KR102539819B1 - 고체 입자의 유동 제어 장치 및 방법 그리고 유동층 반응기 - Google Patents

고체 입자의 유동 제어 장치 및 방법 그리고 유동층 반응기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고체 입자의 유동 제어 방법 및 장치 (40) 에 관한 것으로, 이 장치는, 레벨 L0 에 바닥 (50) 을 갖고 내부에서 고체 입자의 유동을 아래로 향하게 하기 위한 수직 입구 파이프 (16'), 수직 입구 파이프와 입자 유동 연결된 제 1 출구 슈트 (26') 및 제 2 출구 슈트 (34'), 및 고체 입자의 유동으로부터 형성된 제어된 제 1 및 제 2 하위 유동을 각각 제 1 출구 슈트 및 제 2 출구 슈트로 향하게 하기 위한 유동화 수단 (60, 62, 64, 68, 76) 을 포함하고, 장치 (40) 는 고체 입자의 제 1 하위 유동을 제 1 출구 슈트 (26') 로 향하게 하기 위해 수직 입구 파이프 (16') 의 측벽의 개구 (72) 와 입자 유동 연결된 브랜치 (42, 42', 42'') 를 포함하고, 개구 (72) 는 L0 보다 높은 레벨 L1 에서 하부 에지를 갖고, 장치는 고체 입자의 제 2 하위 유동을 제 2 출구 슈트 (34') 로 향하게 하기 위한 수평 연장 중간 파이프 (46) 를 포함하고, 수평 연장 중간 파이프는, 수평 연장 중간 파이프에 유동화 가스를 공급하고 레벨 L0 에서 수직 입구 파이프 (16') 의 바닥 (50) 과 입자 유동 연결된 제 1 단부 (48) 및 수직 연장 라이저 파이프 (56) 의 바닥 단부 (54) 와 입자 유동 연결된 제 2 단부 (52) 를 갖는 적어도 하나의 노즐 (60, 62, 64) 을 포함하고, 수직 연장 라이저 파이프 (56) 의 상부 단부 (70) 는 L1 보다 높은 레벨 L2 에서 제 2 출구 슈트 (34') 와 입자 유동 연결된다.

Description

고체 입자의 유동 제어 장치 및 방법 그리고 유동층 반응기
본 발명은 고체 입자의 유동을 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 수직 입구 파이프에서 아래로 흐르는 고체 입자의 초기 유동으로부터 유동 제어 장치에서 형성된 제어된 제 1 및 제 2 하위 유동을 제 1 및 제 2 출구 슈트까지 유도하는 것에 관한 것이다. 본 발명은 또한 고체 입자의 초기 유동으로부터 제어된 하위 유동을 형성하기 위한 장치를 갖는 유동층 반응기에 관한 것이다.
순환 유동층 보일러와 같은 유동층 반응기를 작동할 때, 고체 입자의 유동을 제어하는 것, 특히 고체 입자의 초기 유동을 둘 이상의 하위 유동으로 분할하는 것이 종종 필요하다. 특히, 유동층 반응기에서 배출되는 배기 가스로부터 분리된 고체 입자를 복귀시킬 때, 분리된 입자의 제어된 부분을 열교환기를 통해 냉각된 입자로서 반응기로 다시 유도할 필요가 있는 반면에 분리된 입자의 다른 부분은 냉각되지 않은 상태로 반응기로 직접 복귀된다. 미국 특허 번호 4,312,301, 미국 특허 번호 4,552,203, 미국 특허 번호 4,672,918, 미국 특허 번호 4,473,032, 미국 특허 번호 5,570,645, 미국 특허 번호 5,642,676, 미국 특허 번호 6,264,465 B1, 미국 특허 번호 5,442,919, 유럽 특허 EP 2 179 218 B1, 한국 특허 문헌 KR 2017 0031407 및 미국 특허 번호 7,543,553 B2 는 플러그 밸브, 스로틀 밸브 또는 로터리 로크와 같은 기계적 유동 제어 장치가 고체 입자의 초기 유동으로부터 형성된 두 개의 하위 유동의 비율을 제어하는데 사용되는 종래 기술의 솔루션을 나타낸다. 그러나, 이러한 기계적 유동 제어 장치는 종종 매우 복잡한 구조이며, 장치의 이동 부품들 사이에 들어가는 고체 입자에 의해 달라 붙는 경향이 있다.
유동층 반응기에서 고체 입자 유동을 제어하는 또 다른 통상적인 방법은, 필요에 따라, 특정 경로로의 입자의 유동을 가능하게 하거나 방지하기 위해 개별적으로 유동화된 영역을 갖는 입자 챔버를 이용하는 것이다. 유럽 특허 EP 0 682 761 B1 은 고체 입자를 열교환 챔버의 출구 개구를 향해 상이한 경로들로 보내기 위해 챔버에서 개별적으로 유동화된 영역을 사용하는 방법을 교시하고 있다. 그러나, 이 구조는 형성된 하위 유동의 명확한 독립적 제어를 허용하지 않는다. 미국 특허 5,140,950 은 분할 벽에 의해 분할된 열교환기에서의 독립적인 유동화된 영역을 개시하고 있다. 이러한 구조는 하위 유동의 독립적인 제어를 향상시키지만, 구조를 더 복잡하게 만들고 또한 챔버의 코너 영역으로의 입자의 정체를 유발할 수 있다. 더욱이, EP 0 682 761 B1 및 US 5,140,950 의 구조는 열전달 표면에서 입자 유동 및 열교환 효율의 독립적인 제어를 허용하지 않는다.
미국 특허 제 4,457,289 는 반응기에서 나오는 배기 가스로부터 고체 입자를 분리하기 위한 입자 분리기 및 입자 분리기로부터의 분리된 입자를 반응기로 다시 복귀시키기 위한 복귀 덕트 시스템을 포함하는 유동층 반응기를 도 6 에 개시하고 있다. 복귀 덕트 시스템은 입자의 초기 유동을 두 개의 하위 유동으로 나누기 위해 그 두 개의 대향 단부들에 출구를 갖는 유동층을 포함하는 비기계적 유동 제어 장치를 갖는 가스 시일을 포함한다. 제 1 하위 유동은 위어를 통해 반응기로 다시 직접 복귀되고 제 2 하위 유동은 다른 위어를 통해 열교환 챔버로 복귀되며, 여기서 제 2 유동은 반응기로 다시 복귀될 수 있다. 미국 특허 제 4,457,289 에 표시된 분할 가스 시일의 문제점은 두 하위 유동의 비율의 제어성이 비교적 약하다는 것이다. 특허 문헌 KR 2002 0031687 은 시일 포트의 수직 입구 덕트의 하부 부분의 측벽에 직접 연결된 하향 경사 출구 슈트를 나타내고 있는 것으로 보인다.
미국 특허 4,733,621 은 입자 분리기로부터 반응기로 복귀된 입자를 균일하게 분배할 수 있어야 하는 다른 문제에 관한 것이다. 미국 특허 4,733,621 은 수직 입구 파이프의 하부 단부에 수평 분배 파이프를 대칭으로 배열하는 것을 교시하고 있다. 수평 분배 파이프는 여러 개의 개별적으로 유동화된 섹션, 수평 중간 파이프의 단부의 수직 라이저 파이프, 및 라이저 파이프의 상부 단부의 반응기로의 경사진 출구 슈트를 포함한다. 이 구조에서는, 수직 라이저 파이프를 통한 하위 유동의 독립적인 제어를 가능하게 하기 위해 비교적 긴 수평 파이프가 필요하다.
중국 특허 102901093A 는 비교적 짧은 수평 중간 파이프의 단부에서 라이저 파이프를 통한 두 개의 출구 슈트로의 두 개의 하위 유동의 비율의 독립적인 제어성을 향상시키기 위해 수직 입구 파이프의 중앙 부분에 분할 벽을 배치하는 것을 교시하고 있다. 이 구조의 문제점은 수직 입구 파이프에서의 입자의 초기 유동이 고르지 않게 분포되어 출구 슈트에서 하위 유동의 원하는 분포를 얻지 못할 수 있다는 것이다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 문제점이 회피되거나 최소화되는 고체 입자의 유동을 제어하기 위한 유리한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
일 양태에 따르면, 본 발명은 고체 입자의 유동 제어 장치를 제공하고, 이 장치는, 레벨 L0 에 바닥을 갖고 내부에서 고체 입자의 유동을 아래로 향하게 하기 위한 수직 입구 파이프, 상기 수직 입구 파이프와 입자 유동 연결된 제 1 출구 슈트 및 제 2 출구 슈트, 및 고체 입자의 유동으로부터 형성된 제어된 제 1 및 제 2 하위 (sub) 유동을 각각 상기 제 1 출구 슈트 및 상기 제 2 출구 슈트로 향하게 하기 위한 유동화 수단을 포함하고, 상기 장치는 고체 입자의 제 1 하위 유동을 상기 제 1 출구 슈트로 향하게 하기 위해 상기 수직 입구 파이프의 측벽의 개구와 입자 유동 연결된 브랜치를 포함하고, 상기 개구는 L0 보다 높은 레벨 L1 에서 하부 에지를 갖고, 상기 장치는 고체 입자의 제 2 하위 유동을 상기 제 2 출구 슈트로 향하게 하기 위한 수평 연장 중간 파이프를 포함하고, 상기 수평 연장 중간 파이프는, 상기 수평 연장 중간 파이프에 유동화 가스를 공급하고 레벨 L0 에서 상기 수직 입구 파이프의 상기 바닥과 입자 유동 연결된 제 1 단부를 갖는 적어도 하나의 노즐을 포함한다.
이 장치는 유리하게는 또한 수평 연장 중간 파이프의 제 2 단부와 입자 유동 연결된 바닥 단부를 갖는 수직 연장 라이저 파이프를 포함한다. 수직 연장 라이저 파이프의 상부 단부는 L1 보다 높은 레벨 L2 에서 제 2 출구 슈트와 입자 유동 연결된다.
다른 양태에 따르면, 본 발명은 고체 입자의 유동 제어 방법을 제공하고, 이 방법은, 레벨 L0 에 바닥을 갖는 수직 입구 파이프에서 고체 입자의 초기 유동을 아래로 향하게 하는 단계, 상기 고체 입자의 초기 유동으로부터 고체 입자의 제어된 제 1 및 제 2 하위 유동을 형성하는 단계, 및 상기 제 1 및 제 2 하위 유동을 각각 제 1 출구 슈트 및 제 2 출구 슈트로 유도하는 단계를 포함하고, 이 방법은, 레벨 L0 에서의 상기 수직 입구 파이프의 상기 바닥으로부터 수직 연장 라이저 파이프의 바닥 단부로 연장되는 수평 연장 중간 파이프까지 상기 고체 입자의 초기 유동으로부터 고체 입자의 유동층을 형성하는 단계, L0 보다 높은 레벨 L1 에서 상기 수직 입구 파이프의 측벽의 개구로부터 브랜치를 통해 상기 제 1 출구 슈트에 제 1 의 제어된 하위 유동을 유도하는 단계, 및 L1 보다 높은 레벨 L2 에서 상기 제 2 출구 슈트에 상기 수직 연장 라이저 파이프의 상부 단부로부터 제 2 의 제어된 하위 유동을 유도하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 아래로 향하는 제 1 및 제 2 출구 슈트는 제 2 출구 슈트가 유리하게는 제 1 출구 슈트보다 높은 레벨에서 시작하도록 수직 입구 파이프에 비대칭적으로 연결된다. 여기서 출구 슈트의 시작은 고체 입자의 상응하는 유동 경로가 예를 들어 수직 연장 라이저 파이프로부터 최종적으로 아래로 향하는 레벨을 의미한다. 본 발명의 주요 특징에 따르면, 제 1 출구 슈트로의 입자 유동 경로는 수직 입구 파이프의 바닥의 레벨 L0 보다 분명히 높은 레벨 L1 에서 수직 입구 파이프로부터 분기되는 반면, 제 2 출구 슈트로의 입자 유동 경로는 수직 입구 파이프의 바닥을 통과한다.
제 1 출구 슈트는 유리하게는 수직 입구 파이프의 측벽상의 개구에 레벨 L1 에 배치된 브랜치를 통해 수직 입구 파이프에 연결된다. 보다 정확하게는, 개구부는 레벨 L1 에서 하부 에지를 갖고 레벨 L4 에서 상부 에지를 갖는다. 본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 브랜치는 고체 입자가 제 1 출구 슈트로 들어가도록 유동해야 하는 위어로 이어지는 유동 노즐을 갖는 수평 연장 부분을 포함한다. 위어는 유리하게는 개구의 상부 에지의 레벨 L4 보다 높은 레벨 L3 까지 연장되어, 브랜치에서 입자의 유동층을 형성하는 가스 로크를 수집한다. 브랜치는 유리하게는 개구로부터 중간 라이저 파이프까지의 수평 연장 시프트 파이프를 포함할 수 있으며, 중간 라이저 파이프의 측벽의 일부가 위어를 형성한다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 제 1 출구 슈트는 수직 입구 파이프의 측벽에서 레벨 L1 에서의 하부 에지를 갖는 개구에 직접 연결된다. 그럼으로써, 입자가 수직 입구 파이프로부터 직접적으로 제 1 출구 슈트로 떨어지거나 낙하할 수 있다. 정상 작동 중에 레벨 L1 까지 확장되는 입자 층이 수직 입구 파이프의 바닥에 형성되고, 추가적인 고체 입자가 수직 입구 파이프로부터 제 1 출구 슈트로 자유롭게 유동한다. 따라서, 고체 입자가 수직 입구 파이프를 통해 유동 제어 장치로 들어가면, 입자는 주로 제 1 출구 슈트로 유동한다. 이 실시형태에서, 제 1 출구 슈트로의 입자 유동 경로는 가스 로크를 형성하지 않는다. 따라서, 실시형태는 가스 로크가 필요하지 않거나 가스 로크가 입자 유동 경로의 다른 부분에, 예를 들어 유동 제어 장치의 하류에 있는 열교환 챔버에 제공되는 적용에서만 사용가능하다.
제 1 출구 슈트가 수직 입구 파이프에 직접 연결되는 경우에도, 제 2 출구 슈트를 향한 유동 경로는 유리하게는 레벨 L0 에서 수직 입구 파이프의 바닥과 입자 유동 연결되어 부착된 제 1 단부 및 수직 연장 라이저 파이프의 바닥 단부와 입자 유동 연결되어 부착된 제 2 단부를 갖는 수평 연장 중간 파이프를 포함한다. 시스템의 작동 중에, 입자 층을 형성하는 가스 로크는 수평 연장 중간 파이프와 수직 연장 라이저 파이프에 수집된다. 따라서 가스 로크는 가스가 수직 입구 파이프로 역류하는 것을 방지한다.
수평 연장 중간 파이프는 유리하게는 유동화 가스를 공급하기 위한 적어도 하나의 노즐을 포함한다. 본 발명의 유리한 실시형태에 따르면, 하나 이상의 유동화 노즐은 수평 연장 중간 파이프의 제 1 단부와 제 2 단부 사이에서, 수평 연장 중간 파이프의 제 2 단부, 및 수평 연장 중간 파이프의 제 1 단부 중 하나 이상에 배열된다. 본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 또한 수직 연장 라이저 파이프는 L0 와 L2 사이의 레벨에서 유동화 가스를 공급하기 위한 적어도 하나의 노즐을 포함한다. 고체 입자의 초기 유동의 일부가 제 2 출구 슈트를 통해 흐르는 것이 바람직할 때, 유동화 가스는 유리하게는 적절한 속도로 수평 연장 중간 파이프 및/또는 수직 연장 라이저 파이프에 공급된다. 그럼으로써, 충분히 높은 유동화 속도가 사용될 때, 수직 연장 라이저 파이프 내의 유동층의 상부 레벨이 제 2 출구 슈트의 레벨 L2 에 도달하고, 입자의 제 2 하위 유동이 제 2 출구 슈트를 통해 흐른다.
한편, 전체 입자 유동이 제 1 출구 슈트로 향하는 것이 바람직한 경우, 수평 연장 중간 파이프의 유동화 및 수직 연장 라이저 파이프로의 가스 유동을 충분히 낮은 레벨에 유지함으로써 제 2 출구 슈트를 통한 입자 유동이 방지될 수 있다. 따라서 수직 입구 파이프에서 아래로 흐르는 모든 고체 입자는 제 1 출구 슈트로, 예를 들어 제 1 출구 슈트를 통해 열교환기로 계속된다. 제 1 출구 슈트로 이어지는 브랜치가 수직 입구 파이프의 바닥보다 높은 레벨에서 수직 입구 파이프, 및 수평 연장 중간 파이프에 연결되기 때문에, 입자 유동을 제 1 출구 슈트를 통해 보내는 것은 제 2 출구 슈트를 통한 원치않는 입자 유동을 유발하는 시스템에서의 임의의 유동화를 이용하는 것을 필요로 하지 않는다.
본 발명은 특히 입자의 초기 유동으로부터 주 하위 유동이라고 할 수 있는 제 1 하위 유동 및 정상 작동 조건에서 제 1 하위 유동보다 작은 제 2 하위 유동이 형성되는 적용에 관한 것이다. 그러나, 제 1 및 제 2 하위 유동의 비율은 유리하게는 1:0 내지 0:1 의 임의의 값으로 제어할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면 유리하게는 제 1 및 제 2 출구 슈트 중 어느 것을 통해 입자의 초기 유동을 보내거나 임의의 원하는 비율로 제 1 및 제 2 하위 유동 사이의 초기 유동을 분할하는 것이 가능하다.
제 1 및 제 2 출구 슈트에 대한 제 1 및 제 2 하위 유동의 유동 비율의 원하는 제어성을 달성하기 위해, 레벨 L1 은 바람직하게는 레벨 L0 보다 적어도 0.3 미터 더 높고, 더욱 바람직하게는 적어도 0.5 미터 더 높다. 이에 상응하여, 레벨 L2 는 레벨 L1 보다 바람직하게는 적어도 0.2 미터 더 높고, 훨씬 더 바람직하게는 적어도 0.4 미터 더 높다. 따라서, 본 발명에 따른 고체 입자의 유동 제어 장치는 비기계적 제어 장치에 의해 고체 입자의 초기 유동으로부터 형성된 제 1 및 제 2 하위 유동의 비율을 다양하게 제어할 수 있다. 제 1 출구 슈트로의 유동 경로에서 레벨 L3 까지 연장되는 위어를 갖는 브랜치를 포함하는 실시형태에서, 레벨 L2 는 유리하게는 레벨 L3 보다 적어도 0.1 미터 더 높다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 제 2 출구 슈트는 레벨 L2 에서 그 상부 단부에 있는 수직 연장 라이저 파이프의 측면에서 수직 하방으로 향한다. 대안적으로, 제 2 출구 슈트의 상부 부분은 수직 방향 또는 수직 연장 라이저 파이프의 방향과 10 내지 60 도의 각도를 형성하도록 경사질 수 있다. 이에 상응하여, 제 1 출구 슈트의 상부 부분은 수직 하방으로 향할 수 있거나, 수직 방향과 10 내지 60 도의 각도를 형성하도록 수직 방향으로부터 경사질 수 있다.
위에서는 고체 입자의 초기 유동으로부터 제 1 및 제 2 하위 유동이 형성되는 실시형태가 설명되었다. 본 발명의 변형예에 따르면, 제 2 하위 유동은, 미국 특허 4,733,621 에 나타낸 바와 같은 고체 입자를 분배하는 것에 상응하게 예를 들어 수평 연장 중간 파이프, 수직 연장 라이저 파이프 및 출구 슈트를 포함하는 입자 유동 경로의 2 개 또는 심지어 2 개 이상의 브랜치를 형성함으로써 추가적인 하위 유동으로 분할될 수 있다. 본 발명의 또 다른 변형예에 따르면, 제 1 하위 유동은, 예를 들어 전술한 바와 같이 수직 입구 파이프의 측벽의 개구로부터 중간 라이저 파이프까지 2 개 또는 심지어 2 개 이상의 수평 연장 시프트 파이프를 형성함으로써 추가적인 하위 유동으로 분할될 수 있다.
본 발명은 또한 반응기로부터 나오는 배기 가스로부터 고체 입자를 분리하기위한 입자 분리기 및 입자 분리기로부터의 분리된 입자를 반응기로 다시 복귀시키기 위한 복귀 덕트 시스템을 포함하는 유동층 반응기를 제공하며, 복귀 덕트 시스템은 입구 덕트, 분리된 고체 입자를 반응기로 다시 복귀시키기 위한 제 1 복귀 경로로서, 분리된 고체 입자로부터 열을 회수하기 위한 열교환 챔버를 포함하는 상기 제 1 복귀 경로, 및 분리된 고체 입자를 반응기로 직접 복귀시키기 위한 제 2 복귀 경로를 포함하며, 복귀 덕트 시스템은 전술한 임의의 실시형태에서 규정된 바와 같은 고체 입자의 유동 제어 장치를 포함하고, 입구 덕트는 수직 입구 파이프를 형성하고, 제 1 복귀 경로는 제 1 출구 슈트를 포함하고, 제 2 복귀 경로는 제 2 출구 슈트를 포함한다.
본 발명의 전술한 간단한 설명뿐만 아니라 추가 목적, 특징 및 장점은, 첨부된 도면과 함께, 현재의 바람직한 그럼에도 불구하고 예시적인 본 발명에 따른 실시형태에 대한 다음의 상세한 설명을 참조하여 보다 충분히 이해될 것이다.
도 1 은 고체 유동을 제어하기 위한 통상적인 장치를 갖는 순환 유동층 (CFB) 보일러를 개략적으로 도시한다.
도 2, 2b 및 2c 는 본 발명의 바람직한 제 1 실시형태에 따른 고체 유동을 제어하기 위한 장치의 변형예를 개략적으로 도시한다.
도 3 은 본 발명의 바람직한 제 2 실시형태에 따른 고체 유동을 제어하기 위한 장치를 개략적으로 도시한다.
도 4 는 본 발명의 바람직한 제 3 실시형태에 따른 고체 유동을 제어하기 위한 장치를 개략적으로 도시한다.
도 1 의 다이어그램은 노 (12) 및 노에서 나오는 배기 가스로부터 고체 입자를 분리하기 위한 입자 분리기 (14) 를 포함하는 통상의 순환 유동층 (CFB) 보일러 구조 (10) 를 개략적으로 도시한다. 분리된 입자는 입자 분리기 (14) 로부터 수직 입구 파이프 (16) 를 통해 유동 분할 챔버 (18) 로 이송되고, 청정한 배기 가스는 입자 분리기 (14) 로부터 배기 가스 채널 (20) 을 통해 통상의 열 회수 및 가스 세정 스테이지 및 스택을 거쳐 환경에 배출된다. 노 (12) 는 또한 예를 들어 연료 및 연소 공기를 노에 공급하고 노로부터 애쉬를 배출하는 것과 관련된 통상적 인 수단을 포함한다. 그러나, 이러한 수단은 본 발명의 이해를 위해 중요하지 않기 때문에 도 1 에서 생략된다.
수직 입구 파이프 (16) 에서 아래로 떨어지는 분리 입자 (22) 의 초기 유동은 유동 분할 챔버 (18) 에서 2 개의 하위 유동으로 분할된다. 하위 유동들 중의 하나, 소위 제 1 하위 유동 (24) 은 제 1 출구 슈트 (26) 를 통해 열교환기 (28) 로 흐르고, 이로부터는 냉각된 입자의 유동이 복귀 덕트 (30) 를 통해 노 (12) 에 복귀된다. 또 다른 하위 유동, 소위 제 2 하위 유동 (32) 은 유동 분할 챔버 (18) 로부터 제 2 출구 슈트 (34) 를 통해 노 (12) 에 직접 흐른다.
통상의 유동 분할 챔버 (18) 는 제 1 및 제 2 하위 유동이 각각 제 1 및 제 2 출구 슈트 (26, 34) 에 안내될 수 있는 2 개의 위어 (36, 38) 및 적어도 2 개의 개별적으로 유동화된 영역을 갖는 평평한 바닥을 포함한다. 위어는 공통 레벨 L까지 연장되고, 유동 분할 챔버의 바닥으로부터 레벨 L 까지 연장되어 유동 분할 챔버에 형성되는 분리된 입자의 층을 유발한다. 수직 입구 파이프 (16) 의 하부 단부는 L 보다 낮은 레벨에 있고, 따라서 입자 층 내에서 작동하며, 그럼으로써 층은 유동화 가스가 노 (12) 로 흐르거나 노 (12) 로부터 유출되는 것 또는 열교환기 (28) 로부터 수직 입구 파이프 (16) 를 통해 입자 분리기 (14) 로 역류하는 것을 방지하는 가스 시일로서 작용한다.
유동 분할 챔버 (18) 의 목적은 2 개의 하위 유동 (24, 32) 의 비율을 제어할 수 있도록 하는 것이다. 유동화 가스가 제 1 출구 슈트 (26) 의 위어 (36) 에 인접하여 주입될 때, 제 1 하위 유동 (24) 이 증가하며, 그 반대의 경우도 가능하다. 그러나, 본 발명의 발명자들은, 도 1 에 도시된 통상의 유동 분할 챔버의 제어성은 그리 좋지 않고 유동화 가스가 유동 분할 챔버 (18) 의 층 전체에 퍼지는 경향이 있고, 유동을 개별적으로 제어하려는 시도에도 불구하고 상당한 양의 입자가 두 출구 슈트로 흐른다는 것을 알아차렸다.
도 2 의 다이어그램은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 유동 제어 장치 (40) 를 개략적으로 도시한다. 유동 제어 장치 (40) 는 많은 점에서 도 1 에 도시된 통상의 유동 분할 챔버 (18) 에 대응하고, CFB 보일러와 관련하여 이를 대체하도록 배치될 수 있다. 도 1 의 유사한 요소에 직접 대응하는 도 2 의 요소는 도 1 과 동일한 참조 번호로 표시되지만 아포스트로피가 표시된다. 따라서, 도 2 의 유동 제어 장치 (40) 는 각각 수직 입구 파이프 (16'), 및 제 1 및 제 2 출구 슈트 (26' 및 34') 를 포함한다.
도 2 에 도시된 유동 제어 장치의 주요 특징은, 유동 제어 장치가 수직 입구 파이프 (16') 의 바닥의 레벨 L0 보다 높은 레벨 L1 에서 수직 입구 파이프 (16') 로부터 제 1 출구 슈트 (26') 로 분기되는 브랜치 (42) 를 포함한다는 것이다. 보다 구체적으로, 레벨 L1 은 브랜치 (42) 의 바닥 레벨에 상응한다. 도 2 에 도시된 실시형태에서 브랜치 (42) 는 수직 입구 파이프 (16') 의 측벽에서 레벨 L1 에 하부 에지를 갖는 개구 (72) 에 연결된다. 브랜치 (42) 는 유리하게는 고체 입자가 제 1 출구 슈트 (26') 로 들어가도록 유동하게 하는 위어 (74) 를 포함한다. 위어 (74) 는 개구 (72) 의 상부 에지의 레벨 L4 보다 높은 레벨 L3 까지 연장된다. 따라서, 고체 입자가 제 1 출구 슈트 (26') 로 흐를 때, 입자 층을 형성하는 가스 로크가 브랜치 (42) 에 수집된다. 제 1 출구 슈트 (26') 로의 입자의 유동을 돕기 위해, 입자층은 유리하게는 유동화 노즐 (76) 에 의해 유동화된다.
유동 제어 장치 (40) 는 또한 레벨 L0 에서 수직 입구 파이프 (16') 의 바닥 (50) 에 연결된 수평 연장 파이프, 소위 수평 연장 중간 파이프 (46) 를 포함한다. 그럼으로써, 수평 연장 중간 파이프 (46) 는 수직 입구 파이프 (16') 의 바닥 (50) 과 입자 유동 연결되어 부착된 제 1 단부 (48) 를 포함한다. 수평 연장 중간 파이프 (46) 의 제 2 단부 (52) 는 수직 연장 라이저 파이프 (56) 의 바닥 단부 (54) 와 입자 유동 연결되어 부착된다. 작동 중에 수평 연장 중간 파이프 (46) 및 수직 연장 라이저 파이프 (56) 에 수집되는 입자층은 제 2 출구 슈트 (34') 를 위한 가스 로크를 형성하며, 즉, 가스가 제 2 출구 슈트를 통해 수직 입구 파이프 (16') 로 역류하는 것을 방지한다.
수직 연장 라이저 파이프 (56) 의 상부 단부 (70) 는 레벨 L2 에서 입자 유동에 대한 제 2 위어 (58) 를 형성하는, 수직 연장 라이저 파이프 (56) 의 측벽 부분의 상부 에지에 걸쳐 제 2 출구 슈트 (34') 와 입자 유동 연결된다. 제 2 위어의 상부 레벨 L2 는 바람직하게는 브랜치 (42) 에서의 제 1 위어 (74) 의 상부 레벨인 L3 보다 높다.
수평 연장 중간 파이프 (46) 에는, 통상적으로 그 바닥에는, 노즐에 적절한 압력의 유동화 가스, 통상적으로는 공기를 제공하기 위한 분할된 윈드 박스와 같은 유동화 가스 공급원 (66) 에 연결되어 배치된 수단, 통상적으로 노즐 (60, 62, 64) 이 배치된다. 노즐은 선택된 유동화 속도에 의해 유동화 가스에 의해 수평 연장 중간 파이프 (46) 의 상이한 부분들에서 층 물질의 제어된 유동화를 가능하게 한다. 이러한 유동화 노즐은 유리하게는 수평 연장 중간 파이프 (46) 의 제 1 단부 (48), 제 2 단부 (54) 및 중앙 부분 중 하나 이상에 배치된다. 상응하는 유동화 노즐 (68) 은 또한 수직 연장 라이저 파이프 (56) 의 측벽에 배치될 수도 있다.
도 2 에 따른 유동 제어 장치는, 전체 초기 입자 유동이 제 1 출구 슈트 (26') 로 향하는 것이 바람직할 때, 수평 연장 중간 파이프 (46) 및/또는 수직 연장 라이저 파이프 (56) 에서의 유동화 속도가 수직 연장 라이저 파이프 (56) 의 입자층의 상부 레벨이 레벨 L2 아래에 유지되는 그러한 낮은 레벨로 유지되도록 작동된다. 그럼으로써, 입자 유동은 제 2 출구 슈트 (34') 로 향하지 않고, 수직 입구 파이프 (16') 의 모든 초기 입자 유동은 제 1 출구 슈트 (26') 로 향한다.
초기 입자 유동의 일부가 제 2 출구 슈트 (34') 로 향하는 것이 바람직할 때, 수평 연장 중간 파이프 (46) 및/또는 수직 연장 라이저 파이프 (56) 에서의 유동화 속도는 수직 연장 라이저 파이프 (56) 에서의 입자층의 상부 레벨이 레벨 L2 로 상승하는 그러한 높은 레벨로 증가된다. 그럼으로써, 크기가 수평 연장 중간 파이프 (46) 및/또는 수직 연장 라이저 파이프 (56) 에서의 유동화 속도에 의존하는 고체 입자의 부분이 제 2 출구 슈트 (34') 로 흐른다.
유동 제어 장치가 제 1 위어의 레벨 L3 가 제 2 위어의 레벨 L2 보다 낮지 만 비교적 가깝도록 설계될 때, 예를 들어, 이들의 거리는 바람직하게는 최대 약 0.3 미터, 더욱 바람직하게는 최대 0.2 미터일 때, 수직 입구 파이프 (16'), 특히 브랜치 (42) 에서의 유동층의 상부 레벨이 L3 아래로 유지되고 수직 입구 파이프 (16') 에서의 모든 초기 입자 유동이 제 2 출구 슈트 (34') 로 향하도록 크게 수직 연장 라이저 파이프 (56) 에서의 유동화 속도를 증가시키는 것이 심지어 가능하다.
도 2 에 도시된 유동 제어 장치 (40) 의 이점은, 제 1 및 제 2 출구 슈트 (26', 34') 의 시작점들, 즉 각각의 입자 유동 경로의 아래로 향하는 지점들이 모두 수평 및 수직으로 서로 분리되어 있기 때문에, 제 1 및 제 2 출구 슈트로의 입자 유동이 독립적으로 제어될 수 있다는 사실에 근거한다.
제 1 출구 슈트 (26') 로의 브랜치 (42) 가 라이저 파이프 (56) 바닥의 레벨 L0 보다 더 높은 레벨에 있기 때문에, 독립적으로 제어되는 입자 유동이 제 1 출구 슈트 (26') 로 안내될 수 있다. 더욱이, 수직 입구 파이프 (16') 의 바닥 (50) 에서 약간의 유동화를 유지할 필요가 있더라도, 이 유동화는 라이저 파이프 (56) 에서 위쪽으로의 입자 유동을 일으키지 않는데, 그 이유는 라이저 파이프가 수평 연장 중간 파이프 (46) 에 의해 수직 입구 파이프 (16') 로부터 분리되기 때문이다. 원하는 제어성을 제공하기 위해, 수평 연장 중간 파이프 (46) 는 그 높이에 대해 최소 길이를 가져야 한다. 수평 연장 중간 파이프의 길이는 바람직하게는 그 높이의 1.5 배 이상, 더욱 바람직하게는 그 높이의 2 배 이상이다.
도 2 에 도시된 실시형태에서, 수직 입구 파이프 (16') 는 바닥 (50) 까지 내내 단순한 직선형 튜브이다. 그러나, 도 2b 및 2c 는 수직 입구 파이프 (16') 가 상부 부분의 축선 또는 단면으로부터 부분적으로 또는 완전히 오프셋된 축선 또는 단면을 갖는 하부 부분, 및 바닥 (50) 을 포함하는 2 개의 다른 변형예를 도시한다. 개구 (72)의 하부 에지의 레벨 L1 에서 이러한 오프셋을 만드는 것은, 브랜치 (42) 에 신뢰할 수 있는 가스 로크를 제공하는 것을 더 용이하게 만들 수 있다.
도 3 에 도시된 실시형태는, 수직 입구 파이프 (16') 의 측벽에서 개구 (72) 로부터의 브랜치 (42') 가 중간 라이저 파이프 (80) 까지의 수평 연장 시프트 파이프 (78) 를 포함한다는 점에서 주로 도 2 에 도시된 것과 다르다. 중간 라이저 파이프 (80) 의 상부 단부는, 레벨 L3' 에서 입자 유동에 대한 위어 (82) 를 형성하며, 중간 라이저 파이프 (80) 의 측벽 부분의 상부 에지에 걸쳐 제 1 출구 슈트 (26') 와 입자 유동 연결된다. 고체 입자가 위어 (82) 를 통해 제 1 출구 슈트 (26') 로 흐를 때, 입자층을 형성하는 가스 로크는 수평 연장 중간 파이프 (78) 및 중간 라이저 파이프 (80) 에 수집된다. 유동화 노즐 (84, 86) 은 유리하게는 제 1 출구 슈트 (26') 로의 입자 유동의 정확한 제어를 가능하게 하기 위해 중간 라이저 파이프 (80) 의 측벽에 또는 아래에 그리고 수평 연장 시프트 파이프 (78) 에 배치된다.
도 4 는 유동 제어 장치 (40) 가 수직 입구 파이프 (16') 의 측벽상의 레벨 L1 에 하부 에지를 갖는 개구로부터 직접 제 1 출구 슈트 (26') 로의 하향 경사 브랜치 (42'')를 포함하는 본 발명의 실시형태를 도시한다. 따라서, 제 1 출구 슈트 (26') 는 이미 하향 경사 브랜치 (42'') 로서 시작하고, 브랜치 (42'') 에 위어를 형성하는 가스 로크가 없다. 레벨 L1 은 수직 입구 파이프 (16') 의 바닥 (50) 의 레벨 L0 보다 더 높고, 바람직하게는 적어도 0.3 미터 더 높고, 훨씬 더 바람직하게는 적어도 0.5 미터 더 높다.
도 2, 2b, 2c 및 3 에 도시된 실시형태와 유사하게, 도 4 에 도시된 실시형태는 수직 입구 파이프 (16') 의 바닥 (50) 과 입자 유동 연결되어 부착된 제 1 단부 및 수직 연장 라이저 파이프 (56) 의 바닥 단부와 입자 유동 연결되어 부착된 제 2 단부를 갖는 수평 연장 중간 파이프 (46) 를 포함한다. 유동화 가스가 수평 연장 중간 파이프 (46) 및 수직 연장 라이저 파이프 (56) 에 충분히 낮은 속도로 공급될 때, 레벨 L1 까지 연장되는 입자층은 수직 입구 파이프 (16') 의 바닥 (50) 에 형성된다. 추가의 고체 입자는 제 1 출구 슈트 (26') 로 자유롭게 흐를 수 있고, 고체 입자는 수직 입구 파이프 (16') 를 통해 주로 제 1 출구 슈트 (26') 로 흐른다.
제 2 출구 슈트 (34') 는 레벨 L2 에서 수직 연장 라이저 파이프 (56) 의 상부 단부에 연결된다. 제 1 출구 슈트 (26') 로의 대부분의 입자의 전술한 유동을 가능하게 하기 위해, 레벨 L2 는 이 실시형태에서 유리하게는 레벨 L1 보다 적어도 0.1 미터 더 높다. 다른 한편으로, 레벨 L2 는 여기서는 레벨 L1 보다 바람직하게는 최대 약 0.3 미터 더 높고, 훨씬 더 바람직하게는 최대 0.2 미터 더 높다. 그럼으로써, 제 2 출구 슈트 (34') 로 흐르는 입자의 비율은 수평 연장 중간 파이프 (46) 및/또는 수직 연장 라이저 파이프 (56) 의 유동화를 증가시킴으로써 효율적으로 증가될 수 있다.
이 실시형태에서, 제 1 출구 슈트 (26') 로의 입자 유동 경로는 가스 로크를 형성하지 않는다. 따라서, 이 실시형태는 가스 로크가 필요하지 않거나 가스 로크가 입자 유동 경로의 다른 부분에, 예를 들어 유동 제어 장치의 하류에 있는 열교환 챔버에 제공되는 적용에서만 사용가능하다.
본 발명이 현재 가장 바람직한 실시형태로 간주되는 것과 관련하여 예로서 여기에 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시형태로 제한되는 것이 아니라, 첨부된 청구범위에 규정된 바와 같은 본 발명의 범위 내에 포함된 그 특징 및 몇몇 다른 응용의 다양한 조합 또는 수정을 포함하도록 의도되는 것임을 이해해야 한다.

Claims (15)

  1. 고체 입자의 유동 제어 장치 (40) 로서,
    상기 장치는, 레벨 L0 에 바닥 (50) 을 갖고 내부에서 고체 입자의 유동을 아래로 향하게 하기 위한 수직 입구 파이프 (16'), 상기 수직 입구 파이프와 입자 유동 연결된 제 1 출구 슈트 (26') 및 제 2 출구 슈트 (34'), 및 고체 입자의 유동으로부터 형성된 제어된 제 1 및 제 2 하위 (sub) 유동을 각각 상기 제 1 출구 슈트 및 상기 제 2 출구 슈트로 향하게 하기 위한 유동화 수단 (60, 62, 64, 68, 76) 을 포함하고,
    상기 장치 (40) 는 고체 입자의 제 1 하위 유동을 상기 제 1 출구 슈트 (26') 로 향하게 하기 위해 상기 수직 입구 파이프 (16') 의 측벽의 개구 (72) 와 입자 유동 연결된 브랜치 (42, 42', 42'') 를 포함하고, 상기 개구 (72) 는 L0 보다 높은 레벨 L1 에서 하부 에지를 갖고, 상기 브랜치 (42, 42') 는 고체 입자가 상기 제 1 출구 슈트 (26') 에 진입하기 위해서는 넘어 유동해야 하는 위어 (weir: 74, 82) 를 포함하고, 상기 장치는 고체 입자의 제 2 하위 유동을 상기 제 2 출구 슈트 (34') 로 향하게 하기 위한 수평 연장 중간 파이프 (46) 를 포함하고, 상기 수평 연장 중간 파이프는, 상기 수평 연장 중간 파이프에 유동화 가스를 공급하고 레벨 L0 에서 상기 수직 입구 파이프 (16') 의 상기 바닥 (50) 과 입자 유동 연결된 제 1 단부 (48) 를 갖는 적어도 하나의 노즐 (60, 62, 64) 을 포함하고, 상기 장치는 상기 수평 연장 중간 파이프의 제 2 단부 (52) 와 입자 유동 연결된 바닥 단부 (54) 를 갖는 수직 연장 라이저 파이프 (56) 를 포함하고, 상기 수직 연장 라이저 파이프 (56) 의 상부 단부 (70) 는 L1 보다 높은 레벨 L2 에서 상기 제 2 출구 슈트 (34') 와 입자 유동 연결된 것을 특징으로 하는 고체 입자의 유동 제어 장치 (40).
  2. 제 1 항에 있어서,
    유동화 가스를 공급하기 위한 상기 적어도 하나의 노즐은, 상기 수평 연장 중간 파이프의 제 1 단부 (48) 와 제 2 단부 (52) 사이에서 상기 수평 연장 중간 파이프 (46) 의 상기 제 2 단부 (52) 와 상기 수평 연장 중간 파이프의 상기 제 1 단부 (48) 중의 적어도 하나에 유동화 가스를 공급하기 위한 노즐 (60) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 입자의 유동 제어 장치 (40).
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 수평 연장 중간 파이프 (46) 는 높이 및 상기 높이의 1.5 배 이상인 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 고체 입자의 유동 제어 장치 (40).
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 수직 연장 라이저 파이프 (56) 는 L0 와 L2 사이의 레벨에서 유동화 가스를 공급하기 위한 적어도 하나의 노즐 (68) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 입자의 유동 제어 장치 (40).
  5. 제 1 항에 있어서,
    레벨 L1 은 레벨 L0 보다 0.3 미터 이상 더 높은 것을 특징으로 하는 고체 입자의 유동 제어 장치 (40).
  6. 제 1 항에 있어서,
    레벨 L2 는 레벨 L1 보다 0.2 미터 이상 더 높은 것을 특징으로 하는 고체 입자의 유동 제어 장치 (40).
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 브랜치 (42, 42') 는 유동화 가스를 공급하기 위한 적어도 하나의 노즐 (76, 84, 86) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 입자의 유동 제어 장치 (40).
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 개구 (72) 는 레벨 L4 에서 상부 에지를 갖고, 상기 위어 (74, 82) 는 상기 브랜치 (42, 42')에 입자들의 층을 형성하는 가스 로크 (gas lock) 를 수집하기 위하여 레벨 L4 보다 높은 레벨 L3 까지 연장되는 것을 특징으로 하는 고체 입자의 유동 제어 장치 (40).
  9. 제 8 항에 있어서,
    레벨 L2 가 레벨 L3 보다 높은 것을 특징으로 하는 고체 입자의 유동 제어 장치 (40).
  10. 제 9 항에 있어서,
    레벨 L2 가 레벨 L3 보다 0.2 미터 이하 더 높은 것을 특징으로 하는 고체 입자의 유동 제어 장치 (40).
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 브랜치 (42') 는 상기 개구 (72) 로부터 중간 라이저 파이프 (80) 까지 수평 연장 시프트 파이프 (78) 를 포함하고, 상기 중간 라이저 파이프 (80) 의 측벽의 일부가 상기 위어 (82) 를 형성하는 것을 특징으로 하는 고체 입자의 유동 제어 장치 (40).
  12. 유동층 반응기 (12) 로서,
    상기 유동층 반응기는, 상기 반응기로부터 나오는 배기 가스로부터 고체 입자를 분리하기 위한 입자 분리기 (14) 및 상기 입자 분리기로부터의 분리된 입자를 상기 반응기로 다시 복귀시키기 위한 복귀 덕트 시스템을 포함하고, 상기 복귀 덕트 시스템은 입구 덕트 (16), 분리된 고체 입자를 상기 반응기로 다시 복귀시키기 위한 제 1 복귀 경로로서, 분리된 고체 입자로부터 열을 회수하기 위한 열교환 챔버 (28) 를 포함하는 상기 제 1 복귀 경로, 및 분리된 고체 입자를 직접 상기 반응기로 복귀시키기 위한 제 2 복귀 경로를 포함하고,
    상기 복귀 덕트 시스템은 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 고체 입자의 유동 제어 장치 (40) 를 포함하고, 상기 입구 덕트는 상기 수직 입구 파이프 (16')를 형성하고, 상기 제 1 복귀 경로는 상기 제 1 출구 슈트 (26') 를 포함하고, 상기 제 2 복귀 경로는 상기 제 2 출구 슈트 (34') 를 포함하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기 (12).
  13. 고체 입자의 유동 제어 방법으로서,
    상기 방법은, 레벨 L0 에 바닥 (50) 을 갖는 수직 입구 파이프 (16') 에서 고체 입자의 초기 유동을 아래로 향하게 하는 단계, 상기 고체 입자의 초기 유동으로부터 고체 입자의 제어된 제 1 및 제 2 하위 유동을 형성하는 단계, 및 상기 제 1 및 제 2 하위 유동을 각각 제 1 출구 슈트 (26') 및 제 2 출구 슈트 (34') 로 유도하는 단계를 포함하고,
    상기 방법은,
    - 레벨 L0 에서의 상기 수직 입구 파이프 (16') 의 상기 바닥 (50) 으로부터 수직 연장 라이저 파이프 (56) 의 바닥 단부 (54) 로 연장되는 수평 연장 중간 파이프 (46) 까지 상기 고체 입자의 초기 유동으로부터 고체 입자의 유동층을 형성하는 단계,
    - L0 보다 높은 레벨 L1 에서 상기 수직 입구 파이프 (16') 의 측벽의 개구로부터 브랜치 (42, 42') 를 통해 상기 제 1 출구 슈트 (26') 에 제 1 의 제어된 하위 유동을 유도하는 단계로서, 상기 브랜치 (42, 42') 는 고체 입자가 상기 제 1 출구 슈트 (26') 에 진입하기 위해서는 넘어 유동해야 하는 위어 (74, 82) 를 포함하는, 상기 제 1 의 제어된 하위 유동을 유도하는 단계, 및
    - L1 보다 높은 레벨 L2 에서 상기 제 2 출구 슈트 (34') 에 상기 수직 연장 라이저 파이프 (56) 의 상부 단부 (70) 로부터 제 2 의 제어된 하위 유동을 유도하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 입자의 유동 제어 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 방법은, 고체 입자의 전체 초기 유동이 상기 제 1 출구 슈트 (26') 로 향하는 것이 요망되는 때에, 상기 수평 연장 중간 파이프 (46) 및/또는 상기 수직 연장 라이저 파이프 (56) 에서의 유동화 속도를 상기 수직 연장 라이저 파이프의 입자층의 상부 레벨이 레벨 L2 아래에 유지되는 그러한 낮은 레벨로 유지하고, 고체 입자의 초기 유동의 일부가 상기 제 2 출구 슈트 (34') 로 향하는 것이 요망되는 때에, 상기 수평 연장 중간 파이프 (46) 및/또는 상기 수직 연장 라이저 파이프 (56) 에서의 유동화 속도를 상기 수직 연장 라이저 파이프에서의 입자층의 상부 레벨이 레벨 L2 로 상승하는 그러한 높은 레벨로 증가시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 입자의 유동 제어 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 수직 입구 파이프 (16') 는 상부 부분 및 상기 브랜치 (42) 에 신뢰할 수 있는 가스 로크 (gas lock) 를 제공하기 위해 레벨 L1 에서 상기 상부 부분의 단면으로부터 부분적으로 또는 완전히 오프셋된 단면을 갖는 하부 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 입자의 유동 제어 방법.
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