KR20020088434A - 고온 가스로부터 입자들을 분리시키기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

고온 가스로부터 입자들을 분리시키기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

유동층 반응기의 반응 챔버로부터 배출된 가스로부터 고형 입자들을 분리기시키 위한 방법 및 장치에 관한 것으로서, 분리기 장치는 -평면 물관 패널로 형성된 수직-연장 외부벽에 의해 수평 방향으로 구획되며, 상기 벽의 내측에는 적어도 부분적으로 내연 라이닝이 제공되고 적어도 하나의 수직 가스 보텍스가 설정되어 그 내에 가스 공간부를 구획하는 보텍스 챔버, 적어도 하나의 가스 입구, 적어도 하나의 가스 출구; 및 적어도 하나의 고형 출구를 포함하며, 그 장치에는 보텍스 챔버의 수직-연장 외부벽들이 적어도 하나의 코너를 형성하며, 그 측면들간의 각(angle)이 90도를 초과하고 그 코너는 외부벽의 내측면상의 내연 라이닝에 의해 라운드가 되어 있다.

Description

고온 가스로부터 입자들을 분리시키기 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR SEPARATING PARTICLES FROM HOT GASES}
따라서, 발명은 유동층 반응기(fluidized bed reactor)에 부착된 원심 분리기에서 입자들을 분리시키는 원심 분리기 조립체 및 방법에 관한 것으로, 유동층 반응기의 반응 챔버로부터 배출된 가스로부터 고형 입자들을 분리시키기 위해, 분리기 조립체는 평면 물관 패널로 형성된 수직-연장 외부벽에 의해 수평 방향으로 구획되며, 그 벽의 내측에는 내연 라이닝(refractory lining)이 제공되고 적어도 하나의 수직 가스 보텍스(vortex)가 설정되며 그 내에 가스 공간부를 구획하는 보텍스 챔버; 적어도 하나의 수직 가스 보텍스(vortex)에는 가스를 반응 챔버로부터 가스 공간부로 도입시키기 위한 적어도 하나의 입구; 가스 공간부로부터 정제된 가스를 방출시키기 위해 적어도 하나의 출구; 및 가스 공간부로부터 분리된 고형 입자들을 방출시키기 위해 적어도 하나의 출구를 포함한다.
본 발명은 특히 유동층 반응기의 처리 및 생산 가스로부터 고형 입자들을 분리시키기 위해, 특히 탄소질 연료 또는 다른 연료의 연소 또는 가스화를 위해 사용되는 유동층 반응기를 회전시키기 위해 활용되는 원심 분리기에 관한 것이다.
원심 분리기의 입구 및 출구 덕트들은 입구 덕트를 통하여 수직 가스 보텍스로 들어가는 배기 가스(flue gas)를 만들기 위해서 어떻게 배열되어야 하는지는 일반적으로 공지되어 있다. 종래의 원심 분리기 조립체들은 직원(right circular) 실린더의 형상을 갖는 외부벽과, 원뿔형 하부에 구획된 1개 이상의 원심 분리기, 즉 사이클론을 포함한다. 유동층 반응기의 벽들은 자체적으로 냉각 물관 패널들로 일반적으로 형성되더라도, 유동층 반응기의 사이클론들은 통상적으로 내연 라이닝이 제공된 비냉각 구조체로서 제조된다. 비냉각 입자 분리기를 냉각 반응 챔버로 연결시킬 때, 이들 장치(arrangement)들이 비싸고 손상입기 쉬울지라도, 변동하는 열운동(thermal motion)을 고려하며 상대적인 운동을 가능하게 하는 그러한 장치를 사용하는 것이 필요하다. 원통형 사이클론들이 물관으로 형성된 구조체로서 또한 제조되어서, 사이클론과 냉각 반응 챔버간의 온도차가 작게 유지된다. 원통형 형상의 물관 벽 구조를 제공하며 주변 구조에 연결시키는 것은 수 많은 수작업을 필요로하므로 비싸다.
예를 들면, 미국 특허 제4,880,450호는 방법을 개시하며, 그 방법에 의해 냉각 원통형 사이클론은 유동층 보일러의 노(furnace)에 그리고 그것의 열회수 섹션에 연결될 수 있다. 사이클론의 원통형 상부 섹션은 서로 부착된 물관 또는 스팀관을 포함하며, 그 내부 표면은 절연 물질로 커버되어 있다. 상기 특허에 따른 분리기는 상대적인 운동을 가능하게 하는 별개의 엘리먼트없이 냉각 환경에 연결될 수 있지만, 그 구조는 많은 노력을 필요로 하며 따라서 비싸다.
미국 특허 제5,281,398호는 장치를 개시한며, 그 장치에서 입자들은 원심 분리기의 고온 가스로부터 분리되며, 그 보텍스 챔버는 평면 물관 패널들로 이루어진다. 따라서, 보텍스 챔버의 가스 공간부는 수평 단면이 팔각형이며, 바람직하게는 정방형 또는 직사각형이다. 이러한 유형의 분리기는 제조하기에 비싸지 않으며 유사한 벽 패널로 형성된 반응 노에 용이하게 연결될 수 있으므로, 소형 유니트가 설정될 수 있다. 통상적으로, 분리기 보텍스 챔버의 가스 볼륨(volume)이 원통형인데, 왜냐하면 원통형 공간부가 가스 보텍스 속도의 유지를 가능한 한 작은 정도로 간섭하기 때문이다. 그러나, 미국 특허 제5,281,398호에 개시된 발명은 가스 보텍스가 단면에 있어서 팔각형 공간으로 또한 설정될 수 있다는 사실을 기초로 한다. 원통형 분리기에서, 원심력에 의해 분리된 입자들이 보텍스 원주로 운반되며 보텍스 챔버의 내부벽을 따라 하향 유동한다. 팔각형 분리기의 적절한 작동은 가스 공간부의 코너들이 입자들의 분리를 증진시키며 분리된 입자들에 대한 적합한 유동 영역으로서 역할을 한다는 사실을 기초로 한다.
미국 특허 제4,615,715호는 조립체를 개시하며, 그 조립체에는 마멸 저항 물질로 제조된 원통형 사이클론이 정방형 단면인 냉각 외장의 내측에 배치되어 있다. 이러한 장치에서, 가스 공간부의 형상은 보텍스 속도를 유지시키기에 이상적이지며, 그럼에도 불구하고, 분리기 외장(enclosure)용 물관 패널의 제조가 자동화로 제조될 수 있으며 그 분리기는 냉각 환경에 직접 연결될 수 있다. 상기 특허에 따른 장치에 있어서, 환상 내부 공간과 정방형 외부 외장 사이의 상대적인 대형 공간은 적절한 물질로 충전된다. 이러한 물질에 따른 문제점은 그 물질이 열 절연체로서 역할을 하며 분리기의 중량과 열용량을 증가시킨다는 것이다. 그러므로, 그것은 작동중 분리기의 배부벽의 온도를 증가시키며 그 열 관성을 부가시킨다. 온도의 대량 및 빠른 변동은 중간 공간의 물질에 손상을 유발시켜, 이는 유지 및 보수 비용을 부가시킨다. 따라서, 분리기에서 온도의 변동은 충분히 느릴 필요가 있으며, 이러한 사실은 설비의 용량을 변경시킬 때 그리고 특히 시작과 중단중에 고려된다. 게다가, 물질의 가장 내측 표면은 대단한 마멸 저항을 가져야 하며 따라서 중간 공간부의 충전은 특히 다중층 기술에 의해 수행된다. 그러나, 이는 건축 비용을 부가시키며 분리기 구조를 복잡하게 만든다.
발명의 개요
본 발명의 목적은 고온 가스로부터 입자들을 분리시키는 방법과 개선된 원심 분리기 조립체를 제공하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 입자들을 분리시키는 방법과 소형 원심 분리기 조립체를 제공하는 것이며, 이 조립체는 제조하기에 저가이며 그 방법의 입자 분리의 정도는 높다.
게다가, 본 발명의 목적은 입자들을 분리시키는 방법과 유지하기 위한 최소 필요물을 지며 냉각 반응 챔버에 바람직하게 옅결되는 원심 분리기 장치를 제공하는 것이다.
이들 및 다른 목적들을 달성하기 위해서, 분리기의 특징적인 특색이 독립 장치 청구항의 특징적인 부분에 개시된 원심 분리기가 제공된다.
그러므로, 보텍스 챔버의 수직-연장 외부벽들이 적어도 하나의 코너를 형성하며, 벽들의 측면들간의 각이 90도를 초과하며, 그 코너가 외부벽의 내측상에서 내연 라이닝(refractory lining)에 의해 라운드가 되는 본 발명에 따른 원심 분리기 조립체를 특징으로 한다.
입자들을 분리시키는 목적과 방법을 달성하기 위해서, 그것의 특징적인 형상이 독립 방법 청구항의 특징적인 부분에 개시되어 있다.
따라서, 유동층 반응기의 반응 챔버로부터 배출된 가스가 보텍스 챔버의 외부벽의 내측상에서 내연 라이닝에 의해 라운드가 되는 적어도 하나의 코너에 충돌하도록 이끌리며, 그 코너의 수직-연장 외부벽들간의 각이 90도를 초과하는 본 발명에 따라 입자들을 분리시키는 방법을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 장치는 평면 냉각 표면의 이점들과 라운드 가스 공간부를 결합시키며 보텍스 챔버의 외부벽에 그 각들의 적어도 일부가 90도 이상인 팔각형 수평 단면을 제공함으로써 두꺼운 내연층의 단점들을 회피시킨다.
보텍스 챔버의 가스 공간부가 팔각형의 수평 단면인, 미국 특허 제5,281,398호에 따른 분리기들은 정규의 작동 조건에서 완벽히 작동한다. 그러나, 특히 바람직한 구조에는 초기에 사용된 것들과는 다른 가스 속도와 분리기 설계 표준을 사용함으로써 신세대 분리기가 제공될 수 있음이 발견되어 왔다. 분리기들의 그러한 개발이 더 촉진됨에 따라, 가스 공간부의 각들은 일부 어플리케이션에서 반응기의 전체 설계에 제한을 야기할 수 있다.
일부 어플리케이션에서, 팔각형 분리기의 작동은 보텍스 챔버의 외부벽들에 의해 형성된 1개 이상의 코너들을 라운딩시킴으로써 더 개선될 수 있다. 더욱이,구조적 문제점들과 코너들을 라운딩시킴으로써 야기되는 구조의 내구성에 관련된 문제점들을 최소화시키기 위해서, 본 장치에는 보텍스 챔버의 외부벽의 평면 패널들간의 각이 라운드로된 외부 코너에서 뚜렷이 90도 이상이라는 것이 필수적이다.
직사각형 보텍스 챔버로 들어가는 가스 유동과 가스 보텍스가 보텍스 챔버에서 입구 개방부에 연결된 구획벽에 의해 형성된 코너에서 도입 분출물의 방향으로 재지향됨은 미국 특허 제5,738,712호를 기초로 하여 이미 공지되어 있다. 그러나, 본 발명은 다른 문제점, 즉, 보텍스 챔버의 코너 영역에서 아마도 덜 최적인 것으로 남겨지는 가스 보텍스에 관한 것이다.
수직 원형 실린더가 서로 직각이며 실린더에 대해 탄젠트 관계에 있는 4개의 수직-연장 평면 패널에 의해 둘려싸여 있을 때, 평면 패널과 실린더 표면간의 거리는 코너에서 실린더 반경의 약 0.414배이다. 결국, 평면 패널의 중간에서 층의 두께가 예를 들면 실린더 반경의 0.05배이도록 내연 라이닝이 제공된다면, 그 층은 코너에서 8배이상 더 두껍다. 그러므로, 특히 코너 영역에서 내연층의 열전도성은 낮으며 외부 표면의 쿨링(cooling)은 내부 표면의 온도를 충분히 낮게 유지시킬 필요가 없게 된다. 게다가, 내연 라이닝의 변동하는 두께는 상당한 온도차를 유발할 수 있으며 따라서 층이 손상되는 위험을 증가시킨다. 두꺼운 층은 또한 구조체의 중량을 부가하며 따라서 구조체를 지지하는 것과 관련한 문제점들을 야기시킨다.
만일 실린더가 4개 패널 대신에 5개 패널에 의해 둘려쌓이면, 그 패널들간의 각은 108도이며 패널들과 실린더 표면간의 거리는 코너에서 실린더 반경의 0,236배이다. 6개, 7개 및 8개 패널이라면, 그들간의 각은 각각 120도, 128.6도, 및 135도이며, 거리는 각각 실린더 반경의 0.154배, 0.110배 및 0.082배이다. 그러므로, 분리기 코너의 각이 예를 들면 90도 대신에 108도 일때, 내연층의 최대 두께 이외에 그 중량 및 열용량은 대체로 감소한다. 만일 각이 135도라면, 라운딩에 의해 요구되는 최대 층 두께는 직각의 라운딩에 의해 요구되는 두께의 1/5이다. 얇은 내연 라이닝의 열 전도성은 높으며 보텍스 챔버의 외부벽의 다양한 부분에서 상대적으로 균일하므로, 작동중에 층의 최대 온도는 감소하며 다양한 벽에서의 온도차가 감소된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라 각각의 분리기 코너는 라운드가 되며 대략 동일 사이즈이다. 이러한 경우에, 코너의 개수는 바람직하게는 5, 6, 7 또는 8개 이며 각도는 각각 약 108도, 120도, 128.6도 또는 136도이다. 분리기 코너의 개수가 6 또는 8개일 때, 다수의 분리기들은 서로 및/또는 노에 바람직하게 연결될 수 있다. 가장 바람직하게는, 분리기는 8개 코너를 가지므로, 분리기와 반응 챔버간의 이외에 인접 분리기들간의 평행한 벽들은 구조체를 설계시 활용될 수 있다. 일부 특정한 경우에, 비록, 즉, 특정 지지 구조체와 가스 입구 덕트를 배열하기 위해, 그러한 분리기들을 제조하는 것이 이로울 수 있으며, 그 경우에, 코너의 개수는 홀수이다.
또 다른 바람직한 실시예에 따라 일부 입자 분리기 코너들이 라운드로 되어 있다. 이러한 경우에, 라운드 코너들의 사이즈는 상기 코너들의 사이즈와 상이할 수 있다. 바람직하게는, 각도는 약 110-150도 사이이며, 더 바람직하게는 약 135도이다. 가장 바람직하게는, 다양한 사이즈의 각도를 포함하는 분리기는 팔각형의 기본형을 가질 수 있으며, 일부 각들은 직각이며 라운드되지 않으며 다른 것들은 평면 패널에 의해 경사지며 내연 라이닝에 의해 라운드로된다.
한가지 바람직한 장치에 따라, 입구 개방부를 통하여 들어오는 입자를 포함한 가스 유동은 우선 직각 코너의 벽 또는 타측에 거의 직각으로 충돌하지만, 첫번째 충돌이후 그 가스 유동은 적어도 하나의 라운드 코너에 충돌한다. 이러한 유형의 장치에서 첫번째 코너 또는 벽은 보텍스 챔버에서 입자들을 분리시키기 위한 적절한 지점으로서 역할을 하지만, 라운드 코너에서 그 이후, 목적은 가능한한 높은 레벨로 가스 유동의 속도를 유지시키는 것이다.
코너들의 라운딩은 다수의 코너들을 포함하는 보텍스 챔버 외부벽의 섹션에서 보텍스 챔버 내부벽이 연속적으로 원통형이도록 바람직하게 배열될 수 있다. 즉, 라운딩의 곡률 반경이 보텍스 챔버에 설정된 보텍스의 중심과 보텍스 챔버의 내부벽간의 거리처럼 대략 동일하다. 또 다른 바람직한 방식은 각각의 코너 영역에서 별개의 라운딩을 제공하여, 라운딩의 곡률 반경이 상기 언급된 것보다 더 작으며 직선 내부벽 표면이 그 벽을 보호하기 위해 얇으며 균등한 내연 라이닝을 요구하는 라운드된 부분들간에 남게된다. 상기 균등한 내연 라이닝에 의해 요구되는 두께는 사용되는 물질과 작동 조건에 좌우하며, 통상 적어도 약 15-70mm이다. 본발명에 따른 라운딩에 의해 획득되는 이점들을 달성하기 위해서, 그 곡률 반경은 너무 작지 말아야 한다. 바람직하게는, 라운딩의 곡률 반경은 보텍스 챔버에 설정된 보텍스의 반경, 즉 보텍스 중심과 보텍스 챔버의 내부벽간의 거리의 적어도 약 1/3이다.
짧은 곡률 반경을 사용할 때, 챔버의 윤형(roundness)은 완벽하지 않지만, 그 벽상의 내연 라이닝의 양은 연속적인 원통형 보텍스 챔버의 경우에서 보다 더 적다. 일부의 경우에 있어서, 코너들의 변동하는 특성으로 인하여, 서로 다른 코너에서 라운딩을 위해 다양한 곡률 반경을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 원리에 따른 특정 경우는 하나이며, 그 경우에 외부벽에 의해 형성된 1개 이상의 코너들은 라우드이며 1개 이상의 코너들은 라운드가 아니다.
보텍스 챔버의 수평 단면은 바람직하게 거의 원형이여서, 하나의 가스 보텍스가 보텍스 챔버에 설정되거나, 또는 1개 이상의 가스 보텍스들이 보텍스 챔버에 설정되도록 하는 방식으로 형성된 장방형(oblong)일 수 있다. 보텍스 챔버의 수평 단면의 폭, 즉, 보텍스 챔버에 가장 가까운 반응 챔버의 방향으로 연장하는 보텍스 챔버의 치수는 바람직하게 그 폭에 직각인 깊이의 약 두배이여서, 2개의 인접 가스 보텍스들이 보텍스 챔버에 바람직하게 설정될 수 있다.
보텍스 챔버의 2개 가스 보텍스로 인하여 가스 입구 덕트는 반응 챔버측상의 보텍스 챔버벽의 중간에 가장 바람직하게 위치되지만, 그것들은 또한 반응 챔버측상의 보텍스 챔버벽의 외부 코너의 부근에서 서로 개별적으로 배치될 수 있다. 2개 보텍스의 반응 챔버에서 벽에 중간에 배열된 입구 덕트에 직면하는 벽은 직선일 수 있으므로, 보텍스 챔버로 들어오는 가스 유동은 거의 수직으로 벽에 충돌한다. 이와 달리, 평면 물관 패널로 형성되며 단면이 삼각형인 벽 섹션이 벽의 중간에 제공될 수 있으며, 그러한 벽 섹션의 라운딩에 의하여 가스 유동이 라운드 벽에 우선 충돌하도록 이끌리게 된다.
구조적 세기와 높은 분리 용량을 보장하기 위해서, 하나의 대형 분리기 대신에 2개 이상의 소형 분리기들이 대형 반응 챔버에 종종 사용된다. 몇개의 냉각 원통형 분리기를 사용할 때, 수작업의 많은 부분이 비용을 지나치게 부가시킨다. 그러므로, 경제적 이유 때문에, 사실상 최적인것 보다는 대형 분리기들을 사용하는 것이 때때로 필요하다. 이러한 경우에, 높은 분리 용량이 모든 조건에서 달성될 수 있음이 항상 확실한것은 아니며, 따라서 구조적 세기를 보장하기 위해서는, 공간 소비적이며 비용 증가적인 장치가 사용되어야 한다. 본 발명에 따른 구조체를 사용할 때, 균일한 소형 분리기들이 낮은 비용으로 제조될 수 있으므로, 지지하기 용이하며 분리 용량에 관하여 최적인 그러한 분리기들이 사용될 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 보텍스 챔버들의 외부벽들이 예를 들면 8개 각을 포함할 때, 2개의 인접 보텍스 챔버들은 그 측면들이 평행하도록 바람직하게 배열될 수 있으므로, 보텍스 챔버들의 평행한 벽 패널들은 직접 서로 연결될 수 있다. 인접 보텍스 챔버들은 공통의 직선 벽 섹션을 공유하는 방식으로 바람직하게 상호연결될 수 있다.
본 발명에 따른 원심 분리기 조립체들은 보텍스 챔버의 평면 외부벽 패널들의 일부가 반응 챔버의 평면 벽에 평행하도록 반응 챔버와 관련하여 바람직하게 배열될 수 있으므로, 보텍스 챔버는 반응 챔버 벽에 용이하게 부착될 수 있다. 보텍스 챔버들은 보텍스 챔버들의 벽 섹션들이 반응 챔버 측면상에서 반응 챔버에 의해 공유되도록 바람직하게 제조될 수 있다.
2개의 분리기 사이에 또는 분리기와 노(furnace) 사이에 공통 벽 섹션들을사용할 가능성은 평면 관 패널 벽들로 형성된 분리기의 이점들중 하나인데, 왜냐하면 제조 비용을 상당히 감소시킬 수 있기 때문이다. 그러나, 공통 벽 섹션들은 벽 섹션의 어느 측면으로부터 용이하게 지지될 수 있으므로, 이러한 유형의 공통 벽의 폭은 사실상 일정한 최대 제한을 갖는다. 만일 그것이 초과된다면, 2개의 별개의 벽들이 사용되어야 한다. 그러므로, 공통 벽 섹션들에 대한 지지 장치들은 일부 경우에 최적 사이즈의 대형 분리기들의 활용을 방해한다.
직사각형 분리기의 평면 외부벽의 폭은 적어도 보텍스 직경만큼 대형이지만, 본 발명에 따른 분리기에서 개별적인 벽의 폭은 보텍스 챔버보다도 뚜렷하게 더 작다. 그러므로, 본 발명에 따른 분리기의 이점들중 하나는 공통 벽 섹션을 지지하는 것과 관련된 상술된 문제점이 분리기와 만이 직면하게된다는 것이며, 그 가스 공간부는 직사각형 분리기를 사용할때 상술된 문제점이 직면하게되는 것보다 대형 직경을 갖는다.
상기된 사항을 기초로 하여, 본 발명에 따른 입자 분리기에서 보텍스 챔버의 직경은 각각의 개별적인 경우에 있어서 냉각 원통형 입자 분리기 또는 직사각형 외부벽을 지닌 분리기에서 보텍스 챔버의 직경보다도 훨씬 더 자유스럽게 최적으로 될 수 있다. 바람직하게는, 본 발명에 따른 보텍스 챔버의 직경은 약 3-8m, 예를 들면 약 5m이다.
본 발명에 따른 보텍스 챔버들은 단면이 직사각형이 아니므로, 보텍스 챔버들이 서로 그리고 반응 챔버에 연결될 때 자유스러운 삼각형 공간들이 설정된다. 바람직하게는, 예를 들면 전체 반응기 설비의 수직 지지 구조체는 이러한 공간들에배치될 수 있다. 이러한 자유 공간들은 또한 다양한 계량 및 검사 포트 이외에 다양한 물질에 대한 샘플링 연결부분과 공급 덕트의 배치를 위해 바람직하게 사용될 수 있다.
본 발명은 첨부된 독립 청구항들의 전제부에 따라 고온 가스들로부터 입자들을 분리시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
발명은 첨부 도면들과 관련하여 하기에 더 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 원심 분리기를 포함하는 유동층 반응기의 개략적인 수직 단면도이다;
도 2는 본 발명에 따른 원심 분리기를 포함하는 다른 유동층 반응기의 개략적인 수직 단면도이다;
도 3은 라인 A-A따라 취하여진 도 1 또는 도 2의 원심 분리기의 단면도이다;
도 4 내지 도 6은 본 발명에 따라 원심 분리기의 또 다른 실시예를 나타낸는 도 3의 단면도와 같은 단면도들이다.
도 1은 반응 챔버(20), 원심 입자 분리기(cyclone)(40) 및 분리된 입자들을 상기 챔버(20)로 귀환시키기 위한 귀환 덕트(44)를 포함하는 순환 유동층 반응기(10)를 개시한다. 수평 단면이 직사각형인 상기 반응 챔버(20)는 도 1에 도시된 물관 벽들(22와 24)에 의해 측방으로 둘러쌓여 있다. 상기 물관 벽들은, 그 자체 공지된 것처럼, 상기 관(tube)들간에 용접된 협소한 강철 리브, 즉 핀(fin)에 의해 서로 연결된 수직 물관으로 형성된다. 입자 분리기의 외부벽들은 반응 챔버(20) 벽처럼 유사한 평면 물관 패널로 구성된다.
반응 챔버에서 필요한 연료 및 다른 물질들, 예를 들면, 고형층(solid bed) 물질들은 다양한 입구 덕트를 통하여 반응 챔버로 도입되며, 그 입구 덕트(26)가 도 1에 도시되어 있다. 상기 층(bed) 물질은 반응 챔버에서 그 하부의 그리드(28)를 통하여 도입된 가스(30)를 유동화시킴으로써 유동화된다. 유동 가스, 예를 들면, 공기는 상기 층 물질 유동들이 가스로 반응 챔버(20)의 상부 섹션으로 그리고 상기 상부 섹션에 배치된 입구 덕트(32)를 통하여 입자 분리기(40)로 지속적으로 분출되는 그러한 속도로 반응 챔버로 도입된다.
반응 챔버(20)로부터 유동하는 가스는 입자 분리기(40)에서 수직 가스 보텍스를 형성하여, 가스에서 분출되는 입자들이 보텍스 챔버의 내벽으로 주입되며 보텍스 챔버의 테이퍼링된 하부 섹션(42)을 통하여 귀환 덕트(44) 및 더욱이 반응 챔버(20)로 낙하한다. 입자들의 정제된 가스(46)는 보텍스 챔버의 덮개 섹션에 배치된 가스 배출 덕트를 통하여, 즉 중앙 파이프(48)를 통하여 분리기를 탈출한다. 도 3 내지 도 6을 통하여 상술된, 발명에 따른 입자 분리기의 구조는 중앙 파이프(48) 직경과 입자 분리기(40)의 최소 직경 간의 비율이 0.4를 초과할 때, 그리고 특히 그 비율이 0.5이상일 때 특히 유용하다. 중앙 파이프(48)의 다운스트림에는, 도 1에 도시되지 않았지만, 열회수 유니트, 집진기 및 굴뚝이 제공된다. 입자 분리기(40)의 하부 섹션(42)은 또한 평면 물관 패널로 바람직하게 형성된다. 귀환 덕트의 하부 섹션에는 가스가 노(furnace)(20)로부터 귀환 덕트(44)를 통하여 입자 분리기(40)로 유동하는 것을 방지하는 L-벤드(bend) 또는 다른 가스 잠금 조립체가 제공된다.
도 2는 도 1에 유사하지만, 도 2에서 분리기(40)의 테이퍼링된 하부 섹션(42)은 비대칭이다. 그러므로, 도 2에서, 그 연장부를 형성하는 귀환 덕트(44)와, 노(20)를 포함하는 분리기(40)에 의해 공유되는 공통 벽(24)은 대체로 노의 전체 높이를 따라 연장된다. 도 2는 귀환 덕트(44)의 하부 섹션에 연결된 열교환 챔버(52)를 또한 도시하며, 입자 분리기(40)로부터 순환하는 상기 층 물질은 열교환 챔버에 연결된 오버플로어(overflow) 개구부(54)를 통하여 노(20)로 귀환된다. 도 2에 따른 조립체에서, 노(20), 입자 분리기(40) 및 귀환 덕트(44)는 구조체, 공간 활용 및 제조 비용을 지지하는 것과에 관련하여 이로운 통합 유니트를 형성한다. 특히, 도 2에 따른 조립체가 사용될 때, 분리기의 상부 및 하부 섹션(42), 귀환 덕트 및 열교환 챔버(52)를 포함하는 상기 유니트는 상당 부분의 냉각 파이프가 열교관 챔버의 하부로부터 분리기 덮개까지 연장하도록 바람직하게 제조될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들에 따른 입자 분리기들이 도 3 내지 도 6에 더 상세히 도시되어 있다. 도 3은 도 1 또는 도 2의 라인 A-A를 따라 취하여진 개략적인 단면도이다. 반응 챔버(20)로부터 입구 덕트(32)를 통하여 유동하는 가스는 우선 거의 수직으로 보텍스 챔버에 직면하는 벽(60)에 충동하여, 가스에서 분출되는 상당 부분의 입자들이 본질적으로 지체되고 입자 분리기의 하부 섹션으로 낙하한다.
본 발명에 따라, 보텍스 챔버의 입구 덕트(32)에 대각선으로 직면하는 코너(62)는 거의 정방형 단면에서 가스 보텍스의 속도를 유지하기 위해서 내연 라이닝(64)에 의해 라운드가 된다. 수직 벽들(60과 66)간의 직각(right angle)은 2개의 둔각이 설정되도록 평면벽 섹션(68)에 의해 경사로 된다. 그러므로, 라운딩 물질(64)의 중량이 작으며 냉각되는 외부벽(60, 66 및 68)에 대한 그 열전도성이 높다. 미국 특허 제4,615,715호에 개시된 장치(arrangement)와 비교하여, 상당히 소량의 내연 라이닝은 더 효과적으로 지탱시키며 냉각시키기에 더 용이한 경량 및 내구성 구조를 야기한다.
완만하게 경사지며 내연 라이닝 라우드된 코너에 의하여 단순한 코너 보다도 제조하기에 저 비싸므로, 입구 덕트에 대각선으로 직면하는 코너만이 도 3에 따른 장치에서 라우드가 되어 있다. 그러므로, 특히 비용은 낮으며 효과는 여전한 입자 분리기가 제공된다. 물론, 모두는 아니지만, 분리기의 임의의 코너가 경사지며 내연 물질로 라이닝될 수 있다. 도 3에 따른 실시예에서, 라운드되지 않은 벽 섹션들에는 분리기의 물관 벽들을 보호하기 위해 두꺼우며, 평평한 내연층(refractory layer)이 제공되지만, 이는 도면에 도시되어 있지 않다.
대형 유동층 반응기에 있어서, 다수의 입자 분리기들이 필요하며, 도 3에 따라 필요한 수 많큼의 평행한 입자 분리기들이 제공될 수 있다. 2개의 평행한 분리기들은 그 입구 덕트들이 보텍스 챔버에 관하여 평행하게 진행하거나 또는 서로에게 가장 근접하거나 또는 먼 코너에서 분리기들간에 표면에 관하여 대칭으로 배치되도록 배치될 수 있다. 특히, 2개의 인접한 분리기들의 입구 덕트(32)가 서로 이웃하여 배열되어 있을 때, 보텍스 챔버간의 벽은 장치가 2개 보텍스의 결합된 보텍스 챔버 장치에 접근함으로써 부분적으로 또는 전체적으로 제거될 수 있다.
도 4는 다수의 보텍스 챔버(70, 70', 70")를 포함하는 대형 반응 챔버(20)에 배열된 입자 분리기 조립체를 도시한다. 3개의 평행한 보텍스 챔버들이 도 4에 도시되어 있지만, 물론 챔버들은 개수에 있어서 3보다 더 크거나 더 작을 수 있다. 도 4에 따른 보텍스 챔버의 전체 가스 스페이스는 라운드로 되어 있으며 각각의 챔버 코너는 대략 135도이다. 도 1 및 도 2에 도시된 분리기의 하부 부분(42)은 또한 평면 물관 패널로 바람직하게 제조되지만, 본 발명에 따른 라운딩을 하부 섹션(42)까지 연장할 필요가 없음이 발견되어 왔다.
팔각형 단면의 보텍스 챔버의 가스 공간부를 라운딩시키기 위해 요구되는 내연 라이닝의 양은 미국 특허 제4,615,715호에 따른 정방형 보텍스 챔버를 라운딩시키기 위해 필요한 양보다도 상당히 적다. 얇은 내연 층의 열 전도성이 높으며 평면 물관 패널로 형성된 보텍스 챔버 벽들이 효율적으로 분리기를 냉각시킨다. 따라서, 그러한 보텍스 챔버가 내구성이 있으며, 낮은 비용으로 제조될 수 있고 그 분리 능령(capacity)이 가장 높아 질 수 있다.
도 4에 따른 팔각형 보텍스 챔버들은 서로 그리고 함께 평행 벽을 연결시킴으로써 또는 도 4에 도시된 것처럼 공통 벽 섹션(72, 74 및 74')을 제공함으로써 반응 챔버에 바람직하게 부착될 수 있다. 보텍스 챔버의 평행벽들, 및 보텍스 챔버들과 반응 챔버에 의해 공유되는 평행 벽들은 지지빔(76 및 76')을 사용하여 서로에 대해 바람직하게 지지될 수 있다.
팔각형 보텍스 챔버들 사이 외에 보텍스 챔버와 반응 챔버 사이에는, 예를 들면, 배기 가스에서 불순물을 감소시키는 첨가물 또는 다른 물질에 대한 전체 반응기 설비, 공급 덕트 또는 계량 도관용 지지 구조체를 배치시키기 위해 바람직하게 활용될 수 있는 자유 삼각형 공간이 남아 있다. 도 3에 따른 보텍스 챔버들(70및 70')사이에는 가스 분출(jet)이 사이클론에 있는 가스 보텍스(84와 84')의 탄젠트에 평행한 보텍스 챔버로 들어가게 하는 입구 덕트(82, 82')가 또한 배치되어 있다.
도 5는 2개 육각형 보텍스 챔버로 형성된 분리기 조립체를 나타낸다. 도 5에 따른 장치에서, 보텍스 챔버(70)의 외부벽들(86)들중 하나는 반응 챔버(20) 벽(24)에 평행하다. 이 장치에서, 분리기들은, 예를 들면, 중간 지지부를 사용하여 반응 챔버에 바람직하게 연결될 수 있다. 다른 대안은 챔버들 사이에 공통 벽 또는 평행 벽을 제공함으로써 2개의 육각형 보텍스 챔버를 배열하는 것이며, 보텍스 챔버 각(angle)들중 하나가 반응 챔버쪽으로 향하게 된다.
도 5에 따른 육각형 보텍스 챔버들에서 각각의 코너는 얇고 스무드한 라이닝으로 커버된 직선벽 섹션(88)이 라운드된 코너사이에 남겨지도록 개별적으로 라운드되어 있다. 특히, 보텍스 챔버 각들의 개수가 8개 이하일 때, 경량이며 튼튼한 분리기 조립체가 이러한 방식으로 바람직하게 제공될 수 있다.
도 6은 도 4에 따른 2개의 인접 보텍스 챔버들의 장치를 상기시키는 2개 보텍스 분리기 조립체를 도시하지만, 구성하기에 다소 덜 비싸다. 이러한 장치에서, 반응 챔버(20)로부터 구획벽(90)에 의해 분할된 입구 덕트(82)를 통하여 들어가는 가스 분출은 대향 벽(60)에 수직으로 충돌하며 보텍스 챔버의 라운드 단부에서 대향 방향으로 소용돌이치는 2개의 보텍스으로 분할된다.
전술한 예에서, 보텍스 챔버 각의 개수는 6 또는 8개 이지만, 또한 5 또는 7개 일 수 있다. 각의 개수가 증가함에 따라, 라운딩에 요구되는 내연 라이닝의 양이 감소하지만, 동시에 물관 패널의 개수와 제조 비용은 증가한다. 그러므로, 최적의 각(angle) 개수는 통상 5 내지 10개 이다.
보텍스 챔버 형상의 이점에 영향을 끼치는 다른 요소는 구조에 있어서 평행벽의 개수이며, 홀수개의 각보다는 짝수개의 각으로 더 커지며, 특히 각의 개수가 4로 나누어질 때 크다. 그러므로, 보텍스 챔버 각의 특히 바람직한 개수는 8개이지만, 상술된 것처럼, 일부 경우에, 가장 바람직한 장치(arrangement)는 다른 개수의 각에 의해 획득될 수 있다.
발명은 가장 바람직한 실시예들인 것으로 고려되는 예와 관련하여 예시적으로 본문에 기술되었지만, 수많은 변형과 결합들이 개시될 실시예들로 이루어질 수 있음이 당기술의 당업자에게 자명하다. 그러므로, 발명은 첨부된 청구범위에 규정된 것처럼 발명의 범위내에 포함되는 몇몇 다른 어플리케이션을 포함한다.

Claims (15)

  1. -평면 물관 패널로 형성된 수직-연장 외부벽에 의해 수평 방향으로 구획되며, 상기 벽의 내측에는 적어도 부분적으로 내연 라이닝이 제공되고 적어도 하나의 수직 가스 보텍스가 설정되어 그 내에 가스 공간부를 구획하는 보텍스 챔버;
    -가스를 반응 챔버로부터 가스 공간부로 도입시키기 위한 적어도 하나의 입구;
    -상기 가스 공간부로부터 정제된 가스를 방출시키기 위한 적어도 하나의 출구; 및
    -가스 공간부로부터 분리된 고형 입자들을 방출시키기 위한 적어도 하나의 출구를 포함하여, 유동층 반응기의 반응 챔버로부터 배출된 가스로부터 고형 입자들을 분리시키기 위해 유동층 반응기에 부착되는 원심 분리기 조립체 있어서,
    보텍스 챔버의 수직-연장 외부벽들이 적어도 하나의 코너를 형성하며, 그 측면들간의 각이 90도를 초과하고, 그 코너는 외부벽들의 내측면상의 내연 라이닝에 의해 라운드가 되는 것을 특징으로 하는 원심 분리기 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서, 보텍스 챔버의 수직-연장 외부벽들은 적어도 하나의 코너를 형성하며, 그 측면들간의 각은 약 110-150도 이며, 그 코너는 외부벽의 내측상에 내연 라이닝에 의해 라운드인 것을 특징으로 하는 원심 분리기 조립체.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 가스 입구에 직면하는 수직-연장 외부벽이 가스 유입에 대략 수직으로 위치되며, 첫번째 충돌이후 가스 유동 방향에서 다음 코너가 외부벽의 내측상에 내연 라이닝에 의해 라운드가 되고 코너를 형성하는 외부벽들간의 각이 90도를 초과하는 것을 특징으로 하는 원심 분리기 조립체.
  4. 제 1 항에 있어서, 보텍스 챔버의 수직-연장 외부벽들이 적어도 2개의 코너를 형성하며, 그 측면들간의 각이 90도를 초과하고, 그 코너들이 외부벽의 내측면상의 내연 라이닝에 의해 라운드가 되는 것을 특징으로 하는 원심 분리기 조립체.
  5. 제 1 항에 있어서, 보텍스 챔버의 외부벽들이 2개의 코너를 형성하며, 그중 하나는 라운딩의 곡률 반경이 r1이도록 외부벽의 내측면상에 내연 라이닝에 의해 라운드가 되며 다른것은 내측면상이 라운드가 아니거나 또는 그 라운딩의 곡률 반경이 r1과 다른도록 하는 방식으로 라운드가 되는 것을 특징으로 하는 원심 분리기 조립체.
  6. 제 4 항에 있어서, 보텍스 챔버의 모든 인접 수직-연장 외부벽간의 각들이 90도를 초과하며 인접 수직-연장 외부벽에 의해 형성된 각각의 코너가 외부벽의 내측면상에 내연 라이닝에 의해 라운드가 되는 것을 특징으로 하는 원심 분리기 조립체.
  7. 제 6 항에 있어서, 보텍스 챔버의 수직-연장 외부벽들은 대략 정팔각형을 형성하는 것을 특징으로 하는 원심 분리기 조립체.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 외부벽들에 의해 형성된 각들은 약 108-135도인 것을 특징으로 하는 원심 분리기 조립체.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 외부벽들에 의해 형성된 각들은 약 135도인 것을 특징으로 하는 원심 분리기 조립체.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 조립체는 공통 벽을 공유하는 2개 분리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 분리기 조립체.
  11. 제 1 항에 있어서, 분리기와 반응기는 공통 벽 섹션을 공유하는 것을 특징으로 하는 원심 분리기 조립체.
  12. 제 1 항에 있어서, 조립체는 2개 분리기를 포함하며 삼각형 자유 공간부가 상기 분리기사이에 남겨지며, 상기 공간부에는 반응기 지지 구조체 또는 공급 덕트 또는 계량 덕트가 제공되는 것을 특징으로 하는 원심 분리기 조립체.
  13. 제 1 항에 있어서, 삼각형 자유 공간부가 분리기와 반응기 사이에 남겨지며, 상기 공간부에는 반응 챔버로부터 배출된 가스용 입구 덕트 또는 공급 덕트 또는 계량 덕트가 제공되는 것을 특징으로 하는 원심 분리기 조립체.
  14. 제 1 항에 있어서, 분리기의 하부는 비대칭이며 반응 챔버 및 귀환 덕트와 통합된 유니트를 형성하는 것을 특징으로 하는 원심 분리기 조립체.
  15. -평면 물관 패널로 형성된 수직-연장 외부벽에 의해 수평 방향으로 구획되며, 상기 벽의 내측에는 적어도 부분적으로 내연 라이닝이 제공되고 적어도 하나의 수직 가스 보텍스가 설정되어 그 내에 가스 공간부를 구획하는 보텍스 챔버;
    -가스를 반응 챔버로부터 가스 공간부로 도입시키기 위한 적어도 하나의 입구;
    -상기 가스 공간부로부터 정제된 가스를 방출시키기 위한 적어도 하나의 출구; 및
    -가스 공간부로부터 분리된 고형 입자들을 방출시키기 위한 적어도 하나의 출구를 포함하는 원심 분리기 조립체에서 유동층 반응기의 반응 챔버로부터 배출된 가스로부터 고형 입자들을 분리시키는 방법에 있어서,
    배출된 가스가 보텍스 챔버에서 외부벽의 내측상에 내연 라이닝에 의해 라운드가 된 적어도 하나의 코너에 충돌하도록 이끌리게 되며, 그 코너의 수직-연장 외부벽들간의 각이 90도를 초과하는 것을 특징으로 하는 방법.
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