing for more consistent, consistent heating of steam. In this way, properly heated steam is provided to the turbine to allow the turbine to operate in an effective and proper manner.

본 발명의 다른 실시예에서, 하나 이상의 보조 버너가 제공되며, 그래서, 필요시, 과열 요소에 적용되는 열 및 에너지는 보다 신중히 제어될 수 있다. 또한, 양호한 실시예에서, 본 발명의 보일러는 필요한 바 보다 큰 열 또는 에너지를 생성할 수 있도록 생성될 수 있다. 이런 실시예에서, 본 기술의 숙련자들에게 알려진 냉각 및 기타 요소가 제공되어 증기를 원하는 열 및 에너지 레벨이 되게 하거나, 원하는 열 및 에너지 레벨로 감쇄시킨다. 본 기술의 숙련자는 원하는 특정을 갖는 증기를 생성하기 위한 냉각 요소의 사용이 원하는 레벨로 보일러내에서 증기를 가열하는 가열 요소를 사용하는 것을 시도하는 것보다 효과적이라는 것을 알 수 있을 것이다.In another embodiment of the present invention, one or more auxiliary burners are provided so that the heat and energy applied to the overheating element can be more carefully controlled, if necessary. In addition, in a preferred embodiment, the boiler of the present invention can be generated to produce greater heat or energy than necessary. In such an embodiment, cooling and other elements known to those skilled in the art are provided to bring the vapor to the desired heat and energy level, or to attenuate it to the desired heat and energy level. Those skilled in the art will appreciate that the use of a cooling element to produce steam with the desired specificity is more effective than trying to use a heating element that heats the steam in the boiler to the desired level.

본 발명의 다른 실시예에서, 재순환된 연도 가스를 도입함으로써, 증기의 과열 온도를 제어하기 위한 노즐 또는 포트로서 버너가 사용된다. 보일러의 노 섹션내에서 버너가 점화되는, 화석 연료를 포함하는 탄소 기반 연료와 산소의 사용과 통합될 때, 재순환된 연도 가스가 가장 유용하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 연소 프로세스로부터의 연도 가스의 감소된 체적과, 프로세스로부터의 보다 높은 방사 열 전달로 인해, 과열 증기의 온도를 제어하기 위해 재순환된 연도 가스를 사용하는 것이 유리할 수 있다. 본 실시예에서, 재순환된 연도 가스는 보일러의 대류 영역에 대한 영향을 템퍼링하거나, 체적을 추가함으로써 보일러내의 증기 온도를 제어하는데 사용된다. In another embodiment of the present invention, a burner is used as a nozzle or port for controlling the superheat temperature of the steam by introducing recycled flue gas. It will be appreciated that recycled flue gas is most useful when integrated with the use of carbon-based fuels and oxygen, including fossil fuels, in which burners are ignited in the furnace section of the boiler. Due to the reduced volume of flue gas from the combustion process and the higher radiant heat transfer from the process, it may be advantageous to use recycled flue gas to control the temperature of the superheated vapor. In this embodiment, the recycled flue gas is used to control the steam temperature in the boiler by tempering or adding a volume to the boiler's convection zone.

과열 증기 온도(또는 초임계)를 제어하는 다른 방법은 보조 버너 팁에서 재순환된 연도 가스를 도입하는 것이다. 화석 연료를 포함하는 기타 탄소 기반 연료 또는 분쇄된 석탄을 위한 캐리어 가스로서 연도 가스를 사용함으로써, 가스들을 템퍼링하는 필요한 연도 가스의 일부 또는 모두가 보조 버너의 팁에서 도입될 수 있다. 이 역시, 산소 및 탄소 기반 연료 연소 버너의 양태와 조화된다. 이들 시스템에서, 어떠한 질소의 도입도 배제하는 것이 바람직하다. Another way to control the superheated steam temperature (or supercritical) is to introduce recycled flue gas at the auxiliary burner tip. By using flue gas as a carrier gas for pulverized coal or other carbon based fuels including fossil fuels, some or all of the required flue gas tempering gases can be introduced at the tip of the auxiliary burner. This is also in harmony with the aspects of the oxygen and carbon based fuel combustion burners. In these systems, it is desirable to exclude the introduction of any nitrogen.

부가적으로, 석탄을 추진하기 위해, 재순환된 연도 가스를 사용함으로써(사용되는 생성물이 산소 및 탄소 기반 연료 연소 시스템으로부터 얻어지는 경우 실질적으로 어떠한 질소도 없음), 이런 시스템은 다시 한번 과열 증기 온도 제어를 달성할 수 있다. 다른 실시예에서, 연도 가스의 다른 부분은 시스템의 제어를 마무리하기 위해 상부 버너 또는 노즐에서 도입된다. In addition, by using recycled flue gas to propel the coal (substantially no nitrogen when the product used is obtained from oxygen and carbon based fuel combustion systems), this system once again provides superheated steam temperature control. Can be achieved. In another embodiment, another portion of the flue gas is introduced at the upper burner or nozzle to complete control of the system.

본 발명의 보다 상세한 설명이 이하의 설명 및 청구범위에 제공되며, 첨부 도면에 예시되어 있다.Further details of the invention are provided in the following description and claims, and are illustrated in the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 장치를 통합하는 보일러의 개략도.1 is a schematic diagram of a boiler incorporating the device of the present invention;

본 발명은 다양한 형태의 실시예를 가질 수 있지만, 도면에는 다수의 현존하는 양호한 실시예가 도시되어 있고 이를 상세히 후술한다. 본 내용은 본 발명의 예시로서 고려되어야하며, 본 발명을 예시된 특정 실시예로 한정하고자 하는 것은 아니라는 것을 이해하여야 한다. 또한, 본 출원의 본 장의 제목("실시예")은 미국 특허청의 요구에 따른 것이며, 여기에 기재된 주제를 제한하는 것은 아니라는 것을 이해하여야 한다.Although the present invention may have various forms of embodiments, there are shown a number of existing preferred embodiments which are described in detail below. It is to be understood that this disclosure is to be considered as illustrative of the invention and is not intended to limit the invention to the specific embodiments illustrated. In addition, it is to be understood that the title of this chapter ("Examples") of the present application is at the request of the United States Patent Office and does not limit the subject matter described herein.

도면을 참조하면, 일련의 워터 튜브(12)를 포함하는 보일러(10)가 도시되어 있으며, 워터 튜브는 함께 수벽(13; water wall)을 포함한다. 보일러(10)는 또한 연료(16) 및 공기(18)의 소스에 연결된 주 버너 영역(15)에 배치된 하나 이상의 주 버너(14)를 포함한다. 본 발명의 양호한 실시예에서, 증가된 양으로 보일러내로 펌핑되어야만하는(버너내의 화학양론적 연료 대 산소 비율을 생성하도록) 공기(18)를 사용하는 대신, 실질적으로 순수한 산소가 제공된다. 산소의 사용시, 가압된 흐름은 불필요하며, 그 이유는 연료에 대한 화학양론적 비율이 보다 쉽게 생성되기 때문이라는 것을 이해하여야 한다. 이런 시스템은 단지 연료의 완전 연소가 달성되도록 하는 순도의 산소를 필요로 한다. 이런 시스템에서, 순수 산소가 아닌 공기의 주요 요소인 질소가 연소되어 NOx를 생성하지 않는다는 점에서 유해 온실 가스의 생성은 저감된다. 온실 가스의 추가 저감이 바람직한 경우, 보다 큰 산소 순도가 필요하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 용어 "실질적으로 순수한 산소"가 본 명세서의 다양한 장소에 사용되었지만, 본 기술의 숙련자는 산소의 순도는 본 발명의 신규한 범주로부터 벗어나지 않고, 생성물 및 원하는 연소를 위한 연료 및 산소의 정확한 비율을 제공하도록 필요에 따라 변할 수 있다는 것을 이해할 것이다. Referring to the drawings, a boiler 10 is shown that includes a series of water tubes 12, which together include a water wall 13. Boiler 10 also includes one or more main burners 14 disposed in main burner area 15 connected to a source of fuel 16 and air 18. In a preferred embodiment of the present invention, substantially pure oxygen is provided instead of using air 18 which must be pumped into the boiler in increased amounts (to produce a stoichiometric fuel to oxygen ratio in the burner). When using oxygen, it is to be understood that the pressurized flow is not necessary because the stoichiometric ratio for the fuel is more easily produced. These systems only require pure oxygen to allow complete combustion of the fuel. In such a system, the generation of harmful greenhouse gases is reduced in that nitrogen, which is a major component of air but not pure oxygen, does not burn to produce NO x . If further reductions in greenhouse gases are desired, it will be appreciated that greater oxygen purity is required. Although the term "substantially pure oxygen" has been used in various places herein, the skilled artisan will provide the exact ratio of fuel and oxygen for the product and the desired combustion, without the purity of the oxygen deviating from the novel scope of the invention. It will be appreciated that it may change as needed.

보일러(10)내의 수벽(13)은 주 버너 영역(15)으로부터 보일러(10)의 상부 영역으로 연장하는 무수한 워터 튜브(13a)로 구성된다. 보일러(10)는 본 기술에 잘 알려진 유형의 과열기(20) 및/또는 재열기(21)를 추가로 포함할 수 있다. 이런 과열기(20)는 일반적으로 증기 전달 영역(22)에서 보일러(10)내에 생성된 증기를 공급받는다. 증기는 과열기(20) 내부를 통과하고, 대류 흐름은 과열기(20) 주변 및 그 위에서 워터 튜브(13a)로부터 방사된 열 및 에너지와, 연소로부터의 에너지 또는 열을 전달하여 내부에서 전달되는 증기를 가열한다. 재열기(21)는 통상적으로, 터빈으로부터 보일러로 복귀하는 증기를 공급받으며, 이 증기는 추가 사용을 위해 터빈으로 복귀되기 이전에 추가 가열을 필요로 한다. 이 열 또는 에너지는 증기로부터 전달되어 그 온도가 증기의 포화점을 초과하여 상승하게 하며, 증기가 터빈에 사용하기에 보다 적합해지게 한다. 냉각 형상부가 포함되어 원하는 임무를 위한 것 보다 너무 높은 온도 및/또는 너무 많은 에너지를 갖는 증기가 필요에 따라 감쇄될 수 있다는 것을 이해할 것이다.The water wall 13 in the boiler 10 consists of a myriad of water tubes 13a extending from the main burner area 15 to the upper area of the boiler 10. Boiler 10 may further include superheater 20 and / or reheater 21 of a type well known in the art. This superheater 20 is generally fed with steam produced in the boiler 10 in the steam delivery zone 22. The steam passes through the superheater 20, and the convection flow transfers heat and energy radiated from the water tube 13a around and on the superheater 20 and the steam delivered therein to transfer energy or heat from combustion. Heat. The reheater 21 is typically supplied with steam returning from the turbine to the boiler, which requires additional heating before returning to the turbine for further use. This heat or energy is transferred from the steam, causing its temperature to rise above the saturation point of the steam, making the steam more suitable for use in a turbine. It will be appreciated that steam having too high temperature and / or too much energy may be attenuated as needed, including a cooling feature, for the desired task.

추가 특징으로서, 보일러(10)는 보조 버너(24)를 포함하며, 이는 보일러(10)의 통상적 버너 영역(15) 위의 위치, 그리고, 증기 전달 영역(22) 아래에 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 하나 이상의 보조 버너(24)가 과열 영역(26)에 배치된다. 다른 실시예에서, 보조 버너(24)는 열 또는 에너지의 제어가 보다 적절히 이루어지도록 보일러(10) 주변의 다양한 위치에 배치된다. As a further feature, the boiler 10 includes an auxiliary burner 24, which may be located above the conventional burner area 15 of the boiler 10 and below the steam delivery area 22. In one embodiment, one or more auxiliary burners 24 are disposed in the superheat zone 26. In another embodiment, the auxiliary burner 24 is disposed at various locations around the boiler 10 to allow for more appropriate control of heat or energy.

이 방식으로, 증기의 보다 큰 품질 및/또는 양을 생성하기 위해 열 또는 에너지가 추가된다. 또한, 과열 또는 재열 영역(26)의 보조 버너(24)의 추가는 물을 가열하기 위해서가 아니라, 전적으로 증기를 가열하기 위해 사용되는 버너 에너지의 양이 보다 커질수 있게 한다. 물에 대해서보다 증기에 대해 가열 또는 에너지를 추가하기 위해 보다 적은 에너지가 필요하기 때문에, 보조 가열기(24)의 에너지는 주 버너(14)가 배치되는 영역에서 또는 그 부근에서 생성된 열 또는 에너지 보다 터빈 내에서 동력으로 보다 쉽게 전환된다. In this way, heat or energy is added to produce a greater quality and / or amount of steam. In addition, the addition of the auxiliary burner 24 in the superheated or reheated region 26 allows for greater amounts of burner energy used to heat the steam, not solely to heat the water. Since less energy is needed to add heating or energy to the steam than to water, the energy of the auxiliary heater 24 is greater than the heat or energy generated in or near the region where the main burner 14 is disposed. It is more easily converted to power within the turbine.

본 기술의 숙련자가 알 수 있는 바와 같이, 보조 버너(24)는 주 버너(14) 보다 현저히 작을 수 있지만, 주 버너 영역(15)에 배치된 보다 큰 추가 주 버너(14) 보다 산소 환경에서, 보다 큰 증기의 양 및 품질의 생성을 초래한다. 또한, 주 버너 영역 및 위 양자 모두에 대형 주 버너(14)를 사용하는 것도 본 발명의 신규한 범주로부터 벗어나지 않고 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 보일러(10)내의 보조 및 주 버너(24, 14)의 수는 본 발명의 신규한 범주로부터 벗어나지 않고 변경될 수 있다. 버너의 유형 및 크기 및 수는 원하는 증기의 품질 및 양과 용례에 의존한다. 도 1이 하나의 버너(24)의 사용을 예시하지만, 상기 설명으로부터, 하나의 버너(24) 또는 임의의 수의 버너(24)가 본 발명의 신규한 범주로부터 벗어나지 않고 대체될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 필요한 또는 원하는 보다 적은 열 또는 에너지의 사용을 가능하게 하고, 필요에 따라 보다 많은 열 또는 에너지를 추가하는 것 같은 변형들이 온도의 제어를 돕기 위해 이루어질 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. As will be appreciated by those skilled in the art, the auxiliary burner 24 may be significantly smaller than the main burner 14, but in an oxygen environment than the larger additional main burner 14 disposed in the main burner area 15, Resulting in a greater quantity and quality of steam. It should also be understood that the use of a large main burner 14 in both the main burner area and the above can also be used without departing from the novel scope of the present invention. In addition, the number of auxiliary and main burners 24, 14 in boiler 10 can be changed without departing from the novel scope of the present invention. The type, size and number of burners depends on the quality and quantity and application of the desired steam. Although FIG. 1 illustrates the use of one burner 24, it is understood from the above description that one burner 24 or any number of burners 24 may be replaced without departing from the novel scope of the present invention. Could be. It will be appreciated that modifications may be made to help control the temperature, such as to enable the use of less heat or energy required or desired, and to add more heat or energy as needed.

또한, 종래의 보일러 및 본 발명에서, 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고, 증기는 원하는 또는 필요한 바 보다 큰 열을 갖고, 보다 높은 품질로 생성되고, 그후, 본 기술의 숙련자가 알 수 있는 바와 같이 증기 전달 도관이 냉각수와의 접촉하게 하는 장치 같은 냉각 수단을 사용함으로써, 원하는 열, 에너지 및 포화점으로 냉각될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. In addition, in conventional boilers and the present invention, without departing from the scope of the present invention, the steam has greater heat than desired or necessary, is produced at higher quality, and then, as will be appreciated by those skilled in the art. It will be appreciated that by using cooling means such as a device to bring the delivery conduit into contact with the coolant, it can be cooled to the desired heat, energy and saturation point.

산소 및 탄소 기반 연료(화석 연료 같은) 연소의 사용으로부터의 연도 가스의 감소 또는 증가된 방사 열 전달율이 너무 높을 때, 과열 온도를 제어하기 위해 서, 재순환된 연도 가스가 섹션의 가스 체적의 증대에 의해 적절한 분산을 제공하거나, 과열 튜브를 냉각하도록 연소 가스 온도를 템퍼링하기 위해 사용된다. 각 용례는 튜브내의 과열 증기 온도의 제어를 가능하게 한다. 연도 가스는 노즐 또는 포트 장치의 사용에 의해, 부가적인 버너(과열 온도가 너무 낮은 경우에)의 제안된 위치(24)에서의 과열 온도 제어 목적을 위해 도입될 수 있다. 또는, 연료 소스(16)에서, 산소 및 탄소 기반 연료 연소 시스템내의 질소의 도입을 방지하기 위해 부가적인 툴로서, 본 실시예에서는 석탄 분쇄기가 존재한다.When the reduction of flue gas from the use of oxygen and carbon based fuels (such as fossil fuels) or the increased radiant heat transfer rate is too high, to control the superheat temperature, the recycled flue gas is subjected to an increase in the gas volume of the section. To provide proper dispersion or to temper the combustion gas temperature to cool the superheated tube. Each application enables the control of superheated steam temperature in the tube. Flue gas may be introduced for superheat temperature control purposes at the proposed location 24 of the additional burner (if the superheat temperature is too low) by use of a nozzle or port device. Alternatively, in the fuel source 16, there is a coal mill in this embodiment as an additional tool to prevent the introduction of oxygen and nitrogen into the carbon based fuel combustion system.

본 기술의 숙련자가 알 수 있는 바와 같이, 과열 증기 튜브의 부가적인 가열 또는 냉각의 양에 대한 정확한 위치 및 요구조건은 보일러의 구조 및 크기에 따라 변한다. 본 발명의 실시예는 보일러의 대류 경로내에 열을 추가 또는 차감함으로써, 과열 증기의 온도를 제어하는데 중점을 둔다. 특히, 보일러의 과열 영역의 증대된 가스 체적 또는 연도 가스의 템퍼링의 사용은 산소 및 탄소 기반 연료 연소 시스템과 연계하여 사용될 때 유익할 수 있다. As will be appreciated by those skilled in the art, the exact location and requirements for the amount of additional heating or cooling of the superheated steam tube will vary depending on the structure and size of the boiler. Embodiments of the present invention focus on controlling the temperature of superheated steam by adding or subtracting heat in the convection path of the boiler. In particular, the use of increased gas volume or tempering of flue gas in the superheat zone of the boiler can be beneficial when used in conjunction with oxygen and carbon based fuel combustion systems.

본 발명의 예시적 실시예를 예시 및 설명하였지만, 본 발명의 신규한 개념 및 범주로부터 벗어나지 않고, 본 기술의 숙련자에 의해 다양한 변경 및 치환이 이루어질 수 있다는 것을 이해하여야 한다.While illustrative embodiments of the invention have been illustrated and described, it should be understood that various changes and substitutions may be made by those skilled in the art without departing from the novel concept and scope of the invention.

Claims (13)

주 버너 영역에 위치하며 물의 초기 가열을 위한 적어도 하나의 주 버너로서, 보일러 연료에 저유량의 산소가 공급되는 주 버너;At least one main burner for initial heating of water, the main burner being provided with a low flow rate of oxygen to the boiler fuel; 상기 주 버너와 보일러 증기출구 사이에 위치하는 워터튜브 집단으로서, 각각의 워터튜브의 일단은 상기 주 버너에 인접하고 타단은 상기 보일러 증기출구에 인접하는 워터튜브 집단; 및A water tube assembly located between the main burner and the boiler steam outlet, wherein one end of each water tube is adjacent to the main burner and the other end is adjacent to the boiler steam outlet; And 상기 주 버너와 상기 보일러 증기출구 사이에 위치하며 과열 증기를 위한 에너지를 생산하기 위한 적어도 하나의 보조 버너;At least one auxiliary burner located between said main burner and said boiler steam outlet for producing energy for superheated steam; 를 포함하는 보일러.Boiler comprising. 제1항에 있어서, 상기 보일러는 두 개의 보조 버너를 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러.The boiler of claim 1 wherein the boiler comprises two auxiliary burners. 제1항에 있어서, 상기 보조 버너는 연료와 산소를 공급받는 것을 특징으로 하는 보일러.The boiler of claim 1, wherein the auxiliary burner is supplied with fuel and oxygen. 제1항에 있어서, 상기 보일러는 증기가 전달되도록 상기 증기출구와 연결된 과열기(superheater) 또는 재열기(reheater) 중에서 어느 하나 또는 모두를 구비하는 것을 특징으로 하는 보일러.The boiler of claim 1, wherein the boiler comprises one or both of a superheater or a reheater connected to the steam outlet to transfer steam. 제4항에 있어서, 상기 보조 버너는 상기 과열기에 인접하여 위치하는 것을 특징으로 하는 보일러.5. The boiler of claim 4, wherein said auxiliary burner is located adjacent said superheater. 제4항에 있어서, 상기 보조 버너는 상기 재열기에 인접하여 위치하는 것을 특징으로 하는 보일러.5. The boiler of claim 4, wherein the auxiliary burner is located adjacent to the reheater. 물의 초기 가열을 위한 적어도 하나의 주 버너;At least one main burner for initial heating of water; 상기 주 버너와 보일러 증기출구 사이에 위치하는 워터튜브 집단으로서, 각각의 워터튜브의 일단은 상기 주 버너에 인접하고 타단은 상기 보일러 증기출구에 인접하는 워터튜브 집단;A water tube assembly located between the main burner and the boiler steam outlet, wherein one end of each water tube is adjacent to the main burner and the other end is adjacent to the boiler steam outlet; 증기가 전달되도록 상기 증기출구와 연결된 적어도 하나의 과열기 또는 재열기; 및At least one superheater or reheater connected to the steam outlet to deliver steam; And 보일러 내의 증가된 과열증기를 위한 열 또는 에너지를 생산하는 두 개의 보조 버너로서, 상기 주 버너와 상기 증기출구 사이에 위치한 보조 버너;Two auxiliary burners for producing heat or energy for increased superheated steam in a boiler, comprising: an auxiliary burner located between the main burner and the steam outlet; 를 포함하는 보일러.Boiler comprising. 제7항에 있어서, 상기 보조 버너는 연료와 산소를 공급받는 것을 특징으로 하는 보일러.8. The boiler of claim 7, wherein the auxiliary burner is supplied with fuel and oxygen. 온실가스를 제거하기 위해 현존하는 버너를 개조(retrofit)하는 방법에 있어서,In a method of retrofitting an existing burner to remove greenhouse gases, 보일러의 적어도 하나의 주 버너에 산소를 공급하는 단계;Supplying oxygen to at least one main burner of the boiler; 상기 보일러를 위한 적어도 하나의 보조 버너를 제공하는 단계로서, 상기 보조 버너는 상기 보일러의 주 버너 영역 위에 위치하는 단계; 및Providing at least one auxiliary burner for the boiler, the auxiliary burner being located above the main burner area of the boiler; And 주 버너 및 보조 버너의 연료가 상기 공급된 산소와 반응하여 연소되도록 보일러를 작동시키는 단계;Operating a boiler such that fuel of a primary burner and an auxiliary burner reacts with the supplied oxygen to combust; 를 포함하는 버너 개조 방법.Burner retrofit method comprising a. 제9항에 있어서, 보일러의 과열 영역에 과열증기를 제공하고 상기 적어도 하나의 보조 버너를 상기 과열 영역에 인접하게 배치하는 단계를 포함하는 버너 개조 방법.10. The method of claim 9, comprising providing superheated steam to a superheated region of a boiler and placing the at least one auxiliary burner adjacent to the superheated region. 물의 초기 가열을 위한 적어도 하나의 주 버너로서, 주 버너 영역에 위치하며 보일러 연료에 저유량의 산소가 공급되는 주 버너;At least one main burner for initial heating of water, the main burner being located in the main burner area and having a low flow rate of oxygen supplied to the boiler fuel; 상기 주 버너와 보일러 증기출구 사이에 위치하는 워터튜브 집단으로서, 각각의 워터튜브의 일단은 상기 주 버너에 인접하고 타단은 상기 보일러 증기출구에 인접하는 워터튜브 집단;A water tube assembly located between the main burner and the boiler steam outlet, wherein one end of each water tube is adjacent to the main burner and the other end is adjacent to the boiler steam outlet; 증기가 전달되도록 상기 증기출구와 연결된 대류형 과열기; 및A convection type superheater connected to the steam outlet to transfer steam; And 상기 과열기 내의 증기의 온도를 제어하기 위해 연도가스와 유체 연통하고 상기 과열기에 인접한 적어도 하나의 노즐 또는 포트;At least one nozzle or port in fluid communication with the flue gas and adjacent to the superheater to control the temperature of the steam in the superheater; 를 포함하는 보일러.Boiler comprising. 물의 초기 가열을 위한 적어도 하나의 주 버너로서, 주 버너 영역에 위치하며 보일러 연료에 저유량의 산소가 공급되는 주 버너;At least one main burner for initial heating of water, the main burner being located in the main burner area and having a low flow rate of oxygen supplied to the boiler fuel; 상기 주 버너와 보일러 증기출구 사이에 위치하는 워터튜브 집단으로서, 각각의 워터튜브의 일단은 상기 주 버너에 인접하고 타단은 상기 보일러 증기출구에 인접하는 워터튜브 집단; 및A water tube assembly located between the main burner and the boiler steam outlet, wherein one end of each water tube is adjacent to the main burner and the other end is adjacent to the boiler steam outlet; And 증기가 전달되도록 상기 증기출구와 연결된 대류형 과열기;A convection type superheater connected to the steam outlet to transfer steam; 를 포함하며, 상기 과열기 내의 증기의 온도를 제어하기 위해 상기 과열기에 인접하는 재순환된 연도가스를 사용하는 보일러.And a recycled flue gas adjacent to said superheater for controlling the temperature of the steam in said superheater. 물의 초기 가열을 위한 적어도 하나의 주 버너로서, 주 버너 영역에 위치하며 보일러 연료에 저유량의 산소가 공급되는 주 버너;At least one main burner for initial heating of water, the main burner being located in the main burner area and having a low flow rate of oxygen supplied to the boiler fuel; 상기 주 버너와 보일러 증기출구 사이에 위치하는 워터튜브 집단으로서, 각각의 워터튜브의 일단은 상기 주 버너에 인접하고 타단은 상기 보일러 증기출구에 인접하는 워터튜브 집단; 및A water tube assembly located between the main burner and the boiler steam outlet, wherein one end of each water tube is adjacent to the main burner and the other end is adjacent to the boiler steam outlet; And 증기가 전달되도록 상기 증기출구와 연결된 대류형 과열기;A convection type superheater connected to the steam outlet to transfer steam; 를 포함하며, 탄소계 연료를 위한 운반가스로 질소가 도입되는 것을 회피하는 과정으로서 연료전달을 위한 운반가스로 재순환된 연도가스를 사용하는 보일러.And a boiler using flue gas recycled as a carrier gas for fuel delivery as a process of avoiding introducing nitrogen into the carrier gas for the carbon-based fuel.
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