KR100919754B1 - 유동층 반응기 - Google Patents

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KR100919754B1
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Abstract

본 발명은 냉각 유체에 의해서 냉각된 멤브레인 관형 벽(2)들로 제조된 유동층 반응기(1)에 관한 것이며, 상기 유동층 반응기에 있어서, 상기 벽들이 연소실(10)을 둘러싸며 1회 통과 강제 순환에 의해서 냉각 유체가 관통하여 유동하는 관형 연장 패널(3)을 포함한다. 본 발명에 따른, 연장 패널(3)은 이중 연장벽을 형성하도록 짝지어진다.
냉각 유체, 멤브레인, 관형 벽, 유동층 반응기, 연소실, 연장 패널

Description

유동층 반응기{fluidised bed reactor}
본 발명은 보일러 연소실과 같은 유동층 반응기(fluidised bed reactor)에 관한 것이다. 상기 반응기는 물/증기 혼합물과 같은 냉각 유체로 냉각되는, 일반적으로 멤브레인 관형 벽(tubed membrane wall)으로 제조된 연소실로 구성된다.
직사각형이 될 수 있는 연소실 부분은 정확한 작동 상태에서 연소 가스가 상승하는 속도에 의해서 결정된다. 연소실의 주변은 고정되기 때문에, 관형 벽(wall tube)의 관 내에서 순환할 수 있는 냉각 유체의 유동 속도는 상기 관에 대해서 채택된 직경 및 간격에 따라서 결정된다. 연소실의 높이는 4개의 벽들에서 열 교환면이 얻어질 수 있게 하지만, 상기 연소실 높이는 높이를 감소시키고자 하는 목표 및 그에 따른 비용 감소의 목표에 따라서 최적화되어야 할 뿐 아니라, 또한 미립자들 사이의 화학 반응에 필요한 시간이 연소실에서 발생하게 하는 방식으로 최적화되어야 한다.
설비(installation)의 크기 및 필요한 증기 사이클에 따라서, 연소실 섹션은 냉각 유체량의 순환에 필요한 관형 벽들 안으로 평행하게 설치하기에 불충분할 수 있는 주변부를 형성한다. 또한, 열교환에 대한 요구조건은 연소실에서의 추가 교환면의 설치를 필요로 할 수 있다.
하나의 해결방안은 출원인의 프랑스 특허 2 712 378호에 기재된 것과 같이, 단일 벽 연장 패널을 연소실 안으로 추가하는 것이다. 상기 연장 패널들은 수직의 관으로 되어 있고, 멤브레인을 가지며, 주변 벽들에 용접되고 연소실의 외부 인벨로프(envelope)를 형성하는 벽들과 병렬로 또는 직렬로 배치되며 냉각 유체가 공급된다.
그러나, 상기 단일벽 연장 패널들은 연소실 내에서 순환하는 애쉬(ash)에 의한 부식과 응력의 이유로, 관들 사이에 필요한 최소 간격으로 인하여, 높이와, 구성되는 관의 갯수 및 양(quantity)이 제한된다. 따라서, 추가 교환면도 제한된다.
상기 단일벽 연장 패널들은 그 양측이 애쉬 및 가스들에 의해서 가열되고, 상기 가열은, 연소실 내에서 순환하는 유동층으로부터 받은 열 플럭스(thermal flux)와 관들의 냉각을 보장하는 냉각 유체의 유동 사이에 불균형이 발생한다면, 특정 경우에, 관의 과열을 초래할 수 있다.
다른 해결방안은 내부 연장부들을 부가하지 않고 벽들의 교환면을 증가시키기 위하여, 연소실의 높이를 증가시키는 것이지만, 이 해결방안은 설비의 전체 높이를 증가시키기 때문에 비용이 비싸다.
본 발명은 설비의 높이를 증가시키지 않고 저비용으로 연소실의 불충분한 교환면의 문제점에 대한 해결방안을 제안한다.
본 발명에 따른 유동층 반응기는 냉각 유체에 의해서 냉각된 멤브레인 관형 벽들로 제조되고, 상기 벽들이 연소실을 둘러싸며 1회통과 강제 순환에 의해서 냉각 유체가 관통하여 유동하는 관형 연장 패널들을 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 상기 연장 패널들은 이중벽 연장부를 형성하도록 2개씩 짝지어 연장된다.
관 연장부와 상기 벽의 관 내에서 상기 방식으로 유동하는 냉각 유체는 연소실에서 순환하는 유동층으로부터 받은 열 플럭스의 균형이 이루어질 수 있게 한다. 이러한 순환은 연소실과 연장부들의 모든 관에서 유체가 평행하게 흐르는 것을 의미하는 1회통과이다. 1회통과 순환(single pass circulation)으로 인해서 [연소실의 벽 안으로 진입하기 위한 바닥 및 패널로부터 빠져나오기 위한 상부에서] 연소실의 벽과 연장 패널 사이에서 길게 연결된 파이프구조를 피할 수 있다. 따라서, 남아 있는 모든 것은 바닥에 있는 공급 파이프와 패널 및 연소실의 벽들을 위한 상부에 있는 방출 파이프이다.
본 발명은 각 연장부의 한 측면만이 연소실에서 순환하는 유동층에 의해 가열될 수 있게 하고, 이것이 냉각유체의 낮은 유동 속도를 가능하게 하는데 왜냐하면, 상기 방식으로 짝지워진 각 연장 패널들의 제 2 측면이 연소실에서 순환하는 유동층을 구성하는 과열 가스 및 애쉬와 접촉하지 않기 때문이고, 이것이 관의 기계적 특성을 손상시킬 수 있는 열전달을 회피한다. 한편, 각 연장 패널에서 관의 수를 두배로 함으로써, 상기 연장부에서 순환하는 냉각 유체가 통과하는 부분이 단일 연장부와 비교할 때 증가하고 교환면도 증가한다. 이러한 이중 벽 연장부들은 더욱 양호한 기계적 특성을 가지므로, 상기 연장부들을 크게 할 수 있다.
다른 구성에 따르면, 상기 연장 패널들은 상기 연소실의 벽들에 부착된다. 이것은 강도를 개선하고 패널 변형을 최소화하는데, 어떤 변형은 하강하는 고형체들(solids)에 의해서 유발된 부식을 벽들을 따라 층으로 만들 수 있다.
한 변형예에 따르면, 상기 연장 패널들은 상기 반응기의 상부에서부터 아래로 상기 연소실 높이의 75%와 동일한 최대 높이까지 이어진다. 이것은 높이에 따라서 고형체들의 농도가 감소되고 연소실 상부의 가스성 분위기가 충분히 산화되므로, 연소실 상부에서는 온도가 가장 높고 부식 위험성이 가장 최소로 되기 때문이다.
다른 변형예에 따르면, 연소실 바닥은 분할된 연소실의 형태, 소위 "바짓가랑이(pant leg)" 형태이다. 이러한 형태로 인해서 연소 공기가 연소실의 중심 영역 안으로 도입될 수 있어서 연소실의 전체 영역에 걸쳐 연소 공기를 잘 분배하게 된다.
특수한 구성에 따르면, 상기 냉각 유체는 보일러에서 작용하는 열 하중(thermal load)에 따라 기상 또는 액상, 또는 기상과 액상의 혼합물이다. 상기 냉각 유체는 열 하중이 낮을 때 액체이고 열 하중이 높을 때 가스이다.
특수한 구성에 따르면, 상기 냉각 유체는 물이다.
변형예에 따르면, 상기 연장 패널들은 개방부를 포함하는 외피(enclosure)를 형성한다. 상기 관으로부터 냉각 유체가 유출되는 경우에, 상기 개방부들은 상기 외피 내부의 압력의 증가를 피할 수 있게 한다.
특수한 구성에 따르면, 상기 연장 패널들은 고형체들의 밀집층에 적어도 부분적으로 배치된다. 이것은 고농도의 고형체가 있는 밀집층의 영역에서 열교환이 가장 크기 때문이다.
다른 구성에 따르면, 상기 연장 패널들을 구성하는 관들은 관형 벽의 관들과 다른 크기이다.
초기 변형예에 따르면, 상기 연장 패널들을 구성하는 관과 인접한 관 사이의 간격은 일정하다. 이것은 패널의 제조 공정을 단순하게 한다.
제 2 변형예에 따르면, 상기 연장 패널들을 구성하는 관과 인접한 관 사이의 간격은 가변적이다. 이것은 상기 패널의 열동력 특성을 최적화하고 금속의 온도 임계값이 초과되지 않게 한다.
제 3 변형예에 따르면, 두쌍의 연장 패널 사이의 간격은 연소실 스크리닝(screening) 벽의 관과 인접한 관 사이의 간격과 동일한다. 여기서, 조립체의 제조공정이 단순화된다.
다른 구성에 따르면, 상기 연장 패널들의 관들은 주변 벽들과 직렬로 연장 패널들을 관통하여 유동하는 냉각 유체를 구비한다. 이러한 선택 구성은 연장 패널에서 교환될 서멀 포스(thermal force: 열에 의한 힘의 크기)와 증기 사이클에 따라 좌우된다.
다른 특수한 구성에 따르면, 상기 연장 패널들은 연소실을 분할하는 격벽들 상에 배열된다. 이것은 연장 패널의 수를 증가시키고 그에 따라서 낮은 비용으로 교환면의 수도 증가될 수 있게 한다.
변형예에 따르면, 상기 격벽들은 상기 반응기의 상부에서부터 아래로 상기 연소실의 높이의 75%와 동일한 최대 높이까지 이어진다. 이러한 이중 격벽들은 벽들 사이에서 유지보수를 위한 접근 규칙에 따라 밀폐형 또는 분리형으로 될 수 있다.
보기를 통해서 기재되고 첨부된 도면을 참조하여 기술된 하기 설명을 읽을 때 본 발명을 더욱 잘 이해할 수 있다.
도 1 내지 도 4는 본 발명에 따른 연장 패널들을 장착한 반응기의 수평 횡단면도.
도 5a 내지 도 5t는 가능한 다른 연장 패널들을 도시한 수평 횡단면도.
도 6은 밀폐형 이중 격벽 상의 이중 연장 패널들의 수평 횡단면도.
도 7은 분리형 이중 격벽 상의 이중 연장 패널들의 수평 횡단면도.
도 8은 격벽 및 주변벽들 상의 이중 연장 패널들과 2개의 이중 격벽들을 포함하는 연소실의 보기의 수평 횡단면도.
도 9는 이중 연장부의 수직 횡단면도.
도 10은 이중 연장부의 수평 횡단면도.
도 11a 내지 도 11d는 이중 격벽들의 설치 보기의 수직 횡단면도.
도 12a 내지 도 12c는 이중 격벽들의 설치 보기의 사시도.
도 13은 이중 격벽들의 설치 보기의 수직 횡단면도.
도 14a 내지 도 14 l은 이중 격벽들을 위한 입구 매니폴드와 출구 매니폴드에 대한 다른 위치의 보기를 도시한 도면.
도 1 내지 도 4는 연소실(10)을 둘러싸는 냉각 유체에 의해서 냉각된 멤브레인 관형 벽(2)들로 구성된 유동층 반응기(1)를 도시한다. 상기 벽(2)은 관형 연장 패널(3)을 포함한다. 벽(11)은 사이클론(cyclone;도시생략)과 교통하는 개방부(5)를 포함한다. 상기 연장 패널들은 도 1에 도시된 바와 같이 벽(11) 상에 수직으로 배열되거나, 또는 도 2에 도시된 바와 같이 벽(11)에 평행하게 배열되거나, 또는 도 3에 도시된 바와 같이 연소실(10)을 3개로 분할하거나, 또는 도 3a에 도시된 바와 같이 연소실을 2개로 분할하는 격벽(4)을 형성한다. 도 4에서, 연소실(10)은 6개로 분할된다.
도 5는 다른 유형의 가능한 연장 패널들을 도시한다. 이 세트의 도면들은 가스성 액체 또는 수증기 사이클 상태에 따른 열동력 특성 기준 및 교환면에 대한 요구사항에 따라 좌우되는 여러 가능한 구성을 도시한다. 특히, 도 5q 내지 도 5t는 관 및 엔드 핀(end fin)에서 받는 열 플럭스를 감소시키기 위하여 단부에서 단지 하나의 관만을 가진다.
도 6은 연장 패널(3)이 배열되는 밀폐형 이중 격벽(4)의 상세도이다.
도 7 및 도 8은 연장 패널(3)이 배열되는 분리형의 격벽(4a)을 도시한다. 도 7은 격벽(4a)을 상세하게 도시한다.
예를 들어, 연장 패널(3)은 분배 회로(30)에 의해서 공급되고, 굴곡형 밀봉 핀(fin;32)에 의해서 간격이 유지된 관(31)을 포함한다. 냉각 유체는 입구 매니폴드(33)의 관(31)에서 출구 매니폴드(34)를 향하여 순환한다(도 9 참조).
도 10에 도시된 연장 패널(3)은 상부에서 볼 때, 횡단면도이고, 관(31)으로 구성된다.
이중 격벽(4)은 다른 방식 즉, 도 11a와 같이 전체 높이에 걸쳐, 또는 도 11b와 같이 단지 중심부에서만, 또는 도 11c와 같이 중간 높이까지, 또는 도 11d 또는 도 12a와 같이 천장에서 중간 높이까지 배열될 수 있다.
도 12b와 도 13과 같이 여러 이중 격벽(4)을 평행하게 배치하거나, 또는 도 12c와 같이 여러 이중 격벽(4)을 교차시켜 배치할 수도 있다. 따라서, 연소실(10)을 여러개의 부속 연소실(10a)로 분리할 수 있다. 그래서, 두개의 평행한 이중 격벽(4)과 6개의 사이클론(5)을 갖는 연소실을 얻을 수 있으며, 두개의 평행한 이중 격벽이 연소실(10)을 3개의 부속 연소실(10a)로 분할하고, 각각의 부속 연소실이 두개의 사이클론(5)을 향해 개방되어 있다.
도 14는 밀폐형 벽(도 14h 내지 도 14 l) 또는 분리형 벽(도 14a 내지 도 14g)을 갖는 이중 격벽에 대해서 가능한 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드의 다른 배열을 도시한다. 다른 배열의 매니폴드를 선택하는 것은 격벽의 크기와 상기 벽에서 냉각 유체의 분배의 최적화에 따라서 좌우된다.
상기에 주어진 보기들은, 정사각형, 육각형, 팔각형 또는 원형 섹션과 같은 직사각형이 아닌 섹션의 연소실까지 포함할 수 있다.

Claims (22)

  1. 냉각 유체에 의해서 냉각되는 멤브레인 관형 벽(2)들로 제조된 유동층 반응기(1)로서,
    상기 관형 벽(2)들은 연소실(10)을 둘러싸고 관(31)들로 형성된 연장 패널(3)들을 포함하며, 냉각 유체가 이 관(31)들을 통하여 1회 통과 순환(single pass circulation)에 의해서 유동하며,
    상기 연장 패널(3)들은 이중벽 연장부(double wall extension)를 형성하도록 두개씩 짝지어 연장되는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연장 패널(3)들은 상기 반응기(1)의 벽(2)들에 부착되는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연장 패널(3)들은 상기 연소실의 상부에서만 연장되는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연소실(10)의 바닥은 분할된 연소실의 형태인 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 냉각 유체는 보일러에서 작용하는 열 하중(thermal load)에 따라 기상 또는 액상, 또는 액상과 기상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 냉각 유체는 물인 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연장 패널(3)들은 개방부를 포함하는 외피(enclosure)를 형성하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연장 패널(3)들은 유동층 중에서 고형체 입자들의 밀집층에 적어도 부분적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연장 패널(3)들을 구성하는 관(31)들은 관형 벽(2)의 관들과 다른 크기인 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연장 패널(3)들을 구성하는 관(31)과 인접한 관(31) 사이의 간격은 일정한 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연장 패널(3)들을 구성하는 관(31)과 인접한 관(31) 사이의 간격은 가변적인 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    이중 연장 패널의 두개의 연장 패널(3) 사이의 간격은 연소실(10) 벽의 관과 인접한 관 사이의 간격과 동일한 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연장 패널(3)들의 관(31)들은 주변 벽(2)들과 직렬로 연장 패널들을 관통하여 유동하는 냉각 유체를 구비하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연장 패널(3)들은 연소실(10)을 분할하는 격벽(4,4a)들 상에 배열되는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 격벽(4, 4a)들은 상기 반응기(1)의 상부에서부터 상기 연소실(10) 높이의 75% 와 동일한 최대 높이까지 아래로 이어지는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 격벽(4)은 이중 격벽인 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
  17. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연장 패널(3)들은 상기 반응기(1)의 상부에서부터 상기 연소실(10) 높이의 75% 와 동일한 최대 높이까지 아래로 이어지는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
  18. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 이중벽 연장부는 상기 이중 벽 연장부의 단부에서 관을 구비하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
  19. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    연소실의 전체 길이를 따라 연장되는 격벽을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
  20. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    연소실의 중앙부분에서만 연장되는 격벽을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
  21. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    연소실의 바닥에서 중간 높이까지 위로 연장되는 격벽을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
  22. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    연소실의 상부에서부터 아래로 중간 높이까지 연장되는 격벽을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
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