KR100974432B1 - 순환유동층 보일러용 수냉식 사이클론 - Google Patents

Abstract

본 발명은 순환유동층 보일러용 수냉식 사이클론에 관한 것으로, 그 목적은 사이클론 호퍼부분의 임의의 지점에서 바이퍼케이퍼에 의해 2개의 튜브를 하나의 튜브로 연결하여 사이클론 호퍼부에서의 튜브구조를 간단하게 하고, 유지보수를 용이하게 할 수 있는 순환유동층 보일러용 수냉식 사이클론을 제공하는 것이다.

본 발명은 측면에 기체 도입구를 구비하는 외부원통과, 상부에 기체출구가 설치된 내부원통과, 상기 외부원통과 내부원통내의 공간이 밀폐되도록 외부원통의 상단 끝부분과 내부원통의 측면에 동심상으로 연장되는 천정부와, 상기 외부원통의 하부에 위치하고 원주 및 직경이 감소되는 원뿔(깔대기)형의 호퍼부를 구비하는 사이클론에 있어서; 상기 외부원통은 동일직경을 구비하는 다수개의 튜브가 평행하도록 핀에 의해 일체형으로 연결설치된 벽을 구비하고, 상기 외부원통의 튜브 및 핀은 호퍼부에 연장설치되며, 상기 호퍼부에 연장되는 다수개의 튜브는 바이퍼케이터에 의해 두개의 튜브가 하나의 튜브로 각각 연결되도록 구성하여, 튜브의 변형없이 냉각시스템을 구성하도록 되어 있다.

사이클론, 유동층, 집진기, 수냉식, 튜브, 핀

Description

순환유동층 보일러용 수냉식 사이클론 {Water-cooled cyclone for circulating fluidized bed boilers}

도 1 은 본 발명에 따른 구성을 보인 예시도

도 2 는 도 1 의 A 부 상세예시도

도 3 은 도 1 의 A-A 단면 예시도

도 4 는 도 1 의 B-B 단면 예시도

도 5 는 본 발명에 따른 사이클론 전체구성을 보인 예시도

도 6 은 본 발명을 이용한 물순환계를 보인 개략도

도 7 은 종래 수냉식 사이클론의 구성을 보인 개략도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

(10) : 외부원통 (11) : 기체도입부

(20) : 내측원통 (21) : 기체출구

(30) : 천정부 (40) : 호퍼부

(50) : 튜브 (60) : 핀

(70) : 바이퍼케이터(bifurcator) (80) : 하부링헤더

(90) : 상부링헤더

본 발명은 순환유동층 보일러용 수냉식 사이클론에 관한 것으로, 원주 및 직경이 점차적으로 줄어드는 사이클론의 호퍼부에 설치되는 튜브를 바이퍼케이터에 의해 연결하여 사이클론 벽 전체를 수냉식 열전달 튜브로 용이하게 설치할 수 있는 순환유동층 보일러용 수냉식 사이클론에 관한 것이다.

순환유도층 보일러는 연료에 대한 수용 폭이 넓고, 노내 탈황 및 탈할로겐 등의 편이성을 가지며 노내 온도제어가 용이하고, 비교적 낮은 온도에서 연소가 이루어져 질소생성물이 작고 연소로내에서 연료의 혼합효과가 뛰어난 점과 타 연료와 혼소할 수 있는 장점으로 인해 광범위하게 적용되고 있다.

이러한 순환유동층 보일러는 층 물질이 유동되고 연소가 일어나는 연소로와, 비산된 입자를 포집하는 사이클론, 포집된 입자를 연소로로 되돌리는 루프씰(Loopseal), 제이(J)밸브 등의 비기계적인 순환장치로 구성되어 있다.

상기 연소로는 다수의 전열관(tube)으로 구성되어 있으며, 연소로에서 생성된 열은 전열관을 통하여 순환되는 물 또는 스팀으로 회수되고, 이 회수된 증기는 증기로부터 물을 분리하는 드럼을 통하여 자연 물순환 회로에 연결되며, 전기를 발생하도록 터빈쪽을 향하거나 증기 사용기 쪽으로 향하도록 형성되어 있다.

이와 같이 이루어진 순환유동층 보일러는 고부하시 미연분이 후연소에 의하여 사이클론 부분의 온도가 정상적인 온도범위보다 높게 되는 문제점이 있었으며, 이러한 문제점을 해소하기 위하여 종래의 사이클론은 외측 케이싱을 비교적 저온으로 운전할 수 있도록 하기 위하여 항상 내식성을 구비하고 단열성을 구비하는 단일구조의 외측 내화벽을 사용하였다. 그러나, 목표로 하는 단열성을 유지하기 위해서는 층을 비교적 두껍게 하여야 하므로, 그로 인해 사이클론의 용적, 중량 및 단가가 커지게 되는 문제점이 있었다.

또한, 상기와 같은 내화물의 사용에 따른 문제점을 해소하기 위하여, 보일러의 열효율을 높이기 위하여 열전달튜브로 구성된 벽을 가진 사이클론이 개발되었다. 이와같은 수냉식 사이클론은 지름이 일정한 다수개의 튜브가 핀에 의해 서로 연결되는 구성 즉, 각각의 핀을 튜브로부터 연장하여 인접한 튜브에 용접하여 가스가 새지않는 기밀벽을 형성하도록 되어 있다. 상기 사이클론은 외부원통의 하부에 원뿔형상의 호퍼가 연결되도록 되어 있어, 그 원주 및 직경이 상단으로부터 하단으로 갈 수록 점차 줄어드는 형상을 구비한다.

이와 같이 튜브와 핀으로 이루어진 수냉식 사이클론은 호퍼부의 원주가 점차 감속하는 반면 튜브의 직경은 그대로 유지되므로, 원주가 감소될 수 있도록 튜브를 연결하는 핀의 폭은 상단에서 하단으로 갈수록 점차 줄어들다가 호퍼부의 원주가 더욱 감소하여 튜브가 서로 직접적으로 접촉하게 되면, 튜브를 연결하는 핀의 폭을 더 이상 줄일 수 없게 되므로, 호퍼부 전체에 튜브를 설치하는 것은 매우 곤란하게 되는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해소하기 위하여, 외부원통과 호퍼부 사이에 중간링헤더를 설치하고나, 호퍼에 설치된 튜브의 일부를 돌출 또는 스웨이징 변형하거나, 튜브를 확장시키는 등 여러가지 연구가 활발하게 진행되고 있다.

도 7 은 미국특허 제 522606 호의 수냉식 사이클론의 개념도를 도시한 것으로, 미국특허 제 522606 호는 튜브를 확장시키거나 스웨이지되도록 변형한 것으로, 이러한 사이클론은 튜브의 구조가 매우 복잡해지게 되며, 설계 및 제작이 곤란하고, 유지보수에 어려움이 발생되는 문제점이 있었다.

또한, 중간링헤더를 설치하는 경우,중간링헤더와 하부링헤더 사이에서 연장하는 튜브의 갯수를 줄이고 튜브가 호퍼부의 전체 길이에 걸쳐 연장할 수 있으나, 단가가 상승하게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 그 목적은 사이클론 호퍼부분의 임의의 지점에서 바이퍼케이퍼에 의해 2개의 튜브를 하나의 튜브로 연결하여 사이클론 호퍼부에서의 튜브구조를 간단하게 하고, 유지보수를 용이하게 할 수 있는 순환유동층 보일러용 수냉식 사이클론을 제공하는 것이다.

본 발명은 측면에 기체 도입구(11)를 구비하는 외부원통(10)과, 상부에 기체출구가 설치된 내부원통(20)과, 상기 외부원통(10)과 내부원통(20)내의 공간이 밀폐되도록 외부원통(10)의 상단 끝부분과 내부원통(20)의 측면에 동심상으로 연장되는 천정부(30)와, 상기 외부원통의 하부에 위치하고 원주 및 직경이 감소되는 원뿔 (깔대기)형의 호퍼부(40)를 구비하는 사이클론에 있어서; 상기 외부원통(10)은 동일직경을 구비하는 다수개의 튜브(50)가 평행하도록 핀(60)에 의해 일체형으로 연결설치된 벽을 구비하고, 상기 외부원통의 튜브 및 핀은 호퍼부(40)에 연장되며, 상기 호퍼부(40)에 연장설치된 다수개의 튜브(50)는 바이퍼케이터(70)에 의해 두개의 튜브가 하나의 튜브로 연결되도록 되어 있다.

이하 본 발명을 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명에 따른 구성을 보인 예시도를, 도 2 는 도 1 의 A 부 상세예시도를, 도 3 은 도 1 의 A-A 단면 예시도를, 도 4 는 도 1 의 B-B 단면 예시도를, 도 5 는 본 발명에 따른 사이클론 전체구성을 보인 예시도를, 도 6 은 본 발명을 이용한 물순환계를 보인 개략도를 도시한 것으로, 본 발명에 따른 수냉식 사이클론은 외부원통(10) 측면에 기체도입구(11)가 설치되고, 내부원통(20) 상부에 기체출구(21)가 설치되며, 외부원통(10)과 내부원통(20)내의 공간이 밀폐되도록 외부원통의 상단 끝부분과 내부원통의 측면에 동심상으로 천정부(30)가 연장되고, 외부원통하부에 원주 및 직경이 감소되는 원뿔형상의 호퍼부(40)가 형성되도록 되어 있으며, 상기 외부원통, 천정부, 호퍼부, 기체도입구는(11) 모두 튜브(50)가 모여 이루어져 있다.

또한, 외부원통(10)은 평행하게 연장되는 다수개의 튜브가 핀에 의해 일체형으로 형성되어 있으며, 외부원통 하단부터는 튜브와 핀이 굽어져 원주 및 직경이 감소되는 원뿔모양의 호퍼부(40)를 구성하도록 연장되고, 호퍼부(40)의 임의의 한 지점부터 바이퍼케이터(70)를 사용하여 2개의 튜브를 1개의 튜브로 연결시켜, 외부 원통(10)에서 호퍼부(40)로 튜브가 일체로 연장되도록 되어 있다.

상기 천정부(30)는 용접등과 같은 종래기술에 의해 내부원통(20)과 결합되어 있으며, 이러한 천정부와 내측원통의 결합은 공지의 기술이므로, 상세한 설명은 생략한다.

상기 내부원통(20)은 외부원통(10)과 동축관계로 배열되어 있으며, 내부원통(20)의 하부는 외부원통(10) 안으로 연장되며, 내부원통(20)의 상부는 외부원통(10)의 상부 끝단보다 더 높은 위치로 연장되어 있다.

상기 외부원통(10)은 동일직경을 구비하는 다수개의 튜브(50)와, 상기 다수개의 튜브를 연결하는 핀(60)으로 이루어져 있다. 즉, 등간격을 유지하고 서로 평행하도록 다수개의 튜브가 위치하며, 상기 일측 튜브로부터 연장되는 핀의 일측이 이웃하는 또다른 튜브에 용접되어 가스가 새지 않는 기밀 벽을 형성하게 된다. 이때, 상기 핀의 폭은 가스도입구(11)를 제외하면 외부원통에서는 항시 일정하다.

상기 호퍼부(40)는 하부링헤더(80) 방향으로 갈수록 직경 및 원주가 감소되는 원뿔형상을 구비하며, 외부원통(10)의 튜브와 핀이 연장되고, 호퍼부 튜브는 원주 및 직경이 감소할 수록 튜브사이의 간격은 좁아지고, 이에 따른 핀의 폭이 감소된다.

즉, 상기 호퍼부(40)는 하부방향으로 갈수록 전체적으로 외경 및 직경이 감소되나, 호퍼부에 연장되는 튜브는 동일직경을 구비하게 되므로, 호퍼부의 임의의 지점에 튜브가 도달하게 되면, 이웃하는 튜브가 서로 직접적으로 접촉하게 되어 더 이상 튜브를 연장할 수 없게 된다. 본 발명은 이와 같이, 튜브가 서로 직접적으로 접촉되는 호퍼부의 일측부위에 바이퍼케이터(70)를 설치하여, 두개의 튜브를 하나의 튜브에 연결함으로써, 튜브를 하부까지 연장하도록 되어 있다.

상기 바이퍼케이터(70)는 호퍼부의 튜브에 연결 설치되는 것으로, 상단에 두개의 튜브와 연결되는 제 1,2 연결튜브(71,72)를 구비하고 하부에 하나의 튜브와 연결되는 제 3 연결튜브(73)를 구비한다. 즉, 상기 바이퍼케이터에 의해 호퍼부의 튜브는 호퍼부의 임의의 지점에서 두개의 튜브가 하나의 튜브에 연결되므로, 연장되는 튜브의 갯수가 ½로 감소된다.

상기 바이퍼케이터(70)는 또한, 상기 바이퍼케이터의 제 1,2,3 연결튜브(71,72,73)의 직경 및 단면적은 임의로 설정하여도 되나, 압력 및 물(또는 스팀)의 순환을 고려할 경우, 도 3 에 도시된 바와 같이 기준선 C 를 기준으로 양측이 서로 대칭되도록 또한, 제 1,2 연결튜브(71,72)의 직경 및 단면적은 외부원통에서 호퍼부까지 연장설치되는 튜브(50)의 직경 및 단면적과 동일하고, 제 3 연결튜브(73)는 직경 및 단면적은 제 1,2 연결튜브의 단면적 합과 동일하도록 구성하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 바이퍼케이터를 기준으로 상부에 위치하는 다수개의 튜브(50)와 하부에 위치하는 다수개의 튜브(50`)는 서로 다른 직경을 구비한다.

상기 튜브는 하단부가 하부링헤더와 연결되고, 상단부가 상부링헤더와 연결되며, 사이클론의 전체길이에 걸쳐 설치된다. 즉, 상기 튜브는 사이클론의 전체길이를 이룬다.

상기에서와 같이, 본 발명은 호퍼부 튜브의 사이 간격이 바이퍼케이터를 연결할 지점까지 좁아지면, 2개의 튜브를 바이퍼케이퍼의 제 1,2 연결튜브에 연결하 고, 바이퍼케이퍼의 제 3 연결튜브에 하나의 튜브를 연결하며, 제 3 연결튜브에 연결된 하나의 튜브를 호퍼부의 전체길이 만큼 연장하고, 이를 반경외측방향으로 굽힌다음, 하부링 헤더 안쪽으로 향하도록 아래방향으로 굽힌다. 튜브와 하부링헤더의 연결은 종래의 연결방법과 동일하므로, 상세한 설명은 생략한다.

이와 같이 구성된 본 발명은 하부링헤더가 호퍼부의 하단에 배치되고, 상부링 헤더가 천정부 상단에 배치되며, 자연순환 또는 펌프를 이용한 강제순환에 적용된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.

이와 같이 본 발명은 호퍼부의 원주 및 직경 감소에도 튜브의 일부를 돌출(extract), 스웨이지(swage) 등의 변형없이 간결하고 컴팩트한 구성의 튜브구조를 형성할 수 있다.

또한, 사이클론 전체길이가 튜브로 이루어져 있으므로, 연소로와 사이클론 사이, 사이클론과 열회수부 사이의 확장 이음매 및 고온 내화라이닝 덕트 작업의 필요성이 적어지게 되며, 이를 통해 내화물의 사용량 및 유지보수비를 줄일 수 있다.

또한, 사이클론의 벽이 열전달튜브로 이루어져 있으므로, 열손실을 최소화하고, 열효율을 증대시킬 수 있으며, 사이클론 외벽의 온도를 현저하게 낮출 수 있어, 작업자의 접촉에 따른 화상위험을 사전에 제거할 수 있는 등 많은 효과가 있다.

Claims (3)

1. 측면에 기체 도입구를 구비하는 외부원통과, 상부에 기체출구가 설치된 내부원통과, 상기 외부원통과 내부원통내의 공간이 밀폐되도록 외부원통의 상단 끝부분과 내부원통의 측면에 동심상으로 연장되는 천정부와, 상기 외부원통의 하부에 위치하고 원주 및 직경이 감소되는 원뿔(깔대기)형의 호퍼부를 구비하는 사이클론에 있어서;

   상기 외부원통은 동일직경을 구비하는 다수개의 튜브가 평행하도록 핀에 의해 일체형으로 연결설치된 벽을 구비하고,

   상기 외부원통의 튜브 및 핀은 호퍼부에 연장설치되며,

   상기 호퍼부에 연장되는 다수개의 튜브는 바이퍼케이터에 의해 두개의 튜브가 하나의 튜브로 각각 연결되도록 구성된 것을 특징으로 하는 순환유동층 보일러용 수냉식 사이클론.
2. 제 1 항에 있어서;

   상기 바이퍼케이터는 상단에 호퍼부 튜브와 각각 연결되는 제 1,2 연결튜브를 구비하고, 하부에 하나의 호퍼부 튜브와 연결되는 제 3 연결튜브를 구비하는 것을 특징으로 하는 순환유동층 보일러용 수냉식 사이클론.
3. 제 2 항에 있어서;

   상기 바이퍼케이터는 양측이 서로 대칭되는 구조를 구비하고, 제 1,2 연결튜브의 직경 및 단면적은 외부원통에서 호퍼부까지 연장설치되는 튜브의 직경 및 단면적과 동일하며, 제 3 연결튜브는 직경 및 단면적은 제 1,2 연결튜브의 단면적 합과 동일하도록 구성된 것을 특징으로 하는 순환유동층 보일러용 수냉식 사이클론.

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