KR101621976B1 - 일체화 스플릿 워터 코일 공기가열기 및 절탄기 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보일러에 공급수를 공급하는 공급수 유입구와, 저온 저질량 제1유동흐름과 고온 고질량 제2유동흐름으로 공급수를 분할하는 덕트와 밸브를 갖춘 보일러를 위한 워터 코일 공기가열기 및 절탄기 조립체에 관한 것이다. 워터코일 공기가열기는 보일러로 가열될 공기의 통로를 위해, 공기와 열전달하는 하나 이상의 열전달 루프를 구비하고, 이 워터 코일 공기가열기의 열전달 루프는 제1유동흐름을 수용하도록 상기 분할수단에 연결되어 있다. 절탄기는 보일러로 내각될 연도가스의 통로를 위해, 연도가스와 열전달하는 하나 이상의 열전달 루프를 구비하고, 이 절탄기의 상기 열전달 루프는 워터 코일 공기가열기에서 제1유동흐름을 수용하도록 워터 코일 공기가열기의 열전달 루프에 연결되어 있다. 절탄기의 하류에 있는 혼합위치에서 제1 및 제2유동흐름을 수용하여 재결합하고, 덕트는 공급수 유입구에서 혼합위치까지 제2유동흐름을 이송한다.

Description

일체화 스플릿 워터 코일 공기가열기 및 절탄기 조립체 {INTEGRATED SPLIT STREAM WATER COIL AIR HEATER AND ECONOMIZER}

본 출원은 2009년 3월 10일에 "IWE"라는 명칭으로 미국 가출원 제61/158,774호로 주장하였으며, 참고로 여기에 병합된다.

본 발명은 일반적으로 보일러 및 증기발생기의 분야, 특히 연소공기를 가열하는 공기가열기에 관한 것이다.

관형 공기가열기는 통상적으로 사용되는 워터 코일 공기가열기(water coil air-heater;이하 WCAH)를 갖춘 주요 공기가열설비이다. 관형 공기가열기 혹은 WCAH는 현재 특정 작업온도로 연소공기를 가열하는 데에 사용되고 있다. 보일러 공급수의 전체 유량은 열원으로 WCAH를 사용할 경우 열전달 매체로써 사용된다. 공기가 가열되면서, 공급수의 온도는 낮춰진다. 그런 다음에, WCAH에서 배출되는 공급수는 절탄기(economizer)로 보내지는바, 이 절탄기는 보일러의 연도가스의 온도를 낮추는 데에 사용된다. 어떤 경우에는, WCAH와 결합되어 있는 관형 공기가열기(이하 TAH)는 낮은 최종 배출가스 온도를 획득하기 위해서 사용된다. 스택가스(stack gas) 온도가 감소할수록, TAH와 WCAH의 크기는 증가한다. 공기가열기의 크기는 가스온도가 325℉ 아래로 낙하하면 실제로 커질 것이다. 현 기술은 공급수 온도, 스택가스 온도, 및 필요한 연소공기 온도로 제한된다.

Clayton, Jr. 외 다수가 출원한 미국 특허 제3,818,872호는 조립체의 절탄기 둘레로 유입되는 공급수 유량을 우회하는 순환 루프(loop)를 갖춘 관류(once-through)형 증기발생기의 낮은 부하를 갖는 노(爐)벽을 보호하는 조립체를 기재하고 있다.

Hamabe가 출원한 미국 특허 제4,160,009호는 촉매를 사용하고 질산염 제거기(denitrator)의 촉매를 위한 최적의 반응온도 영역으로 배치된 질산염 제거기를 수용한 보일러장치를 기재하고 있다. 최적의 반응온도 영역에서 연소가스의 온도를 제어하기 위해, 이 영역은 제어밸브를 통해 고온의 가스 공급원 혹은 저온의 가스 공급원과 연통되어 사용된다.

Wiechard 외 다수가 출원한 미국 특허 제5,555,849호는 방출되는 질소산화물의 촉매 환원법을 위한 가스온도 제어시스템을 기재하는바, 낮은 부하 작동 중에 질소산화물(NO_X) 촉매 반응기에 필요한 온도까지 연도가스 온도를 상승시켜 유지하기 위해서 몇몇 공급수 유량은 우회로로 일부 유량을 공급하여 시스템의 절탄기로 우회시켜 촉매 반응기까지 바람직한 연도가스 온도를 유지한다.

Albrecht 외 다수가 출원한 미국 공개특허 제US 2007/0261646호와 동 제US 2007/0261647호는 본 명세서에 참조로 병합되되, SCR(선택적 촉매환원법) 온도제어를 위한 방법과 다중 경로 절탄기를 기재하고 있는바, 보일러 부하의 영역을 가로질러 바람직한 절탄기 배출가스 온도를 유지하기 위해 연도가스와 접촉하는 표면을 갖춘 다수의 관형상 구조로 이루어진다. 각각의 관형상 구조는 절탄기 내에서 앞뒤에서 수직 혹은 수평되게 배열된 다수의 서펜틴형(serpentine) 혹은 스트링거형(stringer) 튜브로 이루어질 수 있고, 각각의 관형상 구조는 별도의 공급수 주입구를 구비한다.

통상적으로 현 기술에서는 300℉ 이상에서 보일러 시스템의 스택 혹은 그 근처로 연도가스를 공급한다. 만약 연도가스 배출온도를 경제적으로 낮출 수 있는 시스템이 발명된다면 매우 바람직할 것이다.

본 발명의 목적은 현재 기술로 실현되는 경제적인 측면보다 보일러를 위해 더 낮은 최종 배출가스 온도를 달성하는 것이다. 본 발명은 공급수와 연도가스 사이에 구동력을 증가한다. 이 증가된 구동력은 종래기술을 사용할 때에 필요했던 열전달 면적보다 훨씬 작은 열전달 면적에서도 물과 연도가스 사이의 열전달을 향상한다.

절탄기 내의 구동력을 증가하기 위해, 물과 연도가스 사이에 대수평균온도차(Log Mean Temperature Difference;이하 LMTD)는 현 기술로서 가능했던 그 이상으로 증가된다. 현 기술을 사용하여, 소정의 상황 하에서 LMTD는 열전달이 일어날 수 있게 허여될 만큼 충분히 증가될 수 없다. 본 발명은 절탄기를 지나가는 공급수 유량의 일부만으로도 LMTD를 증가시키는 한편 절탄기를 통과하는 나머지 공급수 유량에 발생하는 열전달을 최소화시켜 문제점을 해결한다.

본 발명에 따라, 일체형 워터 코일 공기가열기(WCAH)와 절탄기(IWE로 불려지거나 언급됨)는 WCAH와 절탄기에 다중 수류 경로를 구비한다. 공급수의 전체 유량이 단일 흐름 혹은 다중 흐름으로 IWE로 주입된다. 공급수 유량은 WCAH 외부 혹은 IWE의 WCAH부 내에서 2개 이상의 흐름으로 분열된다. 유량은 바람직한 작동상태를 기초로 한 분열 흐름 사이로 편향된다.

본 발명의 다양한 새로운 특징은 특히 본 명세서의 일부를 형성하고 첨부된 청구범위에 기재된다. 본 발명의 이해와 작동상 장점 및 이의 사용을 달성될 잇점을 위해서, 본 발명의 바람직한 실시예가 첨부도면과 상세한 설명을 참조로 하여 기술된다.

이상 본 발명의 설명에 의하면, 본 발명은 물과 연도가스 사이에 대수평균온도차를 향상시키기 위해 제공된다.

특히, 본 발명은 절탄기를 지나가는 공급수 유량의 일부만으로도 LMTD를 증가시키는 한편 절탄기를 통과하는 나머지 공급수 유량에 발생하는 열전달을 최소화한다.

도 1은 본 발명의 IWE의 일 실시예의 개략적인 다이아그램도이다.
도 2는 본 발명의 IWE의 다른 실시예의 개략적인 다이아그램도이다.
도 3은 다중 분리 절탄기 뱅크를 갖춘 본 발명의 IWE의 또 다른 실시예의 블록선도이다.
도 4는 본 발명의 IWE의 또 다른 실시예의 개략적인 다이아그램도이다.
도 5는 도 1에 따른 본 발명의 IWE를 수용하는 보일러의 화로부의 개략적인 다이아그램도이다.
도 6은 도 5와 유사한 보일러의 화로부의 개략적인 다이아그램도로, 본 발명의 다른 실시예의 IWE를 수용하고 있다.
도 7은 도 5와 유사한 보일러의 화로부의 개략적인 다이아그램도로, 본 발명의 또 다른 실시예의 IWE를 수용하고 있다.

도면을 참조로 하여, 유사한 참조부호는 전체 도면에 걸쳐 동일하거나 기능적으로 유사한 구성부재에 부여되어 사용된다. 도 1은 본 발명의 IWE(10)를 함께 형성하는 일체형 워터 코일 공기가열기 혹은 WCAH(12)와 절탄기 혹은 ECON(14)을 도시한다. IWE는 또한 IWE(10)의 절탄기(14)에서 배출수를 수용할 수 있는 미국 공개특허 제US 2007/0261646호 및 동 제US 2007/0261647호에 기재된 유형의 다중 경로 절탄기(16)를 사용할 수 있다.

장치

유입구(20)에서 공급수의 전체 유입량은 덕트 및 하나 이상의 밸브와 같은 분할 수단으로서 고온 저질량 제1유동흐름(22)과 고온 고질량 제2유동흐름(24)으로 분리된다. 제1유동흐름(22)은 WCAH(12)의 열전달면의 주요 부분을 구비하고 물과 절탄기 가스 사이에 LMTD를 증가시키기 위해 사용되는 WCAH(12)의 하나 이상의 열전달 루프를 관통하여 지나간다. 이로 인해서 전체 수량 중 일부만을 사용하여 WCAH(12)을 지나가는 공기를 가열한다. 이는 매우 낮은 수온으로 절탄기(14)에 유입한다. 제2유동흐름(24)은 덕트를 따라 이동하고 최소 열전달면을 가지며, 대부분의 물을 이동하는 데에 사용된다. 2개의 흐름(22,24)은 구조의 단순화를 위해 절탄기(14)를 지나가고, 이 2개의 흐름은 약간의 열전달 효과로 유동의 편향을 허용하고 제어를 좋게 하며 각 흐름들이 재통합될 때 열충격을 최소화한다. 각 흐름에 총 유량은 밸브(26)의 설정점(set point)으로 결정된다.

각 흐름에 물은 WCAH(12)에 골고루 분할되어 남겨지고 흐름은 2개의 분할 흐름(분리 흐름)으로 절탄기(14)로 들어간다. 물은 저온 저질량 유동흐름(22)과 고온 고질량 유동흐름(24)과 같이 IWE(10)의 절탄기부로 들어간다. 흐름은 절탄기부(14;분할 흐름 절탄기)에 골고루 분할되어 남겨진다. 저온 저유동흐름(22)이 연도가스와의 주요 열전달 매체로 사용된다. 이 흐름(22)은 WCAH(12)와 ECON(14)의 열전달면의 대부분을 통과하여 이동한다. 고온 고유동흐름(24)은 최소 열전달면을 갖춰 연도가스와의 열전달을 최소화한다.

일단 양 흐름(22,24)이 절탄기부(14)를 완전히 혹은 대부분 지나가면, 흐름은 IWE 내부 혹은 외부에 위치되나 절탄기(14)의 하류 단부에 인접하게 위치된 IWE(10)의 혼합부(28)에서 합쳐진다. 그런 다음에, 합쳐진 흐름은 IWE를 빠져나와 보일러(미도시)의 흐름 드럼을 통하거나 추가적인 열전달 작업을 위해서 절탄기(14)의 배출구(36)에서 비분할 흐름 절탄기 혹은 다중 경로 절탄기(16)를 지나 30으로 보내진다.

흐름(22,24)의 상류 단부와 밸브(26)를 둘러싸고 있는 점선(32)으로 도시된 바와 같이, 공급수의 분할은 워터 코일 공기가열기 엔클로저 혹은 WCAH(12) 내에서 발생할 수 있다.

IWE의 다른 실시예는 도 2에 도시되되, 흐름(22,24)의 분할, 밸브(26) 및 혼합부(28)는 WCAH(12)의 상류, 혹은 점선(34)으로 도시된 바와 같이 WCAH(12)의 상류와 절탄기(14)의 내부에 위치될 수 있다.

도 4는 IWE의 또 다른 실시예를 도해하는데, 저온 저질량 유동흐름(22)은 위로 유동하는 연소공기가 공급되어 WCAH(12) 내에 제1열교환 루프(22a)를 지나면서 냉각된다. 그런 다음에, 흐름(22)은 절탄기(14) 내에 제2열교환 루프(22b)로 유입되어 절탄기 아래를 향해 지나가는 연도가스로 가열되고 그런 다음에 공기에 열을 넘겨주어 대기온도에 도달하도록 WCAH(12)로 복귀하는 제3열전달 루프(22c)와 그런 다음에 일단 혼합부(28)에서 고온 고유동흐름(24)과 재결합하기 전에 연도가스로 다시 가열되도록 제4루프(22d)로 유입된다.

공급수(20)를 흐름(22,24)으로 분할하는 상류와 밸브(26)가 도 4에서 WCAH(12) 외부에 도시되어 있지만, 선택가능하기로 WCAH(12) 내부에 위치될 수도 있다.

도 3은 모범적인 유속과 온도를 구비하고 어떻게 질소산화물의 선택적 촉매 환원법 유닛 혹은 SCR(40)이 본 발명과 병합될 수 있는지를 도해한 본 발명의 다른 실시예의 블록선도이다. 4뱅크(bank) 절탄기일 수 있는 본 발명의 IWE의 절탄기(14)는 SCR(40)의 하류에 위치되고 WCAH(12)로부터 저온 저질량 유동흐름(22e)을 수용한다. 선택가능하기로, WCAH(12)로부터 저온 저질량 유동흐름(22f)의 일부 혹은 전체가 혼합부(28)에서 절탄기(14)를 떠나는 흐름(22e)와 재결합한 후에 고온 고유속 공급수 흐름(24)을 수용하는 제2의 3뱅크 절탄기(42)로 공급된다. 밸브(26,46,48)은 흐름(22,24)을 제어하고 절탄기(14,42)로의 분배량을 설정한다. 또한, 일부 공급수는 과열저감기(attemperator;미도시)로 공급되게 50으로 배관된다. 절탄기(42)에서 재결합된 공급수 유동은 그런 다음에 36에서 스팀 드럼으로 가기에 앞서 SCR의 상류에 있는 1뱅크 절탄기(44)로 공급된다.

또한, 도 3은 650℉의 향류(向流) 연도가스가 절탄기(44)로 유입되고 그런 다음에 SCR(40)과 절탄기(42)를 지나고 494℉의 889,300lb/hr의 유속으로 IWE의 절탄기(14)로 유입되어 최종적으로 허용가능한 배기가스 온도인 300℉로 총 연도가스 유동이 배출된다. 617,315lb/hr과 80℉의 연소공기가 WCAH(12)로 유입되고 가열되며, 그런 다음에 418℉의 온도로 내보낸다. 앞서 기술된 바와 같이, 공급수의 온도와 유속은 도 3에 도시되어 있다.

도 5, 도 6, 도 7은 보일러 화로부에 본 발명의 IWE의 실시예들을 도해하고 있으며 본 발명의 작동을 위한 모범적인 상황을 보여주고 있다.

도 5에서, WCAH(12)와 ECON(14)을 갖춘 IWE(10)는 공급수 유입구(20)에서 밸브(26)로 분할된 공급수 흐름(22,24)을 수용하고, 공급수 흐름은 제2절탄기(52)에 공급되기 전에 28에서 재결합 및 혼합되되, 650℉ 하에 화로부의 상부에 연도가스 유입구(64)로부터의 추가 열이 물로 흡수된다. 그런 다음에, 혼합된 공급수는 보일러의 다른 부분으로 순환하도록 545℉로 36에서 배출되기에 앞서서 일렬로 배열된 제3절탄기(54)와 제4절탄기(56)에 공급된다.

현재 300℉로 냉각된 연도가스는 배출구(66)에서 화로 스택(furnace stack)으로 공급된다.

그 동안에, 연소공기는 블로어(60)를 통해 81℉로 WCAH(12)에 공급되고, 62에서 제2공기로 공급되기 전에 유입구(20)에서 464℉로 공급된 공급수로 418℉까지 가열된다.

도 5와 유사한 장치가 도 6에 도시되어 있으나, 공급수(20)가 분할되어서 일부 분할흐름(22)은 WCAH(12)를 통과하고 WCAH(12)에서 배출되어 절탄기(14)로 공급되며, 밸브(26)에서 분할된 나머지 공급수 분할흐름(24)과 재결합되어서 모든 공급수가 절탄기(14)를 지나가면서 연도가스로 인해 가열된다.

공급수의 흐름(22)만이 절탄기(14)를 지나가는 점을 제외하고는 도 6과 유사한 도 7의 실시예에서, 전체 공급수 유입구(20)에서 분할된 다른 흐름(24)은 절탄기(14) 외부의 28에서 재결합된다. 이러한 방식으로, 공급수의 일부, 다시 말하자면 흐름(22)만 WCAH(12)에서 냉각된다.

공정

공급수 유동 경로:

1. 공급수(20)가 유동과 온도로 보일러 경계에 유입된다.

2. 공급수가 분할 흐름 WCAH(12)의 편향부 내에 IWE로 유입되되, WCAH에서 2개의 흐름(22,24)으로 분할된다. 2개의 흐름은 IWE(10)에 골고루 나눠져 있게 된다.

3. 제1흐름(22)은 WCAH의 튜브(가열면)의 대부분을 관통하여 지나간다.

4. 제2흐름(24)은 단일 흐름을 통해 최소의 가열면과 접촉하면서 내보내진다.

5. 열전달의 대부분은 흐름 내의 수온을 낮추는 제1흐름에서 발생한다. 제2흐름에서는 WCAH부를 지나가므로 최소한의 열전달이 발생한다.

6. 2개의 흐름이 WCAH부를 빠져나와 분할흐름 절탄기부로 유입된다.

7. 제1흐름은 절탄기 튜브(가열면)의 대부분을 관통하여 지나간다. 이 흐름은 가스의 대부분을 냉각한다.

8. 제2흐름은 최소한의 열전달면을 갖는 대형 단일 튜브를 관통해 지나간다.

9. 2개의 흐름이 IWE의 절탄기부를 지나간 후에, 2개의 흐름이 혼합부(28)로 유입된다.

10. 혼합부 내에서, 2개의 흐름이 함께 혼합되고서 IWE(10)를 빠져나온다.

11. 공급수가 IWE를 떠난 후에, 이들은 단일 유동흐름으로 드럼 혹은 다른 절탄기부로 보내진다.

연도가스 유동 경로:

1. 연도가스는 보일러에서 빠져나와 다른 열전달면을 관통하면서 지나간다.

2. 그런 다음에, 연도가스는 IWE의 절탄기부로 유입된다.

3. 가스는 저온 저유동 가열면에서 대부분의 열전달을 하도록 2개 흐름 위를 지나간다.

4. 그런 다음에, 연도가스는 IWE를 빠져나간다.

공급수 분할의 제어:

밸브(26)와, 제1 및 제2흐름(22,24)에 공급수량의 설정을 위한 제어 방법은 미국 공개특허 제US 2007/0261646호와 동 제US 2007/0261647호와 유사하다. 이러한 방법론 하에서, 알고리즘이 이론적으로 균일상태 제어를 정량화하도록 개발되어, 질량유속이 유입량으로 사용된다. 알고리즘은 균일상태가 수 시간 동안 도달할 수 있도록 필요로 하므로, 균일상태에 도달하지 못할 경우에 잠재적 오류를 야기하는 절탄기의 하류에서 실시간 온도측정을 한다. 일단 균일상태에 도달하면, 알고리즘은 실제 작동과 이론 작동 차를 만회하도록 "조정"(다시 말하자면 비례적으로 조절)할 수 있다. 사용된 알고리즘은 설비의 실제 크기와 가용할 수 있는 질량 유량에 종속된다.

본 발명의 실시예가 본 발명의 원리의 적용에 따라 도시되고 상세하게 기술되어, 본 발명이 이에 국한되지 않으며 본 발명의 원리에서 벗어나지 않고 본 발명의 구현을 이해하게 될 것이다. 예컨대, 본 발명은 보일러 혹은 증기발생기에서 요구하는 새로운 구조물, 또는 현존하는 보일러 혹은 증기발생기의 교체, 변경, 수리에 적용될 수 있다. 본 발명의 몇 실시예에서, 본 발명의 임의의 특징이 다른 특징의 대응하는 사용 없이도 장점으로 종종 사용되었다. 따라서, 모든 변형 및 실시예들은 다음의 청구범위의 범주 내에 있다.

Claims (2)

1. 보일러에 공급수를 공급하는 공급수 유입구와;
   고온 저질량 제1유동흐름과 고온 고질량 제2유동흐름으로 공급수를 상기 유입구에서 분할하는 분할수단;
   상기 보일러용으로 가열될 공기의 통로를 위해, 상기 공기와 열전달하는 하나 이상의 열전달 루프를 구비하고, 이 워터 코일 공기가열기의 열전달 루프는 제1유동흐름을 수용하도록 상기 분할수단에 연결되어 있는, 워터 코일 공기가열기;
   상기 보일러용으로 냉각될 연도가스의 통로를 위해, 상기 연도가스와 열전달하는 하나 이상의 열전달 루프를 구비하고, 이 절탄기의 상기 열전달 루프는 상기 워터 코일 공기가열기에서 상기 제1유동흐름을 수용하도록 상기 워터 코일 공기가열기의 열전달 루프에 연결되어 있는, 절탄기;
   상기 제1유동흐름과 제2유동흐름을 재결합하고 수용할 수 있게 상기 절탄기의 하류 단부에 인접하게 위치된 혼합부; 및
   상기 혼합부까지 상기 제2유동흐름을 지나가게 하도록, 상기 분할수단과 혼합부 사이에 연결된 덕트;를 포함하고,
   상기 제1유동흐름과 제2유동흐름은 상기 절탄기를 통하여 분할을 유지하고, 그리고
   상기 제1유동흐름이 상기 연도가스와 주요 열전달 매체로 사용되고 있는, 보일러를 위해 대수평균온도차(LMTD)를 향상시키는 일체형 스플릿 워터 코일 공기가열기 및 절탄기 조립체.
2. 보일러에 공급수를 공급하는 단계와;
   고온 저질량 제1유동흐름과 고온 고질량 제2유동흐름으로 공급수를 분할하는 단계;
   워터 코일 공기가열기는 공기와 열전달하는 하나 이상의 열전달 루프를 수용하고, 상기 제1유동흐름이 상기 워터 코일 공기가열기의 열전달 루프를 지나가도록, 상기 보일러용으로 가열될 공기의 통로를 위해 상기 워터 코일 공기가열기에 상기 제1유동흐름을 공급하는 단계;
   절탄기는 연도가스와 열전달하는 하나 이상의 열전달 루프를 수용하고, 상기 워터 코일 공기가열기로부터 제1유동흐름이 상기 절탄기의 열전달 루프를 지나가도록, 상기 워터 코일 공기가열기의 열전달 루프를 지나간 후에 상기 보일러용으로 냉각될 상기 연도가스의 통로를 위해 상기 절탄기에 상기 제1유동흐름을 공급하는 단계;
   상기 제2유동흐름을 상기 절탄기의 하류 단부로 안내하는 단계; 및
   상기 절탄기의 하류 단부에 인접하게 상기 제1 및 제2유동흐름을 재결합하는 단계;를 포함하고,
   상기 제1유동흐름과 제2유동흐름은 상기 절탄기를 통하여 분할을 유지하고, 그리고
   상기 제1유동흐름이 상기 연도가스와 주요 열전달 매체로 사용되고 있는, 대수평균온도차를 향상하는 방법.
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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