KR101715398B1

KR101715398B1 - 노내 보조 에어노즐을 구비한 순환유동층

Info

Publication number: KR101715398B1
Application number: KR1020100093252A
Authority: KR
Inventors: 미카일 마리얌시크; 키플린 씨. 알렉산더; 마크 씨. 고든; 데이비드 엘. 크래프트
Original assignee: 뱁콕 앤드 윌콕스 파워 제네레이션 그룹, 인크.
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2010-09-27
Publication date: 2017-03-10
Also published as: AU2010224371B2; EP2312210B1; RU2010139129A; EP2312210A2; BG110761A; US8622029B2; EP2312210A3; AU2010224371A1; CO6410028A1; AR080549A1; KR20110035916A; CL2010001031A1; TR201902018T4; NZ599084A; RU2537482C2; US20110073050A1; MX2010010674A; ES2710825T3; CN102032558A; BRPI1003902A2

Abstract

본 발명의 순환유동층(CFB) 보일러는 반응 체임버를 구비하되, 반응 체임버의 하부 내의 인클로저 내에 기포유동층(BFB)이 포함되어 있고, 이 BFB는 반응 체임버 플로어 부분을 차지하는 층내 열교환기(IBHX)를 포함한다. 다수의 층내 보조 에어 노즐은 다수의 튜브를 구비하고, 이 튜브는 서로 그룹을 지어 BFB 인클로저와 CFB의 외벽 사이에 BFB의 폭을 넘어 이어진다. CFB로부터 BFB로 떨어지는 고형물의 편향을 보조 에어노즐에 의해 방지할 수 있게 되고, 노 내에서 가스나 고형물의 운동과 간섭을 일으킬 수 있는 복잡한 구조를 피할 수 있게 된다. 노즐의 출구는 BFB 인클로저 벽과 같은 면 또는 거의 같은 면을 이룬다.

Description

노내 보조 에어노즐을 구비한 순환유동층{Circulating Fluidized Bed(CFB) with In-furnace Secondary Air Nozzles}

본 발명은 산업용 또는 전기발전 설비 등에 사용되는 순환유동층(CFB, circulating Fluidized Bed, 循環流動層) 반응로나 보일러 분야에 관한 것으로, 특히 CFB로부터 기포유동층(BFB, bubbling fluidized bed)으로 떨어지는 고형물의 편향을 보조 에어제트에 의해 방지하도록 설계된 노내 보조 에어노즐을 구비한 순환유동층 반응로 또는 보일러에 관한 것이다.

Belin 등의 미국특허 US6,543,905호는 제어가능한 층내 열교환기(in-bed heat exchanger, IBHX)를 구비한 순환유동층 보일러를 개시하고 있다. 상기 보일러는 CFB 반응 체임버와, 이 반응 체임버 내에 위치하는 BFB 열교환기를 구비한다. 열교환기 내에서의 열전달은 BFB의 하부로부터 반응 체임버 내로 고형물 방출 속도를 제어함으로써 제어된다. 상기 IBHX의 전반적인 열전달 용량은 CFB 노로부터 IBHX 내 기포유동층의 상부로의 고형물의 하향흐름에 좌우된다. 하향흐름 속도가 빨라지면 열전달 용량도 더 커진다. 보조 에어는 전형적으로 전후방 노벽에 위치된 노즐을 통해 CFB 노로 공급된다. 이 노즐들은 노 인클로저(furnace enclosure) 외부에 위치하고, 노즐의 출구는 노 벽과 같은 평면을 이룬다. IBHX가 노즐을 보유하는 벽과 인접하게 위치하기 때문에, 노즐에서 나오는 제트는 IBHX로부터 고형물의 하향흐름을 편향되게 하여 결국 열전달 용량을 감소시키게 된다.

Belin 등의 미국특허 US5,836,257호는 일체식 보조 에어 플레넘(air plenum)을 구비한 CFB 노를 개시하고 있다. 이러한 플레넘은 노 내부에 보조 에어 노즐을 설치하게 하는 것이 가능하여 IBHX로 흘러내리는 고형물과 노즐에서 나오는 제트 사이의 간섭을 방지하게 된다. 그러나, 지지 구조물이나 플레넘의 에어 공급수단이 노 내에서 가스나 고형물의 운동과 간섭을 일으킬 수 있고, 대형 CFB 속으로 적절한 제트 침투가 가능하기에 충분한 사이즈의 노즐을 구비하기 위해서는 지나치게 큰 플레넘이 필요하게 되는 문제가 있다.

본 발명은 CFB로부터 BFB로 떨어지는 고형물의 편향을 보조 에어제트에 의해 방지하기 위한 것이고, 노 내에서 가스나 고형물의 운동과 간섭을 일으킬 수 있는 복잡한 구조를 피할 수 있도록 하는 것이다.

본 발명의 하나의 실시예는, 측벽과 그리드를 구비하는 CFB 반응 체임버로서, 상기 그리드는 유동가스를 CFB 체임버에 공급하기 위하여 CFB 반응 체임버의 하부 단부에 플로어를 형성하게 되어 있는 CFB 반응 체임버;와, 상기 CFB 반응 체임버의 하부 내에 위치하고, 상기 CFB 반응 체임버의 외부벽과, 상기 CFB 반응 체임버의 플로어, 및 상기 CFB의 플로어로부터 상기 BFB의 높이까지 위로 뻗어 있는 냉각 튜브(cooled tube)로 형성되는 인클로저 벽으로 경계지워지는 기포유동층(BFB); 적어도 하나의 제어가능한 층내 열교환기(in-bed heat exchanger, IBHX)로서, 상기 IBHX는 가열면을 구비하고, 상기 CFB 반응 체임버 플로어의 부분을 차지하며, 상기 BFB의 인클로저 벽으로 둘러싸여 있는 IBHX; 및 상기 BFB 인클로저 벽의 상기 냉각 튜브에 의해 형성된 적어도 하나의 노내 보조 에어 도관과 노즐로서, 상기 냉각 튜브는 BFB 인클로저 벽의 상부로부터 BFB의 폭을 넘어 상기 CFB의 외벽에 도달할 때까지 연장되는 적어도 하나의 그룹으로 형성되는, 적어도 하나의 노내 보조 에어 노즐;을 포함하여 이루어지는 순환유동층 보일러로 구현된다.

적어도 하나의 노내 보조 에어 도관과 노즐을 형성하는 상기 냉각 튜브가 상기 CFB의 외벽에 도달할 때, 상기 냉각 튜브는 외벽의 일부가 될 수 있다. 추가로, 적어도 하나의 노내 보조 에어 노즐의 출구는 상기 BFB의 인클로저 벽과 같거나 거의 같은 면에 놓이게 된다.

본 발명의 순환유동층 보일러를 사용함으로써, CFB로부터 BFB로 떨어지는 고형물의 편향을 보조 에어제트에 의해 방지할 수 있게 되고, 노 내에서 가스나 고형물의 운동과 간섭을 일으킬 수 있는 복잡한 구조를 피할 수 있게 된다.

도 1은 보조 에어 도관과 노즐을 나타내는 본 발명에 따른 CFB 보일러의 수직 단면도이다.
도 2는 도 1의 2-2선에 따른 평면 단면도이다.
도 3은 노내 보조 에어 도관과 노즐을 형성하는 튜브들이 단일의 선들로 나타나 있는, BFB 인클로저의 개략적인 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 CFB 보일러의 수직 단면도이다.

본 발명의 다양하고 신규한 특징은 첨부된 특허청구범위에 드러나 있고 발명의 상세한 설명에 개시되어 있다. 본 발명과 이를 사용함으로써 얻을 수 있는 작동상의 이익과 특별한 효능의 이해를 위하여, 이하에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 자세히 설명한다.

여기에서 사용되는 바와 같이, CFB 보일러라는 용어는, 연소공정이 일어나는 CFB 반응기 또는 연소기를 지칭하는 것으로 사용될 것이다. 본 발명은, 특히 열이 생산되는 수단으로서 CFB 연소기를 채용하는 보일러나 스팀 발전기에 대하여 예시하고 있으나, 본 발명은 다른 종류의 CFB 반응기나 반응로에 채용될 수 있음을 이해하여야 할 것이다. 예를 들어, 본 발명은 연소공정이 아니라 화학반응을 위해서도 적용될 수 있고, 다른 곳에서 일어나는 연소공정으로부터 기체/고형물의 혼합물이 추가 처리를 위해 반응기에 공급되는 곳에도 적용될 수 있다.

도면을 참조하면, 동일 또는 기능적으로 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되고, 특히 CFB 노(1)의 수직 단면도는 벽들(2, walls)과, BFB(4)에 잠긴 IBHX(3)를 보여준다. IBHX(3)는 가열면을 구비하고, CFB 반응 체임버의 플로어의 부분을 차지한다. 상기 CFB는 주로 연료(5)의 연소에 따른 재로 이루어진 고형물과, 황산염 흡착제(6) 및, 어떤 경우엔, 상기 벽(2)들 중 적어도 하나를 통해 공급되어 분배 그리드(9)를 통해 공급되는 제1 공기(8)에 의해 유동화되는 외부 불활성 물질(7)을 포함한다. 일부 고형물은 연료의 연소가스에 휩쓸려서 노내의 반응 체임버에서 상향류(15)로 이동하여 결국 노의 출구에 있는 입자 분리기(16)에 이르게 된다. 일부 고형물(17)은 입자 분리기(16)를 통과하나, 대부분의 고형물(18)은 분리기에서 포집되어 노내로 순환된다. 이러한 고형물은 다른 고형물(19)과 함께 고형물의 상향류(15)에서 떨어져, 분배 그리드(26)를 통해 공급되는 유동화 매개물(25)에 의해 유동화되는 BFB(4)로 공급된다. CFB와 BFB로부터 고형물을 제거하는 수단(각각 27, 28)은 노 플로어의 적절한 영역에 구비된다.

상기 BFB는 인클로저(30)에 의해 CFB와 분리된다. 밸브(40)을 통한 CFB로의 고형물의 순환(35) 속도는 유동화 매개물(45, 46)의 흐름을 제어함으로써 제어된다. 상기 인클로저는 일반적으로 물이나 스팀으로 냉각되는 튜브(50)들로 이루어진다. 상기 튜브는 일반적으로 보호층에 의해 마모나 부식으로부터 보호되는데, 통상 튜브에 용접된 스터드에 고정된 내화재로 형성된다. 인클로저를 형성하는 튜브는 CFB 노(1) 내에서 필요한 BFB(4) 높이를 허용하는 높이까지 위로 연장된다. 필요한 높이 위에서, 튜브는 그룹을 지어 보조 에어 노즐(55)를 형성하게 된다. 이 노즐로 공급된 에어(60)는 BFB(4)를 지나 CFB로 분사되고, 공기 제트(65)는 BFB(4)로 떨어지는 고형물(18, 19)의 흐름을 편향시키지 않게 된다. 튜브(50)를 그룹화함으로써 개구부(70)를 형성할 수 있게 되고 이를 통해 고형물(18, 19)이 BFB(4)로 떨어질 수 있게 된다. 벽(2b)에 도달한 다음, 튜브(50)는 이 벽의 일부가 될 수 있다. 반대편 벽(2d)에 있는 보조 에어노즐(75)은 CFB 노(1)의 바깥쪽에 위치된다. 에어노즐(75) 아래에는 어떠한 IBHX도 없기 때문에 공기 제트(80)는 어떠한 바람직하지 않은 효과를 초래하지 않는다.

도 3은 튜브(50)에 의해 형성된 노내 보조 에어노즐(55)의 가능한 구조를 예시한다. 도 3에서, 노내 보조 에어노즐(55)을 형성하는 튜브(50)는 단일의 선들로 개략적으로 나타내었다.

도 4와 도 5에 보인 바와 같이 다른 실시예에서는, 잠긴 IBHX(3)를 구비한 BFB(4)는 서로 반대편의 노 벽(2b, 2d)에 위치하고 있다. 노의 양 측면에서 인클로저(30)의 튜브(50)는 보조 에어노즐(55)을 형성하기 위하여 그룹화되어 있다. 연료를 공급하기 위하여, 석회석과 다른 고형물들은 바로 CFB로 흐르고, 적어도 하나의 노 벽(도 4와 도 5의 실시예에서는 2d)에서의 BFB는 몇 개의 구획(80)으로 나뉘어져 있다. 각각의 구획(80)은 노 벽(2d)과, 인클로저(30) 및 두 개의 측벽(85){또는 측벽(85)과 노 벽(2a, 2d)}에 의해 형성된다. 이 구획들은 연료, 석회석 등이 공급되는 갭(90)에 의해 서로 분리된다.

본 발명의 적용과 원칙을 자세히 설명하기 위하여 구체적인 실시예가 예시되고 설명되었으나, 본 발명은 여기에 한정되는 것이 아니고, 이러한 발명의 원칙에서 벗어나지 않고도 다양한 구현예가 가능하다. 본 발명의 어떤 실시예에서는, 본 발명의 어떤 특징적 요소는 다른 구성요소의 사용없이도 유익하게 사용될 수 있다. 따라서, 이러한 모든 변형례와 실시예는 첨부된 특허청구범위 내에 속한다는 것을 밝혀둔다.

1 : CFB 노 3 : IBHX
4 : BFB 50 : 냉각 튜브
55 : 보조 에어노즐

Claims

측벽과 그리드를 구비하는 순환유동층(Circulating Fluidized Bed, CFB) 반응 체임버로서, 상기 그리드는 유동가스를 상기 CFB 반응 체임버에 공급하기 위하여 CFB 반응 체임버의 하부 단부에 플로어를 형성하게 되어 있는, CFB 반응 체임버;와,
상기 CFB 반응 체임버의 하부 내에 위치하는 기포유동층(BFB)으로서, 상기 CFB 반응 체임버의 하나 이상의 측벽과, 상기 CFB 반응 체임버의 플로어, 및 상기 CFB의 플로어로부터 상기 BFB의 높이까지 위로 뻗어 있는 냉각 튜브로 형성되는 인클로저 벽으로 경계지워지는, 기포유동층(BFB);
상기 기포유동층(BFB)에 잠겨 있는 적어도 하나의 제어가능한 층내 열교환기(in-bed heat exchanger, IBHX)로서, 상기 IBHX는 가열면을 구비하고, 상기 CFB 반응 체임버 플로어의 부분을 차지하는, IBHX; 및
상기 BFB의 인클로저 벽의 다수의 냉각 튜브에 의해 형성된 적어도 하나의 노내 보조 에어 도관과 노즐로서, 상기 냉각 튜브는 BFB 인클로저 벽의 상부로부터 상기 BFB의 폭을 넘어 상기 CFB 반응 체임버의 측벽 중의 하나까지 연장되고, 상기 다수의 냉각 튜브는 개구부를 형성하도록 되어 있고 상기 개구부를 통하여 고형물이 상기 BFB로 떨어질 수 있도록 구성되어 있는, 적어도 하나의 노내 보조 에어 노즐;을 포함하여 이루어지는 순환유동층 보일러.
제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 노내 보조 에어 노즐을 형성하는 상기 냉각 튜브가 상기 CFB의 외벽에 다다를 때, 상기 냉각 튜브는 하나의 측벽의 일부가 되는 순환유동층 보일러.
제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 노내 보조 에어 노즐의 출구는 상기 BFB의 인클로저 벽과 같은 면에 놓이게 되어 있는 순환유동층 보일러.
제1항에 있어서, 상기 BFB의 인클로저 벽을 포함하는 상기 냉각 튜브는 보호층으로 덮여 있는 순환유동층 보일러.
제4항에 있어서, 상기 보호층은 상기 냉각 튜브에 용접된 스터드에 의해 고정된 내화재로 형성되는 순환유동층 보일러.
제1항에 있어서, 상기 노내 보조 에어 노즐을 형성하는 상기 냉각 튜브는 보호층으로 덮여 있는 순환유동층 보일러.
제6 항에 있어서, 상기 보호층은 상기 냉각 튜브에 용접된 스터드에 의해 고정된 내화재로 형성되는 순환유동층 보일러.