KR101297066B1 - 내부 연도 가스 재순환을 갖는 노 시스템 - Google Patents

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Abstract

출구 단부(19)와, 상기 연소 용기에 의해 형성된 내부 영역(14)으로 연장되는 적어도 하나의 개구부(20, 22)를 갖는 연소 용기(12)를 포함하는 노 시스템(10). 노 시스템(10)은 출구 단부(19)에 연결되어 내부 영역과 유체 소통하는 연도 도관(42)을 포함한다. 재순환 도관(55)은 연도 도관(42)으로부터 하나 이상의 개구부(20, 22)로 연장되고 그리고 연도 도관(42)과 내부 영역(14) 사이에 유체 소통을 제공한다.

Description

내부 연도 가스 재순환을 갖는 노 시스템{A furnace system with internal flue gas recirculation}
본원은 2008년 6월 25일자 출원된 미국 가출원 번호 61/075,451호 및 2009년 6월 24일자 출원된 확정적인(non-provisional) 미국 출원번호 12/490,818호의 이득을 청구하며, 상기 출원들의 내용은 그 전체가 본원에 참고로 합체되어 있다.
본 발명은 보통 화석연료 연소로 시스템에 관한 것이고, 특히 내부 연도 가스 재순환 시스템을 갖는 옥시퓨얼(oxyfuel) 연소로 시스템에 관한 것이다.
증기 발생기(또한 보일러 또는 노라고 함)는 다양한 시스템들에서 사용되고 있다. 예를 들어, 보일러는 전기 터빈에서 그리고 화학 반응을 초래하기 위해 에너지를 공급하기 위한 화학 공정에서 사용하기 위한 증기를 생산하는데 사용될 수 있다. 보일러에서 사용된 연소 공정은 종종 석탄 또는 오일과 같은 화석 연료를 사용한다. 대체로, 연소 공정 중에는 미연소 연료, 미립자, 재, 질산화물 및 다른 연소 부산물과 같은 오염물질이 발생된다. 이러한 오염물질이 충분한 양으로 대기로 들어가도록 허용되면, 환경에 치명적인 영향을 주고 사람과 동물에 대해 건강 장해를 제기할 수 있다.
대체로, 연소 공정 중에는 미연소 연료, 미립자, 재, 질산화물 및 다른 연소 부산물과 같은 오염물질이 발생된다. 이러한 오염물질이 충분한 양으로 대기로 들어가도록 허용되면, 환경에 치명적인 영향을 주고 사람과 동물에 대해 건강 장해를 제기할 수 있다.
본원에 예시된 양상에 따라, 연소 용기를 포함하는 노 시스템이 제공된다. 연도 도관(duct)은 연소 용기의 출구 단부에 연결되고 이 연소 용기에 의해 형성된 내부 영역과 유체 소통한다. 또한 재순환 도관은 노 시스템의 일부를 형성하고 연도 도관으로부터 외향으로 연장되고, 연도 도관과 연소 용기의 내부 영역 사이에 유체 소통을 제공한다.
본원에 설명된 다른 양상에 따라, 운송 디바이스는 제어기로부터 나오는 지령에 반응하여 하나 이상의 유체들을 상기 재순환 도관을 통해 상기 내부 영역으로 용이하게 흐르도록 하기 위해 상기 재순환 도관내에 적어도 부분적으로 배치된다. 운송 디바이스는 산소, 증기, 연도 가스 또는 이들의 혼합물(그러나 이들로 제한하지 않음)과 같은 유체를 연소 용기에 의해 형성된 내부 영역으로 운송하기 위해 이덕터(eductor)를 포함할 수 있다.
상술한 특징들 및 다른 특징들은 아래 도면들 및 상세한 설명에서 예증된다.
이제 실시예에서 유사한 요소들이 유사한 부호를 갖는 도면들을 참고한다.
도 1은 본원의 설명에 따라 노 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2는 이덕터 형식의 운송 디바이스를 갖는 도 1의 노 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 3은 도 1의 노 시스템의 일부를 개략적으로 예시하고 팬(fan) 형식의 운송 디바이스를 도시한다.
도 4는 접선방향 연소 형태를 보여주는 도 1의 노 시스템의 횡단면도.
도 1에 도시된 바와 같이, 전체적으로 참고부호 10으로 지칭된 노 시스템은 내부 영역(14)을 형성하는 연소 용기(12)를 포함한다. 연소 용기(12)는 또한 그 단부(16)의 하부에서 호퍼(18)를 형성한다. 대체로 호퍼(18)와 대향측에서, 연소 용기(12)는, 작동 중에 연도 가스들(FG)을 연소 용기 밖으로 운송하는 관(conduit)(19)을 형성한다. 도시된 실시예에서, 연소 용기(12)는 또한 내부 영역(14)으로 개방되어 있는 제1 및 제2 개구부(aperture)(20, 22)를 포함한다.
여전히 도 1을 참고하면, 매니폴드(manifold)(24) 또는 바람상자는 연소 용기(12)에 연결되고 내부 영역(14)과 유체 소통한다. 매니폴드(24)는 내부를 향하는 구멍(opening)(26)과 외부를 향하는 2개의 구멍(28, 30)을 갖는다. 도시된 실시예에서, 매니폴드(24)는 연소 용기(12)의 일부 둘레를 감고 있다. 덧붙여, 내부를 향하는 구멍(26)에 인접한 매니폴드(24)의 부분은 연소 용기(12)의 외측면(32)의 일부분과 밀봉 결합한다. 매니폴드(24)의 부분들은, 상기 매니폴드에 의해 형성된 내부 영역(34)이 연소 용기(12)의 내부 영역(14)과 유체 소통하도록, 제1 및 제2 개구부(20, 22) 중 적어도 하나 위에 배치된다.
연소 용기(12)의 내부 영역(14)은 또한 연도 가스(FG)의 흐름을 용이하게 통과시키기 위해 연도 도관(42)과 유체 소통한다. 유사한 방법으로, 연도 도관(44)은 연도 도관(42)뿐만 아니라 제2 호퍼 섹션(46)과 유체 소통한다. 제1 열교환기, 예를 들어 절약장치(economizer)(45)는 연도 도관(44) 내에 배치되어 이 연도 도관과 유체 소통한다. 작동 중에, 절약장치(45)는 이를 통해 흐르는 연도 가스(FG)를 냉각한다. 공기 예열기와 같은 제2 열교환기(50)는 연도 도관(44)의 하류에 배치되고 도시된 실시예에서 관(48)을 경유하여 연도 도관(44)과 유체 소통한다. 제2 관(52)은 연도 도관(44)과 매니폴드(24) 사이에서 연장되며 유체 소통시킨다. 제2 관(52)은 연도 도관(44)으로부터 절약장치(45)의 출구 하류로 연장된다.
절약장치(45)가 연도 가스(FG)를 냉각하기 위한 하나의 잠재적 수단인 것으로 설명되어 있지만, 다른 열교환기 수단, 즉 초임계 증기 패널(ultra critical steam panel), 증기 가열 수단, 증기 생성 수단 및 본원에 설명된 넓은 양태를 벗어나지 않고 이들의 조합이 사용될 수 있으며 이들로 제한하지 않는다.
제2 관(52) 및 매니폴드(24)는 상호작용하여 재순환 도관(55)을 형성하고, 이 재순환 도관(55)은 연도 도관(44)과 연소 용기(12)의 내부 영역(14) 사이에 유체 소통을 제공한다. 제2 관(52)은 노 시스템(10)의 초기 제작 과정에서 설치될 수 있고 또는 초기 제작 후에 개장(retrofit) 작업 중에 설치될 수 있다. 또한 노 시스템(10)은 제2 열교환기(50)와 유체 소통하며 제2 열교환기의 하류에 배치된 오염 제어 시스템(54)을 포함한다.
도 2의 노 시스템은 도 1에 도시된 시스템과 유사하며, 따라서 유사한 요소들은 부호 1을 앞에 붙인 동일한 부호들이 할당되어 있다. 이에 따라서 대체로 참고부호 110으로 지칭된 노 시스템은 내부 영역(114)을 형성하는 연소 용기(112)를 포함한다. 연소 용기(112)는 내부 영역(114)으로 개방되어 있는 제1 및 제2 개구부(120, 122)를 포함한다. 매니폴드(124) 또는 바람상자는 연소 용기(112)에 연결되고 내부 영역(114)과 유체 소통한다. 매니폴드(124)는, 상기 매니폴드에 의해 형성된 내부 영역(134)이 연소 용기(112)의 내부 영역(114)과 유체 소통하도록, 제1 및 제2 개구부(120, 122) 중 적어도 하나 위에 배치된다.
연소 용기(112)의 내부 영역(114)은 연도 가스(FG)의 흐름을 용이하게 통과시키기 위해 연도 도관(142)과 유체 소통한다. 유사한 방법으로, 연도 도관(144)은 연도 도관(142)과 유체 소통한다. 제1 열교환기, 예를 들어 절약장치(145)는 연도 도관(144) 내에 배치되어 이 연도 도관과 유체 소통한다. 제2 관(152)은 연도 도관(144)과 매니폴드(124) 사이에서 연장되며 유체 소통시킨다. 제2 관(152)은 연도 도관(144)으로부터 절약장치(145)의 출구 하류로 연장된다. 공기 예열기와 같은 제2 열교환기(150)는 연도 도관(144)의 하류에 배치되고 도시된 실시예에서 관(148)을 경유하여 연도 도관(144)과 유체 소통한다. 제2 관(152) 및 매니폴드(124)는 상호작용하여 재순환 도관(155)을 형성하고, 이 재순환 도관(155)은 연도 도관(144)과 연소 용기(112)의 내부 영역(114) 사이에 유체 소통을 제공한다. 또한 노 시스템(110)은 제2 열교환기(150)와 유체 소통하며 제2 열교환기의 하류에 배치된 오염 제어 시스템(154)을 포함한다.
여전히 도 2를 참고하면, 이덕터(156)는 제어기(178), 즉 컴퓨터 또는 프로그램가능 논리 제어기(이것으로 제한하지 않음)와 같은 제어기로부터 나온 지령들, 예를 들어 연소 용기 온도 조절, 증기 생산 및/또는 증기 매개변수 측정치에 관한 지령 신호에 반응하여 하나 이상의 유체의 흐름이 연소 용기(112)의 내부 영역(114)으로 용이하게 흐르도록 하기 위해 제2 관(152)내에 배치된다. 산소와 같은 운동유체는 이덕터(156)의 중앙부와 같은 부분(158)으로 예정된 압력(예로서 5 내지 50 psig)에서 공급된다. 화살표 A로 나타나 있는 공기 흐름은 공기 분리 유닛(160)으로 흘러 들어가며, 이 공기 분리 유닛은 공기로부터 질소를 분리시키고 산소를 적절한 배관(162)을 경유하여 이덕터(156)로 공급한다. 가능하면 노즐에 의하여 이덕터의 중앙부(158)로 들어가는 가압 산소의 흐름은 연도 가스(FG)를 이덕터(156)의 입구(164)내로 들어가게 하고, 이덕터의 출구(166)를 통해 산소와 함께 매니폴드(124)의 내부 영역(134)으로 배출되며 또한 연소 용기(112)의 내부 영역(114)으로 배출된다.
공기 분리 유닛(160)이 이덕터(156)로 산소를 공급하는 것으로 도시되고 설명되어 있지만, 산소를 공급하는 다른 수단, 즉 공기 분리 유닛에 추가하여 또는 이것 대신에 산소 탱크 및/또는 실린더와 같은 산소 소스들을 포함하지만 이것으로 제한하지 않는 다른 수단이 채용될 수 있다는 것도 고려한다.
연도 가스(FG)의 일부를 연소 용기(112)로 재순환하는 것은 예정된 범위 내에서 노 온도들 및 증기 상태를 조절하는 데에 도움이 되고, 연소 용기를 통해 가스의 더 많은 질량 유동을 허용한다. 덧붙여, 연도 가스(FG)를 연소 용기로 재순환하는 것은 연도 도관(144)의 하류로 흐르는 연도 가스의 전체적인 질량 유동률을 감소시킨다. 연소 용기(112)로의 산소[또는 어떤 저질소(low nitrogen) 유체]의 도입은 오염물질을 감소시키고, 연소 용기(112)로의 연도 가스(FG)의 재순환은 오염 제어 시스템(154)에 의하여 처리되어야 할 연도 가스(FG)의 질량 유동률을 감소시키고, 따라서 더 작고 저렴한 제2 열교환기들(150) 및 오염 제어 시스템들이 채용될 수 있다.
비록 산소가 이덕터(156)에서 사용하기 위한 운동유체로서 설명되어 있지만, 다른 유체들 즉, 증기, 연도 가스, 오염 제어 시스템(154)에 의해 가공된 연도 가스 또는 이들의 혼합물을 포함하는 다른 유체를 사용할 수 있고 이것으로 제한하지 않는다. 이덕터(156)가 산소 및 연도 가스(FG)를 연소 용기(112)내로 배출하기 위해 제2 관(152)내에 배치되어 있는 것으로서 도시되고 설명되어 있는 반면에, 아래에 설명되어 있는 도 3에 도시된 바와 같은 압축기, 팬 또는 송풍기(blower)를 포함하여, 연도 가스를 연소 용기로 운송하는 다른 디바이스들도 사용될 수 있으며 이것으로 제한하지 않는다. 비록 이덕터(156)가 제2 관(152)내에 배치되어 있는 것으로서 도시되고 설명되어 있지만, 이덕터의 부분들이 제2 관 외부로, 예를 들어 매니폴드(124)내로, 연도 도관(144)내로 연장되거나 및/또는 제2 관 외부에 있는 외부 영역(159) 내로 들어갈 수 있다는 것도 고려한다.
도 3의 노 시스템은 도 1에 도시된 시스템과 유사하며, 따라서 유사한 요소들은 부호 2를 앞에 붙인 동일한 부호들이 할당되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 노 시스템(210)은 연도 가스(FG)를 연도 도관(244)으로부터 연소 용기(212)의 내부 영역(214)으로 운송하기 위해 제2 관(252)내에 배치된 팬(270)을 포함한다. 팬(270)은 제어기(278), 즉 컴퓨터 또는 프로그램가능 논리 제어기(이것으로 제한하지 않음)와 같은 제어기로부터 나온 지령 신호, 예를 들어 연소 용기 온도 조절, 증기 생산 및/또는 증기 매개변수 측정치에 관한 지령 신호에 반응하여 팬을 작동시키는 구동유닛(도시 안 됨)에 연결된다.
팬(270)이 연도 가스(FG)를 연도 도관(244)으로부터 연소 용기(212)로 운송하기 위한 것으로서 도시되고 설명되어 있는 반면에, 송풍기 또는 압축기(이것으로 제한하지 않음)와 같은 다른 디바이스들이 본원에 설명된 넓은 양태에서 벗어나지 않고 채용될 수 있다. 비록 팬(270)이 제2 관(252)내에 배치되는 것으로서 도시되고 설명되어 있지만, 팬의 부분들 및/또는 구동유닛의 부분들이 제2 관 외부로, 예를 들어 매니폴드(224)내로, 연도 도관(144)내로 연장되거나 및/또는 제2 관 외부에 있는 외부 영역(159) 내로 들어갈 수 있다는 것도 고려한다.
도 4의 노 시스템은 도 1에 도시된 시스템과 유사하며, 따라서 유사한 요소들은 부호 3을 앞에 붙인 동일한 부호들이 할당되어 있다. 도 4를 참고하면, 접선방향 연소로(310)는 내부 영역(314)을 갖는 연소 용기(312)를 포함한다. 연소 용기(312)는 이를 관통하는 4개의 개구부(320, 321, 322, 323)를 갖는 것으로 도시되어 있다. 랜스(380, 381, 382, 383)는 개구부(320, 321, 322, 323)들 중 각자의 개구부에 배치되고, 연소 용기(312)의 각자의 인접한 부분으로부터 측정된 예정된 각(T)으로 향하고 있다. 각(T)은 산소와 같은 유체와 연료가 랜스를 통과하여 화살표 R로 도시된 바와 같이 내부 영역(314)내에서 회전하도록 만들기 위한 예정된 크기, 예로서 예각이다. 랜스들(380, 381, 382, 383)은 연소 공정의 향상된 제어를 위해 연소실(312)의 내부 영역(336)으로 연장된다. 랜스들(380, 381, 382, 383)이 개구부(320, 321, 322, 323)들 중 각자의 개구부에 배치되고, 연소 용기(312)의 각자의 인접한 부분으로부터 측정된 예정된 각(T)으로 향하고 있는 것으로서 도시되고 설명되어 있는 반면에, 노즐들이 대체되거나 또는 랜스들의 말단부상에 배치될 수 있다는 것도 고려한다.
다시 도 2를 참고하면, 작동 중에 분쇄탄과 같은 연료(F)는 구멍(128)을 통해 매니폴드(124)의 내부 영역(134)으로 그리고 연소를 개시하기 위해 연소 용기(112)의 내부 영역(114)으로 운송된다. 연료(F)는 산소와 같은 연소 유체와 함께 매니폴드(24) 내로 송풍될 수 있다. 연소의 결과, 연도 가스(FG)는 연소 용기(112)의 관 단부(119)에서 배출되어 연도 도관들(142, 144) 각각을 통과하여 제2 열교환기(150) 및 가공하기 위한 오염 제어유닛(154)으로 흐른다. 연도 가스(FG)의 일부는 이덕터(156)의 작동에 의하여 제2 관(152)을 통해 연소 용기(112)로 재순환된다. 이덕터(156)는 제어기(178)로부터 발생된 지령 신호, 예로서 연소 용기 온도 조절, 증기 생산 및/또는 증기 매개변수 측정치에 관한 지령 신호에 반응하여 작동한다. 이덕터(156)의 작동은 가압 산소를 이덕터를 통해 흐르게 하고 이에 의해 연도 도관(144)으로부터 나오는 연도 가스에 편승시킨다. 이덕터(156)는 산소 및 연도 가스(FG)를 매니폴드(124)의 내부 영역(134) 및 연소 용기(112)의 내부 영역(114)으로 배출한다. 산소는 공기 분리 유닛(160)에 의하여 이덕터(156)로 공급된다.
본 발명은 여러 가지 실시예를 참고하여 설명되어 있는 반면에, 기술에 숙련된 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 여러 가지로 변화시킬 수 있고 등가물이 그들의 요소를 대체할 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 본 발명의 필수적인 범위를 벗어나지 않고 많은 수정이 본 발명의 가르침에 따라 특별한 상황 및 재료에 맞추어질 수 있다. 따라서 본 발명은 이 발명을 실행하기 위해 고려된 최선의 방식으로서 설명된 특별한 실시예로 제한하지 않고, 본 발명은 첨부된 청구범위에 들어오는 모든 실시예를 포함하는 것으로 의도되어 있다.

Claims (15)

  1. 연료 및 산소를 연소시키기 위한 노 시스템으로서,
    내부에서의 연소를 위해 연료 및 산소를 받아들이는 옥시-퓨얼(oxy-fuel) 연소 용기로서, 출구 단부, 상기 옥시-퓨얼 연소 용기에 의해 형성된 내부 영역 안으로 개방되는 제1 연료 개구부, 및 상기 옥시-퓨얼 연소 용기에 의해 형성된 상기 내부 영역 안으로 연장되는 제2 개구부를 갖는 상기 옥시-퓨얼 연소 용기;
    상기 출구 단부에 연결되어 상기 내부 영역과 유체 소통하는 연도(煙道) 도관;
    상기 연도 도관을 통해 흐르는 적어도 하나의 유체를 냉각하기 위해 상기 연도 도관 내에 배치되는 열교환기;
    상기 옥시-퓨얼 연소 용기를 통해 더 많은 질량 유동률을 제공하고 상기 옥시-퓨얼 연소 용기 내의 온도를 조절하기 위해, 상기 열교환기의 하류 위치에서, 상기 연도 도관으로부터 상기 제2 개구부로 연장되고 그리고 상기 연도 도관과 상기 내부 영역 사이에 유체 소통을 제공하는 재순환 도관;
    제어기로부터 나오는 지령에 반응하여 상기 적어도 하나의 유체를 상기 재순환 도관을 통해 상기 내부 영역 안으로 흐르도록 하기 위해 상기 재순환 도관 내에 적어도 부분적으로 배치되는 운송수단; 및
    산소 가스 흐름을 상기 옥시-퓨얼 연소 용기에 공급하기 위한 산소 소스;를 포함하고,
    상기 운송수단은 이덕터(eductor)를 포함하고, 상기 이덕터는 상기 적어도 하나의 유체와 상기 이덕터에 공급된 운동유체를 상기 내부 영역 안으로 운송하기 위해 상기 운동유체를 갖는, 노 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 운송수단은 팬과 송풍기와 압축기 중 적어도 하나를 포함하는, 노 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 운동유체는 산소인, 노 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 운동유체는 증기인, 노 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 운동유체는 연도 가스인, 노 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 내부 영역으로부터 배출된 연도 가스를 처리하기 위해 상기 연도 도관과 소통하는 오염 제어 시스템;
    상기 연도 도관과 유체 소통하는 공기 예열기를 추가로 포함하고,
    상기 재순환 도관은 상기 오염 제어 시스템과 상기 공기 예열기 중 적어도 하나의 상류에 배치되는, 노 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 연도 가스는 상기 오염 제어 시스템으로부터 공급되는, 노 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 유체는 연도 가스인, 노 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 노는 산소의 존재하에 연료를 연소시키기 위해 접선방향으로 발화되는, 노 시스템.
  12. 노 시스템으로서,
    출구 단부와, 옥시-퓨얼 연소 용기에 의해 형성된 내부 영역 안으로 연장되는 제1 연료 개구부 및 제2 개구부를 갖는 상기 옥시-퓨얼 연소 용기;
    상기 출구 단부에 연결되어 상기 내부 영역과 유체 소통하는 연도 도관;
    상기 연도 도관을 통해 흐르는 연도 가스를 냉각하기 위해 상기 연도 도관 내에 배치되는 열교환기;
    상기 옥시-퓨얼 연소 용기를 통해 더 많은 질량 유동률을 제공하고 상기 옥시-퓨얼 연소 용기 내의 온도를 조절하기 위해, 상기 열교환기의 하류 위치에서, 상기 연도 도관으로부터 상기 제2 개구부로 연장되고 그리고 상기 연도 도관과 상기 내부 영역 사이에 유체 소통을 제공하는 재순환 도관; 및
    상기 재순환 도관 내에 적어도 부분적으로 배치된 이덕터로서, 상기 연도 가스와 상기 이덕터에 공급된 산소 중 적어도 일부를 상기 재순환 도관을 통해 상기 내부 영역 안으로 운송하기 위해 상기 산소를 갖는 상기 이덕터;를 포함하는, 노 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    적어도 하나의 랜스가 상기 제2 개구부를 통해 상기 내부 영역 안으로 연장되고, 상기 랜스는 상기 산소의 일부분을 상기 랜스를 통해 상기 내부 영역 안으로 운송하기 위해 상기 랜스를 통해 연장되는 통로를 갖는, 노 시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    적어도 하나의 노즐이 상기 제2 개구부를 통해 상기 내부 영역 안으로 연장되고, 상기 노즐은 상기 산소의 일부분을 상기 노즐을 통해 상기 내부 영역 안으로 운송하기 위해 상기 노즐을 통해 연장되는 통로를 갖는, 노 시스템.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 내부 영역으로부터 배출된 연도 가스를 처리하기 위해 상기 연도 도관과 소통하는 오염 제어 시스템;
    상기 연도 도관과 유체 소통하는 공기 예열기를 추가로 포함하고,
    상기 재순환 도관은 상기 오염 제어 시스템과 상기 공기 예열기 중 적어도 하나의 상류에 배치되는, 노 시스템.
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