KR101428359B1 - 순환 유동층 보일러 - Google Patents

Abstract

분리기에 의해 배가스로부터 분리되는 고체 입자들로부터 회수되는 열의 양을 조절할 수 있는 순환 유동층 보일러가 개시된다. 본 발명의 순환 유동층 보일러는 연료가 유동화 및 연소되는 연소로, 상기 연료의 연소로 인해 발생되는 배가스 및 고체 입자들을 상기 연소로로부터 받아 상기 고체 입자들을 상기 배가스로부터 분리하는 분리기, 및 상기 분리기에 의해 상기 배가스로부터 분리된 상기 고체 입자들을 상기 연소로로 복귀시키는 리턴 시스템을 포함한다. 상기 리턴 시스템은 상기 분리기로부터 공급되는 상기 고체 입자들과 냉각 매체 사이에 열교환이 이루어지는 열교환부, 상기 열교환부 내로 유동화 가스를 공급하는 가스 공급부, 및 상기 열교환부에서 냉각된 상기 고체 입자들이 상기 연소로로 복귀하는 통로를 제공하는 복귀 파이프를 포함한다. 본 발명의 순환 유동층 보일러는 상기 열교환의 양에 따라 상기 열교환부에 공급되는 상기 냉각 매체의 양을 조절하는 제어부를 더 포함한다.

Description

순환 유동층 보일러{Circulating Fluidized Bed Boiler}

본 발명은 순환 유동층 보일러에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 열교환부의 열 교환 효율을 신속히 그리고 자동으로 조절함으로써, 배가스로부터 분리되어 열교환부로 유입된 고체 입자들로부터 최대한의 열을 회수함과 동시에, 열교환에 기여하지 않고 낭비되는 고체 입자들의 양을 최소화할 수 있는 순환 유동층 보일러에 관한 것이다.

유동층 연소 방식은 화석 연료, 바이오매스 연료 등과 같은 고형 연료를 모래 및/또는 회재(ash)와 같은 층(bed) 물질과 함께 연소로 내에서 유동시키면서 연소시키는 방식이다.

연소로 내로 유동화 가스가 분사됨으로써 상기 고형 연료와 층 물질이 유동화되면서 연소로 전역에서 균일하고 빠르게 혼합된다. 이렇게 유동화된 고형 연료 및 층 물질이 연소되면서 고온의 연소가스가 생성된다. 이렇게 생성된 연소가스는 가열된 공기와 함께 상기 연소로로부터 배출된다. 연소로로부터 배출된 상기 가열된 공기 및 고온의 연소가스의 혼합물[이하, '배가스(flue gas)'로 칭함]은 증기터빈을 구동시키기 위한 증기를 발생시키는데 이용된다.

전형적으로, 유동층 보일러에서 열 교환은 연소로 및 고온의 배가스가 통과하는 대류 섹션(convection section)에서 각각 이루어진다. 상기 연소로의 벽들이 핀들(fins)에 의해 서로 결합된 튜브들을 포함하고, 상기 튜브들을 통해 흐르는 액체가 상기 연소로 내에서 발생한 열을 흡수한다.

유동층 연소 방식은, 연소 반응이 빠르고, 일반 화력 연소 방식에 비해 조업 온도가 상대적으로 낮아서 질소산화물의 발생량이 적다는 장점을 갖는다.

순환 유동층 연소 방식은 배가스와 함께 연소로로부터 배출되는 고체 입자들을 상기 배가스로부터 분리한 후 상기 연소로로 복귀시키는 방식이다.

일반적으로, 순환 유동층 보일러는 연소로, 상기 연소로의 상부에 형성되어 있는 배출구에 연결되어 있는 분리기, 및 상기 분리기에서 상기 배가스로부터 분리된 고체 입자들의 순환을 위한 리턴 덕트를 포함한다. 상기 리턴 덕트는 상기 연소로의 하부에 형성되어 있는 유입구를 통해 상기 연소로와 유체 연통한다. 상기 분리기와 상기 리턴 덕트는 입자 순환 시스템을 구성한다.

미국 특허 제4,716,856호(이하, '선행기술'이라 칭함)는 상기 배가스로부터 분리된 상기 고체 입자들로부터 열을 회수하기 위한 외부 열교환부를 더 포함하는 입자 순환 시스템을 제안하고 있다. 리턴 덕트와 연소로 사이에 위치하는 상기 외부 열교환부 내에 상기 리턴 덕트로부터 제공되는 고체 입자들의 유동층이 형성되고, 상기 외부 열교환부 내에 배치된 관들을 통해 흐르는 액체가 상기 유동화된 고체 입자들의 열을 흡수한다.

그러나, 상기 선행기술의 외부 열교환부에서 이루어지는 열 교환의 정도는, 연소로로부터 배출된 후 상기 입자 분리기 및 리턴 덕트를 거쳐 상기 외부 열교환부로 유입되는 고체 입자들의 양에 의존한다. 따라서, 상기 외부 열교환부로 유입되는 고체 입자들의 양이 너무 적은 경우(즉, '낮은 부하' 조건의 경우), 상기 외부 열교환부를 통해 회수되는 열의 양이 충분하지 않아 원하는 열 교환 효율을 얻을 수 없다.

반대로, 상기 외부 열교환부로 유입되는 고체 입자들의 양이 상기 외부 열교환부의 열 교환 능력을 초과할 정도로 너무 많은 경우(즉, '높은 부하' 조건의 경우)에는, 열 교환에 실제로 기여하지 않는 고체 입자들이 존재하게 되는 문제점이 발생한다.

그러나, 종래의 순환 유동층 보일러는, 보일러의 가동 중에 상기 외부 열교환부로 유입되는 고체 입자들의 양이 빈번히 변함에도 불구하고 이와 같은 변화에 신속히 그리고 효과적으로 대응할 수 없었다.

따라서, 본 발명은 위와 같은 관련 기술의 제한 및 단점들에 기인한 문제점들을 방지할 수 있는 순환 유동층 보일러에 관한 것이다.

본 발명의 일 관점은, 열교환부의 열 교환 효율을 신속히 그리고 자동으로 조절함으로써, 배가스로부터 분리되어 열교환부로 유입된 고체 입자들로부터 최대한의 열을 회수함과 동시에, 열교환에 기여하지 않고 낭비되는 고체 입자들의 양을 최소화할 수 있는 순환 유동층 보일러를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 특징 및 이점들이 이하에서 기술된 것이고, 부분적으로는 그러한 기술로부터 자명할 것이다. 또는, 본 발명의 실시를 통해 본 발명의 또 다른 특징 및 이점들이 이해될 수 있을 것이다. 본 발명의 목적들 및 다른 이점들은 발명의 상세한 설명 및 특허청구범위에서 특정된 구조에 의해 실현되고 달성될 것이다.

위와 같은 본 발명의 일 관점에 따라, 연료가 유동화 및 연소되는 연소로; 상기 연료의 연소로 인해 발생되는 배가스 및 고체 입자들을 상기 연소로로부터 받아 상기 고체 입자들을 상기 배가스로부터 분리하는 분리기; 및 상기 분리기에 의해 상기 배가스로부터 분리된 상기 고체 입자들을 상기 연소로로 복귀시키는 리턴 시스템을 포함하는 순환 유동층 보일러로서, 상기 리턴 시스템은, 상기 분리기로부터 공급되는 상기 고체 입자들과 냉각 매체 사이에 열교환이 이루어지는 열교환부; 상기 열교환부 내로 유동화 가스를 공급하는 가스 공급부; 및 상기 열교환부에서 냉각된 상기 고체 입자들이 상기 연소로로 복귀하는 통로를 제공하는 복귀 파이프를 포함하고, 상기 순환 유동층 보일러는 상기 열교환의 양에 따라 상기 열교환부에 공급되는 상기 냉각 매체의 양을 조절하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 순환 유동층 보일러가 제공된다.

위와 같은 일반적 서술 및 이하의 상세한 설명 모두는 본 발명을 예시하거나 설명하기 위한 것일 뿐으로서, 특허청구범위의 발명에 대한 더욱 자세한 설명을 제공하기 위한 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 순환 유동층 보일러에 의하면, 열교환부의 열 교환 효율을 신속히 그리고 자동으로 조절함으로써, 배가스로부터 분리되어 열교환부로 유입된 고체 입자들로부터 최대한의 열을 회수함과 동시에, 열교환에 기여하지 않고 낭비되는 고체 입자들의 양을 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명의 순환 유동층 보일러는, 열교환부의 열 교환 효율이 신속히 조절될 수 있어 다양한 응용들에 활용될 수 있다.

첨부된 도면은 본 발명의 이해를 돕고 본 명세서의 일부를 구성하기 위한 것으로서, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리들을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 순환 유동층 보일러의 수직 단면을 개략적으로 보여준다.

본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 다양한 변경 및 변형이 가능하다는 점은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위에 기재된 발명 및 그 균등물의 범위 내에 드는 변경 및 변형을 모두 포함한다.

이하에서는, 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 순환 유동층 보일러의 수직 단면을 개략적으로 보여준다.

도 1에 예시된 바와 같이, 본 발명의 순환 유동층 보일러는 연소로(100) 및 입자 순환 시스템(200)을 포함한다.

상기 연소로(100)는 전방 벽(110a), 후방 벽(110b), 및 이들 사이에 위치하는 2개의 측면 벽들을 포함한다. 상기 연소로(100)는 그 상부 및 하부에 각각 위치하는 지붕(110c) 및 바닥(110d)에 의해 폐쇄되어 있다.

상기 연소로(100)는 상기 바닥(110d) 위에 상기 바닥(110a)과 평행하게 연장되어 있는 플레이트(120)를 더 포함한다. 상기 플레이트(120)에는 다수의 홀들이 형성되어 있으며, 상기 홀들에 대응하는 다수의 노즐들(130)이 상기 플레이트(120) 상에 장착되어 있다. 상기 플레이트(120)와 상기 바닥(110a) 사이의 공간은 가스실(140)을 구성하며, 외부의 가스 공급원(미도시)으로부터 상기 가스실(140)로 유동화 가스가 공급된다.

연료 공급부(150)를 통해 상기 연소로(100) 내에 화석 연료, 바이오매스 연료 등과 같은 고형 연료가 공급된다. 고형 연료 외에도 석회석 등과 같은 특정 흡착제가 상기 연소로(100) 내로 주입될 수 있다. 상기 흡착제는 상기 고형 연료와 함께 상기 연료 공급부(150)를 통해 상기 연소로(100) 내로 주입되거나 또는 다른 독립적 통로를 통해 상기 고형 연료와는 별도로 상기 연소로(100) 내로 주입될 수 있다.

상기 연소로(100) 내로 주입된 고형 연료 및 흡착제는 상기 연소로(100) 하부의 노즐들(130)들로부터 위로 분출되는 가스에 의해 유동화된다. 버너(미도시)에 의해 상기 고형 연료의 연소가 시작되고, 상기 유동화 가스는 상기 고형 연료의 연소를 더욱 촉진시킨다.

상기 고형 연료의 연소에 의해 생성되는 연소 가스와 상기 연소에 의해 가열된 공기의 혼합물(이하, '배가스'로 칭함)은 대류 현상에 의해 상기 연소로(100) 내에서 위로 상승하면서 상기 고형 연료와 흡착제를 포함하는 고체 입자들의 일부를 포획하고, 이들과 함께 상기 연소로(100) 상부, 예를 들어 후방 벽(110b)에 형성된 배출구를 통해 연소로(100) 밖으로 배출된다.

상기 연소로(100)의 벽들(110a, 110b)은 핀들(fins)에 의해 서로 결합된 튜브들을 포함하고, 상기 튜브들을 통해 흐르는 액체와 상기 연소로(100) 내의 배가스 사이에 열 교환이 이루어진다.

한편, 상기 연소로(100) 밖으로 배출된 배가스 및 고체 입자들 중 상기 고체 입자들은 상기 입자 순환 시스템(200)을 통해 상기 연소로(100)로 복귀된다.

이하에서는, 도 1을 참조하여 본 발명의 입자 순환 시스템(200)을 더욱 구체적으로 설명한다.

도 1에 예시된 바와 같이, 본 발명의 입자 순환 시스템(200)은 상기 연소로(100) 밖으로 배출되는 배가스 및 고체 입자들을 받아 상기 고체 입자들을 상기 배가스로부터 분리하는 분리기(210), 및 상기 분리기(210)에 의해 상기 배가스로부터 분리된 상기 고체 입자들을 상기 연소로(100)로 복귀시키는 리턴 시스템(230)을 포함한다.

상기 분리기(210)는 덕트(220)를 통해 상기 연소로(100)에 연결되어 있다. 상기 덕트(220)는 상기 연소로(100)의 배출구로부터 상기 분리기(210)의 유입구까지 연장되어 있다.

상기 분리기(210)는 그 하부에 구배부(tapered portion)(210a)를 갖는다.

상기 연소로(100)로부터 덕트(220)를 통해 상기 분리기(210) 내로 유입된 배가스 및 고체 입자들은 상기 분리기(210) 내에서 원심력에 의해 서로 분리된다.

분리된 상기 배가스는 상기 분리기(210)의 바로 위에 위치한 덕트(300)를 통해 열 회수부 및/또는 가스 터빈 측으로 공급된다.

상기 분리기(210)에 의해 상기 배가스로부터 분리된 고체 입자들은 중력에 의해 아래로 떨어지면서 상기 구배부(210a)를 통과한 후 상기 리턴 시스템(230)으로 유입된다.

상기 리턴 시스템(230)은, 리턴 덕트(231), 상기 리턴 덕트(231)를 통해 상기 분리기(210)로부터 공급되는 상기 고체 입자들로부터 열을 회수하기 위한 열교환부(232), 상기 열교환부(232) 내로 유동화 가스를 공급하는 가스 공급부(233), 및 상기 열교환부(232)에서 열을 빼앗긴(즉, 냉각된) 고체 입자들이 상기 연소로(100)로 복귀하는 통로를 제공하는 복귀 파이프(234)를 포함한다.

상기 리턴 덕트(231)는, 상기 분리기(21)에 의해 상기 배가스로부터 분리된 상기 고체 입자들을 상기 열교환부(232)로 안내하기 위하여 상기 분리기(210)와 상기 열교환부(232) 사이에 배치된다.

상기 열교환부(232)는, 상기 리턴 덕트(231)를 통해 상기 분리기(210)로부터 공급되는 상기 고체 입자들이 유입되는 챔버(232a), 및 상기 챔버(232a) 내에 위치하는 튜브(232b)를 포함한다.

상기 튜브(232b)를 따라 냉각 매체(예를 들어, 물)가 흐르면서, 상기 챔버(232a) 내로 유입된 상기 고체 입자들과 상기 냉각 매체 사이에 열 교환이 이루어진다.

상기 리턴 시스템(230)의 상기 가스 공급부(233)는, 도 1에 예시된 바와 같이, 외부의 가스 공급원(미도시)으로부터 유동화 가스를 공급받는 가스실을 포함한다. 상기 가스실의 상부에는 다수의 홀들이 형성된 플레이트가 위치하고, 상기 홀들에 대응하는 다수의 노즐들이 상기 플레이트 상에 장착되어 있다. 상기 가스실로 공급된 유동화 가스는 상기 노즐들을 통해 상기 챔버(232a) 내로 분출되면서 상기 챔버(232a) 내로 유입된 상기 고체 입자들을 유동화시키고, 그 결과, 상기 고체 입자들과 상기 냉각 매체 사이의 열 교환이 촉진된다.

한편, 전술한 바와 같이, 상기 열교환부(232)에서 이루어지는 열 교환의 정도는, 상기 연소로(100)로부터 배출된 후 상기 분리기(210) 및 리턴 덕트(231)를 거쳐 상기 챔버(232a)로 유입되는 고체 입자들의 양에 의존한다. 따라서, 상기 챔버(232a)로 유입되는 고체 입자들의 양이 너무 적은 경우(즉, '낮은 부하' 조건의 경우), 통상의 방식으로는 충분한 양의 열을 상기 열교환부(232)를 통해 회수할 수 없다.

반대로, 상기 챔버(232a)로 유입되는 고체 입자들의 양이 상기 열교환부(232)의 열 교환 능력을 초과할 정도로 너무 많은 경우(즉, '높은 부하' 조건의 경우)에는, 열 교환에 실제로 기여하지 않고 낭비되는 고체 입자들이 존재하게 된다.

이러한 문제를 극복하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 순환 시스템(200)은 상기 열교환부(232)에서 수행되는 열교환의 양에 따라 상기 열교환부(232)의 상기 튜브(232b)로 공급되는 상기 냉각 매체의 양을 조절하는 제어부(240)를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 도 1에 예시된 바와 같이, 상기 제어부(240)는 상기 열 교환에 의해 가열된 후 상기 튜브(232b)로부터 배출되는 상기 냉각 매체(예를 들어, 증기)의 온도를 직접 또는 간접적으로 측정하는 온도계(241), 상기 튜브(232b)로 공급되는 상기 냉각 매체의 유량을 조절하기 위한 유량조절수단(243), 및 상기 온도계(241)에 의해 측정된 상기 냉각 매체의 온도에 따라 상기 유량조절수단(243)을 제어하는 프로세서(242)을 포함한다.

상기 유량조절수단(243)은 펌프 또는 밸브일 수 있다.

전술한 바와 같이, 상기 열교환부(232)의 챔버(232a) 내로 유입되는 고체 입자들의 양이 너무 적은 경우(즉, '낮은 부하' 조건의 경우), 상기 열교환부(232)를 통해 회수되는 열의 양이 충분하지 않아 원하는 열 교환 효율을 얻을 수 없다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 상기 프로세서(242)는, 상기 온도계(241)에 의해 측정된 상기 냉각 매체의 온도가 기설정된 제1 값보다 낮은 경우 상기 냉각 매체의 유량이 작아지도록 상기 유량조절수단(243)을 제어한다.

즉, 본 발명의 제어부(240)는, 상기 열교환부(232)를 통해 원하는 만큼의 열이 회수되지 않을 경우, 상기 튜브(232b)를 통과하는 냉각 매체의 유량을 감소시킴으로써 상기 고체 입자들과 상기 냉각 매체의 열적 접촉 시간을 증가시킨다. 상기 고체 입자들과 상기 냉각 매체의 열적 접촉 시간 증가로 인해, 상기 열교환부(232)로 유입된 각각의 고체 입자들로부터 가능한 최대 양의 열이 회수될 수 있다.

한편, 전술한 바와 같이, 상기 열교환부(232)의 챔버(232a) 내로 유입되는 고체 입자들의 양이 지나치게 많은 경우(즉, '높은 부하' 조건의 경우)에는, 열 교환에 실제로 기여하지 않는 고체 입자들이 존재하게 되는 문제점이 발생한다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 상기 프로세서(242)는, 상기 온도계(241)에 의해 측정된 상기 냉각 매체의 온도가 기설정된 제2 값보다 높은 경우, 상기 냉각 매체의 유량이 커지도록 상기 유량조절수단(243)을 제어한다.

즉, 본 발명의 제어부(240)는, 열교환에 기여하지 않고 낭비되는 고체 입자들이 존재한다고 판단될 정도로 상기 열교환부(232)를 통해 지나치게 많은 열이 회수될 경우, 상기 튜브(232b)를 통과하는 냉각 매체의 유량을 증가시킴으로써 상기 고체 입자들과 상기 냉각 매체의 열적 접촉 시간을 감소시킨다.

상기 고체 입자들과 상기 냉각 매체의 열적 접촉 시간이 감소하면 상기 챔버(232a) 내로 유입되는 고체 입자들과 상기 챔버(232a) 내의 튜브(232b)로 유입되는 냉각 매체 사이에 상대적으로 큰 온도 차이가 유지될 수 있고, 그 결과, 열교환에 기여하지 않고 낭비되는 고체 입자들의 양이 최소화될 수 있다.

한편, 상기 챔버(232a)에서 열을 빼앗긴(즉, 냉각된) 고체 입자들은 상기 복귀 파이프(234)를 통해 상기 연소로(100)로 복귀된다.

상기 가스 공급부(233)로부터 분출되는 유동화 가스는 상기 고체 입자들의 상기 연소로(100)로의 복귀를 촉진하는 기능을 수행할 수도 있다. 선택적으로, 상기 리턴 시스템(230)은 상기 고체 입자들의 상기 연소로(100)로의 복귀를 촉진하기 위한 별도의 가스 공급부를 더 포함할 수도 있다.

100: 연소로 200: 입자 순환 시스템
210: 분리기 220: 덕트
230: 리턴 시스템 240: 제어부
300: 덕트

Claims (5)

1. 연료가 유동화 및 연소되는 연소로;
   상기 연료의 연소로 인해 발생되는 배가스 및 고체 입자들을 상기 연소로로부터 받아 상기 고체 입자들을 상기 배가스로부터 분리하는 분리기; 및
   상기 분리기에 의해 상기 배가스로부터 분리된 상기 고체 입자들을 상기 연소로로 복귀시키는 리턴 시스템을 포함하는 순환 유동층 보일러에 있어서,
   상기 리턴 시스템은,
   상기 분리기로부터 공급되는 상기 고체 입자들과 냉각 매체 사이에 열교환이 이루어지는 열교환부;
   상기 열교환부 내로 유동화 가스를 공급하는 가스 공급부; 및
   상기 열교환부에서 냉각된 상기 고체 입자들이 상기 연소로로 복귀하는 통로를 제공하는 복귀 파이프를 포함하고,
   상기 순환 유동층 보일러는 상기 열교환의 양에 따라 상기 열교환부에 공급되는 상기 냉각 매체의 양을 조절하는 제어부를 더 포함하고,
   상기 제어부는,
   상기 냉각 매체의 유량을 조절하기 위한 유량조절수단; 및
   상기 냉각 매체의 온도에 따라 상기 유량조절수단을 제어하는 프로세서를 포함하며,
   상기 열교환부는 상기 냉각 매체가 흐르는 튜브를 포함하고,
   상기 유량조절수단은 상기 냉각 매체의 온도에 따라 상기 튜브로 공급되는 냉각 매체의 유량을 조절하며,
   상기 프로세서는 상기 냉각 매체의 온도가 기설정된 제1값보다 낮은 경우 상기 튜브로 공급되는 냉각 매체의 유량이 작아지도록 상기 유량조절수단을 제어하고, 상기 냉각 매체의 온도가 기설정된 제2값보다 높은 경우 상기 튜브로 공급되는 냉각 매체의 유량이 커지도록 상기 유량조절수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 순환 유동층 보일러.
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