KR102474929B1 - 보일러 효율성을 향상시키기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
스팀 발생기 시스템의 효율성을 향상시키는 방법은 스팀 발생기 용기, 공기 공급 시스템 및 공기 예열기를 포함하는 스팀 발생기 시스템을 제공하는 단계를 포함한다. 공기 공급 시스템은 공기 예열기를 통해 스팀 발생기 용기와 연통되고, 스팀 발생기 용기는 공기 예열기와 연통된다. 공기 공급 시스템은 제1 양의 공기를 공기 예열기에 공급한다. 제1 양의 공기의 적어도 일부는 스팀 발생기 용기에 공급된다. 연도 가스 혼합물은 스팀 발생기 용기로부터 배출된다. 연도 가스 혼합물의 적어도 일부는 공기 예열기 내로 유입된다. 연도 가스 혼합물 내의 SO3는 연도 가스 혼합물이 공기 예열기에 들어가기 전에 경감된다.
Description
본 발명은 일반적으로 화석 연료 연소 스팀 발생기의 효율성 및 입자상 물질 제거의 효율성을 향상시키기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이며, 더욱 특히, 공기 예열기의 상류에서 SO3 경감을 사용하는 것에 의해, 또한 굴뚝 가스의 재가열 및/또는 다른 수단을 용이하게 함으로써 스팀 발생기를 포함하는 화력 발전소(thermal power station)의 열률(heat rate)을 추가적으로 향상시키는 것에 의해, 오염을 줄이고, 화석 연료 연소 스팀 발생기의 열효율 및 전기 집진기의 효율을 향상시킴으로써, 공기 예열기의 효율성을 향상시키는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
화력 발전소는 전형적으로, 연료(예를 들어, 석탄, 천연 가스 및/또는 석유)가 연소되어 발생된 스팀으로 터보 발전기를 구동시켜 전기를 전력망(electrical grid)에 공급하는 화석 연료 연소 스팀 발생기 시스템을 포함한다. 화력 발전소의 전체 효율은, 그러한 출력을 생성하기 위한 에너지 입력과 비교된 전력망에 공급되는 사용 가능한 전력의 척도이다. 에너지 입력에는, 스팀 발생기 용기에서의 1차 연료 연소에 의해 방출되는 에너지가 포함될 뿐만 아니라, 2차 에너지원(예를 들어, 보조 설비(예를 들어, 팬, 펌프 및 모터, 오염 제어 설비, 내재적인 열전도 손실 등을 포함)를 작동하기 위해 필요한 에너지, 및, 종종, 대기 중으로의 적절한 연도 가스 분산을 보장하기 위한 굴뚝 재가열을 수행하는데 요구되는 에너지)도 포함된다.
발전 및 화학물질 처리 플랜트에서 사용되는 스팀의 발생에 사용되는 스팀 발생기 시스템에는 여러 유형이 있다. 스팀 발생 시스템 중 일부는 석탄, 천연 가스 및 석유와 같은 화석 연료를 스팀 발생기 용기에서 연소시킨다. 연료의 연소를 위해 산소를 공급하기 위해서는 스팀 발생기 용기로의 공기 공급이 필요하다. 연료의 연소는 스팀 발생기 용기로부터 배출되는 연도 가스 스트림 내에 고온 연소 부산물을 초래한다. 스팀 발생기 시스템의 열효율을 향상시키기 위해 스팀 발생기 용기로 공급되는 공기는, 공기 예열기(APH)(예를 들어, 로터리 APH) 내에서 연도 가스 스트림으로부터 열을 회수함으로써, 가열된다.
APH의 효율은, 더 높은 효율의 열전달 요소를 사용함으로써 또한 더 큰 열전달 면적을 갖는 열전달 요소를 사용함으로써, 증가될 수 있다. 그러나, 관련 기술 분야의 통상의 기술자는, 기술된 바와 같이, 오염물의 제어와 관련된 작동 제한으로 인해, 더 높은 효율을 갖는 열 전달 요소 및 더 큰 열전달 면적을 갖는 열 전달 요소의 사용을 통해 이용 가능한 증가된 APH 효율의 최대 잠재력을 실현할 수 없었다.
연도 가스 스트림의 부산물은 입자상 물질 및 오염물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 석탄의 연소는 비산 회분(fly ash) 형태의 입자상 물질, 및 질소 산화물(NOX), 이산화황(SO2) 및 삼산화황(SO3)(집합적으로 종종 SOx라고 지칭됨)과 같은 오염물과 같은 부산물을 생성한다. SO2는 고황 석탄(high sulfur coal)과 같은 황 함유 연료의 연소의 결과로서 형성된다. SO3는, 예를 들어, 연도 가스의 산소 함량이 너무 높거나 연도 가스 온도가 너무 높은(예를 들어, 800 ℃ 초과) 경우, SO2의 산화에 의해 형성된다. SO3는 제거하기 매우 어려운 황산(H2SO4) 미스트로 알려진 액체 에어로졸을 형성할 수 있다.
환경 법규 및 규제는 입자상 물질 및 오염물이 환경으로 배출되는 양을 제한한다. 따라서, 입자상 물질 및 오염물의 배출을 제어하기 위해 다양한 처리 시스템이 사용되어 왔다. 예를 들어, 선택적 촉매 환원법(Selective Catalytic Reduction, SCR)은, NOx라고도 지칭되는 질소 산화물을, 촉매의 도움으로, 이원자 질소(N2)와 물(H2O)로 전환하기 위한 처리 수단이다. 백 하우스(bag house), 습식 전기 집진기(Electro Static Precipitator, ESP) 및 건식 ESP와 같은 입자상 물질 제어 시스템을 사용하여, 연도 가스 스트림으로부터 입자상 물질을 제거할 수 있다. 건식 ESP는 습식 ESP보다 더 효율적이고 유지 관리가 더 쉽지만, 건식 ESP는 습식 ESP보다 더 건조한 연도 가스 스트림을 필요로 한다. 건조 연도 가스 스트림의 생성은 어려울 수 있는데, 그 이유는 연도 가스 온도가 APH의 냉 단부에서 SO3의 이슬점 이하로 감소함에 따라, 응축이 일어나서, SO3가 H2SO4 및 비교적 습한 연도 가스를 형성하는 것을 야기할 수 있기 때문이다. 더욱이, 연도 가스가 H2SO4 미스트를 함유하는 경우에는, 덜 효율적인 습식 ESP가 H2SO4를 제거하기 위해 통상적으로 사용된다. 또한, ESP는 연도 가스의 온도가 높은 경우(예를 들어, 130 ℃ 이상) 분진 오염(예를 들어, ESP 수집판 및 제거통 상에 바람직하지 않은 비산 회분의 축적)을 겪는 경향이 있다.
입자상 물질 및 오염물의 제어를 위해 사용되는 또 다른 시스템은 연도 가스 탈황(Flue Gas Desulfurization, FGD) 시스템이다. FGD 시스템은, 예를 들어, SO2 흡수제를 사용하여 임의의 SO2를 제거하는 데 주로 사용된다. 습식 SO2 흡수기는 전형적으로, 흡수제와 혼합된 물을, SO2 흡수기를 통해 흐르는 연도 가스 스트림 상에 분무하여, 연도 가스로부터 SO2를 흡수한다. SO2 흡수기를 빠져나오는 연도 가스는 어느 정도의 SO2를 함유한 물로 포화된다. FGD 시스템의 한 가지 작동 제한은 SO2 흡수기를 빠져나가는 연도 가스가, 팬, 덕트 및 굴뚝과 같은 임의의 하류 설비에 대해 높은 부식성을 가질 수 있다는 것이다. FGD 시스템의 또 다른 작동 제한은 SO2 흡수기가 상당량의 물 공급 및 흡착제 재생 설비를 필요로 한다는 것이다.
APH와 관련하여 한 가지 작동상의 제한점은 증가된 열전달 효율 및 면적을 갖는 열전달 요소를 사용하면 연도 가스 온도가 SO3의 이슬점보다 낮아져 APH의 냉 단부에서 응축이 발생할 수 있다는 것이다. SO3는 물과 반응하여 APH 열전달 요소에서 응축되는 황산 H2SO4를 형성한다. 입자상 물질은 응축된 H2SO4에 부착되어 APH의 오염(fouling)을 일으킬 수 있다. 이러한 작동 상의 제한에 기초하여, 관련 기술 분야의 통상의 기술자는, APH를 빠져나가는 성분의 온도 및/또는 연도 가스 온도를 SO3의 이슬점 아래로 낮추는 것과, 효율이 증가된 열전달 요소 및 증가된 열전달 면적을 갖는 APH를 추가적으로 사용하는 것을 주저하고 있다. 따라서, APH의 효율 증가에 대한 완전한 잠재력을 완전히 실현시키지 못함으로써, 스팀 발생기 시스템의 열효율을 그것의 최대 잠재력까지 높일 수 있는 능력이 제한된다.
선행 기술 스팀 발생기 시스템에 대한 상세한 논의는 공통 소유 PCT 특허출원 PCT/US2017/13459에 제공되어 있으며, 이 문헌의 주제는 그 전체가 본 명세서에 통합된다.
전술한 내용에 기초하여, 개선된 열효율 및 입자상 물질 및 오염물 처리 시스템을 갖는 스팀 발생기 시스템이 요구되고 있다.
본 명세서에는 스팀 발생기 시스템의 효율성을 개선하는 방법이 개시된다. 본 방법은 스팀 발생기 용기, 공기 공급 시스템 및 공기 예열기를 갖는 스팀 발생기 시스템을 제공하는 단계를 포함한다. 공기 공급 시스템은 공기 예열기를 통해 스팀 발생기 용기와 연통되고, 스팀 발생기 용기는 공기 예열기와 연통된다. 공기 공급 시스템은 제1 양의 공기를 공기 예열기에 제공하고, 제1 양의 공기의 일부 또는 전부는 스팀 발생기 용기에 연소 공기로서 제공된다. 본 방법은, 스팀 발생기 용기로부터 연도 가스 혼합물을 배출하는 단계, 및 연도 가스 혼합물의 적어도 일부를 공기 예열기 내로 유입시키는 단계를 포함한다. 본 방법은, 연도 가스 혼합물이 공기 예열기에 들어가기 전에, 연도 가스 혼합물 내의 SO3를 경감시키는 단계를 포함한다.
일 구현예에서, 열 포획 수단(heat capture means)(예를 들어, 열교환기; 연소 공기를 예열하기 위해 및/또는 물(H2O)의 이슬점과 같은 또는 그 근처의 온도까지 연도 가스를 냉각하기 위해 요구되는 것을 초과하는 열전달 용량을 갖는 공기 예열기 내의 열전달 요소; 덕트 배열; 믹서; 튜브; 탱크 등)은, 스팀 발생기, 공기 예열기, 제1 양의 공기 및/또는 연도 가스 혼합물과 연통된다. 일 구현예에서, 본 방법은 스팀 발생기, 공기 예열기, 제1 양의 공기 및/또는 연도 가스 혼합물로부터 제1 양의 열을 전달하는 단계를 포함한다.
일 구현예에서, 본 방법은 입자상 물질 제거 시스템 및 연도 가스 탈황 시스템을 제공하는 단계를 포함한다. 입자상 물질 제거 시스템은 공기 예열기의 하류에 위치하고, 연도 가스 탈황 시스템은 입자상 물질 제거 시스템의 하류에 위치한다. 일 구현예에서, 본 방법은 스팀 발생기 용기를 빠져나가는 연도 가스 혼합물의 전부 또는 일부를, 공기 예열기로부터 곧바로 입자상 물질 제거 시스템으로, 배출함으로써, 연도 가스 혼합물로부터 입자상 물질을 제거하고, 제1 처리된 연도 가스 혼합물을 생성하는 단계를 포함한다. 일 구현예에서, 본 방법은 제1 처리된 연도 가스 혼합물을, 입자상 물질 제거 시스템으로부터 연도 가스 탈황 시스템 내로, 배출함으로써, 연도 가스 탈황 시스템 내에서 제2 처리된 연도 가스 혼합물을 생성하고, 또한, 연도 가스 탈황 시스템으로부터 제2 처리된 연도 가스 혼합물을 배출하는 단계를 포함한다.
일 구현예에서, 제1 양의 열은 연소 공기를 예열하는데 사용되는 열의 약 10 내지 25 퍼센트의 크기이다. 일 구현예에서, 제1 양의 공기는 연소 공기로서 요구되는 양을 초과하는 크기이다.
일 구현예에서, 연도 가스 배출 굴뚝이 스팀 발생기 시스템에 제공된다. 스팀 발생기 용기는 공기 예열기, 입자상 물질 제거 시스템 및/또는 연도 가스 탈황 시스템을 통해 배출 굴뚝과 연통된다. 일 구현예에서, 본 방법은 제1 양의 열의 적어도 일부를 이용하여, 배출 굴뚝의 출구의 상류에서, 연도 가스 혼합물의 온도를, 배출 굴뚝을 빠져나가는 가시적 플럼(visible plume)을 경감시키거나 또는 배출 굴뚝 내의 부식을 경감시키기에 충분한 크기까지 증가시키는 단계를 포함한다.
일 구현예에서, 본 방법은 다음 단계들 중 하나 이상을 포함한다: (1) 보일러 시동 중에, 제1 양의 열의 적어도 일부를 이용하여, 입자상 물질 제거 시스템, 연도 가스 탈황 시스템 및 중간 덕트(intermediate ducting) 중 적어도 하나를 선택적으로(selectively) 예열하는 단계; (2) 보일러 운전 중에, 제1 양의 열의 적어도 일부를 석탄 건조 설비를 위해 이용하고, 후속적으로 대기 중으로 배출되는 단계; (3) 제1 양의 열의 적어도 일부를 대기 중으로 방출하는 단계; (4) 제1 양의 열의 적어도 일부를 이용하여, 스팀 발생기 시스템의 열률(heat rate)을 향상시키는 단계; (5) 제1 양의 열의 적어도 일부를 이용하여, 입자상 물질 제거 시스템 및 스팀 발생기 용기 중 적어도 하나와 연통되는 젖은 회분 제거 시스템(a wet ash removal system)으로부터 배출되는 회분 슬러리로부터 물을 증발시키는 단계; 및 (6) 폐수 시스템에서, 제1 양의 열의 적어도 일부를 이용하여, 폐수 시스템으로부터의 물 배출을 감소시키는 단계.
일 구현예에서, 열률을 향상시키는 단계는 다음 단계들 중 하나 이상을 포함한다: (1) 제1 양의 열의 적어도 일부를 이용하여, 스팀 사이클 효율을 향상시키는 단계; (2) 제1 양의 열의 적어도 일부를 이용하여, 스팀 발생기 시스템에 공급되는 공급수 또는 응축물을 예열하는 단계; 및 (3) 제1 양의 열의 적어도 일부를 이용하여, 스팀 발생기 시스템의 기생 부하(parasitic loads)(예를 들어, 공간 및 식수 가열; 및 전동 모터 대신에 회전 장비(예를 들어, 팬)를 구동하기 위한 터빈용 스팀; 및 발전용으로 사용되는 스팀 이외의 다른 스팀 또는 열 부하)를 감소시키는 단계.
일 구현예에서, 본 방법은 다음 단계들을 포함한다: 연도 가스 혼합물의 일부 및 제1 양의 공기의 일부 중 적어도 하나를 폐수 시스템에 공급하여, 폐수 시스템 내의 폐수를 증발시키는 단계; 폐수 시스템에서 입자상 폐기물을 생성하는 단계; 및 입자상 폐기물을 입자상 물질 제거 시스템으로 이송하는 단계.
일 구현예에서, 연도 가스 혼합물 내의 SO3를 경감시키는 단계는, 화학적 처리(chemical rendering) 단계; 및/또는 저황 연료를 스팀 발생기 시스템에 공급하는 단계;를 포함한다.
일 구현예에서, 공기 예열기는, 제1 양의 공기를 약 288 ℃ 내지 약 399 ℃(약 550 ℉ 내지 약 750 ℉)까지 가열하도록, 구성된다.
일 구현예에서, 공기 공급 시스템은 제1 양의 공기를 공기 예열기에, 공기 예열기를 빠져나가는 연도 가스 혼합물의 제1 온도를 확립하기에 충분한 질량 유량으로 제공하고, 이때, 제1 온도는, 공기 예열기가 하기 수학식:
HR = 100% x ((Tgi-TgoAdvX)/(Tgi-TgoSTD) - 1)
에 따라 계산된 적어도 1%의 증가된 열 회수율로(heat recovery: HR)로 작동하는 개선된 공기 예열기에 의해 한정되는 냉 단부 출구 온도(cold end outlet temperature)를 갖도록 설정된다.
일 구현예에서, 공기 예열기는 공기 예열기 내의 물 이슬점 이상(no less than)(예를 들어, ~보다 실질적으로 낮지 않은, ~와 대략 동일한, 또는, ~보다 실질적으로 높지 않은) 냉 단부 금속 온도를 가지며, 또한 냉 단부 금속 온도는 황산 이슬점 온도보다 낮으며, 제1 온도는 약 105 ℃(220 ℉) 내지 약 125 ℃(257 ℉)이다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "물 이슬점 온도 이상(no less than a water dew point temperature)"은, 물 이슬점 온도와 거의 동일하여, 파울링의 부식(corrosion of fouling)을 일으키는 공기 예열기 내의 열전달 요소의 영구적 젖음이 없도록 하는 온도를 의미한다.
일 구현예에서, 공기 예열기는, 공기 예열기 내의 물 이슬점 온도로부터 섭씨 0.5 도 이내의 냉 단부 금속 온도를 갖는다. 일 구현예에서, 공기 예열기는, 공기 예열기 내의 물 이슬점 온도로부터 섭씨 1 도 이내의 냉 단부 금속 온도를 갖는다. 일 구현예에서, 공기 예열기는, 공기 예열기 내의 물 이슬점 온도로부터 섭씨 2 도 이내의 냉 단부 금속 온도를 갖는다. 일 구현예에서, 공기 예열기는, 공기 예열기 내의 물 이슬점 온도로부터 섭씨 3 도 이내의 냉 단부 금속 온도를 갖는다. 일 구현예에서, 공기 예열기는, 공기 예열기 내의 물 이슬점 온도로부터 섭씨 4 도 이내의 냉 단부 금속 온도를 갖는다. 일 구현예에서, 공기 예열기는, 공기 예열기 내의 물 이슬점 온도로부터 섭씨 5 도 이내의 냉 단부 금속 온도를 갖는다.
본 명세서에서는 또한, 본 발명의 방법들에 따라 작동하도록 구성되도록 스팀 발생기 시스템을 개량하는 방법이 개시된다. 개량 방법 구현예에 있어서, 제1 처리된 연도 가스 혼합물을 입자상 물질 제거 시스템으로부터 곧바로 연도 가스 탈황 시스템 내로 배출하는 단계는, 개량 전에, 스팀 발생기 시스템에 존재하는 하나 이상의 열교환기를, 입자상 물질 제거 시스템과 연도 가스 탈황 시스템 사이에서, 사용하는 것을 포함한다.
본 명세서에서는 또한, 앞에서 설명된 방법들에 따라 작동하도록 구성된 스팀 발생기 시스템이 개시된다.
본 명세서에는 스팀 발생기 시스템의 효율성을 개선하는 방법이 개시된다. 이 방법은 스팀 발생기 용기, 공기 공급 시스템, 개선된 공기 예열기(예를 들어, 이전에 개발명 AXRMTM이 주어진 AdvXTM 공기 예열기), 입자상 물질 제거 시스템(예를 들어, 건식 전기 집진기(dry electro static precipitator) 및/또는 직물 필터(fabric filter)), 연도 가스 탈황 시스템, 및 연도 가스 배출 굴뚝을 갖는 스팀 발생기 시스템을 제공하는 단계를 포함한다. 공기 공급 시스템은 공기 예열기를 통해 스팀 발생기 용기와 연통된다. 스팀 발생기 용기는 공기 예열기, 입자상 물질 제거 시스템 및 연도 가스 탈황 시스템을 통해 배출 굴뚝과 연통된다. 입자상 물질 제거 시스템은 공기 예열기의 하류에 위치한다. 연도 가스 탈황 시스템은 입자상 물질 제거 시스템의 하류에 위치하고, 배출 굴뚝은 연도 가스 탈황 시스템의 하류에 위치한다. 이 방법은, 공기 공급 시스템이, 공기 예열기를 빠져나가는 연도 가스 혼합물의 제1 온도를 확립하기에 충분한 질량 유량으로 공기 예열기에 제1 양의 공기를 제공하도록 만드는 단계를 포함한다. 제1 온도는, 공기 예열기가 하기 수학식에 따라 계산된 적어도 1%의 증가된 열 회수율(HR)로 작동하는 개선된 공기 예열기에 의해 한정되는 냉 단부 출구 온도를 갖도록 하는 크기이다:
HR = 100% x ((Tgi-TgoAdvX)/(Tgi-TgoSTD) - 1), 여기서
Tgi = 공기 예열기에 유입되는 연도 가스 혼합물의 연도 가스 입구 온도;
TgoAdvX = 개선된 공기 예열기를 빠져나가는 연도 가스 혼합물의 연도 가스 출구 온도;
TgoSTD = 표준 공기 예열기를 빠져나오는 연도 가스 혼합물의 연도 가스 출구 온도.
이 방법은 스팀 발생기 용기에서 생성된 연도 가스 혼합물 내의 SO3를 경감시키는 단계를 포함한다. 연도 가스 혼합물이 공기 예열기에 들어가기 전에 SO3의 경감이 발생한다. 이 방법은 제1 양의 공기를 약 288 ℃ 내지 399 ℃(550 ℉ 내지 750 ℉)의 제2 온도까지 가열하도록 공기 예열기를 구성하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한, 제1 양의 공기의 제1 부분 또는 전부를, 연료의 연소를 위한 연소 공기로서, 스팀 발생기 용기에 공급하는 단계를 포함한다. 연도 가스 혼합물은 제1 온도에서 공기 예열기로부터 곧바로 입자상 물질 제거 시스템으로 배출됨으로써, 연도 가스 혼합물로부터 입자상 물질을 제거하고, 제1 처리된 연도 가스 혼합물을 생성한다. 이 방법은 스팀 발생기 용기를 빠져나오는 제1 처리된 연도 가스 혼합물의 전부 또는 일부를, 입자상 물질 제거 시스템으로부터 곧바로 연도 가스 탈황 시스템 내로, 배출함으로써, 연도 가스 탈황 시스템 내에서 제2 처리된 연도 가스를 생성하고 또한 연도 가스 탈황 시스템으로부터 제2 처리된 연도 가스를 제3 온도(예를 들어, 이에 국한되는 않지만, 52 ℃ 내지 약 60 ℃(125 ℉ 내지 140 ℉))에서 배출하는 단계를 더 포함한다. 제3 온도는, 배출 굴뚝에 들어가기 전에, 제2 부분의 공기의 주입을 용이하게 하기에 충분한 크기이고, 이때, 제2 부분의 공기는 연도 가스 재가열 공기로서 사용되는데, 이러한 연도 가스 재가열 공기는 제3 온도의 제2 처리된 연도 가스 혼합물을 직접(예를 들어, 혼합을 통해) 또는 간접적으로(예를 들어, 열교환기를 사용하여) 가열함으로써, 제3 처리된 연도 가스 혼합물을 제4 온도(예를 들어, 적어도 약 68 ℃(155 ℉))에서 생성시킨다. 제3 온도는 연도 가스 재가열 공기가 제4 온도를 목적 크기까지 상승시키는 것을 가능하게 하기에 충분한 크기인데, 이때 상기 목적 크기는, 배출 굴뚝을 빠져나오는 가시적 플럼(visible plume)을 경감시키고 배출 굴뚝 내의 부식을 경감시키기에 충분한 크기이다. 마지막으로, 이 방법은 제3 처리된 연도 가스 혼합물을 배출 굴뚝 내로 제4 온도에서 유입시키는 단계를 포함한다.
일 구현예에서, 제1 양의 공기는 스팀 발생기 용기 내의 연료의 연소에 필요한 양을 초과하는 크기이고, 제2 부분의 공기는 공기 예열기로부터 제2 온도에서 공급되는 제1 양의 공기의 제2 부분이다. 반면에, 다른 구현예에서, 연도 가스 혼합물은 공기 예열기의 상류에서 2개의 스트림으로 분리되며, 여기서, 2개의 스트림 중 제1 스트림은 공기 예열기로 공급된 후 공기 예열기로부터 배출되는 연도 가스 혼합물의 상기 부분이고, 2개의 스트림 중 제2 스트림은 공기 예열기의 상류의 덕트(ducting)를 통해 배출(bled)된다. 이러한 다른 구현예에서, 제2 스트림은 후속적으로 열교환기를 통해 공급되고, 공기 예열기의 하류의 제1 스트림과 재결합하도록 주입된다. 통상적으로, 제2 스트림은 후속적으로 열교환기를 통해 공급되고, 제2 부분의 공기는 연도 가스 재가열 공기로서 주입되기 전에 열교환기에서 연도 가스의 제2 스트림에 의해 가열된다.
일 구현예에서, 공기 예열기는 공기 예열기 내의 물 이슬점 온도 만큼의 냉 단부 금속 온도를 갖고, 또한 냉 단부 금속 온도는 황산 이슬점 온도보다 낮으며, 제1 온도는 약 105 ℃(220 ℉) 내지 약 125 ℃(257 ℉)이다.
일 구현예에서, 제1 양의 공기의 제3 부분은, 보일러를 시동하는 동안 입자상 물질 제거 시스템, 연도 가스 탈황 시스템 및/또는 중간 덕트 중 적어도 하나를 선택적으로(selectively) 예열하기 위해, 또는 보일러 운전 동안 석탄 건조 설비를 위해, 예열 공기로서 제공되고, 후속적으로 대기 중으로 배출된다. 다른 구현예에서, 제2 스트림의 연도 가스 혼합물은 후속적으로 열교환기를 통해 공급되어, 연도 가스 재가열 공기로서 주입되기 위한 제2 부분의 공기를 제공하는 공기 스트림을 가열한다. 추가적으로, 이러한 구현예에서, 이 공기 스트림은, 보일러를 시동하는 동안 입자상 물질 제거 시스템, 연도 가스 탈황 시스템, 중간 덕트 중 적어도 하나를 선택적으로(selectively) 예열하기 위해 또는 보일러 운전 동안 석탄 건조 설비를 위해 예열 공기로서 사용되는 제3 부분의 공기를 제공하고, 후속적으로 대기 중으로 배출된다.
일 구현예에서, 스팀 발생기 시스템은 선택적(selective) 촉매 환원 시스템을 더 포함하고, 스팀 발생기 용기는 선택적(selective) 촉매 환원 시스템을 통해 공기 예열기와 연통된다.
일 구현예에서, 스팀 발생기 시스템은 연도 가스 재가열 공기 및/또는 예열 공기 입자상 물질 제거 시스템 중 적어도 하나를 더 포함하고, 공기 예열기는 연도 가스 재가열 공기 및/또는 예열 공기 입자상 물질 제거 시스템을 통해 배출 굴뚝과 연통된다. 연도 가스 재가열 공기 및/또는 예열 공기 입자상 물질 제거 시스템은, 연도 가스 혼합물로부터 공기 예열기 내의 누출(예를 들어, 비효과적인 또는 손상된 섹터 씰(sector seals)의 사용에 의해)로부터, 제2 부분의 공기에 도입되는 입자상 오염물을 제2 부분의 공기로부터 제거한다.
일 구현예에서, 스팀 발생기 시스템은 스팀 발생기 용기와 공기 예열기 사이에 배치된 습도 센서를 더 포함하고, 본 방법은, 제1 온도의 크기를 결정하기 위해, 습도 센서로 연도 가스 혼합물의 습도를 측정하는 단계를 포함한다.
일 구현예에서, 스팀 발생기 시스템은 적외선 센서를 더 포함하고, 본 방법은 적외선 센서로 공기 예열기 내의 냉 단부 금속 온도를 측정하는 단계; 냉 단부 금속 온도를 물 이슬점 온도와 비교하는 단계; 및 냉 단부 금속 온도를 물 이슬점 온도 이상으로 제어하는 단계를 포함한다.
일 구현예에서, 연도 가스 혼합물 내의 SO3를 경감시키는 단계는 스팀 발생기 용기에 저황 연료를 공급하는 단계를 포함하고, 저황 연료는 5 ppm 미만의 SO3를 생성한다.
일 구현예에서, 연도 가스 혼합물 내의 SO3를 경감시키는 단계는 연도 가스 혼합물을 공기 예열기에 유입시키기 전에, 연도 가스 혼합물 내의 SO3를 제거하는 단계를 포함한다.
일 구현예에서, 연도 가스 혼합물 내의 SO3를 경감시키는 단계는 연도 가스 혼합물을 공기 예열기에 유입시키기 전에, 연도 가스 혼합물 내의 SO3를 불활성 염이 되도록 화학적으로 처리하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 화학적으로 처리하는 단계는 반응물의 수성 현탁액을 분무함으로써 연도 가스 중의 SO3와 반응할 수 있는 적어도 하나의 가용성 염 화합물의 건조 입자를 함유하는 입자상 안개(particulate mist)를 생성하는 단계를 포함하며, 이때, 반응물은 소듐, 마그네슘, 포타슘, 암모늄 및/또는 칼슘 티오술페이트를 함유하고 티오술페이트 및 클로라이드 중 적어도 하나와 같은 적어도 가용성 염 화합물을 함유하거나, 또는, 소듐 카보네이트, 소듐 비카보네이트, 소듐 하이드록사이드, 암모늄 하이드록사이드, 포타슘 하이드록사이드, 포타슘 카보네이트 및 포타슘 비카보네이트 중 적어도 하나를 함유한다.
일 구현예에서, 이 방법은 연도 가스 탈황 시스템과 배출 굴뚝 사이에 주입 수단(예를 들어, 덕트 매니폴드)을 제공하는 단계를 더 포함하고, 제2 온도의 제2 부분의 공기를, 제3 온도의 제2 연도 처리된 연도 가스 혼합물과 함께 주입하는 것은 주입 수단에서 발생한다.
일 구현예에서, 주입 수단은 연도 가스 탈황 시스템과 배출 굴뚝 사이에 위치된 덕트 매니폴드를 포함한다. 덕트 매니폴드는 제2 처리된 연도 가스 혼합물을 수용하기 위한 입구, 제2 부분의 공기를 수용하기 위한 분지 연결부(branch connection), 및 배출 굴뚝과 연통되는 출구를 포함한다. 일 구현예에서, 주입 수단은 혼합기, 터닝 베인(turning vanes) 및/또는 태뷸레이터 장치(tabulator device)를 포함한다.
일 구현예에서, 연도 가스 혼합물을 제1 온도에서 공기 예열기로부터 곧바로 입자상 물질 제거 시스템으로 배출하는 단계는 공기 예열기와 입자상 물질 제거 시스템 사이에 배치된 열교환기 없이 달성된다.
일 구현예에서, 제1 처리된 연도 가스 혼합물을 입자상 물질 제거 시스템으로부터 곧바로 연도 가스 탈황 시스템 내로 배출하는 단계는, 입자상 물질 제거 시스템과 연도 가스 탈황 시스템 사이에 배치된 열교환기 없이 달성된다.
일 구현예에서, 공기 예열기와 연도 가스 탈황 시스템 사이에 열교환기기 배치되지 않는다.
일 구현예에서, 연도 가스 탈황 시스템과 배출 굴뚝 사이에 팬(fan)이 배치되지 않는다.
일 구현예에서, 제1 양의 공기의 제2 부분의 주입은 제2 처리된 연도 가스 혼합물에 대한 제2 부분의 질량 비율이 1% 내지 16%인 상태에서 수행된다. 일 구현예에서, 제1 양의 공기의 제2 부분의 주입은 제2 처리된 연도 가스 혼합물에 대한 제2 부분의 질량 비율이 9% 내지 16%인 상태에서 수행된다.
본 명세서에는 스팀 발생기 시스템의 효율성을 개선하는 방법이 개시된다. 이 방법은 스팀 발생기 용기, 공기 공급 시스템, 개선된 공기 예열기, 입자상 물질 제거 시스템 및 연도 가스 배출 굴뚝을 포함하는 스팀 발생기 시스템을 제공하는 단계를 포함한다. 공기 공급 시스템은 공기 예열기를 통해 스팀 발생기 용기와 연통되고, 스팀 발생기 용기는 공기 예열기 및 입자상 물질 제거 시스템을 통해 배출 굴뚝과 연통된다. 입자상 물질 제거 시스템은 공기 예열기의 하류에 위치하고, 배출 굴뚝은 입자상 물질 제거 시스템의 하류에 위치한다. 공기 공급 시스템은 제1 양의 공기를 공기 예열기에, 공기 예열기를 빠져나가는 연도 가스 혼합물의 제1 온도를 확립하기에 충분한 질량 유량으로 제공한다. 제1 온도는 공기 예열기가 하기 수학식:
HR = 100% x ((Tgi-TgoAdvX)/(Tgi-TgoSTD) - 1)
에 따라 계산된 적어도 1%의 증가된 열 회수율(HR)로 작동하는 개선된 공기 예열기에 의해 한정된 냉 단부 출구 온도를 갖도록 설정되며, 여기서
Tgi = 공기 예열기에 유입되는 연도 가스 혼합물의 연도 가스 입구 온도;
TgoAdvX = 개선된 공기 예열기를 빠져나가는 연도 가스 혼합물의 연도 가스 출구 온도;
TgoSTD = 표준 공기 예열기를 빠져나오는 연도 가스 혼합물의 연도 가스 출구 온도.
이 방법은 스팀 발생기 용기에서 생성된 연도 가스 혼합물 중의 SO3를 경감시키는 단계를 포함하고, 여기서 SO3의 경감은 연도 가스 혼합물이 공기 예열기에 들어가기 전에 발생한다. 공기 예열기는 제1 양의 공기를 약 288 ℃ 내지 399 ℃(550 ℉ 내지 750 ℉)의 제2 온도로 가열하도록 구성된다. 제1 양의 공기의 제1 부분 또는 전부를 연료의 연소를 위한 연소 공기로서, 스팀 발생기 용기에 공급한다. 제1 온도에서 연도 가스 혼합물의 전부 또는 적어도 일부를, 공기 예열기로부터 곧바로 입자상 물질 제거 시스템으로, 배출함으로써, 연도 가스 혼합물로부터 입자상 물질을 제거하고, 제1 처리된 연도 가스 혼합물을 생성한다. 제1 처리된 연도 가스 혼합물은, 입자상 물질 제거 시스템으로부터 곧바로 연도 가스 탈황 시스템 내로, 배출되며, 그에 따라, 연도 가스 탈황 시스템 내에서 제2 처리된 연도 가스 혼합물을 생성시키고 또한 연도 가스 탈황 시스템으로부터 제2 처리된 연도 가스 혼합물을 제3 온도에서 배출한다. 제3 온도는, 석탄 건조 설비의 가열 및/또는 스팀 발생기 용기의 예열 중 적어도 하나를 위해 제공되는 예열 공기로서 제2 부분의 공기의 주입을 용이하게 하기에 충분한 크기이다.
일 구현예에서, 공기 예열기는 공기 예열기 내의 물 이슬점 온도 만큼의 냉 단부 금속 온도를 갖고, 또한 냉 단부 금속 온도는 황산 이슬점 온도보다 낮으며, 제1 온도는 약 105 ℃(220 ℉) 내지 약 125 ℃(257 ℉)이다.
본 명세서에는 스팀 발생기 시스템의 효율성을 향상시키기 위한 시스템이 개시된다. 이 시스템은 스팀 발생기 용기, 스팀 발생기 용기와 연통되는 공기 예열기, 공기 예열기를 통해 스팀 발생기 용기에 공기를 공급하도록 구성된 공기 공급 시스템, 입자상 물질 제거 시스템(예를 들어, 건식 전기 집진기 및/또는 직물 필터), 연도 가스 탈황 시스템 및 배출 굴뚝을 포함한다. 스팀 발생기 용기는 공기 예열기, 입자상 물질 제거 시스템 및 연도 가스 탈황 시스템을 통해 배출 굴뚝과 연통된다. 입자상 물질 제거 시스템은 공기 예열기의 곧바로 하류에 위치한다. 연도 가스 탈황 시스템은 입자상 물질 제거 시스템의 곧바로 하류에 위치한다. 배출 굴뚝은 연도 가스 탈황 시스템의 곧바로 하류에 위치한다. 공기 공급 시스템은 제1 양의 공기를 공기 예열기에, 공기 예열기를 빠져나가는 연도 가스 혼합물의 제1 온도를 확립하기에 충분한 질량 유량으로 제공하도록 구성된다. 제1 온도는, 공기 예열기가 공기 예열기 내의 물 이슬점 온도 만큼의 냉 단부 금속 온도를 갖도록 하고, 또한 냉 단부 금속 온도가 황산 이슬점 온도보다 낮도록 하는 크기이다. 제1 온도는 약 105 ℃(220 ℉) 내지 약 125 ℃(257 ℉)이다. 이 시스템은 공기 예열기 상류에서 SO3 경감을 포함하고, SO3 경감은 스팀 발생기 용기에서 생성된 연도 가스 혼합물 중의 SO3를 경감시키도록 구성된다. 공기 예열기는 제1 양의 공기를 약 288 ℃ 내지 399 ℃(550 ℉ 내지 750 ℉)의 제2 온도로 가열하도록 구성된다. 입자상 물질 제거 시스템은 연도 가스 혼합물을 제3 온도에서, 예를 들어, 이에 제한되지는 않으나 약 52 ℃ 내지 약 60 ℃(125 ℉ 내지 140 ℉)로, 곧바로 연도 가스 탈황 시스템에 운반하도록 구성된다. 과잉 공기 덕트가 공기 예열기와 연통된다. 제2 덕트는 연도 가스 탈황 시스템과 배출 굴뚝 사이에 위치한다. 과잉 공기 덕트는 제2 온도에서 공기 예열기로부터 공급되는 연도 가스 재가열 공기로서 제1 양의 공기의 제2 부분을 공기 예열기로부터 제2 덕트로 전달하도록 구성된다. 이 시스템은 연도 가스 탈황 시스템과 배출 굴뚝 사이에 위치한 주입 수단(예를 들어, 덕트 매니폴드)을 포함한다. 주입 수단은 연도 가스를 배출 굴뚝 내로 제4 온도(예를 들어, 적어도 약 68 ℃(155 ℉))에서 배출하도록 구성된다. 제3 온도는 연도 가스 재가열 공기가 제4 온도를 목적 크기까지 상승시키는 것을 가능하게 하기에 충분한 크기인데, 이때 상기 목적 크기는, 배출 굴뚝을 빠져나오는 가시적 플럼(visible plume)을 경감시키고 배출 굴뚝 내의 부식을 경감시키기에 충분한 크기이다.
일 구현예에서, 스팀 발생기 시스템은 선택적(selective) 촉매 환원 시스템을 더 포함하고, 스팀 발생기 용기는 선택적(selective) 촉매 환원 시스템을 통해 공기 예열기와 연통된다.
일 구현예에서, 스팀 발생기 시스템은 연도 가스 재가열 공기 입자상 물질 제거 시스템을 더 포함하고, 공기 예열기는 연도 가스 재가열 공기 입자상 물질 제거 시스템을 통해 배출 굴뚝과 연통되고, 연도 가스 재가열 공기 입자상 물질 제거 시스템은 제2 부분의 공기로부터 입자상 오염물을 작동적으로 제거하며, 이때, 입자상 오염물은, 연도 가스 혼합물로부터 공기 예열기 내로의 누출로부터, 제2 부분의 공기 내로 도입된 것이다.
일 구현예에서, 스팀 발생기 시스템은 스팀 발생기 용기와 공기 예열기 사이의 연통로(communication)에 배치된, 연도 가스 혼합물의 습도를 측정하기 위한 습도 센서를 더 포함하고, 습도 센서는 제1 온도의 크기를 결정하는데 사용된다.
일 구현예에서, 스팀 발생기 시스템은 공기 예열기 온도를 측정하기 위한 적외선 센서, 및 냉 단부 금속 온도를 공기 예열기 내의 물 이슬점 만큼 되도록 제어하도록 구성된 제어 유닛을 더 포함한다.
일 구현예에서, SO3 경감은 저황 연료를 스팀 발생기 용기에 공급하는 것을 포함한다. 저황 연료는 5 ppm 미만의 SO3를 생성한다.
일 구현예에서, SO3 경감은 연도 가스 혼합물을 공기 예열기에 유입시키기 전에 연도 가스 혼합물 내의 SO3를 제거하는 것을 포함한다.
일 구현예에서, SO3 경감은 연도 가스 혼합물을 공기 예열기에 유입시키기 전에 연도 가스 혼합물 내의 SO3를 불활성 염이 되도록 화학적으로 처리하는 것을 포함한다. 예를 들어, 화학적으로 처리하는 것은 반응물의 수성 현탁액을 분무함으로써 연도 가스 중의 SO3와 반응할 수 있는 적어도 하나의 가용성 염 화합물의 건조 입자를 함유하는 입자상 안개(particulate mist)를 생성하는 것을 포함하고, 이때, 반응물은 소듐, 마그네슘, 포타슘, 암모늄 및 칼슘 티오술페이트 중 적어도 하나를 함유하고 또한 티오술페이트 및 클로라이드 종으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 가용성 염 화합물을 함유하거나, 또는, 소듐 카보네이트, 소듐 비카보네이트, 소듐 하이드록사이드, 암모늄 하이드록사이드, 포타슘 하이드록사이드, 포타슘 카보네이트 및 포타슘 비카보네이트 중 적어도 하나를 함유한다.
일 구현예에서, 본 시스템은 연도 가스 탈황 시스템과 배출 굴뚝 사이에 팬이 배치되지 않도록 구성된다.
일 구현예에서, 본 시스템은 공기 예열기와 연도 가스 탈황 시스템 사이에 열교환기가 배치되지 않도록 구성된다.
일 구현예에서, 본 시스템은 연도 가스 재가열 공기 입자상 물질 제거 시스템과 배출 굴뚝 사이에 팬이 배치되지 않도록 구성된다.
개선된 효율성을 위해 스팀 발생기 시스템을 개량하기 위한 방법이 본 명세서에 추가적으로 개시된다. 이 방법은 공기 예열기의 하류에 배치된 적어도 하나의 열교환기를 제거하는 단계를 포함하고, 공기 예열기로부터 빠져나오는 연도 가스 혼합물의 제1 온도를 확립하기에 충분한 질량 유량으로 제1 양의 공기를 공급하도록, 공기 예열기에 대한 공기 공급원을 재구성하는 단계를 포함한다. 제1 온도는, 공기 예열기가 공기 예열기 내의 물 이슬점 온도 만큼의 냉 단부 금속 온도를 갖도록 하고, 또한 냉 단부 금속 온도가 황산 이슬점 온도보다 낮도록 하는 크기이다. 제1 온도는 약 105 ℃(220 ℉) 내지 약 125 ℃(257 ℉)이다. 이 방법은 스팀 발생기 용기와 연통되는 SO3 경감 수단을 제공하는 단계를 포함한다. SO3 경감은 스팀 발생기 용기에서 생성된 연도 가스 혼합물 내의 SO3를 경감시키도록 구성된다. 연도 가스 혼합물이 공기 예열기에 들어가기 전에 SO3의 경감이 발생한다. 이 방법은 제1 양의 공기를 제2 온도로 가열하도록 공기 예열기를 구성함으로써 보일러 효율을 유지 또는 향상시키는 단계로서, 제2 온도는 실질적으로 원래 시스템의 연소 공기의 온도 만큼이고, 또한 제2 온도는 약 288 ℃ 내지 399 ℃(550 ℉ 내지 750 ℉)인 단계를 포함한다. 이 방법은 연료의 연소를 위해 제1 양의 공기의 제1 부분 또는 전부를 스팀 발생기 용기에 공급하는 단계를 포함한다. 이 방법은 제1 온도에서 스팀 발생기 용기를 빠져나가는 연도 가스 혼합물의 전부 또는 일부를, 공기 예열기로부터 곧바로 입자상 물질 수집 시스템으로, 배출함으로써, 연도 가스 혼합물로부터 입자상 물질을 제거하고, 제1 처리된 연도 가스 혼합물을 생성하는 단계를 더 포함한다. 이 방법은 또한, 제1 처리된 연도 가스 혼합물을 입자 제거 시스템으로부터 곧바로 연도 가스 탈황 시스템 내로 배출함으로써, 연도 가스 탈황 시스템 내에서 제2 처리된 연도 가스 혼합물을 생성하고, 또한 연도 가스 탈황 시스템으로부터 제2 처리된 연도 가스 혼합물을 제3 온도(예를 들어, 이에 제한되지는 않으나 약 52 ℃ 내지 약 60 ℃(125 ℉ 내지 140 ℉))에서 배출하는 단계를 포함한다. 이 방법은, 배출 굴뚝에 진입하기 전에, 연도 가스 재가열 공기로서 제2 부분의 공기를, 제3 온도의 제2 연도 처리된 연도 가스 혼합물과 함께 주입함으로써, 제3 처리된 연도 가스 혼합물을 제4 온도(예를 들어, 적어도 약 68 ℃(155 ℉))에서 생성하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한, 제3 처리된 연도 가스 혼합물을 배출 굴뚝으로 제4 온도에서 유입시키는 단계를 포함한다. 제3 온도는 연도 가스 재가열 공기가 제4 온도를 목적 크기까지 상승시키는 것을 가능하게 하기에 충분한 크기인데, 이때 상기 목적 크기는, 배출 굴뚝을 빠져나오는 가시적 플럼(visible plume)을 경감시키고 배출 굴뚝 내의 부식을 경감시키기에 충분한 크기이다.
일 구현예에서, 본 개량 방법은 연도 가스 탈황 시스템과 배출 굴뚝을 연결하는 출구 덕트의 적어도 일부를, 연도 가스 탈황 시스템, 과잉 공기 덕트, 및 배출 굴뚝을 연결하는 매니폴드로 교체하는 단계를 포함한다.
일 구현예에서, 스팀 발생기 시스템은 연도 가스 재가열 공기 입자상 물질 제거 시스템을 더 포함하고, 공기 예열기는 연도 가스 재가열 공기 입자상 물질 제거 시스템을 통해 배출 굴뚝과 연통된다. 본 개량 방법은 제2 부분의 공기로부터 입자상 오염물을 제거하는 단계를 포함하는데, 이때, 입자상 오염물은 연도 가스 혼합물로부터 공기 예열기 내로의 누출로부터, 제2 부분의 공기 내로 도입되는 것이다.
일 구현예에서, 본 스팀 발생기 시스템은 스팀 발생기 용기와 공기 예열기 사이의 연통로에 배치된 습도 센서를 더 포함하고, 본 개량 방법은, 제1 온도의 크기를 결정하기 위해, 습도 센서로 연도 가스 혼합물의 습도를 측정하는 단계를 포함한다.
일 구현예에서, 본 스팀 발생기 시스템은 적외선 센서를 더 포함하고, 본 개량 방법은, 적외선 센서로 공기 예열기 내의 냉 단부 금속 온도를 측정하는 단계; 냉 단부 금속 온도를 물 이슬점 온도와 비교하는 단계; 및 냉 단부 금속 온도를 물 이슬점 온도 이상으로 제어하는 단계;를 포함한다.
일 구현예에서, 본 개량 방법에서, 본 개량 방법을 실행한 후의 스팀 발생기 시스템의 제2 열효율은, 적어도, 본 개량 방법을 수행하기 전의 본 스팀 발생기 시스템의 제1 열효율만큼 크다.
개선된 효율성을 위해 초당 55 내지 60 피트 정도의 연도 가스 출구 속도를 가질 수 있는 습식 굴뚝 스팀 발생기 시스템을 개량하기 위한 방법이 본 명세서에 더 개시된다. 이 방법은 습식 굴뚝을 제거함으로써, 공기 예열기에 대한 공기 공급원을, 공기 예열기를 빠져나오는 연도 가스 혼합물의 제1 온도를 확립하기에 충분한 질량 유량으로 제1 양의 공기를 공급하도록, 재구성함으로써 증가된 연도 가스 출구 속도를 허용하는 단계를 포함하며, 제1 온도는 공기 예열기가 개선된 공기 예열기에 의해 한정된 냉 단부 출구 온도를 갖도록 설정되고, 이때, 개선된 공기 예열기는 하기 수학식:
HR = 100% x ((Tgi-TgoAdvX)/(Tgi-TgoSTD) - 1)
에 따라 계산된 적어도 1%의 증가된 열회수율(HR)로 작동한다. 여기서,
Tgi = 공기 예열기에 유입되는 연도 가스 혼합물의 연도 가스 입구 온도;
TgoAdvX = 개선된 공기 예열기를 빠져나오는 연도 가스 혼합물의 연도 가스 출구 온도;
TgoSTD = 표준 공기 예열기를 빠져나오는 연도 가스 혼합물의 연도 가스 출구 온도.
이 방법은 스팀 발생기 용기와 연통되는 SO3 경감 수단을 제공하는 단계를 포함한다. SO3 경감은 스팀 발생기 용기에서 생성된 연도 가스 혼합물 내의 SO3를 경감시키도록 구성된다. 연도 가스 혼합물이 공기 예열기에 들어가기 전에 SO3의 경감이 발생한다. 이 방법은 제1 양의 공기를 제2 온도로 가열하도록 공기 예열기를 구성함으로써, 원래 시스템에 비교해 보일러 효율을 유지 또는 향상시키는 단계를 포함하며, 이때, 제2 온도는 실질적으로 원래 시스템의 연소 공기의 온도 만큼이고, 또한 약 288℃ 내지 399 ℃(550 ℉ 내지 750 ℉)이다. 이 방법은 연료의 연소를 위해 제1 양의 공기의 제1 부분 또는 전부를 스팀 발생기 용기에 공급하는 단계를 포함한다. 이 방법은 제1 온도에서 스팀 발생기 용기를 빠져나가는 연도 가스 혼합물의 전부 또는 일부를, 공기 예열기로부터 곧바로 입자상 물질 수집 시스템으로, 배출함으로써, 연도 가스 혼합물로부터 입자상 물질을 제거하고, 제1 처리된 연도 가스 혼합물을 생성하는 단계를 더 포함한다. 제1 처리된 연도 가스 혼합물은 입자상 물질 제거 시스템으로부터 곧바로 연도 가스 탈황 시스템 내로 배출되며, 그에 따라, 연도 가스 탈황 시스템 내에서 제2 처리된 연도 가스 혼합물을 생성하고, 또한 연도 가스 탈황 시스템으로부터 제2 처리된 연도 가스 혼합물을 제3 온도에서 배출한다. 이 방법은 배출 굴뚝에 진입하기 전에, 연도 가스 재가열 공기로서 제1 양의 공기의 제2 부분을, 제3 온도의 제2 연도 처리된 연도 가스 혼합물과 함께 주입함으로써, 제3 처리된 연도 가스 혼합물을 제4 온도에서 생성하는 단계를 포함한다. 이 방법은 제3 처리된 연도 가스 혼합물을 배출 굴뚝으로 제4 온도에서 유입시키는 단계를 포함한다. 제3 온도는, 연도 가스 재가열 공기가 제4 온도를, 건조 굴뚝이 배출 굴뚝을 빠져나오는 가시적 플럼을 경감시키도록 하고 또한 배출 굴뚝 내의 부식을 경감시키는 것을 용이하게 하기에 충분한 크기로 상승시키는 것을 가능하기 하기에 충분한 크기이다. 개량된 스팀 발생기 시스템은 원래 스팀 발생기 시스템(예를 들어, 개량을 수행하기 전)에 비해 증가된 부하에서 작동할 수 있는데, 증가된 부하에서 연도 가스 출구 속도는 습식 굴뚝에 대해 종래에 허용된 것을 초과한다.
일 구현예에서, 공기 예열기는 공기 예열기에서의 물 이슬점 온도 만큼의 냉 단부 금속 온도를 가지며, 또한 냉 단부 금속 온도는 황산 이슬점 온도보다 낮으며, 제1 온도는 약 105 ℃(220 ℉) 내지 약 125 ℃(257 ℉)이다.
스팀 발생기 시스템의 효율을 향상시키기 위한 방법이 본 명세서에서 더 개시된다. 이 방법은 스팀 발생기 용기, 공기 공급 시스템, 공기 예열기, 제1 입자상 물질 제거 시스템, 제2 입자상 물질 제거 시스템, 연도 가스 탈황 시스템 및 연도 가스 배출 굴뚝을 포함하는 스팀 발생기 시스템을 제공하는 단계를 포함한다. 공기 공급 시스템은 공기 예열기를 통해 스팀 발생기 용기와 연통되고, 스팀 발생기 용기는 공기 예열기, 제1 입자상 물질 제거 시스템 및 연도 가스 탈황 시스템을 통해 배출 굴뚝과 연통된다. 제1 입자상 물질 제거 시스템은 공기 예열기의 하류에 위치하고, 연도 가스 탈황 시스템은 제1 입자상 물질 제거 시스템의 하류에 위치한다. 배출 굴뚝은 연도 가스 탈황 시스템의 하류에 위치하고, 공기 예열기는 제2 입자상 물질 제거 시스템을 통해 배출 굴뚝과 연통된다. 이 방법은 또한, 스팀 발생기 용기와 공기 예열기 사이에 배치된 습도 센서를 제공하는 단계 및 공기 예열기에 적외선 센서를 제공하는 단계를 포함한다. 이 방법은 습도 센서로 연도 가스 혼합물의 습도를 측정하여 제1 온도의 크기를 결정하는 단계를 포함한다. 공기 공급 시스템은 제1 양의 공기를 공기 예열기에 제공한다. 제1 양의 공기는 공기 예열기를 빠져나가는 연도 가스 혼합물의 제1 온도를 확립하기에 충분한 질량 유량으로 제공된다. 제1 온도는, 공기 예열기가 공기 예열기 내의 물 이슬점 온도 이상의 냉 단부 금속 온도를 갖도록 하고, 또한 냉 단부 금속 온도가 황산 이슬점 온도보다 낮도록 하는 크기이다. 제1 온도는 약 105 ℃(220 ℉) 내지 약 125 ℃(257 ℉)이다. 이 방법은 적외선 센서로 공기 예열기 내의 냉 단부 금속 온도를 측정하는 단계, 냉 단부 금속 온도를 물 이슬점 온도와 비교하는 단계, 및 냉 단부 금속 온도를 물 이슬점 온도 이상으로 제어하는 단계를 포함한다. 이 방법은 스팀 발생기 용기에서 생성된 연도 가스 혼합물 내의 SO3를 경감시키는 단계를 포함한다. 연도 가스 혼합물이 공기 예열기에 들어가기 전에 SO3의 경감이 발생한다. 이 방법은 제1 양의 공기를 약 288 ℃ 내지 399 ℃(550 ℉ 내지 750 ℉)의 제2 온도로 가열하도록 공기 예열기를 구성하는 단계 및 연료의 연소를 위한 연소 공기로서 제1 양의 공기의 제1 부분 또는 전부를 스팀 발생기 용기에 공급하는 단계를 포함한다. 이 방법은 제1 온도에서 스팀 발생기 용기를 빠져나가는 연도 가스 혼합물의 전부 또는 일부를, 공기 예열기로부터 곧바로 입자상 물질 제거 시스템으로, 배출함으로써, 연도 가스 혼합물로부터 입자상 물질을 제거하고, 제1 처리된 연도 가스 혼합물을 생성하는 단계를 포함한다. 이 방법은 제1 처리된 연도 가스 혼합물을 입자상 물질 제거 시스템으로부터 곧바로 연도 가스 탈황 시스템 내로 배출함으로써, 연도 가스 탈황 시스템 내에서 제2 처리된 연도 가스 혼합물을 생성하고, 또한 연도 가스 탈황 시스템으로부터 제2 처리된 연도 가스 혼합물을 약 52 ℃ 내지 60 ℃(125 ℉ 내지 140 ℉)의 제3 온도에서 배출하는 단계를 포함한다. 이 방법은 제2 부분의 공기로부터 입자상 오염물을 제거하는 단계를 포함한다. 입자상 오염물은, 연도 가스 혼합물로부터 공기 예열기 내로의 누출로부터, 제2 부분의 공기 내로 도입된다. 이 방법은 배출 굴뚝에 진입하기 전에, 제2 온도에서 공기 예열기로부터 공급된 연도 가스 재가열 공기로서 제1 양의 공기의 제2 부분을, 제3 온도의 제2 연도 처리된 연도 가스 혼합물과 함께 주입함으로써, 제3 처리된 연도 가스 혼합물을 적어도 68 ℃(155 ℉)의 제4 온도에서 생성하는 단계를 더 포함한다. 이 방법은 또한, 제3 처리된 연도 가스 혼합물을 배출 굴뚝으로 제4 온도에서 유입시키는 단계를 포함한다.
고려될 수 있는 바와 같이, 앞에서 기술된 구현예들 중 임의의 것들이 조합될 수 있다.
도 1은 본 발명을 설명하는 스팀 발생기 시스템의 일부분의 개략적인 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 스팀 발생기 시스템의 개략적인 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 스팀 발생기 시스템의 개략적인 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 스팀 발생기 시스템의 다른 구현예의 개략적인 흐름도이다.
도 5는, 다양한 연도 가스 온도 증가에 대한, 스크러빙된 가스 대비 재가열 공기 비율의 그래프이다.
도 6은 공기 예열기 효율 개선의 그래프이다.
도 7은 본 발명의 스팀 발생기 시스템의 다른 구현예의 개략적인 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 스팀 발생기의 또 다른 구현예의 개략적인 흐름도이다.
도 9는 도 3 및 도 8에 예시된 구현예들의 재가열 특징들을 결합하는 스팀 발생기의 하이브리드 구현예의 개략적인 흐름도이다.
도 10은 폐수 건조 루프(waste water drying loop)를 포함하는 본 발명의 스팀 발생기의 또 다른 구현예의 개략적인 흐름도이다.
도 11은 또 다른 폐수 건조 루프를 포함하는 본 발명의 스팀 발생기의 또 다른 구현예의 개략적인 흐름도이다.
도 12는 공급수 가열 루프(feed water heating loop)를 포함하는 본 발명의 스팀 발생기의 또 다른 구현예의 개략적인 흐름도이다.
도 13은 또 다른 공급수 가열 루프를 포함하는 본 발명의 스팀 발생기의 또 다른 구현예의 개략적인 흐름도이다.
도 14는 젖은 회분 시스템 건조 루프(wet ash system drying loop)를 포함하는 본 발명의 스팀 발생기의 또 다른 구현예의 개략적인 흐름도이다.
도 15는 다른 젖은 회분 시스템 건조 루프를 포함하는 본 발명의 스팀 발생기의 또 다른 구현예의 개략적인 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 스팀 발생기 시스템의 개략적인 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 스팀 발생기 시스템의 개략적인 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 스팀 발생기 시스템의 다른 구현예의 개략적인 흐름도이다.
도 5는, 다양한 연도 가스 온도 증가에 대한, 스크러빙된 가스 대비 재가열 공기 비율의 그래프이다.
도 6은 공기 예열기 효율 개선의 그래프이다.
도 7은 본 발명의 스팀 발생기 시스템의 다른 구현예의 개략적인 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 스팀 발생기의 또 다른 구현예의 개략적인 흐름도이다.
도 9는 도 3 및 도 8에 예시된 구현예들의 재가열 특징들을 결합하는 스팀 발생기의 하이브리드 구현예의 개략적인 흐름도이다.
도 10은 폐수 건조 루프(waste water drying loop)를 포함하는 본 발명의 스팀 발생기의 또 다른 구현예의 개략적인 흐름도이다.
도 11은 또 다른 폐수 건조 루프를 포함하는 본 발명의 스팀 발생기의 또 다른 구현예의 개략적인 흐름도이다.
도 12는 공급수 가열 루프(feed water heating loop)를 포함하는 본 발명의 스팀 발생기의 또 다른 구현예의 개략적인 흐름도이다.
도 13은 또 다른 공급수 가열 루프를 포함하는 본 발명의 스팀 발생기의 또 다른 구현예의 개략적인 흐름도이다.
도 14는 젖은 회분 시스템 건조 루프(wet ash system drying loop)를 포함하는 본 발명의 스팀 발생기의 또 다른 구현예의 개략적인 흐름도이다.
도 15는 다른 젖은 회분 시스템 건조 루프를 포함하는 본 발명의 스팀 발생기의 또 다른 구현예의 개략적인 흐름도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 향상된 효율성을 갖는 스팀 발생기 시스템은 전반적으로 도면 부호 10으로 표시된다. 스팀 발생기 시스템(10)은 스팀 발생기 용기(11) 및 공기 예열기(13)(예를 들어, 본 발명자의 AdvXTM 디자인의 회전식 재생 열교환기, AdvXTM는 Arvos Ljungstrom LLC의 상표임)를 포함한다. AdvXTM 공기 예열기(13)는 덕트(63)를 통해 스팀 발생기 용기(11)와 연통된다. 스팀 발생기 시스템(10)은 공기 예열기(13)를 통해 스팀 발생기(11)에 공기를 제공하도록 구성된 공기 공급 시스템(13D)을 포함한다. 본 명세서에 사용되는 스팀 발생기 시스템의 "향상된 효율성(improved effectiveness)"이라는 용어는 다음을 포함한다: 1) 공기 예열기(13)와 배출 굴뚝 사이의 가스-가스 열교환기(gas-gas heat exchanger: GGH)와 같은 열교환기의 필요성을 없애거나 경감시키면서 동시에 스팀 발생기 시스템(10)의 전체 열효율을 유지하는 것; 2) 공기 예열기(13)에서 오염(fouling)을 감소시키는 것; 3) 입자상 물질 제거 시스템의 효율을 향상시키는 것; 4) 공기 예열기(13)의 효율을 향상시키는 것; 및/또는 5) 종래 기술 스팀 발생기 시스템(예를 들어, PCT 특허출원 PCT/US2017/13459의 도 1 및 도 2의 스팀 발생기 시스템(100 및 100'))과 비교하여 스팀 발생기 시스템(10)의 전체 열효율(즉, 열률(heat rate))을 향상시키는 것. 방대한 분석 및 시험과 수년간의 실패한 시도들을 통해, 본 발명자들이 놀랍게도 밝혀낸 바에 따르면, 스팀 발생기 시스템(10)은, PCT 특허출원 PCT/US2017/13459에 도시된 GGH(106X, 106X', 106Y 및 106Y')의 효율 향상 이익 없이도, 적어도, PCT 특허출원 PCT/US2017/13459에 도시된 종래 기술 스팀 발생기 시스템(100)과 동등한 정도의 열효율로 작동할 수 있다. "스팀 발생기 시스템의 효율성을 향상시키는 방법"이라는 용어는 스팀 발생기 시스템을 작동시키는 방법이라고도 지칭된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 스팀 발생기 시스템(10)은 스팀 발생기 용기(11), 공기 공급 시스템(13D) 및 공기 예열기(13)를 포함한다. 공기 공급 시스템(13D)은 공기 예열기(13)를 통해 스팀 발생기 용기(11)와 연통되고 스팀 발생기 용기(11)는 공기 예열기(13)와 연통된다. 공기 공급 시스템(13D)은 제1 양의 공기를 공기 예열기(13)에 공급한다. 제1 양의 공기의 적어도 일부는 연소 공기로서 스팀 발생기 용기(11)에 제공된다. 연도 가스 혼합물(FG)은 덕트(63)를 통해 스팀 발생기 용기(11)로부터 배출된다. 연도 가스 혼합물(FG)의 전부 또는 일부는 공기 예열기(13) 내로 유입된다. 연도 가스 혼합물 내의 SO3는, 후술하는 바와 같이, 연도 가스 혼합물(FG)이 공기 예열기(13)에 들어가기 전에, 경감된다.
스팀 발생기 시스템(10)은, 본 명세서에 후술되는 바와, 같이 스팀 발생기, 공기 예열기, 제1 양의 공기 및/또는 연도 가스 혼합물과 연통하는 열 포획 수단(예를 들어, 열교환기; 연소 공기를 예열하기 위해 및/또는, 냉 단부 금속 온도가 물(H2O)의 이슬점과 같은 또는 그 근처의 온도가 되도록 연도 가스를 냉각하기 위해 요구되는 것을 초과하는 열전달 용량을 갖는 공기 예열기 내의 열전달 요소; 덕트 배열; 믹서; 튜브; 탱크; 등)을 포함한다. 제1 양의 열은, 본 명세서에서 설명된 바와 같이, 스팀 발생기, 공기 예열기 및/또는 연도 가스 혼합물로부터 다양한 위치로 전달된다. 예를 들어, 제1 양의 열의 전부 또는 일부는 다음과 같이 이용될 수 있다: (1) 도 7을 참조하여 도시되고 설명된 바와 같이, 보일러 시동 중에, 입자상 물질 제거 시스템, 연도 가스 탈황 시스템 및/또는 중간 덕트를 선택적으로(selectively) 예열하기 위해 사용되는 것; (2) 도 7을 참조하여 도시되고 기술된 바와 같이, 보일러 작동 동안, 석탄 건조 설비(69)를 위해 사용되고, 후속적으로 대기 중으로 배출되는 것; (3) 도 3 및 도 8에 각각 도시된 대기 벤트 라인(AV1 및 AV2)에 의해 예시된 바와 같이, 대기 중으로 방출되는 것; (4) 예를 들어, 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 스팀 발생기 시스템(10)의 열률을 향상시키기 위해 사용되는 것; (5) 도 10 및 도 11에서와 같은 입자상 물질 제거 시스템 및/또는 스팀 발생기 용기(11)와 연통되는 젖은 회분 제거 시스템으로부터 배출되는 회분 슬러리로부터 물을 증발시키기 위해 사용되는 것; 및 (6) 예를 들어, 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 폐수 시스템에서, 폐수 시스템으로부터의 물 배출을 감소시키기 위해 사용되는 것. 스팀 발생기 시스템(10)의 열률을 향상시키기 위한 제1 양의 열의 전부 또는 일부분의 사용은 다음을 포함한다: (1) 스팀 사이클 효율을 향상시키기 위해 제1 양의 열의 적어도 일부를 사용하는 것; (2) 스팀 발생기 시스템에 공급되는 공급수 또는 응축물을 예열하기 위해 제1 양의 열의 적어도 일부를 사용하는 것; (3) 스팀 발생기 시스템의 기생 부하(예를 들어, 공간 및 식수 가열; 및 전동 모터 대신에 회전 장비(예를 들어, 팬)를 구동하기 위한 터빈용 스팀; 및 발전용으로 사용되는 스팀 이외의 다른 스팀 또는 열 부하)를 감소시키기 위해 제1 양의 열의 적어도 일부를 사용하는 것.
도 2에 도시된 바와 같이, 스팀 발생기 시스템(10)은 또한, 입자상 물질 제거 시스템(14), 연도 가스 탈황 시스템(17) 및 배출 굴뚝(19)을 포함한다. 스팀 발생기 용기(11)는 공기 예열기(13); 입자상 물질 제거 시스템(14) 및 연도 가스 탈황 시스템(17);을 통해 배출 굴뚝(19)과 연통된다. 입자상 물질 제거 시스템(14)은 공기 예열기(13)의 곧바로 하류에 위치하며, 그에 따라, 공기 예열기(13)와 입자상 물질 제거 시스템(14) 사이에, 팬 또는 열교환기와 같은 다른 상당한(substantive) 구성요소들이 배치되지 않으며, 공기 예열기(13)와 입자상 물질 제거 시스템(14)은 덕트(60)를 통해 서로 유체 연통된다. 특히, 공기 예열기(13)와 입자상 물질 제거 시스템(14) 사이에, PCT 특허출원 PCT/US2017/13459의 도 2에 도시된 것과 유사한, GGH(106X')가 배치되지 않는다. 연도 가스 탈황 시스템(17)은 입자상 물질 제거 시스템(14)의 곧바로 하류에 위치하며, 그에 따라, 입자상 물질 제거 시스템(14)과 연도 가스 탈황 시스템(17) 사이에, 열교환기와 같은 다른 상당한 구성요소가 배치되지 않으며, 입자상 물질 제거 시스템(14)과 연도 가스 탈황 시스템(17)은 덕트(61)를 통해 서로 유체 연통된다. 특히, 입자상 물질 제거 시스템(14)과 연도 가스 탈황 시스템(17) 사이에, PCT 특허출원 PCT/US2017/13459의 도 1에 도시된 것과 유사한, GGH(106X)가 배치되지 않는다. 배출 굴뚝(19)은 연도 가스 탈황 시스템(17)의 곧바로 하류에 위치하며, 그에 따라, 연도 가스 탈황 시스템(17)과 배출 굴뚝(19) 사이에, 팬 또는 열교환기와 같은 다른 상당한 구성요소들이 배치되지 않으며, 연도 가스 탈황 시스템(17)과 배출 굴뚝(19)은 덕트(62)를 통해 서로 유체 연통된다. 특히, 연도 가스 탈황 시스템(17)과 배출 굴뚝(19) 사이에, PCT 특허출원 PCT/US2017/13459의 도 1 및 도 2에 도시된 것과 유사한, GGH(106Y 또는 106Y')가 배치되지 않는다. 공기 예열기(13)와 배출 굴뚝(19) 사이에 열교환기가 배치되지 않는다. 일 구현예에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 덕트(62)는 재가열 공기 주입 장치(21)(예를 들어, 믹서, 하나 이상의 터닝 베인(turning vane), 접합부 및/또는 터뷸레이터(turbulator) 장치)를 포함하고, 이때, 본 명세서에 기술된 바와 같이, 재가열 공기 주입 장치(21)는 제1 양의 공기(A1)의 제2 부분(P2)과 제2 처리된 연도 가스 혼합물(FG2)의 혼합을 위해 그 안에 배치된다
도 3에 도시된 바와 같이, 공기 공급 시스템(13D)은 공기 예열기(13)에 제1 양의 공기(A1)을 제공하도록 구성된다. 제1 양의 공기(A1)은 스팀 발생기 용기(11) 내의 연료의 연소에 필요한 양을 초과하는 크기이다(예를 들어, 제1 양의 열은 스팀 발생기 용기(11)에 제공된 제1 양의 공기의 일부를 예열하기 위해 사용되는 열을 초과하는 크기이다). 일 구현예에서, 제1 양의 열은 연소 공기를 예열하는데 사용되는 열의 약 10 내지 25 퍼센트의 크기이다. 일 구현예에서, 제1 양의 열은 기존의 공기 공급 시스템(13D)의 초과 용량 또는 설계 마진(예를 들어, 팬(fan) 질량 유량 출력 마진)에 기초하여 결정된 크기이며, 예를 들어, 제1 양의 열은 연소 공기를 예열하는데 사용된 열의 약 10% 내지 15%의 크기이다. 개량 응용에서, 기존의 공기 공급 시스템(13D)을 사용하면 값비싼 팬 및 관련된 시스템을 교체할 필요가 없다. 일 구현예에서, 제1 양의 공기는 연소 공기로서 요구되는 양을 초과하는 크기이다. 공기 예열기(13)는 공기 예열기(13)를 빠져나가는 연도 가스 혼합물(FG)의 제1 온도(T1)를 확립하기에 충분한 질량 유량에서 제1 양의 공기(A1)을 제공하도록 구성된다. 제1 양의 공기(A1)는 변속 팬 및/또는 압축기, 제어 밸브 및/또는 댐퍼(damper)와 같은 종래의 수단에 의해 조절되지만 이에 국한되지는 않는다. 공기 예열기(13)를 빠져나가는 연도 가스 혼합물(FG)의 제1 온도(T1)는, 공기 예열기(13)의 냉 단부에서 발생하는 공기 대 가스 누출(예를 들어, 공기 예열기(13) 내의 비효과적인, 비효율적인 또는 손상된 섹터 씰(sector seal), 또는 다른 씰(seal)로 인한 누출)로 인해, 스팀 발생기 용기(11)를 빠져나가는 연도 가스보다 더 차갑다. 스팀 발생기 용기(11)를 빠져나가는 연도 가스의 온도는 "보정되지 않은" 가스 출구 온도로 종종 지칭되며, 차가운 누출 공기과 혼합된 후 공기 예열기(13)를 빠져나가는 연도 가스 혼합물(FG)의 제1 온도(T1)는 종종 "보정된" 가스 온도로 지칭된다. 제1 온도(T1)는, 공기 예열기(13)가 공기 예열기(13) 내의 물 이슬점 온도 보다 낮지 않은(예를 들어, 현저하게 더 낮지 않은, 거의 같은, 또는 현저하게 더 크지 않은) 냉 단부 금속 온도를 갖도록, 또한, 냉 단부 금속 온도가 황산 이슬점 온도보다 낮도록, 설정된다. 본 명세서에서 사용되는, 용어 "냉 단부 금속"은 공기 예열기(13) 내에서 가장 낮은 온도에 있는 공기 예열기(13)의 한 부분을 지칭한다. 제1 온도(T1)는 약 105 ℃(220 ℉) 내지 약 125 ℃(257 ℉)이다. 본 명세서에 사용되는 용어 "물 이슬점 온도보다 낮지 않은(no less than a water dew point temperature)"은 물의 이슬점 온도와 거의 동일하여, 파울링의 부식(corrosion of fouling)을 일으키는 공기 예열기 내의 열전달 요소의 영구적인 젖음이 없도록 하는 온도를 의미한다.
다른 구현예에서, 제1 온도(T1)는 개선된 공기 예열기(예를 들어, AdvXTM 공기 예열기, ARVOS Ljungstrom LLC의 등록 상표)에 의해 정의되며, 개선된 공기 예열기는 표준 공기 예열기의 열 회수(적어도 1%)와 비교하여 증가된 열 회수(HR)로 작동한다. 이러한 증가된 열 회수율(HR)은 수학식 HR = 100% x ((Tgi-TgoAdvX)/(Tgi-TgoSTD) - 1)에 따라 계산된 백분율 수를 나타낸다. 음수는 감소된 열 회수율을 나타내는 것으로 이해될 것이다. 여기서, 표준 공기 예열기는 제1 양의 공기가 연소에 필요한 것과 동일한 크기인 공기 예열기로서 정의되며(즉, 제1 양의 공기는 연소 공기이고, 어떠한 과잉 공기도 예열되지 않음), 또한, 개선된 공기 예열기의 등가 직경 및 깊이의 회전자(rotor)를 갖는 것으로 정의된다.
수학식 HR = 100% x ((Tgi-TgoAdvX)/(Tgi-TgoSTD) - 1)에서: Tgi = 연도 가스 입구 온도(즉, 공기 예열기에 유입되는 연도 가스 혼합물의); TgoAdvX = 연도 가스 출구 온도(즉, 개선된 공기 예열기를 빠져나가는 연도 가스 혼합물의); TgoSTD = 연도 가스 출구 온도(즉, 표준 공기 예열기를 빠져나오는 연도 가스 혼합물의).
예를 들어, Tgi = 화씨 700도; TgoSTD = 화씨 300도; 및 TgoAdvX = 화씨 295도;인 경우, HR = 100% x ((700-295)/(700-300)-1) = 1.25%이다.
일 구현예에서, 공기 공급 시스템(13D)은 제1 양의 공기(A1)를 공기 예열기(13)에 제공하고 제1 양의 공기(A1)는 종래의 수단(예를 들어, 변속 팬, 송풍기, 압축기, 댐퍼, 밸브, 덕트 배열, 및 이들의 조합)을 사용하여 조절된다. 따라서, 제1 양의 공기(A1)는 공기 예열기(13)를 빠져나가는 연도 가스 혼합물의 제1 온도(T1)를 확립하기에 충분한 질량 유량으로 조절된다. 일 구현예에서, 제1 양의 공기(A1)의 질량 유량의 크기는 개선된 공기 예열기(13)의 성능 및 특히 열 회수(HR)의 양에 기초하여 결정되며, 이것은 개선된 씰 및/또는 개선된 열전달 시트가 사용되는 정도에 따라 달라진다.제1 온도(T1)는, 공기 예열기가 다음의 수학식:
HR = 100% x ((Tgi-TgoAdvX)/(Tgi-TgoSTD) - 1)
에 따라 계산된 적어도 1%의 증가된 열 회수(HR)로 작동하는 개선된 공기 예열기에 의해 한정되는 냉 단부 출구 온도를 갖도록 설정된다.
일 구현예에서, 공기 예열기는 공기 예열기 내의 물 이슬점 온도보다 낮지 않은(예를 들어, 파울링의 부식을 일으키는 공기 예열기 내의 열전달 요소의 영구적인 젖음이 없도록 물 이슬점 온도와 거의 동일한 온도) 냉 단부 온도를 갖도록, 또한 냉 단부 금속 온도가 황산 이슬점 온도보다 낮도록, 설정되며, 제1 온도는 약 105 ℃(220 ℉) 내지 약 125 ℃(℉) 257 ℉)이다.
일 구현예에서, 개선된 공기 예열기의 증가된 열 회수(HR)는, 종래 기술의 열전달 요소와 비교하여, 개선된 열전달 계수 및 증가된 열전달 면적을 갖는 열전달 요소를 사용함으로써 달성된다. 예를 들어, 본 출원인 Arvos Ljungstrom LLC의: (1) 2013년 11월 25일자로 출원된 미국 특허출원 제14/089,139호, "폐쇄 유형 채널 회전 재생 공기 예열기를 위한 열전달 요소"; (2) 2016년 12월 29일자로 출원된, 국제 출원 제 PCT/US2016/069186호, "중간 간극 특징(Intermediate Spacing Feature)을 갖는 열전달 시트 어셈블리"; (3) 2017년 4월 10일자로 출원된, 국제 출원 제 PCT/US2017/026840호, "중간 간극 특징을 갖는 열전달 시트 어셈블리"; (4) 2015년 10월 7일자로 출원된, 미국 특허출원 제14/877,451호, "열전달 시트 간극을 위한 교번 노치 구성"; (5) 2016년 10월 10일자로 출원된, 국제 출원 번호 PCT/US2016/056209 "열전달 시트 간극을 위한 교번 노치 구성"; (6) 출원인의 DN8TM 상표 열전달 시트; 및/또는 (7) 출원인의 TF4TM 상표 열전달 시트;에서 기술되고 및/또는 구체화된 개선된 열전달 요소가, 증가된 열 회수(HR)을 달성하기 위해 개선된 공기 예열기 내에서 개별적으로 또는 그들의 조합으로 사용된다.
일 구현예에서, 개선된 공기 예열기의 증가된 열 회수(HR)는 종래 기술의 씰에 비교하여 개선된 씰을 사용함으로써 달성된다. 예를 들어, 출원인 Arvos Ljungstrom LLC의: (1) 2015년 8월 18일자로 출원된, 미국 특허출원 일련 번호 14/829,210, "회전식 재생 예열기를 위한 플렉시블 씰"; (2) 2016년 10월 10일자로 출원된, 국제 출원 번호 PCT/US2016/056209 "회전식 재생 예열기를 위한 플렉시블 씰"; (3) 2017년 2월 10일자로 출원된, 국제 출원 번호 PCT/US2017/017414, "회전식 재생 예열기를 위한 플렉시블 씰", ;(4) 출원인의 OptiflexTM 상표명 플렉시블 씰; 및/또는 (5) 출원인의 Taperflex IITM 상표명 씰;에서 기술되고 및/또는 구체화된 개선된 씰이, 증가된 열 회수(HR)을 달성하기 위해 개선된 공기 예열기 내에서 개별적으로 또는 그들의 조합으로 사용된다.
일 구현예에서, 개선된 열전달 시트 및 개선된 씰 모두가 개선된 공기 예열기에 사용되어 증가된 열 회수(HR)를 달성한다.
전술한 수학식(예를 들어, HR = 100% x(Tgi-TgoAdvX)/(Tgi-TgoSTD)-1))이 사용되어, 종래 기술의 공기 예열기와 비교하여 개선된 공기 예열기(13) 내에서 전술한 개선된 열전달 시트 및 개선된 열전달 시트를 사용함으로써 달성되는 열 회수(HR)의 개선 퍼센트를 정량화한다.
본 출원인은 연도 가스 혼합물(FG)이 공기 예열기(13)에 진입하기 전에 연도 가스 혼합물 내의 SO3를 경감함으로써, 증가된 열 회수(HR)를 갖는 개선된 공기 예열기를 사용할 수 있음을 발견하였지만, 종래 기술의 스팀 발생기 시스템의 경우 관련 기술에 대한 통상의 기술자들은, 오염물질 제어와 관련된 작동 제한으로 인해, 더 높은 효율의 열전달 요소 및 열전달 요소의 더 큰 열전달 면적을 통해 이용가능한 증가된 APH 효율의 모든 잠재력을 실현하지 못했다. 그러나, 이 기술분야의 통상의 기술자는, 증가된 열 회수(HR)를 달성하기 위해 개선된 공기 예열기 내에서 그러한 개선된 열전달 요소 및 개량된 씰을 설치하는 방법을 이해할 것이다.
공기 예열기(13)는 또한, 본 명세서에서 설명된 바와 같이, 제1 양의 공기(A1)를, 연료의 연소 및 재가열에 사용하기 위해, 약 288 ℃ 내지 399 ℃(550 ℉ 내지 750 ℉)의 제2 온도(T2)로 가열하도록 구성된다.
스팀 발생기 시스템(10)은 공기 예열기(13)의 상류에서 SO3 경감을 위한 하나 이상의 시스템 또는 장치를 포함하며, 이들은 스팀 발생기 용기(11)에서 발생된 연도 가스 혼합물(FG) 내의 SO3를 경감시키도록 구성된다. 일 구현예에서, 공기 예열기(13) 상류의 SO3 경감을 위한 하나 이상의 시스템 또는 장치는 저황 연료를 스팀 발생기 용기(11)에 공급하는 것을 포함한다. 저황 연료는 5 ppm 미만의 SO3를 발생시키는데 적합한 조성을 갖는다. 일 구현예에서, 공기 예열기(13)의 상류에서의 SO3 경감을 위한 하나 이상의 시스템 또는 장치는, 예를 들어 덕트(63)에서, 공기 예열기(13)에 연도 가스 혼합물(FG)을 주입하기 전에, 연도 가스 혼합물(FG)에서 SO3를 제거하는 것을 포함한다. 일 구현예에서, 공기 예열기(13)의 상류에서의 SO3 경감을 위한 하나 이상의 시스템 또는 장치는, 공기 예열기(13)에 연도 가스 혼합물(FG)을 주입하기 전에, 연도 가스 혼합물 내의 SO3를 불활성 염이 되도록 화학적으로 처리하는 것을 포함한다. 일 구현예에서, 화학적 처리는 반응물의 수성 현탁액을 분무함으로써 연도 가스 중의 SO3와 반응할 수 있는 적어도 하나의 가용성 염 화합물의 건조 입자를 함유하는 입자상 안개(particulate mist)를 생성하는 것을 포함하는데, 이때, 상기 반응물은 소듐, 마그네슘, 포타슘, 암모늄 및/또는 칼슘 티오술페이트를 함유하고 또한 티오술페이트 및 클로라이드 종과 같은 하나 이상의 가용성 염 화합물을 함유하거나, 또는 또는 소듐 카보네이트, 소듐 비카보네이트, 소듐 하이드록사이드, 암모늄 하이드록사이드, 포타슘 하이드록사이드, 포타슘 카보네이트 및 포타슘 비카보네이트 중 적어도 하나를 함유할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 입자상 물질 제거 시스템(14)은 제1 온도(T1)에서 연도 가스 혼합물(FG1)을 덕트(61)를 통해 곧바로 연도 가스 탈황 시스템(17)에 전달하도록 구성된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 입자상 물질 제거 시스템(14)은 제1 온도(T1)에서 연도 가스 혼합물(FG1)을 덕트(61)를 통해 곧바로 연도 가스 탈황 시스템(17)에 전달하여 제1 온도(T1)가 시스템(17)의 효율적인 작동에 적합한 범위 내에 있도록 구성된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 입자상 물질 제거 시스템(14)은 제1 온도(T1)에서 연도 가스 혼합물(FG1)을 덕트(61)를 통해 연도 가스 탈황 시스템(17)에 전달하여 제1 온도(T1)가 시스템(17)의 효율적인 작동에 적합한 범위 내에 있도록 구성된다. 일 구현예에서, 입자상 물질 제거 시스템(14)은 건식 전기 집진기(Electro Static Precipitator: ESP)이다. 그러한 건식 ESP는, 수직으로 배향된 대형 평판 금속 플레이트들(미도시)의 스택이 뒤 따르는 얇은 수직 와이어들(미도시)의 열(row)들을 포함한다. 연도 가스(FG)는 와이어들 사이의 공간을 통해 수평으로 흐른 다음 플레이트들의 스택을 통과한다. 와이어와 플레이트 사이에 수천 볼트의 음의 전압이 인가된다. 인가된 전압이 충분히 높으면, 전기 코로나 방전은 전극 주변의 연도 가스를 이온화시키고, 그 후 연도 가스 스트림 내의 입자를 이온화시킨다. 이온화된 입자는 정전기력으로 인해 접지된 플레이트 쪽으로 방향전환된다. 입자들은 수집 플레이트 상에 쌓이고, 그로부터 제거된다. 본 명세서에 개시된 연도 가스 조성물로 더 낮은 온도에서 ESP를 작동시키는 것은, 다양한 스팀 발생기 시스템에서 사용하기 위해 필요한 ESP의 크기를 감소시킬 수 있다는 현저한 효율상의 이점을 제공한다. 건식 ESP가 도시되고 설명되었지만, 본 발명은 습식 ESP가 사용될 수 있으므로 이 점에 있어 국한되지 않는다.
도 4에 도시된 바와 같이, 일 구현예에서, 스팀 발생기 시스템(10')은 덕트들(64, 65) 사이에 배치된 연도 가스 재가열 공기 입자상 물질 제거 시스템(33)을 더 포함한다. 공기 예열기(13)는 연도 가스 재가열 공기 입자상 물질 제거 시스템(33)을 통해 배출 굴뚝(19)과 연통되며, 연도 가스 재가열 공기 입자상 물질 제거 시스템(33)은, 연도 가스 혼합물(FG)로부터 공기 예열기(13) 내로의 누출로부터 도입된 입자상 오염물을, 제2 부분의 공기(P2)로부터 작동적으로(operatively) 제거한다. 일 구현예에서, 연도 가스 재가열 공기 입자상 물질 제거 시스템(33)은 본 명세서에 기술된 입자상 물질 제거 시스템(14)과 유사하게 구성된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 연도 가스 재가열 공기 입자상 물질 제거 시스템(33)과 배출 굴뚝(19) 사이에 배치된 팬은 없다.
도 3에 도시된 바와 같이, 과잉 공기 덕트(65)는 연도 가스 탈황 시스템(17)과 배출 굴뚝(19) 사이에 위치된 공기 예열기(13) 및 덕트(62)와 연통된다. 과잉 공기 덕트(65)는, 제2 온도(T2)에서 공기 예열기(13)로부터 공급되는 연도 가스 재가열 공기(P2)로서 사용되는 제1 양의 공기(A1)의 제2 부분(P2)을, 공기 예열기(13)로부터 제2 덕트(62)로, 운반하도록 구성된다. 예를 들어, 과잉 공기 덕트(65)는 과잉 공기 덕트(65)로부터의 열 손실을 최소화하기 위해 단열재(미도시)로 덮인다. 또한, 과잉 공기 덕트(65)는, 과잉 공기 덕트(65)를 통한 압력 손실을 최소화하기 위해, 적합한 단면 유동 영역, 평활한 내부 표면 및 최소 수의 굽힘부로 이루어진다.
도 3에 도시된 바와 같이, 재가열 공기 주입 장치(21)는 연도 가스 탈황 시스템(17)과 배출 굴뚝(19) 사이에 위치한다. 재가열 공기 주입 장치(21)는, 연도 가스를 배출 굴뚝(19) 내로 적어도 68 ℃(155 ℉)의 제4 온도(T4)에서 배출함으로써 전형적으로 연도 가스 온도를 적어도 약 5 ℉ 만큼 상승시키도록 구성된다. 일 구현예에서, 재가열 공기 주입 장치(21)는, 제1 양의 공기(A1)의 제2 부분(P2)(예를 들어, 연도 가스 재가열 공기(P2))과 제2 처리된 연도 가스 혼합물(FG2)의 혼합을 위해 그 내부에 배치된, 믹서, 하나 이상의 터닝 베인(turning vane), 접합부 및/또는 터뷸레이터 장치(turbulator device)를 포함한다. 다른 구현예에서, 재가열 공기 주입 장치(21)는 시동 중에 부식을 방지하도록 또는 그렇지 않으면 굴뚝(19)으로 연도 가스 진입시에 작동 유체 동적 안정성을 유지하도록 및/또는 굴뚝(19)으로부터 배출되는 가시적 플럼에 대한 가능성을 감소시키도록 구성된다. 일 구현예에서, 재가열 공기 주입 장치는, 연도 가스 탈황 시스템(17), 과잉 공기 덕트(65) 및 배출 굴뚝(19)을 연결하는 매니폴드(39)의 일부이다. 매니폴드는 과잉 공기 덕트(65)가 연결되는 분기 연결부(branch connection)를 포함한다. 다른 구현예에서, 재가열 공기는, 적합하게는 연도 가스가 배출 굴뚝(19)에 인접하게 흐르도록 안내하는 열교환 튜브 또는 덕트에 의해, 혼합물(FG2)을 간접적으로 재가열한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 일 구현예에서, 스팀 발생기 시스템(10')은, 질소 옥사이드(또한, NOx라고도 지칭됨)를 촉매의 도움으로 2원자 질소(N2)와 물(H2O)로 전환시키는 선택적 촉매 환원 시스템(selective catalytic reduction system: SCR)(31)을 포함한다. 스팀 발생기 용기(11)는 SCR(31)을 통해 공기 예열기(13)와 연통된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 일 구현예에서, 스팀 발생기 시스템(10')은, 연도 가스 혼합물(FG)의 습도를 측정하기 위한, 스팀 발생기 용기(11)의 출구에 및 공기 예열기(13)의 상류에 배치된 습도 센서(34)를 포함한다. 습도 센서(43)는 제1 온도(T1)의 크기를 결정하도록 구성된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 일 구현예에서, 스팀 발생기 시스템(10')은 공기 예열기 온도를 측정하기 위한 적외선 센서(32)를 포함한다. 적외선 센서(32)는, 냉 단부와 열적으로 연통하는 또는 냉 단부에 인접하는 공기 예열기(13)의 부분의 온도를 측정함으로써, 공기 예열기 온도(예를 들어, 냉 단부 금속 온도)를 측정하도록 구성된다. 스팀 발생기 시스템(10')은 공기 예열기(13) 내의 물 이슬점보다 높도록 냉 단부 금속 온도를 제어하도록 구성된 제어 유닛(71)(예를 들어, 컴퓨터 프로세서, 메모리 및 신호 처리 전자 장치)을 포함한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 다른 구현예에서, 스팀 발생기 시스템(10 ")에서, 과잉 공기 덕트(65)는 과잉 공기 블리드(excess air bleed)(66)을 구비하며, 과잉 공기 블리드(66)는 예열 공기(P3)(예를 들어, 시동 동안 공기 예열기(13)의 하류의 설비 및 덕트를 예열하기 위해 사용가능한)로서 사용되는 제1 양의 공기(A1)의 제3 부분(P3)을 전달한다. ESP(14) 및 FGD(17)의 상류에서, 예열 주입 부위(67, 68) 각각에 선택적으로(selectively) 공급하기 위한 댐퍼(dampers)(미도시)가 구비되어, 예열 공기(P3)를 연도 가스 혼합물(FG 및 FG1) 내로 도입하게 된다. 추가적으로, 예열 공기(P3)는, 예를 들어 갈탄과 같은 젖은 석탄을 이용할 때 특히 유용한 원격 석탄 건조기(69)(CD)에 공급될 수 있다. 석탄 건조에 필요한 예열은 전형적으로 석탄 연소에 필요할 것이지만, 예를 들어 석유 또는 천연 가스로 시동하는 동안에는 반드시 필요하지는 않을 것이다. 공기 예열기(13)에 의해 제공되는 더 낮은 출구 온도는, 수분을 제거하고 석탄 온도를 과도하게 상승(그러한 상승은, 예를 들어, 분쇄 밀(grinding mills) 내에서의 사전 점화(pre-ignition)의 가능성을 증가시킬 수 있음)시키지 않으려는 목적으로, 석탄을 건조할 때 유리하다. 이해될 수 있는 바와 같이, 공기 블리드(66)는 설비/덕트 예열 및/또는 석탄 건조를 위한 작동 중에 선택적으로(selectively) 사용될 수 있으며, 설비 및 덕트 내 응축을 억제하기 위해 시동 중에 특히 유용하다. 인식될 수 있는 바와 같이, 다른 구현예에서, 예열 공기는 ESP(14) 또는 FGD(17)의 상류에만 필요할 것이고, 도 7에 도시된 바와 같이 둘 다의 상류에는 필요하지 않을 것이다.
본 발명은 스팀 발생기 시스템(10)의 효율을 향상시키는 방법을 포함한다. 이 방법은 본 명세서에서 상세히 기술된 바와 같이 스팀 발생기 시스템(10)(스팀 발생기 용기(11), 공기 공급 시스템(13D), 공기 예열기(13), 입자상 물질 제거 시스템(14), 연도 가스 탈황 시스템(17) 및 연도 가스 배출 굴뚝(19)을 포함)을 제공하는 단계를 포함한다. 공기 공급 시스템(13D)은 공기 예열기(13)를 통해 스팀 발생기 용기(11)와 연통되고, 스팀 발생기 용기(11)는 공기 예열기(13), 입자상 물질 제거 시스템(14) 및 연도 가스 탈황 시스템(17)을 통해 배출 굴뚝(19)과 연통된다. 입자상 물질 제거 시스템(14)은 공기 예열기(13)의 하류에 위치한다. 연도 가스 탈황 시스템(17)은 입자상 물질 제거 시스템(14)의 하류에 위치한다. 배출 굴뚝(19)은 연도 가스 탈황 시스템(17)의 하류에 위치한다.
이 방법은, 공기 공급 시스템(13D)이 제1 양의 공기(A1)을 공기 예열기(13)에 제공하도록 하는 단계를 포함한다. 제1 양의 공기(A1)는 스팀 발생기 용기(11)에서 연료의 연소에 필요한 양을 초과하는 크기이다. 공기 예열기(13)는, 공기 예열기(13)를 빠져나가는 연도 가스 혼합물(FG)의 제1 온도(T1)를 확립하기에 충분한 질량 유량에서 제1 양의 공기(A1)를 제공한다. 제1 온도(T1)는, 공기 예열기가 공기 예열기(13) 내의 물 이슬점 온도 만큼의 냉 단부 금속 온도를 갖도록, 또한 냉 단부 금속 온도가 황산 이슬점 온도보다 낮도록, 설정된다. 제1 온도(T1)는 약 105 ℃(220 ℉) 내지 약 125 ℉(257 ℉)일 수 있다.
이 방법은, 연도 가스 혼합물(FG)이 공기 예열기(13)로 들어가기 전에, 스팀 발생기 용기(11)에서 생성된 연도 가스 혼합물(FG) 내의 SO3를 경감시키는 단계를 포함한다. 이 방법은, 제1 양의 공기(A1)를 약 288 ℃ 내지 399 ℃(550 ℉ 내지 750 ℉)의 제2 온도(T2)로 가열하도록 공기 예열기(13)를 구성하는 단계; 및 연료의 연소를 위한 연소 공기로서 사용되는 제1 양의 공기(A1)의 제1 부분(P1)을 스팀 발생기 용기(11)에 공급하는 단계;를 포함한다. 이 방법은, 연도 가스 혼합물(FG)을 제1 온도(T1)에서 공기 예열기(13)로부터 곧바로 입자상 물질 제거 시스템(14)으로 배출함으로써 연도 가스 혼합물(FG)로부터 입자상 물질을 제거하고, 제1 처리된 연도 가스 혼합물(FG1)을 생성하는 단계를 포함한다. 이 방법은, 제1 처리된 연도 가스 혼합물(FG1)을 입자상 물질 제거 시스템(14)으로부터 곧바로 연도 가스 탈황 시스템(17) 내로 배출함으로써 연도 가스 탈황 시스템(17)에서 제2 처리된 연도 가스 혼합물(FG2)을 생성하고, 연도 가스 탈황 시스템(17)으로부터 제2 처리된 연도 가스 혼합물(FG2)을 52 ℃ 내지 60 ℃(125 ℉ 내지 140 ℉)의 제3 온도(T3)에서 배출하는 단계를 더 포함한다. 이 방법은 또한, 제2 온도(T2)에서 공기 예열기(13)로부터 공급되는 연도 가스 재가열 공기로서 사용되는 제1 양의 공기(A1)의 제2 부분(P2)에, 제3 온도(T3)의 제2 연도 처리된 연도 가스 혼합물(FG2)을, 배출 스택(19)에 들어가기 전에, 주입함으로써, 제3 처리된 연도 가스 혼합물(FG3)을 적어도 68 ℃(155 ℉)의 제4 온도(T4)에서 생성하는 단계를 포함한다. 제3 처리된 연도 가스 혼합물(FG3)은 제4 온도(T4)에서 배출 굴뚝(19)에 유입된다.
일 구현예에서, 스팀 발생기 시스템(10)은, 촉매의 도움으로, NOx라고도 불리는 질소 산화물을 이원자 질소(N2) 및 물(H2O)로 전환시키기 위한, 도 4에 도시된 바와 같은 SCR(31)을 더 포함한다. 스팀 발생기 용기(11)는 SCR(31)을 통해 공기 예열기(13)와 연통된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 일 구현예에서, 스팀 발생기 시스템(10')은 연도 가스 재가열 공기 입자상 물질 제거 시스템(33)을 포함한다.공기 예열기(13)는 연도 가스 재가열 공기 입자상 물질 제거 시스템(33)을 통해 배출 굴뚝(19)과 연통된다. 일 구현예에서, 이 방법은 제2 부분의 공기(P2)으로부터 입자상 오염물을 제거하는 단계를 포함한다. 입자상 오염물은, 연도 가스 혼합물(FG1)로부터 공기 예열기(13) 내로의 누출로부터, 제2 부분의 공기(P2)로 도입된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 일 구현예에서, 스팀 발생기 시스템(10')은 스팀 발생기 용기(11)와 공기 예열기(13) 사이에 배치된 습도 센서(34)를 포함한다. 일 구현예에서, 이 방법은 제1 온도(T1)의 크기를 결정하기 위해 습도 센서(34)로 연도 가스 혼합물(FG)의 습도를 측정하는 단계를 포함한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 일 구현예에서, 스팀 발생기 시스템(10')은 적외선 센서(32)를 포함한다. 일 구현예에서, 이 방법은 적외선 센서로 공기 예열기(13)의 냉 단부 금속 온도를 측정하는 단계를 포함한다. 적외선 센서(32)는, 냉 단부와 열적으로 연통하는 또는 냉 단부에 인접하는 공기 예열기(13)의 부분의 온도를 측정함으로써, 공기 예열기 온도(예를 들어, 냉 단부 금속 온도)를 결정한다. 스팀 발생기 시스템(10')은 제어 유닛(71)(예를 들어, 컴퓨터 프로세서, 메모리 및 신호 처리 전자 장치)을 포함하고, 이 방법은 냉 단부 금속 온도를 물 이슬점 온도와 비교하는 단계 및 공기 예열기(13) 내의 물 이슬점보다 높도록 냉 단부 금속 온도를 제어 유닛으로 제어하는 단계를 포함한다.
일 구현예에서, 이 방법은 저황 연료를 스팀 발생기 용기(11)에 공급함으로써 연도 가스 혼합물(FG) 내의 SO3를 경감시키는 단계를 포함한다. 저황 연료는 5 ppm 미만의 SO3를 생성하도록 하는 조성을 갖는다.
일 구현예에서, 이 방법은 연도 가스 혼합물(FG)을 공기 예열기(13)에 유입시키기 전에 연도 가스 혼합물(FG) 내의 SO3를 제거함으로써 연도 가스 혼합물(FG) 내의 SO3를 경감시키는 단계를 포함한다.
일 구현예에서, 이 방법은, 연도 가스 혼합물(FG)을 공기 예열기(13)에 주입하기 전에, 연도 가스 혼합물 내의 SO3를 불활성 염이 되도록 화학적으로 처리함으로써, 연도 가스 혼합물(FG) 내의 SO3를 경감시키는 단계를 포함한다. 일 구현예에서, 화학적 처리 단계는 반응물의 수성 현탁액을 분무함으로써 연도 가스 중의 SO3와 반응할 수 있는 적어도 하나의 가용성 염 화합물의 건조 입자를 함유하는 입자상 안개를 생성하는 단계를 포함하며, 이때, 상기 반응물은 소듐, 마그네슘, 포타슘, 암모늄 및 칼슘 티오술페이트 중 적어도 하나를 함유하고 또한 티오술페이트 및 클로라이드 종으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 용해성 염 화합물을 함유하거나, 또는 소듐 카보네이트, 소듐 비카보네이트, 소듐 하이드록사이드, 암모늄 하이드록사이드, 포타슘 하이드록사이드, 포타슘 카보네이트 및 포타슘 비카보네이트 중 적어도 하나를 함유할 수 있다.
일 구현예에서, 이 방법은 연도 가스 탈황 시스템(17)과 배출 굴뚝(19) 사이에 주입 장치(21)를 제공하는 단계를 포함하고, 제2 온도(T2)의 제1 양의 공기(A1)의 제2 부분(P2)에 대한, 제3 온도(T3)의 제2 연도 처리된 연도 가스 혼합물(FG2)의 주입은 주입 장치(21)에서 발생한다.
일 구현예에서, 이 방법은 연도 가스 혼합물(FG)을, 제1 온도(T1)에서, 공기 예열기(13)로부터 곧바로 입자상 물질 제거 시스템(14)으로, 배출하는 단계를 포함하며, 이때, 공기 예열기(13)와 입자상 물질 제거 시스템(14) 사이에 열교환기가 배치되지 않는다.
일 구현예에서, 이 방법은 제1 처리된 연도 가스 혼합물(FG1)을 입자상 물질 제거 시스템(14)으로부터 곧바로 연도 가스 탈황 시스템(17) 내로 배출하는 단계를 포함하며, 이때, 입자상 물질 제거 시스템(14)과 연도 가스 탈황 시스템(17) 사이에 열교환기가 배치되지 않는다.
일 구현예에서, 이 방법은 제2 처리된 연도 가스 혼합물(FG2) 대비 제2 부분(P2)의 질량비가 1% 내지 16%인 제1 양의 공기(A1)의 제2 부분(P2)의 주입을 포함한다. 일 구현예에서, 이 방법은 제2 처리된 연도 가스 혼합물(FG2) 대비 제2 부분(P2)의 질량비가 9% 내지 16%인 제1 양의 공기(A1)의 제2 부분(P2)의 주입을 포함한다.
본 발명은 효율 개선을 위해 스팀 발생기 시스템(100, 100')을 개량하는 방법을 포함한다. 이 개량 방법은 공기 예열기(13)의 하류에 배치된 하나 이상의 열교환기를 제거하는 것을 포함한다. 본 개량 방법은, 공기 예열기(13)에 대한 공기 공급원(13D)을, 스팀 발생기 용기(11)에서 연료의 연소에 필요한 양보다 많은 제1 양의 공기(A1)를 공급하도록, 재구성하는 단계; 및 공기 공급원(13D) 및 공기 예열기(13) 중 적어도 하나를, 공기 예열기(13)를 빠져나가는 연도 가스 혼합물(FG)의 제1 온도(T1)를 확립하기에 충분한 질량 유량으로 제1 양의 공기(A1)가 제공되도록, 재구성하는 단계;를 포함하며, 이때, 제1 온도(T1)는, 공기 예열기가 공기 예열기(13) 내의 물 이슬점 온도보다 낮지 않은 냉 단부 금속 온도를 갖도록 또한 냉 단부 금속 온도가 황산 이슬점 온도보다 낮도록, 설정되고, 제1 온도(T1)는 약 105 ℃(220 ℉) 내지 약 125 ℉(257 ℉)일 수 있다.
다른 구현예에서, 제1 온도(T1)는, 본 명세서에서 정의된 바와 같이, 표준 공기 예열기와 비교하여 증가된 적어도 1%의 효율로 작동하는 개선된 공기 예열기(예를 들어, AdvXTM 공기 예열기)에 의해 한정된다. 공기 공급원(13D)의 재구성은, 이에 제한되는 것은 아니지만, 더 높은 유량 및/또는 압력 용량의 팬 또는 송풍기를 사용하는 것, 및/또는, PCT 특허출원 PCT/US2017/13459의 도 1 및 도 2에 각각 도시된 바와 같은 종래 기술 공기 공급원(103D, 103D')에서 사용된 것과 비교하여 공기 공급 시스템의 압력 강하를 감소시키는 것;을 포함한다.
본 개량 방법은 스팀 발생기 용기(11)와 연통하는 하나 이상의 SO3 경감 시스템을 제공하는 단계를 포함한다. SO3 경감 시스템은 스팀 발생기 용기(11)에서 생성된 연도 가스 혼합물 내의 SO3를 경감시키도록 구성된다. 일 구현예에서, SO3의 경감은 연도 가스 혼합물(FG)이 공기 예열기(13)로 들어가기 전에 발생한다. 본 개량 방법은 제1 양의 공기(A1)를 제2 온도(T2)로 가열하도록 공기 예열기(13)를 구성하는 단계를 포함한다. 제2 온도는, 원래 시스템(예를 들어, PCT 특허출원 PCT/US2017/13459의 도 1 및 도 2에 각각 도시된 종래 기술 스팀 발생기 시스템(100, 100'))의 연소 공기의 온도보다 실질적으로 낮지 않다. 일 구현예에서, 보일러의 열효율을 유지 또는 향상시키기 위해 제2 온도는 약 288 ℃ 내지 399 ℃(550 ℉ 내지 750 ℉)이다. 본 개량 방법은 연료의 연소를 위한 제1 양의 공기(A1)의 제1 부분(P1)을 스팀 발생기 용기(11)에 공급하는 단계를 포함한다. 본 개량 방법은 연도 가스 혼합물(FG)을 제1 온도(T1)에서, 공기 예열기(13)로부터 곧바로 입자상 물질 수집 시스템(14)으로, 배출함으로써 연도 가스 혼합물(FG)로부터 입자상 물질을 제거하고, 제1 처리된 연도 가스 혼합물(FG1)을 생성하는 단계를 포함한다. 제1 처리된 연도 가스 혼합물(FG1)은 입자상 물질 제거 시스템(14)으로부터 곧바로 연도 가스 탈황 시스템(17) 내로 배출된다(즉, PCT 특허출원 PCT/US2017/13459의 도 1 및 도 2에 각각 도시된 종래 기술 열교환기 시스템의 GGH(106Y, 106Y')와 같은 열교환기를 통과하지 않음). 그러나, 개량 방법 일 구현예에서, 제1 처리 연도 가스 혼합물(FG1)은, 하나 이상의 기존 열교환기(예를 들어, PCT 특허출원 PCT/US2017/13459의 도 1 및 2에 각각 도시된 종래 기술의 열교환기 시스템의 GGH(106Y, 106Y'))를 통해 유동함으로써, 입자상 물질 제거 시스템(14)으로부터 곧바로 연도 가스 탈황 시스템(17)으로 배출된다. 이러한 개량 방법 구현예에서, 기존의 열교환기는 최대 성능으로 작동되거나 또는 성능이 저하되거나 열교환을 위한 작동을 하지 않을 수 있다. 본 개량 방법은 연도 가스 탈황 시스템(17)에서 제2 처리된 연도 가스 혼합물(FG2)을 생성하고 또한 연도 가스 탈황 시스템(17)으로부터 제2 처리된 연도 가스 혼합물(FG2)을 52 ℃ 내지 60 ℃(125 ℉ 내지 140 ℉)의 제3 온도(T3)에서 배출하는 단계를 포함한다.
본 개량 방법은, 배출 굴뚝(19)에 진입하기 전에, 공기 예열기(13)로부터 제2 온도(T2)에서 공급되는 연도 가스 재가열 공기로서의 제1 양의 공기(A1)의 제2 부분(P2)에, 제3 온도(T3)의 제2 연도 처리된 연도 가스 혼합물(FG2)을 주입함으로써, 제3 처리된 연도 가스 혼합물(FG3)을 68 ℃(155 ℉)의 제4 온도(T4)에서 생성하는 단계; 및 제3 처리된 연도 가스 혼합물(FG3)을 배출 굴뚝(19)에 제4 온도(T4)에서 유입시키는 단계;를 포함한다.
일 구현예에서, 본 개량 방법은 연도 가스 탈황 시스템(17)과 배출 굴뚝(19)을 연결하는 출구 덕트의 적어도 일부를, 연도 가스 탈황 시스템(17), 과잉 공기 덕트(65) 및 배출 굴뚝(19)을 연결하는 매니폴드(39)로 대체하는 단계를 포함한다.
일 구현예에서, 본 개량 방법은 연도 가스 재가열 공기 입자상 물질 제거 시스템(33)을 제공함으로써, 공기 예열기(13)가 연도 가스 재가열 공기 입자상 물질 제거 시스템(33)을 통해 배출 굴뚝(19)과 연통되도록 하는 단계를 포함한다. 입자상 오염물은 제2 부분의 공기(P2)로부터 제거되는데, 이때, 입자상 오염물은, 연도 가스 혼합물(FG)로부터 공기 예열기(13) 내로의 누출로부터, 제2 부분의 공기(P2) 내로 도입된다.
일 구현예에서, 본 개량 방법은 스팀 발생기 용기(11)와 공기 예열기(13) 사이의 연통로(communication)에 배치된 습도 센서(34)를 포함한다. 습도 센서(34)는, 제1 온도(T1)의 크기를 결정하기 위해, 연도 가스 혼합물(FG)의 습도를 측정한다.
일 구현예에서, 본 개량 방법은 적외선 센서(32)를 제공하는 단계; 적외선 센서로 공기 예열기(13) 내의 냉 단부 금속 온도를 결정하고, 냉 단부 금속 온도와 물 이슬점 온도를 비교하는 단계; 및 본 명세서에서 설명된 제어 유닛(71)으로, 냉 단부 금속 온도를 물 이슬점 온도 이상으로 제어하는 단계;를 포함한다.
본 개량 방법을 실행한 후에, 스팀 발생기 시스템(10, 10', 10")은, 적어도, 본 개량 방법을 실행하기 전의 종래 기술 스팀 발생기 시스템(예를 들어, PCT 특허출원 PCT/US2017/13459의 도 1 및 도 2에 각각 도시된 스팀 발생기 시스템(100, 100'))의 제1 열효율만큼 큰 제2 열효율을 갖는다. 그러한 일 구현예에서, 원래의 스팀 발생기 시스템은 초당 55 내지 60 피트 정도의 연도 가스 출구 속도로 제한된 습식 굴뚝과 함께 작동함으로써, 오염물질 미스트(pollutant mist)가 배출 굴뚝(19)을 빠져나가는 것을 방지한다. 그러한 습식 굴뚝에는, 설비로부터 배출(drainage)되기 전에 오염물질을 제거하는 수처리 설비 내로 배출(drain)하는 응축물 수집 수단이 구비된다. 본 발명을 이용함으로써, 개량된 설비는, 전형적으로 약 100 피트/초에 달할 수 있는 연도 가스 출구 속도로 작동할 수 있는 건조 스택과 함께 작동한다. 연도 가스 속도는 부하(load)의 함수이고, 즉, 저 부하 조건에서는 낮으며, 이때, 최대 작동 부하는 최대 지속가능 연도 가스 속도에 의해 제한될 수 있다. 그러므로 인식될 수 있는 바와 같이, 일단 개량되고 나면, 스팀 발생기 시스템(10, 10', 10'')은 종래에 가능한 것보다 더 높은 부하에서 작동할 수 있으며, 그에 따라, 스팀 발생기 용기(11)로부터의 스팀 발생 및 전력(power) 출력을 증가시키는 결과를 가져온다. 설령 종래보다 더 큰 부하로 작동하지는 않는다 하더라도, 습식 굴뚝이 없으면, 배출 굴뚝(19)으로부터 수집된 응축물의 지금까지의 임의의 수처리를 더 이상 작동시킬 필요가 없음에 따른 비용 절감과 함께 물 사용량의 감소를 가져올 수 있다. 본 발명은 또한, 스팀 발생기 시스템(10)의 효율을 개선하기 위한 또 다른 방법을 포함한다. 이 방법은 다음을 포함하는 스팀 발생기 시스템(10)을 제공하는 단계를 포함한다: 스팀 발생기 용기(11), 공기 공급 시스템(13D), 공기 예열기(13), 제1 입자상 물질 제거 시스템(14), 제2 입자상 물질 제거 시스템(33), 연도 가스 탈황 시스템(17), 및 연도 가스 배출 굴뚝(19). 스팀 발생기 시스템(10)은 공기 예열기(13)를 통해 스팀 발생기 용기(11)와 연통하는 공기 공급 시스템(13D)을 갖는다. 스팀 발생기 용기(11)는 공기 예열기(13), 제1 입자상 물질 제거 시스템(14) 및 연도 가스 탈황 시스템(17)을 통해 배출 굴뚝(19)과 연통되며, 이때, 제1 입자상 물질 제거 시스템(14)은 공기 예열기(13)의 하류에 위치되고, 연도 가스 탈황 시스템(17)은 제1 입자상 물질 제거 시스템(14)의 하류에 위치되며; 배출 굴뚝(19)은 연도 가스 탈황 시스템(17)의 하류에 위치되고, 공기 예열기(13)는 제2 입자상 물질 제거 시스템(33)을 통해 배출 굴뚝(19)과 연통된다. 이 방법은 스팀 발생기 용기(11)와 공기 예열기(13) 사이에 배치되는 습도 센서(34)를 제공하는 단계, 및 공기 예열기(13)에 근접하게 또는 공기 예열기(13) 내에 적외선 센서(32)를 제공하는 단계를 포함한다. 이 방법은, 제1 온도(T1)의 크기를 결정하기 위해, 습도 센서로 연도 가스 혼합물(FG)의 습도를 측정하는 단계를 포함한다.
이 방법은 다음 단계들을 포함한다: 공기 공급 시스템(13D)을 통해 제1 양의 공기(A1)를 공기 예열기(13)에 제공하는 단계로서, 제1 양의 공기(A1)는 스팀 발생기 용기(11)에서 연료의 연소에 필요한 양을 초과하는 크기인, 단계; 및 공기 예열기(13)가 제1 양의 공기(A1)를, 공기 예열기(13)를 빠져나가는 연도 가스 혼합물(FG)의 제1 온도(T1)를 확립하기에 충분한 질량 유량으로 제공하는 단계로서, 이때, 제1 온도(T1)는 공기 예열기가 공기 예열기(13) 내의 물 이슬점 온도 이상의 냉 단부 금속 온도를 갖도록 또한 냉 단부 금속 온도가 황산 이슬점 온도보다 낮도록 설정되고, 제1 온도(T1)는 약 105 ℃(220 ℉) 내지 약 125 ℃(257 ℉)인, 단계.
이 방법은 적외선 센서(32)로 공기 예열기(13) 내의 냉 단부 금속 온도를 측정하는 단계; 냉 단부 금속 온도를 물 이슬점 온도와 비교하는 단계; 및 냉 단부 금속 온도를 본 명세서에서 기술된 바와 같이 제어 유닛(71)을 사용하여 물 이슬점 온도 이상으로 제어하는 단계;를 포함한다.
이 방법은 스팀 발생기 용기(11)에서 생성된 연도 가스 혼합물 내의 SO3를 경감시키는 단계를 포함한다. SO3의 경감은 연도 가스 혼합물(FG)이 공기 예열기(13)로 들어가기 전에 발생한다. 공기 예열기(13)는 제1 양의 공기(A1)를 약 288 ℃ 내지 399 ℃(550 ℉ 내지 750 ℉)의 제2 온도(T2)로 가열하도록 구성된다. 제1 양의 공기(A1)의 제1 부분(P1)은 연료의 연소를 위한 연소용 공기로서 스팀 발생기 용기(11)에 공급된다.
이 방법은, 연도 가스 혼합물(FG)을 제1 온도(T1)에서 공기 예열기(13)로부터 곧바로 입자상 물질 제거 시스템(14)으로 배출함으로써 연도 가스 혼합물(FG)로부터 입자상 물질을 제거하고, 제1 처리된 연도 가스 혼합물(FG1)을 생성하는 단계를 포함한다. 제1 처리된 연도 가스 혼합물(FG1)은 입자상 물질 제거 시스템(14)으로부터 곧바로 연도 가스 탈황 시스템(17) 내로 배출됨으로써, 연도 가스 탈황 시스템(17)에서 제2 처리된 연도 가스 혼합물(FG2)을 52 ℃ 내지 60 ℃(125 ℉ 내지 140 ℉)의 제3 온도(T3)에서 생성하고, 또한 연도 가스 탈황 시스템(17)으로부터 제2 처리된 연도 가스 혼합물(FG2)을 52 ℃ 내지 60 ℃(125 ℉ 내지 140 ℉)의 제3 온도(T3)에서 배출한다.
이 방법은 제2 부분의 공기(P2)로부터 입자상 오염물을 제거하는 단계를 포함한다. 입자상 오염물은, 연도 가스 혼합물(FG)로부터 공기 예열기(13) 내로의 누출로부터, 제2 부분의 공기(P2) 내로 도입된다. 공기 예열기(13)로부터 제2 온도(T2)에서 공급되는 연도 가스 재가열 공기로서의 제1 양의 공기(A1)의 제2 부분(P2)은, 배출 굴뚝(19)에 진입하기 전에, 제3 온도(T3)의 제2 연도 처리된 연도 가스 혼합물(FG2)에 주입됨으로써, 제3 처리된 연도 가스 혼합물(FG3)을 적어도 68 ℃(155 ℉)의 제4 온도(T4)에서 생성한다. 제3 처리된 연도 가스 혼합물(FG3)은 제4 온도(T4)에서 배출 굴뚝(19)에 유입된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 도면 부호 70으로 전반적으로 표시된 그래프는 X 축(72) 상에 화씨 온도로 표시된 연도 가스 재가열 공기(P2) 온도; 및 Y 축(71) 상에 백분율로 표시된 재가열 공기 비율(RR);을 가지며, 이때, 재가열 공기 비율(RR)은, 연도 가스 재가열 공기(P2)(즉, 제1 양의 공기(A1)의 제2 부분(P2))의 질량 유량(WR)을, FGD 시스템(17)(도 3 및 도 4)을 125 ℉에서 빠져나가는 스크러빙된 가스(FG2)의 질량 유량(WG)에 100을 곱한 값으로 나누어서 얻은 값과 동일하다. 그래프(70)는 FGD(17)(도 3 및 도 4)를 빠져나가는 연도 가스(FG2)의 6개의 서로다른 온도 증가(DTr)들에 대한 플롯을 포함한다. 구체적으로, 그래프는 5 ℉의 DTr에 대한 플롯(80), 10 ℉의 DTr에 대한 플롯(81), 20 ℉의 DTr에 대한 플롯(82), 30 ℉의 DTr에 대한 플롯(83); 40 ℉의 DTr에 대한 플롯(84) 및 50 ℉의 DTr에 대한 플롯(85)을 포함함으로써, 재가열 공기(P2)의 온도의 함수로서 재가열 공기 비율(RR)을 예시한다. 예를 들어, 재가열 비율(RR)은 지점(86)에서의 약 1%(즉, 플롯(80)의 5 ℉의 DTr에 대해 0.9%, 800 ℉) 내지 지점(87)에서의 약 16%(즉, 플롯(85)의 50 ℉의 DTr에 대해 500 ℉에서의 15.9%, 500 ℉)의 범위를 갖는다. 50 ℉ DTr에 대한 플롯(85)의 경우, RR은, 지점(88)에서의 약 9%(즉, 플롯(85)의 50 ℉의 DTr에 대해 9.1%, 800 ℉) 내지 지점(87)에서의 약 16%(즉, 플롯(85)의 50 ℉의 DTr에 대해 500 ℉에서의 15.9%, 500 ℉)의 범위를 갖는다. 재가열 비율(RR)의 범위가 1% 내지 16% 및 9% 내지 16%인 것으로 도시되고 설명되었지만, 재가열 공기(P2)의 DTr 및 온도에 따라, 다른 범위의 재가열 비율(RR)이 사용될 수도 있다. 본 발명자들은 방대한 분석 및 시험의 결과로서 도 5의 데이터 포인트들 및 플롯들(80 내지 85)에 도달하였으며, 그 결과, 도 5의 그래프(70)에 도식적으로 설명된 놀라운 결과를 발견할 수 있었다.
도 6에 도시된 바와 같이, 그래프(90)는, 1000 MW 스팀 발생기 시스템(10, 10')에 대해, X 축(92) 상에 백분율로 표시된 공기 예열기(13) 효율, 및 Y 축(91) 상에 섭씨 온도로 표시된 온도를 가지며, 이때, FGD(17)와 배출 굴뚝(19) 사이의 덕트(62) 내로 연도 가스 재가열 공기(P2)를 주입한 결과로서, FGD(17)를 빠져나가는 연도 가스(FG2)에 28 ℃(50 ℉)의 온도 상승이 발생하였다. 그래프(90)는 2차 공기(P1, P2) 온도(T2)(도 3 및 도 4)의 관점에서 공기 예열기(13) 효율성의 플롯(93)을 포함한다. 그래프(90)는 연도 가스(FG) 출구 온도(T1)(도 3 및 도 4)의 관점에서 공기 예열기(13) 효율성의 플롯(94)을 포함한다. 본 발명자들이 밝혀낸 바에 따르면, 스팀 발생기 시스템(10, 10')의 열효율을 유지하기 위해서는, PCT 특허출원 PCT/US2017/13459에 도시된 종래 기술 스팀 발생기 시스템(100, 100')의 150 ℃ 연도 가스(FG) 출구 온도(그래프(90)에서 점선(98")으로 도시됨)와, 약 105 ℃의 연도 가스(FG) 출구 온도(T1)(도 3 및 도 4)(그래프(90)에서 점선(98')로 도시됨) 사이의 온도차(DT)가 35 ℃일 것이 요구된다. 연도 가스 출구 온도의 온도차(DT)가 증가함에 따라, 스팀 발생기 시스템(10, 10')의 열효율 개선이 실현된다. 예를 들어, 그래프(90)에 도시된 바와 같이, 연도 가스 출구 온도(T1)가 90 ℃이고 공기 예열기 효율성이 97%인 라인(94)의 지점(94A)에서, 열효율 증가가 실현된다. 증가된 열효율 및 공기 예열기 효율성은, 제1 양의 공기(A1)가 종래 기술 공기 예열기를 통해 공급되는 것보다 더 많다는 것, 및/또는, 종래 기술 공기 예열기에 사용된 열전달 요소와 비교하여 공기 예열기(13)에서의 열전달 요소의 효율 또는 면적이 증가하였다는 것의 결과이다. 그래프(90)에 도시된 바와 같이, 공기 예열기(13)의 효율성, 및 PCT 특허출원 PCT/US2017/13459의 종래 기술 스팀 발생기 시스템(100, 100') 대비 스팀 발생기 시스템(10, 10')의 증가된 열효율은 또한, 연료의 연소를 위해 스팀 발생기 용기(11)에 공급되는 제1 양의 공기(A1)의 제1 부분(P1)의 온도 증가를 통해 실현된다. 그래프(90)는, 제1 양의 공기(A1)의 제1 부분(P1)의 온도의 함수로서 공기 예열기(13)의 효율성 증가를 도시하는 플롯(93)을 포함한다. 예를 들어, 제1 양의 공기(A1)의 제1 부분(P1)의 온도가 368 ℃이고 공기 예열기(13)의 효율성이 97%인 지점(93A)에서, PCT 특허출원 PCT/US2017/13459의 종래 기술 스팀 발생기 시스템(100, 100') 대비 스팀 발생기 시스템(10, 10')의 열효율의 증가가 실현된다.
도 8에 도시된 구현예에서, 공기 예열기(13)의 저온 작동을 달성하기 위해, 공기 예열기(13)에 공급되는 연도 가스의 양은, 앞의 구현예들에서와 같이 과잉 공기를 사용하는 것이 아니라, 감소되었다. 이는, 스팀 발생기 용기(11)를 빠져나가는 연도 가스(FG)가 2개의 스트림(FG4 및 FG5)으로 분할되도록 블리드 덕트(bleed duct)(200)를 제공함으로써, 공기 예열기(13)의 상류에서 용이하게 된다. 제1 스트림(FG4)은 공기 예열기(13)에 공급된 후 이로부터 배출되고, 제2 스트림(FG5)은 덕트(200) 내로 배출된다. 제2 스트림(FG5)의 체적은 밸브 수단(도시하지 않음)에 의해, 공기 예열기(13)를 빠져나가는 연도 가스 혼합물(FG4)의 원하는 제1 온도(T1)를 달성하도록 제어될 수 있다. 이 제2 스트림(FG5)은 적합하게는 열교환기(HX)에서 온도(T5)로 냉각되고, 그 다음, 덕트(201)를 통해 매니폴드(202) 내로 공급되며, 그에 따라, 제1 스트림(FG4)과 재결합하여 연도 가스 스트림(FG)을 재생성하게 되고, 연도 가스 스트림(FG)은 온도(T1')에서 ESP(14)에 진입한다. 일 구현예에서, 도 3, 도 4 및 도 7의 구현예에서 언급된 온도(T1) 및 도 8의 구현예에서 언급된 온도(T1')는 동일하거나 거의 동일하다. 도 8에 도시된 구현예에서, 공기 예열기(13)를 통과하는 공기량(A2)은 연소에 요구되는 부피(P1)이며, 즉, 도 3, 도 4 및 도 7에 도시된 구현예에서 요구되는 제1 양(A1)과 달리, 과잉 공기 부분(P2)이 생성되지 않는다.
도 8에 도시된 구현예에서, 연도 가스 재가열을 위해 과인 공기(P2)를 사용하는 대신에, 공기 스트림(A3)은 제2 연도 가스 스트림(FG5)에 의해 열교환기(HX)로 유입되어 가열된다. 공기 스트림(A3)은 열교환기(HX)를 빠져나와 온도(T6)에서 덕트(203)를 통해 매니폴드(204)로 공급되며, 매니폴드(204)를 통해, 공기 스트림(A3)은 도 3, 도 4 및 도 7에 도시된 구현예에서 설명된 바와 같이 스택 재가열을 실행하기 위해 연도 가스 재가열 공기로서 주입된다. 일 구현예에서, 도 8에 예시된 온도(T6) 및 도 3, 도 4 및 도 7의 구현예에서 언급된 온도(T2)는 동일하거나 거의 동일하다. 일 구현예에서, 열교환기(HX)는, 제2 연도 가스 스트림(FG5)이 공기 스트림(A3)이 그것을 통해 직접 흐르는 튜브를 지나가도록(pass over) 구성된다(예를 들어, 직접 열교환기). 일 구현예에서, 열교환기(Hx)는, 공기 스트림(A3)이 연도 가스 스트림(FG5)이 그것을 통해 직접 흐르는 튜브를 지나가도록 구성된다(예를 들어, 직접 열교환기). 일 구현예에서, 열교환기(HX)는, 연도 가스 스트림(FG5)으로부터 공기 스트림(A2)으로 열을 전도하는 유체 열교환 매체를 사용하는 공지된 방식으로 구성된다(즉, 간접 열교환기).
도 8에 도시된 바와 같이, 공기 스트림(A3)의 일부 또는 전부가 과잉 예열 공기의 제3 부분(P3)과 유사하게 사용될 수 있도록, 선택적(optional) 공기 블리드(205)가 사용될 수 있으며, 이는, 예를 들어, 도 3, 도 4 및 도 7에 도시된 구현예를 참조하여 기술된 바와 같다. 공기 블리드(205)는 굴뚝 재가열을 위해 공기 스트림(A3)을 사용하는 것을 방지할 수 있으며, 대신에, 본 명세서에 기술된 바와 같이 석탄 건조 및/또는 시동 예열 응용을 위해 선택적으로(selectively) 공기 블리드(205)를 사용할 수 있다.
본 출원인이 밝혀낸 바에 따르면, 종래의 공기 예열기 장치를 사용하는 것과 비교하여, 도 8에 도시된 구성의 예상치 못한 특징은, 공기 예열기 공기 출구 온도가 감소한다는 것 및, 이와 더불어, 예를 들어 굴뚝 재가열, 예열 및/또는 석탄 건조 목적으로 사용하기 위해 연도 가스(FG)로부터 열을 추출하는 것이다. 도 8의 구현예에서, 이는, 공기 예열기(13)의 상류에서 제2 연도 가스 스트림(FG5)을 우회시켜서, 원하는 경우 선택적으로(selectively), 스택 재가열, 예열 및/또는 석탄 건조 목적을 위해 그것으로부터 열을 추출하는 것에 의해, 공기 예열기(13) 내로 연도 가스 열을 덜 넣음으로써 달성된다. 대조적으로, 도 3, 도 4 및 도 7에 도시된 구현예에서, 이는, 공기 예열기(13) 내로 과잉 공기를 넣어서, 제1 양(A1)이 연소용 공기 및 공기(P2)(즉, 원하는 경우 선택적으로(selectively), 스택 재가열, 예열 및/또는 석탄 건조 목적을 위한 공기) 둘 다를 생성하도록 함으로써, 달성될 수 있다. 도 9에 도시된 하이브리드 구현예에서, 두 가지 접근법의 조합, 즉, 공기 예열기(13)로부터의 연도 가스의 우회(즉, FG5) 및 공기 예열기(13) 내로의 과잉 공기 투입(즉, A1)이 둘 다 사용된다.
선행 기술에서, 공기 예열기에 의해 연도 가스로부터 추출된 열은, 그것을 통해 흐르는 연소 공기에 의해, 스팀 발생 용기 내로 재도입된다. 열 전도 손실을 제외하면, 공기 예열기에 의해 연도 가스로부터 추출된 모든 열은, 연소 공기를 통해 스팀 발생 용기 내로 재도입된다. 본 발명의 바람직한 구현예들의 한 특징은, 공기 예열기의 상류에서 추출/우회된 연도 가스와 결부되어 공기 예열기에 의해 또는 열교환기에 의해 "생성된" 과잉 공기 중의, 연도 가스 스트림(FG)으로부터 추출된 열이, 정상 작동 중에 낭비되지 않는다는 것이다. 연소 공기를 예열하는 데 사용되지는 않지만, 그러한 추출된 모든 열은, 스택 재가열로서 이든지 및/또는 석탄 건조를 위해서 이든지 간에 상관없이, 전체 스팀 워터 사이클(whole steam water cycle)이라고 불리우는 것 내로 재도입된다.
도시된 하이브리드 구현예에서, 제2 과잉 공기 부분(P2) 및 우회된 연도 가스(FG5) 가열된 공기 스트림(A3)의 둘 다는 스택 재가열로서의 재주입을 위해 전체적으로 또는 부분적으로 사용되지만, 이해될 수 있는 바와 같이, 공기 예열기(13)에 요구되는 하류 출구 온도를 용이하게 하는 것은 바로, 제2 연도 가스 스트림(FG5)의 계량 및 예열 공기의 제1 양(A1)의 부피의 조합이다. 이러한 계량은 적합하게는, 시동 중에 또는 다른 작동 부하에서, 즉 스팀 발생 용기(11) 연도 가스(FG) 출구 온도와 관련하여 적절한 정도로 목적하는 결과를 달성하는데 선택적일(selective) 수 있다.
도 8 및 도 9의 구현예에 대한 대안으로서, 과잉 공기 부분(P2)의 일부 또는 전부 및/또는 가열된 공기 스트림(A3)의 일부 또는 전부는, 굴뚝 재가열을 위해 사용되는 대신에, 예열, 시동 예열 및/또는 석탄 건조 용도를 위해 사용될 수 있을 것이다. 예를 들어, 석탄 건조 용도를 위해 가열된 공기 스트림(A3)을 사용하는 것이 특히 유리할 수 있다. 유사하게, 시동 또는 저 부하 조건 동안, 연도 가스 스트림(FG5) 내로의 흐름을 방지하거나 최소화하는 것이 유리할 수도 있다. 마찬가지로, 시동 또는 저 부하 조건 동안, 잉여 공기 부분(P2)을 최소화하는 것이 유리할 수도 있다.
도 8 및 도 9에 도시된 구현예에서, 제2 연도 가스 스트림(FG5)은 공기 예열기(13)의 곧바로 하류에 있는 제1 연도 가스 스트림(FG4)과 재결합되지만, 이해될 수 있는 바와 같이, 다른 구현예에서는 이러한 재결합이 더 하류에서 이루어질 수도 있다. 대안적으로, 이러한 제2 연도 가스 스트림(FG5)은 대기로 배출될 수 있으며 및/또는 제1 연도 가스 스트림(FG4)과 별도로 처리될 수 있다.
필요한 경우, 입자상 물질 제거 및/또는 다른 오염 제어 설비가, 공기 예열기(13)를 통과하는 연도 가스(FG)의 부분을 조절(condition)하는데 사용되는 것과는 독립적으로, 제2 연도 가스 스트림(FG5)을 적절하게 조절(condition)하는데 사용될 수 있다. 유리하게는, 열교환기(HX)는 연도 가스 스트림(FG5)으로부터 공기 스트림(A3)으로의 가스 누출을 허용하지 않는다. 결과적으로, 굴뚝 재가열, 설비 예열 및/또는 석탄 건조에 사용하기 전에, 공기 스트림(A3)의 유사한 조절이 요구되지 않는다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 개선된 효율성을 위해, PCT 특허출원 PCT/US2017/13459의 스팀 발생기 시스템(100, 100')을 개량하는 방법을 포함한다. 이 개량 방법은 다음 단계들을 포함한다: 스팀 발생기 용기(11)에서 연료의 연소에 필요한 양을 초과하는 제1 양의 공기(A1)을 공급하도록, 공기 예열기(13)에 대한 공기 공급원(13D)을 재구성하는 단계; 및 제1 양의 공기(A1)가 공기 예열기(13)를 빠져나가는 연도 가스 혼합물(FG)의 제1 온도(T1)를 확립하기에 충분한 질량 유량으로 제공되도록, 공기 공급원(13D) 및 공기 예열기(13) 중 적어도 하나를 재구성하는 단계; 이들 단계들을 통해, 본 발명이 요구하는 필수 특징을 가질 수 있게 된다. 인식될 수 있는 바와 같이, 본 발명은 또한, 도 8 및 도 9에 도시된 구현예의 장치가 제2 연도 가스 스트림(FG5)과 결부되도록, PCT 특허출원 PCT/US2017/13459의 100, 100'와 같은 스팀 발생기 시스템을 개량하는 방법을 포함한다.
본 발명자들은 놀랍게도, 수년간의 실험, 분석 및 시험을 통해, 종래 기술 스팀 발생기 시스템(예를 들어, 100 및 100')에 비해 스팀 발생기 시스템의 열효율을 향상시키고 동시에 파울링 및 가시적 굴뚝 플럼에 대한 가능성을 감소시키는, 본 발명의 스팀 발생기 시스템(10)의 작동을 위한 최적 온도 범위 및 시스템 구성의 조합을 밝혀냈다.
예를 들어, 통상의 기술자는 다음과 같은 과제를 달성하기 위해 시도해왔지만 성공하지 못했다: 예열기(13)를 통한 공기 흐름을 증가시켜, 스팀 발생기 용기(11)에서의 연료의 연소에 필요한 크기를 초과하는, 동시에 105 ℃(220 ℉) 이하의 온도를 갖는 공기 예열기(13)를 빠져 나오는 연도 가스 혼합물(FG)의 제1 온도(T1)를 확립하기에 충분한, 크기를 달성하고, 아울러, 동일한 시스템에서 다음과 같은 특정 설계 특징들을 모두 사용하는 것: 1) 스팀 발생기 용기(11)에서 생성된 연도 가스 혼합물 내의 SO3를 경감시키는 것(SO3의 경감은 연도 가스 혼합물(FG)이 공기 예열기(13)로 들어가기 전에 발생함); 2) 제1 양의 공기(A1)를 288 ℃ 내지 399 ℃(550 ℉ 내지 750 ℉)의 제2 온도(T2)로 가열하도록 공기 예열기(13)를 구성하는 것; 3) 연료의 연소를 위해 제1 양의 공기(A1)의 제1 부분(P1)을 스팀 발생기 용기(11)에 공급하는 것; 4) 연도 가스 혼합물(FG)을 제1 온도(T1)에서, 공기 예열기(13)로부터 곧바로 입자상 물질 수집 시스템(14)으로, 배출함으로써, 연도 가스 혼합물(FG)로부터 입자상 물질을 제거하고, 제1 처리된 연도 가스 혼합물(FG1)을 생성하는 것; 5) 제1 처리된 연도 가스 혼합물(FG1)을 입자상 물질 제거 시스템(14)으로부터 곧바로 연도 가스 탈황 시스템(17) 내로 배출함으로써, 연도 가스 탈황 시스템(17)에서 제2 처리된 연도 가스 혼합물(FG2)을 생성하고, 또한 연도 가스 탈황 시스템(17)으로부터 제2 처리된 연도 가스 혼합물(FG2)을 52 ℃ 내지 60 ℃(125 ℉ 내지 140 ℉)의 제3 온도(T3)에서 배출하는 것; 6) 배출 굴뚝(19)에 들어가기 전에, 제2 온도(T2)의 제1 양의 공기(A1)의 제2 부분(P2)에, 제3 온도(T3)의 제2 연도 처리된 연도 가스 혼합물(FG2)을 주입함으로써, 제3 처리된 연도 가스 혼합물(FG3)을 79 ℃ 내지 88 ℃(175 ℉ 내지 190 ℉)의 제4 온도(T4)에서 생성하는 것; 및 7) 제3 처리된 연도 가스 혼합물(FG3)을 배출 굴뚝(19)에 제4 온도(T4)에서 유입시키는 것. 당해 관련 기술분야의 통상의 기술자가 이해할 수 있는 바와 같이, 위에 기술된 7 가지 다른 설계 특징과 함께, 공기 예열기(13)를 빠져 나가는 연도 가스의 온도를 변화시킴으로써 시도될 수 있는 거의 무한한 개수의 시스템 구성들이 존재한다. 분석, 실험 및 시험의 결과로서, 본 발명자들은 경합하는 설계 특징들과 관련된 문제점을 극복하고, 본 명세서에 개시되고 청구된 바와 같은 최적의 조합을 밝혀내었다.
개략적으로 시험, 실험 및 분석에는 다음과 같은 고려사항이 포함되었다: 1) 제2 온도(T2)의 제1 양의 공기(A1)의 제2 부분(P2)에 제2 연도 처리된 연도 가스 혼합물(FG2)을 주입하는 것의 혼합 효율; 2) 제2 부분의 공기(P2) 상의 양을 포함하는 스팀 발생기 시스템의 다양한 위치에서의 비산 회분 농도(fly ash concentrations); 3) GGH 열교환기의 제거를 정당화하기에 충분한 열을 제공하는 제2 부분의 공기(P2)의 양의 결정; 4) 스팀 발생기 시스템(10)을 통한 압력 강하; 5) 과잉 공기 덕트(65)에서의 열 손실; 6) 스팀 발생기 용기에서의 연료 연소에 대한 영향; 7) 스팀 발생기 시스템의 열효율에 대한 영향; 8) FGD(17)에 대한 효율 및 물 공급 요건.
당해 기술 분야의 통상의 기술자는, 마주친 몇 가지 문제점 때문에, 공기 예열기를 빠져나오는 연도 가스의 온도를 105 ℃(220 ℉) 이하로 낮추는 것을 주저해 왔다. 첫 번째 문제는, 이러한 수준의 연도 가스 온도 감소(즉, 공기 예열기를 빠져나오는 연도 가스의 온도를 105 ℃(220 ℉) 이하로 낮추는 것)가, 통상적으로는, 공기 유량 증가 없이 경제적으로 달성될 수 없다는 것이다. 통상적인 공기 예열기를 통과하는 연도 가스로부터 회수될 수 있는 열의 양에는 실제적용상의 제한이 있다. 이러한 한계는 가능한 최대 열전달 qmax = (m * c)min * (Tgi-Tai)에 기초하여 설정되며, 이때, Tgi는 공기 예열기로 들어가는 연도 가스의 온도이고, Tai는 공기 예열기로 들어가는 공기의 온도이다. (m * c)min 값은 질량 유량과 최소 유체(minimum fluid)의 비열의 곱이며, 통상적인 공기 예열기의 경우, 최소 유체는 연소 공기이다. 공기의 질량 유량이 증가함에 따라 가능한 최대 열전달이 직접 증가한다. 본 발명은 연도 가스 온도를 끊임없이(incrementally) 감소시키기 위한 수단의 일부로서 공기 유량 증가를 사용한다. 그러나, 스팀 발생기의 효율을 유지하고 향상시키는 데 있어서, 스팀 발생기로 되돌려지는 열량을 유지하거나 향상시키는 것이 필요하다. 이는 공기 예열기의 효율성을 유지 또는 향상시킴으로써 이루어지는데, 여기서, "효율성 = 실제 열전달/최대 가능 열전달"이다. 유지되거나 개선되어야 하는 것은 바로 연소 공기에 대한 실제 열전달이며, 이는 a) 차가운 공기 스팀 공기 예열의 사용을 제거하는 것; 또는 b) 더 많은 및/또는 더 높은 효율의 열전달 표면의 사용;에 의해 달성된다.
두 번째 문제는, 플랜트에서 예열된 공기 유량 증가에 대한 상당한 요구가 없었다는 점이다. 본 발명은 굴뚝 가스 재가열에 사용될 수 있는 예열된 공기의 공급원을 제공한다.
세 번째 문제는, 많은 연료의 경우, 연도 가스 온도를 낮추면 상당한 공기 예열기 오염 및/또는 부식이 발생한다는 것이다. 필요에 따라 연도 가스의 SO3 함량에 기초하여, 본 발명은 SO3 경감을 사용하여, 공기 예열기로 들어가는 SO3 함량을 대략 5 ppmv 이하로 감소시킨다. 이것은 원래 연도 가스의 이슬점보다 훨씬 낮은 감소된 연도 가스 온도에서 파울링 및 부식을 방지하는 것으로 입증되었다.
네 번째 문제는 최소 냉 단부 요소 온도를 적절히 제어하기 위한 수단이 없는 플랜트는, 물 이슬점 근처의 온도에서의 할로겐 산의 응축으로 인해, 심각한 부식을 겪어왔다는 점이다. 일 구현예에서, 본 발명은 연도 가스 습도 센서를 사용하여 연도 가스의 수분 함량을 설정하는데, 이는 물 이슬점을 계산하는데 사용될 수 있다. 그 다음, 치명적인 할로겐 산(HCl, HF, HBr)의 이슬점이 문헌에서 이용가능한 이슬점 상관관계를 사용하여 추산될 수 있다. 임계적 이슬점과 비교될 수 있는 최소 냉 단부 요소 온도를 결정하기 위해 적외선 또는 다른 센서가 사용될 수 있다. 이슬점 응축의 방지는, a) 차가운 유입 공기를 예열하기 위한 스팀 코일의 사용, 또는 2) 굴뚝 가스 재가열에 사용되는 예열된 공기량의 감소에 의해 달성된다.
본 발명의 다른 구현예(미도시)에서, 제1 양의 공기(A1)의 제2 부분(P2)은 연도 가스 재가열 공기로서 사용되지 않거나 부분적으로만 사용되며, 대신에, 전적으로 또는 주로, 작동 중에 석탄 건조기에 공급되고 또한 시동 중에 관련 스팀 발생기 용기(11) 및/또는 입자상 물질 제거 시스템(14)의 상류에 선택적으로(selectively) 공급되는 예열 공기로서 사용된다. 석탄 건조를 위해 과잉 공기를 사용하는 것은 스팀 발생기 용기(13)에 공급되는 석탄의 수분을 효과적으로 감소시킴으로써, 연도 가스가 되는 물질 내의 과잉 스팀에 기인하는 것으로 예상될 수 있는 열 손실을 감소시킨다. 이해될 수 있는 바와 같이, 이러한 수분 감소는 또한, 시동시에 하류 설비에서 응축의 발생을 감소시킬 수 있다. 현대식 석탄 연소 보일러에서, 시동 중에, 연소 랜스(combustion lances)를 통해 공급되는 시동 연료로서 오일 또는 천연 가스를 스팀 발생기 용기(11)에 연소시키는 것이 필요하며, 이는 석탄 버너로부터 공급되는 분쇄된 석탄의 연소에 의해 형성되는 와류 불꽃(vortex flames)을 유지하기에 충분하도록 스팀 발생기 용기(11)가 가열될 때까지 지속된다. 추정되는 바에 따르면, 너무 빠른 시동은, 예를 들어, 파이프 용접부에 불필요한 열 충격을 초래하고, 스팀 발생기 용기 내의 그에 따른 손상을 초래할 수 있다. 너무 느린 시동은, 오일과 가스의 불필요한 사용을 초래하고, 스팀 발생 시스템을 최대 작동 부하까지 끌어올리는데 있어서 불필요한 지연을 초래할 수 있다. 열 충격을 증가시키지 않고 시동 시간을 단축할 수 있는 임의의 방법은, 플랜트 운영자에게 유익한 작동 및 비용 상의 이점을 가져올 것이다. 통상적인 예열된 연소 공기와 더불어 이 구현예의 예열 공기를 사용함으로써, 시동 중에, 오일 또는 가스 불꽃에 비해, 더 많은 예열을 스팀 발생 용기(11) 내로 적당히 낮은 온도에서 효과적으로 되돌려 보낼 수 있을 것이다. 이것은, 동등한 추가 예열을 공급하기 위해 시동 연료를 더욱 다량으로 연소시키는 것에 따른 추가적인 열 충격 없이도, 더 빠른 시동을 가능하게 할 수 있다. 인식될 수 있는 바와 같이, 이러한 다른 구현예에서, 스팀 발생기 시스템 상의 작동은, 다른 설명된 구현예들에서 다양하게 요구되는 바와 같은 연도 가스 온도 상승 및/또는 건식 굴뚝 작동에서의 FGD의 존재에 의존하지 않는다.
도 10에 도시된 바와 같이, 제1 양의 열은 스팀 발생기 시스템(10)과 연통되는 폐수 건조 시스템(77)에 이용된다. 폐수 건조 시스템(77)은 폐수 저장 탱크(77T)를 포함하며, 폐수 저장 탱크(77T)은 스팀 발생기 시스템 내의 다른 폐수 시스템으로부터 폐수를 공급하는 도관(77W1) 또는 도관(77K)을 통해, 연도 가스 탈황 시스템(17)과 유체 연통된다. 폐수 건조 시스템(77)은 분무 건조 용기(77D)를 포함하며, 분무 건조 용기(77D)는 폐수 저장 탱크(77T)의 하류에 있고 도관(77W2 및 77W3)을 통해 그것과 함께 유체 연통된다. 도관(77W2, 77W3) 사이에는 폐수를 분무 건조 용기(77D)로 이송하기 위한 펌프(77P)가 제공된다. 폐수 건조 용기(77D)는 스프레이 노즐(77N)로 구성된 물 주입구를 갖는다. 분무 건조기 용기(77D)는 가열된 공기를 폐수 건조 용기(77D)로 이송하는 도관(77A)을 통해 공기 예열기(13)와 유체 연통된다. 가열된 공기는 폐수 건조 용기(77D) 내로 분무된 폐수와 혼합하고 증발함으로써, 배출 도관(77R)을 통해 폐수 건조 용기(77D) 밖으로 운반되는 건조 입자상 폐기물을 생성한다. 배출 도관(77R)은 건조 입자상 폐기물을 수집하기 위한 입자상 물질 제거 시스템(14)의 상류에 있는 덕트(60) 내로 건조 입자상 폐기물을 운반한다. 폐수 건조 용기(77D)는 또한, 건조 입자상 폐기물의 선택적인(optional) 배출 또는 폐수 건조 용기(77D)의 내부의 세정을 위해, 그것의 바닥 원추 부분에 위치한 입자상 물질 배출구(77Q)를 갖는다. 폐수 건조 시스템(77)은 연도 가스 탈황 시스템(17)으로부터의 액체 유출물의 양을 감소시키거나 제거하는데 유용하고, 스팀 발생기 시스템(10)의 열률에 악영향을 미치지 않는다.
도 11에 도시된 바와 같이, 제1 양의 열은 스팀 발생기 시스템(10)과 연통되는 폐수 건조 시스템(77')에서 이용된다. 폐수 건조 시스템(77')은 폐수 저장 탱크(77T')를 포함하며, 폐수 저장 탱크(77T')는 스팀 발생기 시스템 내의 다른 폐수 시스템으로부터 폐수를 공급하는 도관(77W1') 또는 도관(77K')을 통해 연도 가스 탈황 시스템(17')과 유체 연통된다. 폐수 건조 시스템(77')은 분무 건조 용기(77D')를 포함하며, 분무 건조 용기(77D')은 폐수 저장 탱크(77T')의 하류에 위치하고 도관(77W2' 및 77W3')을 통해 그것과 함께 유체 연통된다. 펌프(77P')는 도관들(77W2' 및 77W3') 사이에 제공되어 폐수를 분무 건조 용기(77D')로 이송한다. 폐수 건조 용기(77D')는 스프레이 노즐(77D')로 구성되는 물 주입구를 갖는다. 분무 건조기 용기(77D')는, 연도 가스(FG5)를 폐수 건조 용기(77D')로 이송하는 도관(77F')을 통해 공기 예열기(13)와 유체 연통된다. 연도 가스(FG5)는 폐수 건조 용기(77D') 내로 분무된 폐수를 혼합하고 증발함으로써 배출 도관(77R')을 통해 폐수 건조 용기(77D') 밖으로 운반되는 건조 입자상 폐기물을 생성한다. 배출 도관(77R')은 건조 입자상 폐기물을 수집하기 위한 입자상 물질 제거 시스템(14)의 상류에 있는 덕트(60) 내로 건조 입자상 폐기물을 운반한다. 폐수 건조 용기(77D')는 또한, 건조 입자상 폐기물의 선택적인(optional) 배출 또는 폐수 건조 용기(77D')의 내부의 세정을 위해, 그 바닥 원추 부분에 위치된 입자상 물질 배출구(77Q')를 갖는다. 일 구현예에서, 연도 가스(FG5)는 덕트(200)를 통해 열교환기(HX)를 통과하여 흐르고, 덕트(201)를 통해 덕트(60)로 다시 흐른다. 공기 스트림(A3)은 열교환기(HX)를 통과하여 흐르고, 가열된 공기는 덕트(203)에서 그로부터 배출된다. 가열된 공기는 블리드 덕트(bleed duct)(205)를 통해 폐수 건조기 용기(77D')로 선택적(optional)으로 공급된다. 폐수 건조 시스템(77')은 연도 가스 탈황 시스템(17)으로부터의 액체 유출물의 양을 감소시키거나 제거하는데 유용하고, 스팀 발생기 시스템(10)의 열률에 악영향을 미치지 않는다.
도 12에 도시된 바와 같이, 제1 양의 열은, 예를 들어, 스팀 발생기 용기(11)에 공급되는 공급 수를 예열함으로써, 스팀 발생기 시스템(10)의 열률을 향상시키는데 이용된다. 열교환기(51)(예를 들어, 저온 이코노마이저 또는 저압 이코노마이저)는 공기 예열기(13) 및 입자상 물질 제거 시스템(14) 사이에 위치하며, 공기 예열기(13) 및 입자상 물질 제거 시스템(14)과 유체 연통된다. 열교환기(51)는 그 내부에 배치된 튜브 다발(51T)을 갖는다. 연도 가스(FG)는 튜브 다발(51T)의 외측의 주변을 흐른다. 튜브 다발(51T)은 공급 수 또는 가열되는 응축물을 수용하기 위한 주입구(51A); 및 그 곳으로부터 공급 수를 배출하기 위한 출구(51B)를 갖는다. 가열된 공급 수는 스팀 발생기 용기(11)의 수벽 튜브(미도시) 내로 배출되기 전에 다른 공급 수 가열기로 운반된다.
도 13에 도시된 바와 같이, 제1 양의 열은, 예를 들어, 스팀 발생기 용기(11)에 공급되는 공급 수를 예열함으로써, 스팀 발생기 시스템(10)의 열률을 향상시키는데 이용된다. 열교환기(51')는 연도 가스(FG5)를 열교환기(51')로 운반하는 덕트(63)와 유체 연통된다. 열교환기(51')는 덕트(201)를 통해 덕트(60)와 유체 연통된다. 열교환기(51')는 내부에 배치된 튜브 다발(51T')을 갖는다. 연도 가스(FG5)는 튜브 다발(51T')의 외측의 주변을 흐른다. 튜브 다발(51T')은 공급 수 또는 가열되는 응축물을 수용하기 위한 주입구(51A'); 및 그 곳으로부터 공급 수를 배출하기 위한 출구(51B')를 갖는다. 가열된 공급 수는 스팀 발생기 용기(11)의 수벽 튜브(미도시) 내로 배출되기 전에 다른 공급 수 가열기로 운반된다.
도 12 및 도 13은 제1 양의 열이, 예를 들어, 스팀 발생기 용기(11)에 공급되는 공급 수를 예열함으로써, 스팀 발생기 시스템(10)의 열률을 향상시키는데 이용되는 것을 도시하는 반면에, 제1 양의 열은 응축물 가열, 기생 부하(예를 들어, 공간과 식수 가열 및 전기 구동 모터 대신에 팬과 같은 회전 장비를 구동하는 터빈용 스팀, 및 전기를 생산하는 데 사용되는 스팀 이외의 다른 스팀 또는 열 부하) 경감 및 스팀 사이클 효율 향상을 포함하는(이에 국한되지는 않음) 다른 수단을 위해 이용될 수 있으므로, 본 발명은 이점에서 제한되지 않는다.
도 14에 도시된 바와 같이, 제1 양의 열은 습식 회분 제거 시스템(29)으로부터 배출된 회분의 슬러리로부터 물을 증발시키는데 이용된다. 습식 회분 제거 시스템(29)은 도관(29C 및 29D)을 통해 입자상 물질 제거 시스템(14)의 비산 회분 호퍼(14H)와 유체 연통되는 수집 탱크(29T)를 포함한다. 물 공급기(29W)는 도관(29X 및 29B) 및 그 사이에 위치한 펌프(29Y)를 통해 수집 탱크(29T)와 유체 연통된다. 증발기 용기(29V)(예를 들어, 직접 또는 쉘 앤 튜브 열교환기)는 수집 탱크(29D)의 하류에 위치하며 도관(29E)을 통해 그것와 함께 유체 연통된다. 증발기 용기(29V)는 도관(29F)을 통해 회분 폰드(ash pond)(29P)와 유체 연통된다. 제1 양의 열의 전부 또는 일부는 도관(29A)을 통해 증발기 용기(29V)에 공급된다. 도관(29A)은 공기 예열기(13)의 공기 측의 하류 측에서 마개를 따고 따른다. 공기 예열기(13)로부터의 가열된 공기는, 증발기 용기(29V)에 남아있는 회분 슬러리에 함유된 물의 전부 또는 일부를 증발시켜, 회분 폰드(29P)로 이송되는 물의 양을 감소시킨다.
도 15에 도시된 바와 같이, 제1 양의 열은 습식 회분 제거 시스템(29')으로부터 배출된 회분의 슬러리로부터 물을 증발시키는데 이용된다. 습식 회분 제거 시스템(29')은, 도관(29C' 및 29D')을 통해 입자상 물질 제거 시스템(14')의 비산 회분 호퍼(14H')와 유체 연통되는 수집 탱크(29T')를 포함한다. 물 공급원(29W')은 도관(29X' 및 29B') 및 그 사이에 위치한 펌프(29Y')를 통해 수집 탱크(29T')와 유체 연통된다. 증발기 용기(HX)(예를 들어, 직접 또는 쉘 앤 튜브 열교환기)는 수집 탱크(29D')의 하류에 위치하고 도관(29E')을 통해 그것과 함께 유체 연통된다. 증발기 용기(HX)는 도관(29F')을 통해 회분 폰드(29P')과 유체 연통된다. 제1 양의 열의 전부 또는 일부는, 덕트(200)를 통해 증발기 용기(29D')로 운반되는 연도 가스(FG5)를 통해, 증발기 용기(HX)로 공급된다. 덕트(200)는 공기 예열기(13)의 연도 가스 측의 상류에 있는 덕트(63)의 마개를 따고 따른다. 공기 예열기(13)로부터의 연도 가스(FG5)는 증발기 용기(HX) 내에 남아있는 회분 슬러리 중에 함유된 물의 전부 또는 일부를 증발시켜, 회분 폰드(29P')로 이송되는 물의 양을 감소시킨다. 연도 가스(FG5)는 공기 예열기(13)의 연도 가스 측의 하류 측으로 되돌아와 덕트(201)를 통해 덕트(60)로 들어간다. 이해되는 바와 같이, 스팀 발생기(11)로부터 직접 유도된 회분 슬러리는, 습식 회분 제거 시스템(29)으로부터 유도된 것에 대해 전술한 바와 유사하게, 처리될 수 있다.
본 발명은 특정 구현예들을 참조하여 개시되고 설명되었지만, 주목되어야 하는 바와 같이, 다른 변형 및 수정이 이루어질 수 있으며, 또한, 의도된 바와 같이, 다음의 청구항들은 본 발명의 진정한 범위 내의 변형 및 수정을 포함한다.
Claims (16)
- 스팀 발생기 시스템(10)의 작동 방법으로서, 상기 방법은
스팀 발생기 용기(11), 공기 공급 시스템(13D), 공기 예열기(13) 및 상기 공기 예열기(13)의 하류측 설비를 포함하는 스팀 발생기 시스템(10)을 제공하고, 이때 상기 공기 공급 시스템(13D)은 상기 공기 예열기(13)를 통해 상기 스팀 발생기 용기(11)와 연통하고, 상기 스팀 발생기 용기(11)는 상기 공기 예열기(13)와 연통하는, 단계;
상기 공기 공급 시스템(13D)이 상기 공기 예열기(13)에 제1 양의 공기(A1)를 제공하는 단계;
상기 제1 양의 공기(A1)의 적어도 일부를 상기 스팀 발생기 용기(11)에 연소 공기로서 제공하는 단계;
상기 스팀 발생기 용기(11)로부터 연도 가스 혼합물을 배출하는 단계;
상기 연도 가스 혼합물의 적어도 일부를 상기 공기 예열기(13) 내로 흐르게 하는 단계;
상기 연도 가스 혼합물이 상기 공기 예열기(13)로 들어가기 전에 상기 연도 가스 혼합물 내의 SO3를 경감시키는 단계;
상기 스팀 발생기 시스템(10), 상기 공기 예열기(13) 및 상기 연도 가스 혼합물 중 적어도 하나와 연통하는 열 포획 수단(heat capture means)을 제공하는 단계; 및
상기 공기 예열기(13)의 냉 단부 금속 온도는 상기 공기 예열기(13) 내의 물 이슬점 온도 이상이고, 또한 황산 이슬점 온도 미만이 되도록, 상기 제1 양의 공기(A1)의 질량 유량을 제어함으로써, 상기 스팀 발생기 시스템(10), 상기 공기 예열기(13) 및 상기 연도 가스 혼합물 중 적어도 하나로부터 제1 양의 열을 전달하여 상기 공기 예열기(13)의 하류측 설비의 저온 부식을 억제하는 단계;를 포함하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
입자상 물질 제거 시스템(14) 및 연도 가스 탈황 시스템(17)을 제공하는 단계로서, 상기 입자상 물질 제거 시스템(14)은 상기 공기 예열기(13)의 하류에 배치되고, 상기 연도 가스 탈황 시스템(17)은 상기 입자상 물질 제거 시스템(14)의 하류에 배치되는, 단계;
상기 스팀 발생기 용기(11)를 빠져나가는 상기 연도 가스 혼합물의 전부 또는 일부를, 곧바로 상기 공기 예열기(13)로부터 상기 입자상 물질 제거 시스템(14)으로 배출함으로써, 상기 연도 가스 혼합물로부터 입자상 물질을 제거하고, 제1 처리된 연도 가스 혼합물(a first treated flue gas mixture)을 생성하는 단계; 및
상기 제1 처리된 연도 가스 혼합물을 상기 입자상 물질 제거 시스템(14)으로부터 곧바로 상기 연도 가스 탈황 시스템(17) 내로 배출함으로써, 상기 연도 가스 탈황 시스템(17)에서 제2 처리된 연도 가스 혼합물을 생성하고 또한 상기 연도 가스 탈황 시스템(17)으로부터 상기 제2 처리된 연도 가스 혼합물을 배출하는 단계;를 더 포함하는 방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 제1 양의 열은 상기 연소 공기를 예열하는데 사용되는 열의 10 내지 25%인, 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제1 양의 공기(A1)는 연소 공기로서 요구되는 양을 초과하는 크기인, 방법.
- 제 2 항에 있어서,
연도 가스 배출 굴뚝(19)을 제공하는 단계로서, 상기 스팀 발생기 용기(11)는 상기 공기 예열기(13), 상기 입자상 물질 제거 시스템(14) 및 상기 연도 가스 탈황 시스템(17) 중 적어도 하나를 통해 상기 연도 가스 배출 굴뚝(19)과 연통하는, 단계; 및
상기 제1 양의 열의 적어도 일부를 이용하여, 상기 연도 가스 배출 굴뚝(19)의 출구의 상류에서, 상기 연도 가스 혼합물의 온도를, 상기 연도 가스 배출 굴뚝(19)으로부터 빠져나가는 가시적 플럼(visible plume)을 경감시키거나 또는 상기 연도 가스 배출 굴뚝(19) 내의 부식을 경감시키기에 충분한 크기까지 증가시키는 단계;를 더 포함하는 방법. - 제 2 항에 있어서, 다음 단계들 중 적어도 하나를 더 포함하는 방법:
보일러 시동 중에, 상기 제1 양의 열의 적어도 일부를 이용하여, 상기 입자상 물질 제거 시스템(14), 상기 연도 가스 탈황 시스템(17) 및 중간 덕트(intermediate ducting) 중 적어도 하나를 선택적으로(selectively) 예열하는 단계;
보일러 작동 중에, 상기 제1 양의 열의 적어도 일부를 석탄 건조 설비를 위해 이용하고, 후속적으로 대기 중으로 배출되는 단계;
상기 제1 양의 열의 적어도 일부를 대기 중으로 방출하는 단계;
증기 발생 시스템(10)에 공급된 공급수 또는 응축수를 예열하기 위해 상기 제1 양의 열의 적어도 일부를 이용하는 단계;
상기 제1 양의 열의 적어도 일부를 이용하여, 상기 입자상 물질 제거 시스템(14) 및 상기 스팀 발생기 용기(11) 중 적어도 하나와 연통하는 젖은 회분 제거 시스템(wet ash removal system; 29)으로부터 배출되는 회분 슬러리로부터 물을 증발시키는 단계; 및
폐수 시스템(77)에서, 상기 제1 양의 열의 적어도 일부를 이용하여, 상기 폐수 시스템(77)으로부터의 물 배출을 감소시키는 단계. - 제 6 항에 있어서, 다음 단계들을 더 포함하는 방법:
상기 연도 가스 혼합물의 일부 및 상기 제1 양의 공기(A1)의 일부 중 적어도 하나를 상기 폐수 시스템(77)으로 공급하여 상기 폐수 시스템(77) 내의 폐수를 증발시키는 단계;
상기 폐수 시스템(77)에서 입자상 폐기물을 생성하는 단계; 및
상기 입자상 폐기물을 상기 입자상 물질 제거 시스템(14)으로 이송하는 단계. - 제 1 항에 있어서, 상기 연도 가스 혼합물 내의 SO3를 경감시키는 단계는 다음 단계들 중 적어도 하나를 포함하는 방법:
화학적 처리(chemical rendering) 단계; 및
저황 연료를 상기 스팀 발생기 시스템(10)에 공급하는 단계. - 제 1 항에 있어서, 상기 제1 양의 공기를 288 ℃ 내지 399 ℃(550 ℉ 내지 750 ℉)까지 가열하도록 상기 공기 예열기(13)를 구성하는 단계를 더 포함하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 공기 공급 시스템(13D)은 상기 공기 예열기(13)에 질량 유량으로 제1 양의 공기(A1)를 제공하고, 상기 질량 유량은 상기 공기 예열기(13)를 빠져나가는 연도 가스 혼합물의 105℃ 내지 125℃의 제1 온도(T1)를 확립하기에 충분하며, 상기 제1 온도(T1)는 상기 공기 예열기(13)가 다음의 수학식에 따라 계산된 적어도 1%의 증가된 열 회수율(HR)로 작동하는 상기 공기 예열기(13)에 의해 한정되는 냉 단부 출구 온도를 갖도록 설정되는 방법:
HR = 100% x ((Tgi-TgoAdvX)/(Tgi-TgoSTD) - 1)
(이때, Tgi = 상기 공기 예열기에 유입되는 상기 연도 가스 혼합물의 입구 온도;
TgoAdvX = 상기 공기 예열기를 빠져나가는 연도 가스 혼합물의 연도 가스 출구 온도;
TgoSTD = 표준 공기 예열기를 빠져나가는 상기 연도 가스 혼합물의 출구 온도. - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따라 작동하게 구성되도록 스팀 발생기 시스템(10)을 개량(retrofitting)하는 방법.
- 제 2 항에 따라 작동하게 구성되도록 스팀 발생기 시스템(10)을 개량하는 방법으로서, 상기 제1 처리된 연도 가스 혼합물을 상기 입자상 물질 제거 시스템(14)으로부터 곧바로 상기 연도 가스 탈황 시스템(17) 내로 배출하는 단계는, 상기 개량 전에, 상기 스팀 발생기 시스템(10)에 존재하는 적어도 하나의 열교환기를, 상기 입자상 물질 제거 시스템(14)과 상기 연도 가스 탈황 시스템(17) 사이에서, 사용하는 것을 포함하는, 방법.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따라 작동하도록 구성된 스팀 발생기 시스템(10).
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