KR100997422B1 - 최적 조건하에서 연소배가스로부터 증기를 생성하는 보일러 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 쓰레기를 건조시키고, 점화하여 연소시켜서 연소배가스(3)와의 열교환에 의해 증기(2, 2a)를 생성하는 보일러(1)에 관한 것으로서, 상기 보일러(1)는 기체들의 주 유동방향(5)을 한정하며, 상기 보일러(1)는 분리요소(4) 및 최종 과열기(8)를 포함하며, 상기 분리요소(4)는 상기 연소배가스(3)를 부식성이 적은 기체류(6)와 부식성 기체류(7)로 분리하도록 되어 있으며, 상기 분리요소(4)는 실질적으로 상기 주 유동방향(5)을 따라서 위치하며, 상기 최종과열기(8)는 상기 분리요소(4)에 근접하여 상기 부식성이 적은 기체류(6) 내에 위치한다. 상기 분리요소(4)는 플레이트(4a) 또는 벽(4b)을 포함하는데, 상기 분리요소(4) 다수는 다른 분리요소로서 채널을 형성한다. 이에 따라서 상기 과열기의 수명이 연장되고 보일러가 고출력 및 효율적인 전기출력을 제공할 수 있게 한다.
Figure R1020087009449
쓰레기, 폐기물, 소각, 연소, 연소배가스, 열교환, 증기, 보일러, 발전

Description

최적 조건하에서 연소배가스로부터 증기를 생성하는 보일러{A boiler producing steam from flue gases under optimised conditions}
본 발명은 쓰레기를 건조, 점화 및 연소시켜서 연소배가스와의 열교환에 의해 증기를 생성하는 보일러에 관한 것이다. 이후 증기는 전기를 생산하는데 이용된다.
태워질 쓰레기는 가정의 쓰레기, 나무껍질, 산업폐기물 및 병원쓰레기의 혼합물 및 그 밖의 종류의 폐기물의 어떤 혼합물도 될 수 있다.
미합중국 특허 제 6,269,754호는 부식성 연소배가스를 갖는 소각공장에 있어서의 과열증기용 증기발생기를 개시한다. 이는 기본적으로는 방사부와 대류부를 포함하는데, 대류부는 적어도 하나의 과열기(superheater)를 가지고 상기 방사부의 일측벽의 내측에 배치된 판을 갖는데, 이들 판과 방사부의 벽 사이에는 공간이 마련되어있다. 과열기의 적어도 일부는 방사부의 공간내에 벽형 과열기로서 배치된다. 이 공간은 연소실 내의 기체압력보다 높은 압력에 있는 부식성이 약한 기체분위기를 갖는다. 그 결과, 최종 과열기에 대한 부식 없이 높은 과열기 온도에 도달 할 수 있으므로 과열기를 값싼 재료로 만들 수 있다.
그러나 미합중국 특허 제 6,269,754호는 연소배가스와 전술한 과열기 사이가 직접 접촉하지 않도록 하며, 따라서 연소배가스로부터 증기로의 에너지 전달이 덜 효과적이다.
본 출원인의 유럽특허 제 0536268 B1호는 다양한 종류의 고체와, 경우에 따라서는 액체 폐기재료를 소각처리하는 방법 및 장치를 개시한다. 고체와, 경우에 따라서는 액체 폐기재료는 a) 액체 슬래그가 로타리킬른의 입구에서 형성되는 고온에서 로타리킬른에 전달되는 고체 폐기재료를 단차상 화격자 상에서 부분적으로 연소시키고, b) 경우에 따라서는 상기 단차상 화격자 상에서 소각되는 고체 폐기재료에 액체 폐기재료를 첨가하고, c) 화격자 찌꺼기(grate screening), 보일러 재, 플라이애쉬, 및 연소배가스 세정에 의한 잔류생성물 등의 재 생성물을 연소과정으로부터 회수하고, 이들 생성물들을 로타리킬른의 입력단에 복귀시켜 그 입력단에서 이들 생성물을 액체 슬래그 속에 도입시킴으로써 소각처리된다. 이런 방식으로 연소과정으로부터 슬래그, 플라이애쉬 및 그 외의 유해잔류생성물을, 염 및 중금속이 침출될 수 없는 유리형상의 덩어리 속에 융해시킬 수 있다.
그러나, 유럽특허 제 0536268 B1호는 고체 및 액체 폐기재료의 소각처리로부터 최적의 효율적인 전기출력을 제공하지 않는다.
영국특허 제 899,415호는 증기보일러 또는 수 보일러(water boiler)의 연소생성물 또는 가열기체의 유동로를 제어하는 장치를 개시한다.
자연에너지원, 예를 들어 오일이 점차 감소하고 있는 세계에서는 다른 에너 지원으로부터 제공되는 에너지에 대한 요구가 증가되고 있다. 쓰레기를 보일러에서 소각할 때에 소각공정으로부터 에너지를 추출할 수 있다. 따라서 중요한 것은 소각공정이 응축되지 않은 증기를 제공하도록 최적화되고, 발전기를 구동하는 증기터빈에 공급되었을 때 고효율의 높은 전기출력을 제공할 수 있도록 충분히 높은 온도를 갖는 것이 중요하다.
따라서 과열 증기로부터 높은 전기출력을 제공하도록 최적화된 보일러와 관표면 온도가 높은 최종 과열기가 필요하다.
일반적으로, 과열증기는 소위 최종 과열기(end superheater)로부터 나온다. 그러나 보일러에서 가스의 일부, 예를 들어 연소배가스 및 재 입자들은 부식성이 있으며, 그 부식성 때문에 상기 최종 과열기를 침식시킬 것이며, 그 결과 최종 과열기의 수명이 단축된다.
따라서 최종 과열기의 수명을 연장시키기 위한 어떤 수단이 마련된 최종 과열기를 갖는 보일러도 필요하다.
이들 요구는, 보일러가 분리요소 및 최종 과열기를 포함하는 경우에 달성된다. 이 보일러는 쓰레기를 건조시키고 점화시켜 연소시켜서 연소배가스와의 열교환에 의해 증기를 생성하기 위한 것이다. 상기 보일러는 기체들의 주 유동방향을 한정하며, 상기 분리요소는 상기 연소배가스를 각각 부식성이 적은 기체류와 부식성 기체류로 분리하도록 되어 있다. 상기 분리요소는 실질적으로 상기 주 유동방향을 따라서 위치하며, 상기 최종과열기는 상기 분리요소에 인접하여 상기 부식성이 적은 기체류 내에 위치한다.
이에 따라서, 본 발명은 보일러의 최종 과열기의 수명이 연장되는 이점 및 최종 과열기 내의 높은 증기온도 때문에 높고 효율적인 전기출력을 보일러가 제공한다는 이점을 갖는다.
또한 최종 과열기는 세정기체, 즉 부식성이 적은 기체 및 재 입자를 만나게 될 때 고온에서 적용될 수 있다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예와 관련하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 연소배가스를 분리하기 위한 플레이트 또는 벽을 사용하는 보일러의 일 실시예를 나타낸다.
도 2는 분리용 노즐을 갖는 관을 사용하는 보일러를 나타내다.
도면 전반에 걸쳐서, 동일한 도면부호는 유사하거나 대응하는 특징 또는 기능을 지시한다.
일반적으로 "과열기(superheater)" 또는 "최종 과열기(end superheater)"라는 용어는 보일러에 의해 발생된 증기를 가열하여 증기 속의 열에너지를 더욱 증대 시키고 상기 증기가 응축할 가능성을 감소시키는 장치를 말한다. 과열된 증기는 논리적으로는 과열증기로 알려져 있으며, 역으로 비과열 증기는 포화증기(saturated steam) 또는 습윤증기(wet steam)라로 부른다. 후자의 비과열 증기를 피하고 주로 과열증기를 사용하는 것이 중요하다. 따라서, 이 후자의 증기가 발전기를 구동하는 증기터빈 속에 공급되었을 때, 특히 증기의 온도 및 압력이 충분히 높다면 고효율로 전기를 출력할 것이다.
도 1은 연소배가스의 분리를 위한 플레이트 또는 벽을 사용하는 보일러의 제 1 실시예를 나타낸다. 일반적으로, 보일러(1)는 쓰레기를 건조시키고 점화하여 연소시킨다. 쓰레기가 소각될 때, 제일 먼저 쓰레기(9)의 소각 결과는 기체분위기, 즉 연소배가스(3)이다.
통상적으로 쓰레기는 화격자 블록, 예를 들어 왕복 가능한 화격자에 의해 보일러 내에서 운반된다. 쓰레기를 운반하기 위해서는 화격자를 하나 이상의 컨베이어와 결합할 수 있다. 기본적으로 쓰레기는 좌측에서 우측으로 운반되며, 즉 도면부호 3에서 연소배가스로 시작하여, 도면부호 7로 진행하여 도면부호 6에서 끝나는 쓰레기 소각과정을 따르는 경우, 도면부호 7에서는 결과물이 부식성 기체류이며, 역으로 도면부호 6에서는 부식성이 적은 기체류가 결과물이다.
상기 부식성이 적은 기체는 본질적으로 Cl, K, Na, Zn, Pb 등의 부식성분이 없는 반면, 부식성 기체는 부식성분, 예를 들어 Cl, K, Na, Zn 및 Pb 중의 하나 이상을 포함한다. 본질적으로 부식성이 적은 기체는 최종 과열기를 덜 부식시키는 기체로서 이해할 수 있다.
이 과정의 이 시점에서는 이들 기체들이 혼합되지 않는 것이 중요한데, 이들 기체들, 즉 도면부호 6 및 7은 서로 다르게 처리되기 때문이다. 따라서, 본 발명에 따르면 분리가 이루어진다. 도면부호 5는 기체들의 주 유동방향을 한정한다. 상기 연소배가스(3)의 분리는 도면부호 4로 지시된 분리요소에 의해 이루어진다. 이 요소는 실시예에서 플레이트(4a)로서 또는 벽(4b)의 형태로 제공될 수 있다.
이 플레이트(4a)는 통상적으로는 보일러의 일 측벽으로부터 연장되는 물로 채워진 보일러관 패널이고, 또한 보일러의 타측벽으로 연장되는 물로 채워진 보일러관 패널이며, 상기 플레이트는 상기 측벽에 매달리게 된다. 이 플레이트는 예를 들어 고합금 Cr-Ni 오버레이용접에 의하거나 또는 기본적으로 단단한 내화재료에 의해 표면을 부식으로부터 보호할 수 있다.
벽(4b)은 통상적으로 보일러의 일측벽으로부터 타측벽으로 연장되는 철근벽돌 또는 캐스트 내화벽이다. 이런 보강물은 중공이 형성되어 예를 들어 액체, 증기, 기체 또는 공기 등의 냉각매체가 통과할 수 있게 한다.
또한, 상기 분리요소는 다른 실시예에서는 채널로서 제공될 수 있는데, 즉 상기 플레이트(4a) 및 벽(4b)이 다양한 조합으로 사용되어 채널을 형성할 수 있다. 이 채널도 역시 관형상을 갖는다.
상술한 요구조건을 만족시키는 상기 플레이트(4a)나 벽(4b) 또는 이와 유사한 구조요소는 실질적으로 상술한 기체들의 주 유동방향(5)를 따라서 위치한다. 일반적으로 상기 플레이트 또는 벽은 상기 주 유동방향과 평행하게 위치한다.
따라서 상기 분리요소(4)는 보일러(1)의 벽에 매달리도록 되어있다.
따라서 상기 분리요소는 부식성이 적은 기체류(6)와 부식성 기체류(7)가 이 지점에서 분리되어 유지되게 한다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 분리요소는 실질적으로 상기 주 유동방향(5)에 수직한 방향으로 이동할 수 있도록 되어있다. 따라서 전후로 이동할 때, 분리요소는 한 기체류는 실질적으로 부식성 요소를 포함하고 다른 기체류는 실질적으로 부식성이 적은 요소를 포함하도록 위치할 수 있다. 긴 안목으로 보아서 분리요소의 최적위치에 의해 보일러로부터의 증기가 공급되는 증기터빈에 의해 구동되는 발전기로부터 매우 효율적으로 높은 전력이 출력될 수 있다.
상기 가동형 분리요소는 반대측 보일러 측벽에 매달린 베어링에 상단이 피봇동작 할 수 있게, 예를 들어 바닥이 보일러 측벽 상의 전/후방으로 서로 다른 위치에 이동 및 고정될 수 있는 플레이트가 될 수 있다.
상기 분리요소(4)는 보일러(1)의 상측대(10)에서 매달리도록 되어있다.
도 2는 분리용 관을 사용하는 보일러를 나타낸다.
상기 분리요소, 즉 도면의 플레이트, 벽 또는 채널의 대안으로서, 연소배가스를 각각 부식성이 적은 기체류(6)와 부식성 기체류(7)로 분리하기 위한 분리요소로서 관을 사용할 수 있다. 이 관(4c)은 하나 이상의 노즐(4d)을 구비할 수 있다. 이 노즐은 부식성이 적은 기체료(6)와 부식성 기체류(7) 사이의 주 유동방향(5)을 따라서 재순환되는 차가운 청정 연소배가스를 송풍하도록 되어있으며, 따라서 이들 기체류(6, 7)는 주 유동방향(5)으로 두 개의 분리된 기체류로 이어진다. 상기 재순환되는 차가운 청정 연소배가스는 관시스템을 구비한 산업용 드라프트 휀에 의해 예를 들어 공장의 굴뚝 전에 청정 연소배가스의 일부를 취하여 이 차가운 기체를 분리관 속으로 송출하여 제공할 수 있다.
상기 노즐은 관 속에 불규칙한 패턴으로 제공되거나 또는 관을 따라서 실질적으로 동일 방향으로 제공되거나 또는 관을 따라서 실질적으로 동일 방향으로 2열 이상 제공될 수 있다.
노즐은 주입된 냉기체가 연소되고 있는 연소배가스 기체류(6)와 (7) 사이를 침투하여 이들 연소배가스 기체류(6, 7)를 수평하게 위치하는 분리관의 수직높이의 10-20배의 높이까지 성형할 수 있도록 하는 크기 및 디자인을 가져야 한다.
상기 관은 도면에서 도면부호 4c로 나타낸 바와 같이 상기 주 유동방향(5)에 실질적으로 수직하게 위치한다.
상기 분리관(4c)은 반대측 보일러측벽에 매달리며, 분리관은 보일러 측벽 상의 전후방 위치에 축선 주위로 이동 및 고정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 관은 상기 주 유동방향(5)에 실질적으로 수직한 방향으로 이동할 수 있게 되어있다. 따라서, 전후로 움직일 때, 관은 일 기체류가 실질적으로 부식성 요소를 포함하고 타 기체류가 실질적으로 부식성이 적은 요소를 포함하도록 위치할 수 있다. 결국, 관의 최적위치에 따라서 보일러로부터의 증기가 공급되는 상기 증기터빈에 의해 상기 발전기가 구동될 때 높고 효율적인 출력이 이루어질 수 있다.
상기 부식성이 적은 기체(6)와 부식성 기체(7)가 함께 보일러의 혼합대(10)에 도달할 때, 이들 기체들은 완전연소용 이차연소공기의 주입에 의해 혼합되고, 이 혼합된 기체들은 하나 이상의 과열기(11) 및 방사대(radiation zone) 내의 증발벽에 의해 냉각되며, 이들은 섭씨 300도 내지 450도의 증기(2)를 생성한다. 이것 (즉 상기 하나 이상의 과열기에 의한 냉각)은 부식성이 적은 기체(6)가 주 유동방향으로 이동할 때 관, 플레이트, 벽 또는 채널과 접촉하는지에 관계없이 양 도면의 경우에 동일하게 적용된다.
상기 하나 이상의 과열기를 떠난 증기(2)는 (도 1참조) 하나 이상의 관에 의해 최종 과열기(8)의 입구(8a)에 공급되며, 이를 통해 증기가 가열되어 온도가 섭씨 25 내지 200도 상승하게 된다.
따뜻한 증기(2a), 즉 온도가 상승한 증기는 예를 들어 최종 과열기(8)의 출구(8b)로부터 증기터빈(14)에 공급된다. 따라서, 이 증기(2a)는 전기를 생산하는데 이용할 수 있으며, 예를 들어 상기 증기는 배관에 의해 상기 출구로부터 증기터빈(14)으로 공급할 수 있으며, 이 증기터빈은 발전기(15)를 구동시키고 이 발전기로부터 전력이 발생할 수 있다. 따뜻한 증기(2a)는 보일러로부터의 출력, 즉 최종 과열기로부터의 출력이기 때문에, 보일러도 따라서 높은 출력효율을 제공한다. 이것은 물론 섭씨 300 내지 450도의 증기가 보일러로부터 출력되는 경우보다 높다. 따라서 상기 최종 과열기내에서의 증기의 가열에 의해 고전력이 높은 효율로 출력된다.
통상적으로 상기 최종 과열기(8)는 상기 분리요소(4), 예를 들어 상기 플레이트, 벽에 근접하여, 또는 분리관(4c) 위의 채널 또는 냉기체 카펫트커튼 속에 그리고 어떤 경우라도 상기 부식성이 적은 기체류(6) 속에 위치한다. 따라서 최종 과 열기는 부식을 덜 받게되는 이점이 있다.
따라서 최종 과열기는 상기 부식성 기체류(7)에 비하여 상기 부식성이 적은 기체류(6) 속에 위치하는 것이 유리하다. 최종 과열기가 본 발명에 따른 경우가 아닌 상기 부식성 기체류(7) 속에 위치한다면 최종 과열기의 이런 위치로 인해 최종 과열기의 수명이 단축되며, 이런 침식환경 속에 위치하면 작동수명 동안 부식성 기체 때문에 과도하고 빈번한 보수작업이 필요할 것이다.
따라서 최종 과열기의 수명을 연장시키기 위해 마련된 수단은 최종 과열기가 받게되는 부식성이 적은 기체류를 제공하여 부식성 기체류를 받는 것을 피할 수 있게 하는 분리요소이다.
따라서 본 발명은 최종 과열기의 수명이 연장되고 보일러가 고효율로 전력을 제공하게 되는 이점을 갖는다.
전술한 바와 같이, 상기 부식성이 적은 기체(6) 및 부식성 기체(7)는 보일러(1)의 혼합대(10)에서 서로 혼합된다. 이 보일러는 송풍부(12)를 더 포함한다. 이 송풍부는 이차 공기를 송풍하여 상기 부식성이 적은 기체(6)와 상기 부식성 기체(7)를 효과적으로 혼합하여 상기 혼합물이 보일러의 상단대(13)에 도달하기 전에 효과적으로 연소할 수 있게 하도록 되어있다.

Claims (14)

  1. 쓰레기를 건조시키고 점화하여 연소시켜서 연소배가스(3)와의 열교환에 의해 증기(2, 2a)를 생성하는 보일러(1)로서, 상기 연소배가스(3)는 쓰레기(9)의 소각결과이며, 상기 보일러는 기체들의 주 유동방향(5)을 한정하며, 상기 보일러(1)는 분리요소(4) 및 최종 과열기(8)를 포함하며, 상기 분리요소(4)는 소각결과물인 연소배가스(3)가 발생되는 보일러(1)의 일 측벽에 설치되어 실질적으로 상기 주 유동방향(5)을 따라서 위치하며, 상기 연소배가스(3)를 부식성이 적은 기체류(6)와 부식성 기체류(7)로 분리하도록 되어 있으며, 상기 최종 과열기(8)는 상기 분리요소(4)에 근접하여 상기 부식성이 적은 기체류(6) 속에 위치하는 것을 특징으로 하는 보일러.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 분리요소(4)는 플레이트(4a) 또는 벽(4b)을 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 분리요소(4) 다수가 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 보일러.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 분리요소(4)는 관(4c)으로 구성되어 있으며, 상기 관(4c)은 상기 부식성이 적은 기체류(6)와 상기 부식성 기체류(7) 사이의 주 유동방향(5)을 따라서 재순환하는 차가운 청정 연소배가스를 송풍하여 이들 기체류(6, 7)가 주 유동방향(5)으로 두 개의 분리된 기체류로 이어지도록 하나 이상의 노즐(4d)을 갖는 것을 특징으로 하는 보일러.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 관은 실질적으로 상기 주 유동방향(5)에 수직하게 위치하는 것을 특징으로 하는 보일러.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 분리요소(4)는 상기 주 유동방향(5)에 실질적으로 수직한 방향으로 움직일 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 보일러.
  7. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 분리요소(4) 또는 채널은 상기 보일러(1)의 벽에 매달리게 되어 있는 것을 특징으로 하는 보일러.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 부식성이 적은 기체(6)와 부식성 기체(7)는 하나 이상의 과열기(11) 및 방사대의 증발벽에 의해 냉각되며, 이 과열기는 섭씨 300 내지 450도의 증기(2)를 생성하는 것을 특징으로 하는 보일러.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 증기(2)는 최종 과열기(8)에서 가열되는 것을 특징으로 하는 보일러.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 최종 과열기(8)는 상기 증기(2)를 가열하여 온도가 상승한 증기(2a)로 만들어서 상기 증기(2)의 온도와 비교하여 온도가 섭씨 25 내지 200도 증가하게 하는 것을 특징으로 하는 보일러.
  11. 제 1 항에 있어서, 부식성이 적은 기체(6)는 기본적으로 Cl, K, Na, Zn 및 Pb가 없는 것을 특징으로 하는 보일러.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 부식성 기체(7)는 Cl, K, Na, Zn 및 Pb 중의 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러.
  13. 제 1 항에 있어서, 이차공기를 송풍하여 상기 부식성이 적은 기체(6)와 상기 부식성 기체(7)를 효과적으로 혼합하여, 상기 혼합물이 상기 보일러의 상단대(13)에 도달하기 전에 효과적으로 연소될 수 있게 된 송풍부(12)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러.
  14. 제 1 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 섭씨 약 450도의 증기(2a)는 상기 증기가 발전기(15)를 구동하는 증기터빈(14)에 공급될 때 전기를 생산하는데 이용되는 것을 특징으로 하는 보일러.
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