KR101129288B1 - 유동층 반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 유동층 반응기(fluidized bed reactor)(10)에 관한 것으로, 상기 유동층 반응기는, 바닥 부분(bottom portion)(12)과, 덮개 부분(roof portion)(16)과, 상기 바닥 부분과 상기 덮개 부분 사이에 수직으로 뻗어서, 상기 유동층 반응기의 반응 챔버(20)를 형성하는 측벽(side wall)(14)과, 상기 반응 챔버와 연결된 고체 분리기(solid separator)(18)를 포함한다. 상기 반응 챔버의 적어도 하나의 측벽(30.1)은 상기 반응 챔버(20)에 적어도 하나의 인덴테이션(indentation)(34)을 형성하고, 상기 인덴테이션은 실질적으로 수직이고 상기 측벽의 평면(32)으로부터 상기 반응 챔버를 향해 뻗어있다.

Description

유동층 반응기{FLUIDIZED BED REACTOR}

본 발명은, 청구항 제 1항의 전제부에 기재된 유동층 반응기(fluidized bed reactor)에 관한 것이다.

유동층 반응기의 반응 챔버는, 네 개의 측벽(side wall)으로 한정되어 있고 직사각형의 수평 단면을 갖는 내부 부분과, 바닥 부분과, 덮개 부분을 전형적으로 포함하고, 고체 재료 및 예를 들어 연료를 함유하는 층 재료는 바닥을 통해 유입된 유동 가스(fluidizing gas), 일반적으로 반응 챔버에서 일어나는 발열 화학 반응에 필요한 일차적인 산소 가스에 의해 유동화된다. 반응 챔버의 내부 부분은 일반적으로 노(furnace)라고 불리고, 연소 공정이 반응기에서 수행되면 반응기는 유동층 보일러(fluidized bed boiler)라고 불린다. 상기 노의 측벽은 일반적으로 또한 적어도 연료 및 이차 공기의 유입을 위한 연결을 갖는다.

상기 노의 측벽은 일반적으로 관(tube)과 이 사이의 핀(fin)으로 형성된 패널로 제조되어, 연료의 화학 반응시 방출되는 에너지는 관에 흐르는 물을 증발시키는데 사용된다. 흔히, 증기의 에너지 함량을 추가로 증가시키기 위해 유동층 반응기에 배열된 과열 표면(superheating surface)이 또한 존재한다.

예를 들어, 수백 메가 와트의 고 용량 보일러 제조를 목적으로 할 경우, 대형 반응 부피와 많은 증발 및 과열 표면이 필요하다. 이러한 고 용량 유동층 보일러는 미국 특허 6,470,833 B1에 기재되어 있다. 보일러의 기초 영역은 유동 공기의 필요한 부피와 속도를 기준으로 보일러의 용량에 직접 비례한다. 노의 바닥이 매우 길고 좁은 것이 적어도 구조적으로 불리하기 때문에, 보일러의 높이와 보일러 바닥의 폭은 측벽의 충분한 증발 표면을 갖도록 증가해야 한다. 높이의 증가는 구조적인 어려움을 심각하게 일으킬 수 있고, 폭의 증가는 연료와 이차 공기의 균질한 공급을 배열하기 어렵게 할 수 있다. 측벽은 그 높이에 비해 상당히 얇기 때문에, 노의 바닥으로부터 높은 노의 덮개로 뻗어있는 충분히 강하고 단단한 측벽을 형성하기 어려울 수 있다.

특히, 고 효율성의 관류 유동층 보일러(once-through fluidized bed boiler)를 구현하는 것은 도전적이다. 노의 단면적 증가는 유동층의 균일한 거동 유지를 도전할 수 있도록 한다. 이는, 실제, 노의 열 표면이, 예를 들어, 노의 하부 부분과 격자의 구조 및 공정의 제어에 따라, 유동층을 변화시켜 실행되는 경향이 있음을 의미한다. 상기 관류 유동층 보일러의 확실한 작동을 위해서는 증발기 표면(evaporator surface)의 관에서 물의 증발이 노의 벽의 서로 다른 부분에서 충분히 균질한 것이 중요하다. 대형 유동층 보일러, 특히 관류 유동층 보일러에서, 유동층의 균일성은 훨씬 더 큰 의미를 갖는다. 특히, 대형 보일러의 내부 코너는, 휘발에 대한 유동층의 영향이 다른 영역에서의 영향과 확연히 다른 영역이다.

본 발명의 목적은, 대형의 고 효율 보일러를 더 잘 제조할 수 있도록 하는 유동층 반응기를 도입하여 종래 기술을 개선하는 것이다.

종래보다 더욱 확실하게 작동하는 관류 유동층 보일러를 제공하는 것이 또한 본 발명의 목적이다.

본 발명의 목적은, 바닥 부분과, 덮개 부분과, 상기 바닥 부분과 상기 덮개 부분 사이에 수직으로 뻗어서, 유동층 반응기의 반응 챔버를 형성하는 측벽(side wall)과, 상기 반응 챔버와 연결된 고체 분리기(solid separator)를 포함하는 유동층 반응기에 의해 얻어지고, 상기 반응 챔버의 적어도 하나의 측벽은 상기 반응 챔버에 적어도 하나의 인덴테이션(indentation)을 형성하고, 상기 인덴테이션은 실질적으로 수직이고 측벽의 평면으로부터 반응 챔버를 향해 뻗어있다.

유동층 반응기의 이러한 측벽은 향상된 강성을 가져서, 벽의 강성을 실질적으로 잃지 않으면서 측벽의 수평 길이를 증가시킬 수 있다.

인덴테이션은 측벽의 평면으로부터 반응 챔버를 향해 뻗어있는 반응기의 측벽 밖에 공간을 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로, 상기 인덴테이션에 반응기의 보조 장비에 대한 액세스 및/또는 공간을 제공하는 것이 가능하다. 측벽의 구조는 벽 영역의 다른 곳에서 측벽의 구조와 실질적으로 유사한 인덴테이션에 의한 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 인덴테이션은 바닥 부분과 덮개 부분 사이에서 측벽의 길이를 통해 수직으로 뻗어있다. 상기 실시예에서, 벽의 강성은 측벽의 수직 길이를 통해 향상된다. 이와 동시에, 측벽의 길이를 통해 수직으로 뻗어있는 반응 챔버를 향한 인덴테이션이 형성되어 있고, 이를 통해 반응기에서 유동층의 중심에 직접적으로 더욱 가깝게 서로 다른 재료 유동을 공급하는 것이 가능하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 측벽과 인덴테이션은 수관 벽(water tube wall)이고, 반응 챔버로부터 상기 수관 벽으로 열이 전달될 수 있다. 이를 통해, 인덴테이션은 전체 열 표면을 크게 증가시키고 이에 따라 노로부터 열 전달에 대한 더 큰 효율을 가능하게 한다.

반응 챔버의 두 개의 서로 마주하는 측벽은 측벽의 평면으로부터 반응 챔버를 향해 뻗어있는 적어도 하나의 실질적으로 수직인 인덴테이션을 포함하는 것이 바람직하다. 바람직한 실시예에 따라, 본 발명에 기재된 인덴테이션을 포함하는 반응기의 서로 마주하는 두 개의 벽은, 반응기의 두 개의 마주하는 다른 벽보다 수평적으로 더욱 길다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 유동층 반응기는 지지 구조에 의해 적어도 부분적으로 지지되고, 상기 지지 구조는 상기 유동층 반응기 아래 구조에 의해 적어도 부분적으로 지지되도록 배열된 수직 컬럼을 포함한다. 그래서, 상기 수직 지지 컬럼은 적어도 부분적으로 수직 인덴테이션 내에 배열되는 것이 바람직하다. 그래서, 컬럼 사이의 수평 거리는 반응 챔버의 측벽의 평면 사이의 거리보다 더욱 짧게 되고, 이에 따라 컬럼을 연결하고 유동층 반응기를 지지하는 지지 구조와 스팬(span)은 전보다 더 짧다.

반응 챔버로 뻗어있는 측벽의 인덴테이션은 측벽의 평면으로부터 반응 챔버를 향해 돌출해 있는 측벽의 일부로 구성되어, 측벽의 상기 부분이 서로 일정 거리 내의 수직선에서 측벽의 평면으로부터 벗어나 있는 적어도 두 개의 실질적으로 수직인 인덴팅 벽 부분(indenting wall portion)을 포함하도록 한다. 따라서, 인덴테이션은 반응 챔버 밖에서 개방되도록 형성되고, 인덴테이션에 사용 가능한 공간이 형성되어 있다. 수직선 사이의 거리는 적어도 1m인 것이 바람직하다. 또한, 상기 적어도 두 개의 실질적으로 수직인 인덴팅 벽 부분은 일정 거리에 대해 반응 챔버 쪽으로 뻗어있고, 이 거리는 수직선 사이의 거리의 적어도 두 배인 것이 유리하다. 상기 적어도 두 개의 실질적으로 수직인 인덴팅 벽 부분은 평면인 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 실시예에 따라, 상기 적어도 두 개의 실질적으로 수직인 인덴팅 벽 부분의 반응 챔버 측면의 에지(edge)는 수평 단면의 4변형인, 인덴테이션을 형성하는 단부 부분에 의해 서로 연결된다.

바람직한 실시예에 따라, 인덴테이션은, 바닥 부분 위의 반응 챔버에 산소 반응 가스를 유입하기 위한 수단 및/또는 상기 반응 챔버에 연료를 도입하기 위한 수단 및/또는 상기 반응 챔버에서 일어나는 반응과 관련된 양을 측정하기 위한 적어도 하나의 센서를 포함한다.

일 실시예에 따라, 상기 적어도 두 개의 실질적으로 수직인 인덴팅 벽 부분은, 반응 챔버 쪽으로 연장되어 웨지형(wedge-like) 또는 삼각형 인덴테이션을 형성하도록, 측벽 평면의 수선으로부터 벗어나는 각을 이룬다. 웨지형 인덴테이션은 반응 챔버의 대향하는 측벽 위에서 서로 면하여 배열되고, 또한, 코너 표면(corner surface), 즉, 인덴팅 부분의 치수에 해당하는 경사 부분은 반응 챔버의 단부 코너로 배열되는 것이 바람직하다. 그래서, 8각형 수평 단면을 갖는 연속 영역에 의해 형성된 반응 챔버가 반응기에 형성된다. 이러한 반응 챔버는, 각각의 8각형 영역에서, 반응 가스용 입구(inlet)가 수직 중심축을 갖는 보텍스(vortex)의 생성을 촉진하도록, 인덴테이션을 통해 반응 가스를 공급하기 위한 입구를 구비하고 향하는 것이 바람직하다. 상기 인덴테이션은 반응 챔버에 반응 가스를 도입하기 위한 수단을 포함하여, 상기 수단이, 작동시 반응 챔버에서 수직 보텍스의 생성을 반응 가스의 도입이 촉진하는 측벽 평면에 대한 위치로 향하게 되는 것이 바람직하다.

인덴테이션(들)은 반응기의 두 개의 서로 마주하는 측벽에서 서로 면하여 배열되는 것이 바람직하다.

일 실시예에 따라, 본 발명은, 관류 유동층 반응기, 바람직하게는 관류 유동층 보일러에 관한 것으로, 이는, 바닥 부분과, 덮개 부분과, 상기 바닥 부분과 상기 덮개 부분 사이에 수직으로 뻗어서, 유동층 반응기의 반응 챔버를 형성하는 측벽(side wall)과, 상기 반응 챔버와 연결된 고체 분리기(solid separator)를 포함한다. 이러한 관류 유동층 반응기의 반응 챔버의 두 개의 서로 마주하는 측벽은 일반적으로 두 개의 다른 측벽보다 수평으로 더 길다. 그래서, 반응 챔버의 단면은 실질적으로 직사각형이다. 반응 챔버를 형성하는 측벽은, 관류 보일러의 증발 시스템의 부분이 되는 것으로 연결된 열 표면, 바람직하게는 수관 벽을 포함한다. 관류 유동층 보일러의 반응 챔버의 두 개의 서로 마주하는 보다 긴 측벽은 반응 챔버 쪽으로 뻗어있는 적어도 하나의 인덴테이션을 포함하고, 상기 인덴테이션은 실질적으로 측벽의 수직 길이 전체에 배열되어 있다.

증발시 유동층의 효과의 균형을 맞추기 위해, 반응 챔버의 내부 코너는 경사 부분을 구비하고, 상기 경사 부분은 인접한 측벽을 연결하고, 관류 보일러의 일반적인 증발 시스템에 상기 인접 측벽과 연결되어 있다. 경사 부분은 평면이고 측벽의 수직 길이 전체에 뻗어있는 것이 바람직하다.

반응 챔버의 서로 마주하는 측벽의 인덴테이션은 서로 마주하고, 이를 통해 적어도 두 개의 인접한 영역이 반응 챔버에 형성되는 것이 바람직하다. 반응 챔버의 각 영역의 각 내부 코너는 경사 부분을 포함하는 것이 유리하다. 그래서, 인덴테이션의 인덴팅 벽 부분의 반응 챔버 측면 상의 내부 코너는 또한 경사 부분을 구비한다.

본 발명의 다른 특징적인 특징은 첨부된 청구항과 도면의 실시예에 관한 다음 설명에서 명백하게 된다.

본 발명은, 대형의 고 효율 보일러를 더 잘 제조할 수 있도록 하는 유동층 반응기를 도입하여 종래 기술을 개선하는 효과를 갖는다.

본 발명은 첨부된 개략도를 참조하여 아래 기술된다.
도 1은, 본 발명에 따른 유동층 반응기의 실시예의 개략도.
도 2는, 방향(A)에서 도 1의 유동층 반응기의 개략도.
도 3은, 도 1의 섹션 II-II의 개략도.
도 4는, 방향(A)에서 본 발명에 따른 유동층 반응기의 다른 실시예의 개략도.
도 5는, 도 4의 개략적인 수평 단면도.
도 6은, 본 발명에 따른 유동층 반응기의 다른 실시예의 개략도.
도 7은, 도 6의 개략적인 수평 단면도.
도 8 내지 11은, 인덴테이션의 여러 실시예를 나타낸 도면.
도 12는, 본 발명의 실시예에 따른 유동층 반응기의 개략적인 단면도.
도 12a는, 도 12의 상세도 A.
도 13은, 인덴테이션의 다른 실시예의 개략도.
도 14는, 인덴테이션의 또 다른 실시예의 개략도.

도 1, 2, 3은 본 발명에 따른 유동층 반응기(10)(본 명세서에서는 순환 유동층 보일러)의 일 실시예를 개략적으로 예시한다. 순환 유동층 보일러(10)는, 바닥 부분(12)과, 덮개 부분(16)과, 상기 바닥 부분과 상기 덮개 부분 사이에 수직으로 뻗어있는 측벽(14)을 포함한다. 두 개의 서로 마주하는 측벽(14)기울어진 하부 부분을 포함한다. 유동층 반응기는 여러 부분과 요소를 포함하는데, 이들은 명료함을 위해 본 명세서에 예시되지 않는다. 도 2는 방향(A)에서 도 1의 유동층 반응기의 도면이고, 도 3은 도 1의 유동층 반응기의 수평 섹션 II-II을 예시한다. 명료함을 위해, 도 2와 3은 모두 고체 분리기(solid separator)를 도시하지 않는다.

바닥 부분과, 덮개 부분과, 측벽(14)은 반응 챔버(20)를 형성하고, 상기 반응 챔버는 반응기가 보일러인 경우에는 노(furnace)이다. 바닥 부분(12)은 또한 격자(grid)(25)를 포함하고, 상기 격자를 통해, 예를 들어, 유동 가스가 반응기에 유입된다. 순환 유동층 반응기는 고체 분리기(18)를 더 포함하고, 상기 고체 분리기는 전형적으로 사이클론 분리기(cyclone separator)이다. 고체 분리기는 가스 채널(22)에 의해 덮개 부분 근방에서 반응 챔버의 상부 부분에 연결되어, 반응 가스와 고체 재료의 혼합물은 상기 가스 채널을 따라 고체 분리기(18)로 흐를 수 있다. 고체 재료는 고체 분리기에서 가스로부터 분리되고, 이는 냉각과 같은 가능한 처리 후 반응 챔버(20), 즉 노로 다시 돌아간다. 따라서, 고체 분리기는 복귀 채널(24)을 통해 반응 챔버(20)의 하부 부분에 연결된다. 고체 재료가 분리된 가스는 가스 방출 연결(gas discharge connection)(26)을 통한 추가 처리를 위해 시스템에서 안내된다.

반응 챔버(20)는 본 명세서에서 네 개의 측벽(30.1, 30.2, 30.3, 30.4)으로 형성된다. 하나의 측벽(30.2)은 반응 챔버(20)에 대한 측벽(30.1)에 적어도 하나의 인덴테이션(34)을 형성한다. 인덴테이션은 실질적으로 수직이고, 측벽의 평면(32)으로부터 반응 챔버(20)를 향해 뻗는다. 인덴테이션은 반응 챔버에 대해 외부 공간을 형성한다. 인덴테이션을 형성하는 측벽은, 예를 들어, 인덴테이션이 바깥쪽으로 개방되어 있고, 즉, 인덴테이션이 외부로부터 접근 가능한 공간을 형성하고, 즉, 반응 챔버에 대해 벽의 대향 측면에 개방되어 있음을 의미한다. 예를 들어, 일정 공간에 보일러의 지지 구조를 배열하는 것이 가능하다. 이러한 인덴테이션은 상당히 측벽을 더욱 단단하게 하고, 또한, 예를 들어, 반응기의 보조 설비의 위치를 위한 것과 같이, 유동층 반응기의 작동을 위한 공간을 이용할 수 있도록 한다.

도 2에 예시된 바와 같이, 측벽(30.2) 및 인덴테이션을 형성하는 인덴팅 벽 부분(30.2')이, 예를 들어, 수관 벽의 냉각 구조(35)로 형성된다. 수관 벽의 구조는 이렇게 변할 수 있지만, 전형적으로는 관 및 이를 연결하는 핀(fin)으로 형성된 가스 밀페 구조를 포함한다. 냉각 구조로서, 인덴테이션은 노의 열 표면으로도 작용하여, 바깥쪽의 인덴테이션 개구로서, 본 발명에 따라 반응 챔버 쪽으로 연장하기 위해 측벽의 수관(水管)의 일 부분을 구부려서 단단한 측벽 구조를 형성하는 것과 동시에, 반응기의 열 표면의 양을 크게 증가시키는 것이 가능하다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 따른 인덴테이션을 사용하여 20%를 훨씬 더 초과하는 노의 열 표면을 형성한다. 특히 관류 보일러 연결에서, 수관 벽의 수평 연결 지점은, 수관 벽의 하부 부분과 상부 부분 모두에서, 실질적으로 동일한 높이에서, 인덴테이션과 측벽을 각각 형성하는 관에 있다.

인덴테이션(34)은 바닥 부분(16)과 덮개 부분(12) 사이에서 적어도 측벽의 길이 전체에 도 1과 2의 실시예에서 수직으로 뻗어있다. 인덴테이션은 경사 측벽과 격자의 접합부(junction)까지 연장되어, 인덴테이션은 격자를 덮지 않는다. 명료함을 위해, 도 1~3은 하나의 측벽에 하나의 인덴테이션만을 예시하지만, 예를 들어, 측벽의 수평 길이에 의해 인덴테이션의 개수가 결정되도록, 적어도 두 개의 서로 마주하는 측벽에 인덴테이션을 배열하는 것이 유리하다.

도 4와 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유동층 반응기(10)의 측면도와 평면도를 각각 예시한다. 고체 분리기(들)는 명료함을 위해 본 명세서에서는 또한 생략되었다. 두 개의 서로 마주하는 측벽(30.2, 30.4)은 양 측벽에 반응 챔버(20)까지 연장되어 있는 여러 개의 이덴테이션(34)을 형성한다. 서로 면한 인덴테이션은 서로 마주하는 벽에 배열되어 있다. 또한 여기에서, 인덴테이션(34)은 실질적으로 수직으로, 측벽의 평면(32)으로부터 반응 챔버(20)를 향해 뻗어있다. 인덴테이션은 바깥쪽으로 개방되고, 즉, 인덴테이션에 공간이 형성되고, 이는 반응 챔버(20)에 대한 벽의 마주한 측면에 개방된다. 실제로, 서로 수평 거리 내의 특정 수직선에서, 측벽(30.2)이 반응 챔버(20)의 중심부를 향한 방향의 변화 또는 굴곡부(bend)를 구비하여, 굴곡부나 방향의 변화 후 벽 표면이 실질적으로 대향하고 굴곡부나 방향의 변화 사이의 공간이 상기 인덴테이션을 형성하도록, 인덴테이션이 제공된다. 상기 벽 표면은 본 명세서에서 인덴팅 벽 부분이라 불린다.

도 4와 5는 유동층 반응기가 적어도 부분적으로 지지 구조(40)에 의해 지지되는 일 실시예를 예시한다. 지지 구조는 적어도 수직 컬럼(42)을 포함하고, 상기 수직 컬럼은 유동층 반응기 아래에 적어도 부분적으로 기초부(44)로 지지되도록 배열된다. 컬럼(42)은 적어도 부분적으로 수직 인덴테이션(34) 내에서 측벽의 평면(32)으로부터 배열된다. 이를 통해, 예를 들어, 컬럼 사이에서 지지 구조(40)의 수평 빔의 스팬(span)은 서로 마주하는 측벽의 평면(32) 사이의 거리보다 짧다. 유동층 반응기(10)는, 예를 들어, 행거 로드(hanger rod)(46)에 의해 지지 구조(40)로 지지될 수 있다. 인덴테이션의 강화 효과 때문에, 반응기는 독립적으로 하중을 운반하는 요소로서 인덴팅 벽 부분을 사용하여 또한 지지될 수 있다. 도면은 양쪽의 서로 마주하는 벽 상의 두 개의 인덴테이션을 예시하지만, 인덴테이션의 개수는 달라질 수 있음이 분명하다.

이러한 인덴테이션은 측벽을 상당히 더욱 단단하게 하고, 또한, 예를 들어, 유동층 반응기의 작동과 관련된 서로 다른 목적을 위해, 생성된 공간의 이용을 가능하게 한다.

도 4와 5에서, 두 개의 서로 마주하는 측벽(30.2와 30.4)은 다른 두 개의 서로 마주하는 벽(30.1과 30.3)보다 수평으로 더 길다. 특히, 측벽(30.2와 30.4)은 서로 일정 거리 내에서 하나를 초과하는 인덴테이션을 형성하는 것이 유리하다.

도 6과 7은 본 발명에 따른 또 다른 실시예를 예시한다. 상기 도면에서, 유동층 반응기의 두 개의 수평으로 더 긴 측벽(30.2와 30.4)은 차례대로 서로 면한 세 개의 인덴테이션을 형성한다. 인덴테이션은 웨지형이다. 보다 정확하게는, 인덴테이션을 형성하는 인덴팅 벽 부분(30.21, 30.22)은 평면이고 길이가 같다. 또한, 더 긴 벽(30.2, 30.4)과 더 짧은 벽(30.1, 30.3) 사이에서 각 코너(70)는 기울어져 있고, 즉, 경사 부분(30.5)이 형성되어 인덴테이션의 인덴팅 벽 부분의 수평 치수를 따른다. 상기 실시예에서, 경사 부분(30.5)은 수평 길이의 그 최대값에 있고, 최대 길이는 두 개의 경사 부분(30.5)의 길이와 이 사이에서 더 짧은 측벽(30.1과 30.3)의 길이가 같을 때 실현된다. 그래서, 8각형 수평 단면을 갖는 연속 영역(20')으로 이루어진 반응 챔버(20)가 형성된다.

이러한 반응 챔버는, 각각의 8각형 영역이 수직 중심축을 갖는 보텍스의 형성을 촉진하도록 향한 인덴팅 부분을 통해 반응 가스(보일러 용도에서 산소 연소 가스)용 입구를 구비하는 것이 바람직하다. 상기 인덴팅 부분은, 반응 가스의 도입이 작동시 반응 챔버의 각 영역(20')에서 수직 보텍스 운동(73)의 생성을 촉진하도록, 반응 가스를 반응 챔버에 도입하기 위한 수단(72)을 포함하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 반응 가스를, 다음 코너 표면 및/또는 인덴팅 벽 부분(30.21, 30.22)에 연결된 영역(20')에 도입하기 위한 수단(72)은 전진하여 향하는 것이, 예를 들어, 인접한 측벽 또는 두 영역 사이의 경계와 대략 정렬되는 것이 바람직하다. 다음으로, 두 개의 인접한 영역 사이의 경계에서 동일한 방향(73) 또는 이와 반대 방향(73, 73') 중 한 방향으로 회전하는 두 개의 인접 영역 보텍스로 형성되는 것이 가능하다. 도 6과 7에 예시된 반응기는, 반응기의 각 영역이 상기 도면에 도시된 바와 같이 독립된 격자를 갖거나, 각각의 두 영역 사이의 경사진 벽 부분이 상기 영역을 연결하는 벽으로 대체될 수 있어서, 반응기가 연속적인 격자를 갖도록, 형성될 수 있다.

도 7은 또한 본 발명의 또 다른 실시예를 예시하는데, 상기 도면에서 측벽의 수직 인덴테이션(34)은 상기 인덴테이션(34) 내에 적어도 부분적으로 배열된 반응 챔버와 컬럼(42)에 반응 가스를 도입하기 위한 양쪽 수단(72)을 포함한다.

특히, 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유동층 반응기는, 보일러의 노(20)에 대해서 상기 측벽 외부에 적어도 하나의 인덴테이션(34)을 형성하는 반응 챔버의 적어도 하나의 측벽(30.2)을 구비한 보일러로서, 상기 인덴테이션은 실질적으로 수직이고, 상기 측벽의 평면(32)으로부터 반응 챔버를 향해 뻗어있다. 또한, 인덴테이션의 하부 부분(L)은 산소 가스를 도입하기 위한 수단(21)을 구비한다. 상기 하부 부분은 경사진 측벽 위의 특정 거리에, 바람직하게는 측벽의 수직 길이의 1/3에 수직으로 연장할 수 있다. 또한, 상기 실시예에서, 인덴테이션의 하부 부분(L) 위에서 반응기의 중간 및/또는 상부 부분에 배열된 공정과 관련된 양을 측정하는 측정 수단(23)이 존재한다. 밖을 향한 인덴테이션 개구에 대한 측정 수단의 배열과 가스의 도입 모두는 효율적이지만, 이들의 유지보수가 간단하기 때문에, 유용성에 관해서도 또한 간단하고 유리하다.

도 8은 도 2와 3의 인덴테이션(34)의 보다 상세한 예시이다. 인덴테이션은, 측벽의 평면으로부터 반응 챔버를 향해 돌출한 측벽(30.2)의 일 부분으로 형성된다. 측벽의 상기 부분은, 일정 거리(31) 내의 수직선(30.25)에서 측벽의 평면으로부터 서로 벗어나 있는 적어도 두 개의 실질적으로 수직인 인덴팅 벽 부분(30.21, 30.22)을 포함한다. 이러한 방식으로, 인덴테이션은 바깥쪽으로 개방되어 있고, 예를 들어, 유지보수를 위해 상기 인덴테이션 내부에 접근하는 것이 용이하다. 거리(31)는 실제 적어도 1m인 것이 바람직하다. 또한, 상기 적어도 두 개의 실질적으로 수직인 인덴팅 벽 부분(30.21, 30.22)은, 상기 수직선(30.25) 사이의 거리(31)의 적어도 두 배인 거리(35)에 대해 반응 챔버(20) 쪽으로 연장된 것이 바람직하다.

인덴팅 벽 부분은 상기 실시예에서 또한 평면인 단부 부분(30.23)에 의해 서로 연결된다. 인덴팅 벽 부분(30.21, 30.22)은 측벽의 평면(32)에 실질적으로 수직이고, 이에 의해 형성하는 인덴테이션은 실질적으로 직사각형일 것이다. 또한, 상기 실시예에서, 인덴팅 벽 부분과 단부 부분은 모두 측벽으로 형성되고, 즉, 이들은 동일한 수관 벽의 부분이다.

도 9 내지 11은 인덴테이션(34)의 서로 다른 실시예를 예시한다. 도 9에 예시된 실시예는, 단부 부분(30.23)이 수직선(30.25) 사이의 거리(31)보다 수평으로 더 짧도록, 도 8의 실시예와 서로 다르다.

도 10은 도 8의 실시예와 다른 실시예를 예시하는데, 상기 실시예에서 평면의 인덴팅 벽 부분이 서로 연결되어 웨지형 인덴테이션을 형성하고, 상기 웨지형 인덴테이션은 인덴테이션에 삼각형 공간을 형성한다. 그래서, 동시에, 오른쪽 각보다 더 큰 각이 반응 챔버의 측면 위의 수직선(30.25)에 형성된다.

도 11은 도 8에 예시된 것과 다른 방식으로 해당하는 인덴테이션(34)의 일 실시예를 예시하는데, 단, 인덴팅 벽 부분(30.21, 30.22)의 방향이 수직선에서 한정되지는 않지만, 두 개의 개별 굴곡부(bend)를 포함하는 편향 위치(30.25)가 실질적으로 수직 각도를 함께 형성하는 동일한 각도를 갖는다는 점을 제외한다. 이는 또한 짧은 평면의 중간 부분(30.5)에 의해 제공된 일종의 라운딩(rounding)으로 간주될 수 있다. 중간 부분은 본 출원의 다른 부분에서, 평면 중간 부분을 가리키는 경사 부분이라고도 불린다. 짧은 평면 중간 부분, 즉 경사 부분을 사용하면, 노의 코너에 의해 일어나는 조건의 변동이 줄어들고, 이는, 노의 서로 다른 부분의 증발에서 최대한의 균일성이 요구되는 관류 보일러에서 특히 중요하다.

도 12는, 바람직하게 관류 유동층 보일러를 기재하는 본 발명의 일 실시예에 따른 관류 유동층 반응기(10)의 단면을 도시하고, 상기 관류 유동층 보일러는, 바닥 부분(12)과, 덮개 부분(미도시)과, 상기 바닥 부분과 상기 덮개 부분 사이에 수직으로 뻗어서 유동층 반응기의 반응 챔버(20)를 형성하는 측벽(30.1, 30.2, 30.3, 30.4)을 포함한다. 반응 챔버의 두 개의 서로 마주하는 측벽(30.2, 30.4)은 반응 챔버의 두 개의 다른 서로 마주하는 측벽(30.1, 30.3)보다 수평으로 더 길다. 그래서, 반응 챔버는 실질적으로 직사각형 단면을 갖는다. 반응 챔버를 형성하는 측벽은 열 표면, 바람직하게는 평행한 연결 증기관을 구비한 수관을 포함하여, 관류 보일러의 증발 시스템의 일부를 형성한다. 바람직한 실싱예에 따라서, 증발관은 매끄러운 내부 표면을 갖는 것이 바람직하다. 증발에 대한 유동층의 효과를 최소화하기 위해서, 반응 챔버(20)의 내부 코너는 경사 부분(30.5)을 구비하고, 상기 경사 부분은 인접한 측벽을 연결하고, 관류 보일러의 동일한 증발 시스템으로 인접한 벽과 연결된다. 경사 부분은 평면인 것이 바람직하고 벽의 수직 길이를 통해 뻗어있다.

도 12의 상세도(A)는 도 12a에 보다 상세히 기재되어 있다. 도 12의 상세도(A)는 본 발명의 경사 부분(30.5)의 바람직한 실시예(30.5')를 예시한다. 측벽의 평면의 교차 지점(30.57)으로부터 경사 부분(30.5')의 접힘 지점(folding point)(30.55)의 거리는 본 발명에 따라 최소 거리(30.51)부터 최대 거리(30.52)까지 변할 수 있다. 최소 거리는 약 150mm이고, 최대 거리는 약 500mm이다. 도 12a에서 두껍고 연속적인 선은 바람직한 실시예를 예시하는데, 상기 실시예에서, 접힘 지점은 측벽의 평면의 교차 지점으로부터약 350mm의 거리에서 양 측벽(30.3, 30.4)에 있어서, 경사 부분의 폭은 약 500mm이다. 일부 실시예에서, 측벽의 평면의 교차 지점으로부터 서로 다른 거리로 두 개의 측벽 상에 접힘 지점을 배열하는 것이 가능하다.

반응 챔버(20)의 두 개의 서로 마주하고, 더 긴 측벽은 적어도 하나의 실질적으로 수직인 인덴테이션(34)을 포함하고, 이는 측벽 평면으로부터 반응 챔버로 뻗어있고, 상기 인덴테이션의 측벽의 반응 챔버 측면에서 내부 각도는 경사 부분(30.5)을 구비한다. 인덴테이션은 서로 마주하는 측벽에서 서로 면하는 것이 바람직하여, 적어도 두 개의 인접한 영역(20')이 반응 챔버에 형성되고, 영역에 의해 형성된 반응 챔버의 각 부분은 모든 내부 각도에서 경사 부분을 포함한다. 영역은 반응기에서 공통 격자(25)를 포함한다. 그래서, 인접한 증발관에 대한 유동층의 효과는 매우 균일하게 될 것이고, 관류 보일러의 증발 공정은 기존보다 더 잘 제어될 수 있다.

도 13은 본 발명에 따른 관류 유동층 보일러(10)의 인덴테이션(34)의 일 실시예를 예시한다. 상기 인덴테이션을 형성하는 인덴팅 벽 부분(30.21, 30.22)은 평면이고, 수관 벽 구조(130)로 형성된다. 인덴테이션을 형성하는 인덴팅 벽 부분의 수관은 평면이고, 수관 구조(134)로 형성된다. 인덴팅 벽 부분의 수관의 상부 부분은 수직이고, 상기 상부 부분은, 경사 부분과 평행하게 되도록 측벽으로부터 평면을 실행하도록 구부러지고 바닥 부분(12)까지 아래로 연장된다. 인덴팅 벽 부분(30.21, 30.22)은 두 개의 수관 그룹(132, 134)으로 이루어지고, 이 중 제 1 수관 그룹(132)이 측벽과 연결되어 배열되고, 제 2 수관 그룹(134)은 제 1 수관 그룹의 연장부로서 배열되어 반응기의 벽으로부터 멀리 평면으로 연장된다. 제 1 수관 그룹(132)의 관은 격자 평면까지 아래로 측벽과 실질적으로 평행하도록 구부러진다. 제 2 수관 그룹(134)의 관은 또한 상기 제 2 수관 그룹이 바닥 부분(12)의 격자 높이에 있을 때 상기 제 1 수관 그룹의 측면에 의해 접히도록, 구부러질 때까지 측벽과 실질적으로 평행하게 되도록 배열된다. 상기 도면에서, 도면번호(135)는 수관 그룹이 실질적으로 중첩되는 영역을 가리킨다. 인덴테이션의 단부 부분(30.23)은 상부 부분으로부터 바닥 부분(12)의 격자 높이까지 직접 진행하도록 배열되었다. 상기 실시예에서, 제 2 수관 그룹(134)은 도면번호(137)로 표시된 영역에서 유동층의 영향을 완전하게 받고, 즉 양측으로부터 수관으로 열이 전달된다. 특히, 관류 유동층 보일러에 상기 실시예가 사용되면, 상기 제 2 수관 그룹(134)의 한 면은 영역(137)에 단열용 내화층을 구비하는 것이 바람직하고, 즉, 한 면은 충분한 양의 단열 코팅으로 코팅된다. 이러한 식으로, 상기 제 1 및 제 2 평행 수관 그룹에 대한 유동층 및 연소 공정의 효과는, 열 전달이 아주 충분히 서로 상응하도록 균형을 이룰 수 있다. 그래서, 관류 보일러의 수관 벽의 구조에 대한 불균일한 열 전달에 의해 일어나는 응력이 최소화될 것이다.

도 14에는 본 발명에 따른 관류 유동층 보일러(10)의 인덴테이션(34)의 다른 실시예를 기재되어 있다. 인덴팅 벽 부분(30.21, 30.22)은 또한 상기 도면에서 평면이고 수관 구조(130)로 형성되어 있다. 인덴팅 벽 부분의 수관은 도 13에 도시된 방식으로 배열되어 있다. 인덴테이션의 단부 부분(30.23)은, 인덴팅 벽 부분의 제 2 수관 그룹(134)의 외부 에지와 정렬되어 인덴테이션(34)을 가스 밀폐 형성하는 제 2 수관 그룹에 연결되는 방식으로 진행하도록 배열된다. 단부 부분이 이러한 방식으로 배열되면, 제 2 수관 그룹(134)은 도 13에 도시된 영역(135)의 단부 부분 뒤에 남아있고, 이에 따라 상기 영역에서 노(furnace)와 직접 연결되지 않는다.

첨부된 도면에는 도시되지 않은 제 3 대안은, 인덴테이션의 양쪽 인덴팅 벽 부분의 모든 관(tube)이 평행하게 격자까지 연장되고, 상기 인덴테이션의 단부 부분이 이에 해당하여 외부 수관 그룹의 외부 에지와 평행하게 격자까지 연장되는 것이다. 상기 대안에서, 각 관에 대한 열 전달은 전체 길이에서 거의 동일하다. 이점에서의 단점은, 인덴테이션이 도 13과 14에 기재된 대안에서보다 격자 영역에서 더욱 깊이 연장되어, 격자의 표면 영역을 줄인다는 점이다.

본 발명은 본 명세서에서 약간의 가장 바람직한 실시예를 통해 기술되었음에 주의해야 한다. 그래서, 본 발명은 기재된 실시예에 제한되지 않고, 첨부된 청구항에 한정된 바와 같이 본 발명의 범위 내에 포함된 그 특징과 여러 다른 용도의 여러 가지 조합이나 변형예를 포함하는 것으로 의도된다고 이해해야 한다. 서로 다른 실시예와 관련하여 예시된 특징은 다른 실시예와 관련되고/관련되거나 서로 다른 조합으로 결합되어 (이렇게 요구되고 이들이 존재하기 위한 기술적인 가능성이라면) 본 발명의 기본 개념 내에서 또한 활용될 수 있다.

Claims (15)

1. 유동층 반응기(fluidized bed reactor)(10)로서,
   바닥 부분(bottom portion)(12)과, 덮개 부분(roof portion)(16)과, 상기 바닥 부분과 상기 덮개 부분 사이에 수직으로 뻗어서, 상기 유동층 반응기의 반응 챔버(20)를 형성하는 측벽(side wall)(14)을 포함하는, 유동층 반응기(10)에 있어서,
   상기 반응 챔버의 적어도 하나의 측벽(30.1)은 상기 반응 챔버(20)에 적어도 하나의 수직 인덴테이션(indentation)(34)을 형성하고, 상기 인덴테이션은 상기 측벽의 평면(32)으로부터 상기 반응 챔버를 향해 뻗어있고, 상기 인덴테이션은 상기 측벽의 평면으로부터 상기 반응 챔버를 향해 돌출한 상기 측벽의 일 부분으로 형성되어 있고 서로 적어도 1m의 거리 내에서 수직선에서 상기 측벽의 평면으로부터 벗어나 있는 적어도 두 개의 수직 인덴팅 벽 부분(indenting wall portion)을 포함하며, 상기 적어도 두 개의 수직 인덴팅 벽 부분의 상기 반응 챔버 상의 에지(edge)는 단부 부분(30.23)에 의해 서로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는, 유동층 반응기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 인덴테이션은 상기 바닥 부분과 상기 덮개 부분 사이에서 상기 측벽의 길이 전체를 통해 수직으로 뻗어있는 것을 특징으로 하는, 유동층 반응기.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 측벽과 상기 적어도 하나의 인덴테이션은 수관 벽(water tube wall)으로 형성되고, 상기 수관 벽으로 상기 반응 챔버로부터 열이 전달될 수 있는 것을 특징으로 하는, 유동층 반응기.
4. 제 1항에 있어서, 상기 반응 챔버의 두 개의 서로 마주하는 측벽(30.2, 30.4)은 상기 측벽의 평면으로부터 상기 반응 챔버를 향해 뻗어있는 적어도 하나의 수직 인덴테이션을 포함하는 것을 특징으로 하는, 유동층 반응기.
5. 제 4항에 있어서, 상기 반응 챔버의 상기 두 개의 서로 마주하는 측벽(30.2, 30.4)은 상기 반응 챔버의 다른 두 개의 서로 마주하는 측벽(30.1, 30.3)보다 수평으로 더 긴 것을 특징으로 하는, 유동층 반응기.
6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서, 상기 유동층 반응기는 지지 구조(40)를 통해 적어도 부분적으로 지지되고, 상기 지지 구조는 적어도 부분적으로 상기 유동층 반응기 아래에서 기초부(foundation)(44)에 의해 지지된 수직 컬럼(vertical column)(42)을 포함하고, 상기 컬럼(42)은 적어도 부분적으로 상기 수직 인덴테이션(34) 내에 배열되어 있는 것을 특징으로 하는, 유동층 반응기.
7. 제 1항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 수직 인덴팅 벽 부분은, 상기 수직선 사이의 거리의 적어도 두 배인 거리에 대해 상기 반응 챔버를 향해 뻗어있는 것을 특징으로 하는, 유동층 반응기.
8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 인덴테이션은 상기 바닥 부분 위의 상기 반응 챔버에 산소 반응 가스를 도입하기 위한 수단 및/또는 상기 반응 챔버에 연료를 도입하기 위한 수단 및/또는 상기 반응 챔버에서 일어나는 반응과 관련된 양을 측정하기 위한 적어도 하나의 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는, 유동층 반응기.
9. 제 1항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 수직 인덴팅 벽 부분은 평면인 것을 특징으로 하는, 유동층 반응기.
10. 제 9항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 수직 인덴팅 벽 부분은, 상기 반응 챔버 쪽으로 연장되어 삼각형 또는 웨지형(wedge-shaped) 인덴테이션을 형성하도록, 상기 측벽 평면의 수선으로부터 벗어나는 각을 이루는 것을 특징으로 하는, 유동층 반응기.
11. 제 5항 또는 제 10항에 있어서, 서로 면하는 두 개의 인덴테이션은 상기 반응 챔버의 두 개의 서로 마주하는 측벽 위에 배열되어 있는 것을 특징으로 하는, 유동층 반응기.
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