KR20070061870A - 순환 유체화 베드 반응기용의 사이클론 바이패스 - Google Patents

Abstract

순환 유동화 베드 반응기를 작동하기 위한 방법 및 장치는 배기 가스용 배출 포트를 갖는 노와, 배기 가스 배출 포트에 연결된 입구와 배기 가스용 출구 덕트와 분리된 고형물용 복귀 덕트를 갖는 입자 분리기를 포함한다. 이러한 방법은 입자 분리기를 바이패스하는 바이패스 덕트를 배열하는 단계와, 분리기 이후에 배기 가스의 플라이 애쉬 함량을 증가시키기 위해 덕트를 따라 배기 가스의 부분 유동을 전달하는 단계를 포함한다. 바이패스 덕트는 유리하게는 바이패스 덕트의 배기 가스의 유동을 제어하기 위한 수단을 구비한다.

순환, 유동화, 반응기

Description

순환 유체화 베드 반응기용의 사이클론 바이패스{CYCLONE BYPASS FOR A CIRCULATING FLUIDIZED BED REACTOR}

본 발명은 배기 가스로부터 동반된 고형 입자를 분리하고, 연소 챔버로 분리된 입자를 재순환시키기 위한 분리기를 갖는 순환 유체와 베드 반응기를 작동시키는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 특히 베드 재료의 조성에 관한 것이고, 베드 재고(bed inventory) 및 저부 애쉬(ash)의 양의 조절하는 것에 관한 문제를 해결하기 위한 것이다.

순환 유체화 베드 반응기는 예를 들어 발전 분야에서 해당 기술 분야의 종사자들에게 공지되었고, 수십년 동안 이용되었다. 순환 유체화 베드 반응기는 가스화기, 연소기, 스팀 발생기 또는 해당 기술 분야의 종사자들이 인정하는 임의의 다른 유사한 형식의 장치일 수 있다. 유체화 베드 반응기는 일반적으로 연료가 하부로 공급되는 직립 노 또는 반응 챔버를 갖는다. 1차 가스 및 일반적으로 공기인 2차 가스는 저부와 노의 측벽을 통해 공급된다. 연료의 연소는 일반적으로 연료 입자에 부가하여 또한 석회석을 포함하는 제1 유동화 베드에서 발생된다.

입자 분리기는 배출 포트를 통해 노의 상단부와 연통한다. 배출 덕트는 입자 분리기와 배출 포트를 연결한다. 고온 배기 가스는 노로부터 배출되어 배출 포 트와 배출 덕트를 통해 입자 분리기로 유동한다. 순환 유체화 베드 보일러의 입자 분리기는 일반적으로 사이클론이다. 사이클론을 이용할 때, 배출 덕트는 고형 입자를 동반한 배기 가스를 사이클론 분리기의 상부로 직선으로 이동시킨다. 사이클론 분리기 또는 예를 들어 임팩트 분리기와 같은 다른 입자 분리기는 고온 배기 가스로부터 분리기의 하단부로 중력 낙하하는 고형 입자를 분리한다.

고형 입자가 수집되는 입자 분리기의 하단부는 수직 복귀 덕트의 상단부와 연결된다. 복귀 덕트의 대향 또는 하단부는 입자 분리기로부터 노로 분리된 고형 입자를 복귀시키기 위해 노에 연결된 출구를 갖는다. 노의 저부로부터 제거된 고형 입자는 저부 애쉬로써 지칭되고, 배기 가스와 함께 입자 분리기를 이탈하는 고형 재료의 부분은 플라이 애쉬(fly ash)로 지칭된다.

예를 들어 배기 가스로부터 동반된 고형 입자를 분리하고 분리된 입자를 다시 보일러의 연소 챔버로 재순환시키는 사이클론 형식의 입자 분리기를 갖는 순환 유체화 베드 보일러가 공지되었다. 이러한 시스템의 예는 미국 특허 제4,733,621호 및 제5,281,398호에서 설명되었다. 이전의 특허에서는, 사이클론 분리기에서 분리된 입자들은 스플릿 루프 시일(split loop seal)을 통해 보일러로 재순환된다. 미국 특허 제5,281,398호는 편평 워터튜브 패널로 제조된 원심 분리기를 개시한다. 이러한 형식의 사이클론은 노와 일체식일 수 있어서, 노와 사이클론 사이에 배출 덕트가 없다.

순환 유체화 베드 반응기용의 사이클론 분리기는 과거 십여년간 개선되었고 이들은 매우 효율적으로 되었다. 정상 작동 상태에서, 이는 배기 가스와 함께 연 소 챔버를 이탈하는 고형 재료의 약 99.9 퍼센트로 분리할 수 있다. 배기 가스로부터의 고형 입자의 효율적인 분리는 항상 노력하는 특성이다. 예를 들어, 보다 우수한 분리 효율은 연소 효율을 상승시킨다. 그러나, 매우 높은 분리 효율은 또한 프로세스에서 소정의 문제점 또는 단점을 야기할 것이다. 예를 들어, 플라이 애쉬에 비해 저부 애쉬 함량을 높게 할 수 있다. 저부 애쉬의 비율이 증가하면, 효율적인 저부 애쉬 제거는 적절한 상태에서 요구되는 베드 재고(즉, 베드 재료의 조성)를 유지하도록 요구된다.

저부 애쉬의 온도가 약 600 내지 약 900 ℃ 이기 때문에, 애쉬 냉각기는 약 300 ℃까지 애쉬 온도를 낮추기 위해 필요하며, 애쉬는 반응기로부터 안정하게 배출될 수 있다. 반응기로부터 제거되어야 할 저부 애쉬가 많아지면, 저부 애쉬의 배출 및 냉각용의 보다 고가의(즉, 높은 용적의) 설비가 필요하다.

매우 높은 분리 효율은 또한 예를 들어 연료의 품질이 변화할 때 베드의 입자의 초과량의 형성을 야기하는 문제가 될 수 있다. 입자 분리기가 미세한 입자를 매우 높은 비율로 재순환하면, 최종 매우 높은 미세 입자 베드 재고은 예를 들어 노의 열전달 효율을 매우 높게 할 수 있다. 열전달 비율이 바람직한 값을 초과하면, 베드는 예를 들어 설비의 증가된 방출에 대해 낮은 농도로 냉각시키려는 경향이 있다.

본 발명은 순환 유체화 베드 반응기를 작동시키기 위한 개선된 방법 및 장치에 관한 것이다.

일 양태에 따라, 본 발명은 배기 가스용의 배출 포트와, 배출 포트에 연결되고 배기 가스용의 출구와 분리된 고형물용의 복귀 덕트를 갖는 입자 분리기를 구비한 노를 갖는 순환 유체화 베드 반응기의 작동 방법을 제공한다. 본 방법은 입자 분리기를 바이패스하는 바이패스 덕트를 배열하는 단계와, 분리기 이후에 플라이 애쉬 함량을 증가시키기 위해 덕트를 따라 배기 가스의 입자 유동을 전달하는 단계를 포함한다.

이러한 방법에 따라, 입자 분리기를 바이패스하는 배기 가스 스트림은 분리기에 의해 분리된 고형 입자의 양을 감소시켜, 고형 재고과 노 내의 저부 애쉬의 축적은 감소된다.

다른 양태에 따라, 본 발명은 베드 재료의 조성이 최적 상태로 유지될 수 있도록 베드 재고하는 장치를 제공한다. 바람직하게는, 이러한 장치는 노, 노로부터 동반된 고형 입자를 갖는 배기 가스를 제거하기 위한 배출 포트, 배기 가스로부터 고형 입자를 분리하기 위해 배출 포트에 연결된 입자 분리기(바람직하게는 사이클론 분리기)를 포함하고, 입자 분리기는 배기 가스 덕트에 연결된 배기 가스용 출구와 노의 저부로 분리된 고형 재료를 재순환시키기 위한 복귀 덕트에 연결된 고형 출구를 갖고 분리기로 진입하는 고형 재료의 양을 감소시키기 위해 입자 분리기를 통과하는 배기 가스의 일부를 전달한다.

전달 수단은 유리하게는 입자 분리기의 상류에 연결된 제1 단부와 입자 분리기의 배기 덕트 하류를 배기 가스 덕트에 연결시키는 제2 단부를 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 바이패스 덕트의 제1 단부를 노의 상부에 연결된다.

본 발명의 다른 양태에서, 바이패스 덕트의 제1 단부는 노의 상부와 입자 분리기 사이의 배출 포트에 연결된다.

따라서, 본 발명은 유리하게는 저부 애쉬의 양을 허용 가능한 제한 내에 유지하는, 베드 재료의 조성을 조절하기 위한 신규하고 개선된 방법 및 장치를 제공한다.

본 발명은 전술한 작고 저렴한 저부 애쉬 처리 장치를 제공하는 것에 부가하여 다수의 장점을 갖는다. 예를 들어, 이는 노에 대해 작동 유연성을 제공하여, 저부 애쉬와 플라이 애쉬의 비를 변경하도록 하고, 연료의 변경을 용이하게 하고, 열 손실이 줄어들고, 노의 온도 및/또는 열전달을 제어하기 위해 사용될 수 있다.

전술한 간단한 설명뿐만 아니라 본 발명의 다른 목적, 특징 및 장점은 일반적으로 바람직한 이하의 상세한 설명에 의해 보다 명료하게 될 것이지만, 그럼에도 불구하고 본 발명의 실시예는 첨부된 도면을 참조한다.

도 1은 종래 기술의 연소 프로세스에서 배기 가스가 처리되는 방식을 도시하는 순환 유체화 베드 반응기의 개략 측면도.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하는 순환 유체화 베드 반응기의 상부의 개략 측면도.

도 3은 본 발명의 다른 바람직한 실시예를 도시하는 순환 유체화 베드 반응기의 상부의 개략 측면도.

도 4는 본 발명의 다른 바람직한 실시예를 도시하는 순환 유체화 베드 반응기의 상부의 개략 측면도.

도 1에서 도면을 보다 상세히 참조하면, 통상적인 순환 유체화 베드 반응기 시스템(10)의 전체 체계가 도시된다. 입자 연료, 불활성 베드 재료 및 석회석과 같은 가능한 보조 재료는 나사 피더 또는 공압식 피더와 같은 고형 재료 피더(14)에 의해 반응기 시스템(10)의 노(12) 내로 도입된다. 고형 재료는 저부 그리드(18)를 통해 도입된 1차 가스(16)에 의해 유체화되는 베드를 형성한다. 순환 유체화 베드에서, 노 내의 유체화 가스의 속도는 통상적으로 약 4 ㎧ 내지 약 9 ㎧이다. 연료의 연소와 같은 반응은 노(12)의 측벽(22)을 통해 도입된 2차 가스(20)에 의해 완료된다.

노(12)의 반응은 노(12)로부터 배출 포트(24)를 통해 배출 덕트(26)로, 그리고 입자 분리기(28)로 가스에 동반된 입자들과 함께 배출되는 연기 가스(flue gas)와 같은 가스를 생성한다. 일반적으로 사이클론 분리기인 입자 분리기(28)에서, 대부분(예를 들어, 99.9%)의 배기 가스에 동반된 입자들은 배기 가스로부터 분리된다. 분리된 입자들은 분리기(28)의 저부에 연결된 복귀 덕트(30)를 따라 전달되어 루프 시일(32)을 통해 다시 노(12)의 저부로 전달된다.

청정 배기 가스는 일반적으로 가스 분리기의 상부에 배치된 중심 가스 출구(34)를 통해 입자 분리기(28)로부터 배기 가스 덕트(36)로 배출된다. 배기 가스 덕트(36)에서, 가스는 일반적으로 열 복귀 영역(38)과 먼지 분리기(40)를 통해 적 층체(42)로 전달된다. 배기 가스 덕트(36)는 해당 기술 분야의 종사자들에게 공지되었지만 도 1에는 도시되지 않은 가스 청정 컴포넌트 등과 같은 다른 컴포넌트를 포함할 수 있다.

배출 포트(24)를 통해 노(12)로부터 배출된 고형 입자의 일부-소위 플라이 애쉬-는 입자 분리기(28)에서 배기 가스로부터 분리되지 않지만, 가스 출구(34)를 통해 탈출한다. 플라이 애쉬의 일부는 배기 가스 덕트(36)에 배열된 호퍼(44)에서 수집될 수 있지만, 이들 대부분은 먼지 분리기(40)에서 수집된다. 가스 출구(34)를 통해 탈출하지 못하는 노(12)의 고형 물질의 일부는 저부 애쉬(46)로써 노로부터 최종적으로 배출된다. 저부 애쉬는 일반적으로 약 650 ℃ 내지 약 850 ℃의 온도이지만, 반응기(10)로부터 배출되기 전에 저부 애쉬 냉각기(48)에 의해 낮은 온도(약 300 ℃)로 냉각된다.

도 2에 개략적으로 도시된 본 발명의 제1 바람직한 실시예에서, 노(12), 입자 분리기(28), 배출 덕트(26) 사이에는, 복귀 덕트(30), 가스 출구(34) 및 배기 가스 덕트(36)의 상류부가 도 1에서와 같이 도시되어 있다. 도 2는 또한 노(12)의 상부와 배기 가스 덕트(36) 사이에 커플링된 바이패스 덕트(50)를 도시한다. 노(12)와 배기 가스 덕트(36) 사이의 압력차 때문에, 가스와 동반된 미세한 고형물의 스트림은 입자 분리기(28)를 바이패스하여 덕트(50)를 통해 유동한다.

도 2에 도시된 실시예에서, 노(12)의 상부는 바이패스 덕트(50)의 제1 단부에 연결된 다른 출구 개구(52)를 구비한다. 다른 대체안으로써, 바이패스 덕트(50)의 제1 단부는 예를 들어 분기 파이프에 의해 배출 덕트(26)와 동일한 출 구(24)에 연결될 수 있다. 또 다른 대체안으로써, 바이패스 덕트(50)의 제1 단부는 입자 분리기(26)내로의 입구와 출구 개구(24) 사이에서 배출 덕트(26)에 연결될 수 있다.

바이패스 덕트(50)의 정확한 위치와 구조를 고려하지 않고, 바이패스 덕트(50)의 목적은 노(12)로부터의 배기 가스의 일부와 배기 가스와 동반된 소정의 고형 입자를 수용하기 위한 것이고, 입자 분리기(28)의 하류의 배기 덕트(36)로 배기 가스의 수용된 부분을 취하기 위한 것이다. 이렇게 함으로써, 고형 입자의 일부는 실제적으로 유동화 베드 순환으로부터 빠져나오고 노(12)로 복귀되지 않는다. 이에 의해, 호퍼(44)와 먼지 분리기(40)에서 수집된 플라이 애쉬의 양은 증가된다. 따라서, 노(12)와 입자 분리기(28) 내에서 순환하는 베드 재료의 양은 감소된다. 결국, 노(12)의 저부로부터 배출되는 저부 애쉬(46)의 양 또한 감소된다. 이러한 실시예에서, 바이패스 덕트(50)의 크기와 형상은 사이클론 분리기 출구 스트림에서 취해지는 고형물의 양을 결정한다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예는 도 3에 도시된다. 이러한 실시예에서, 바이패스 덕트(50)는 바이패스 덕트(50)의 배기 가스의 유동을 제어하기 위한 부가의 수단을 구비한다. 이러한 실시예에서, 제어 수단은 버터플라이 밸브와 같은 제어 댐퍼(56)를 설비한 가스 파이프(54)를 포함한다. 부가의 가스 파이프(54)는 노(12)로부터 배기 가스 덕트(36)로 바이패스 덕트(50)를 통해 유동하는 배기 가스와 고형 입자의 양을 감소시키도록 공기와 같은 가스를 바이패스 덕트(50)로 도입하기 위해 사용된다. 댐퍼(56)를 이용함으로써, 도입 가스의 양과 바이패스 가스 와 입자의 양은 조절 가능하다. 보다 많은 가스가 가스 파이프(54)를 통해 도입될 때, 보다 적은 가스와 고형 입자가 입자 분리기(28)로 바이패스한다. 파이프(54)를 통한 매체는 예를 들어, 공기 또는 재순환된 연기 가스일 것이다.

본 발명의 또 다른 실시예는 도 4에 도시된다. 이러한 실시예에서, 제어 수단은 바이패스 덕트(50)에 직접적으로 설치된 제어 밸브(58)를 포함한다. 이러한 실시예는 배기 가스가 유동함에 따라 바이패스 덕트가 전체적으로 차단 위치 또는 완전 개방 위치 사이에서 조절될 수 있기 때문에 넓은 가능한 유연성을 갖는다. 다른 적절한 제어 수단은 배기 가스와 동반된 입자가 입자 분리기의 연기 가스 채널 상류로 진입하도록 하는 통로와 포트를 포함할 수 있다.

해당 기술 분야의 종사자들에게 명백한 바와 같이, 바이패스 덕트의 제1 단부는 또한 도 2에서 도시된 실시예를 참조되어 상술한 바와 같이 도 3 및 4의 실시예의 입자 분리기(26)의 상류로 다양한 방식으로 연결될 수 있다.

제2 및 제3 실시예의 결과물은 제1 실시예와 비교하여 베드 재료의 조성이 보다 우수하게 제어될 수 있다. 즉, 베드 재료의 입자 양 및 크기 분포는 유동화 베드 프로세스의 요구에 보다 잘 부응하도록 조절될 수 있다.

바이패스 덕트(50)는 또한 내화성의 라이닝된 파이프 또는 도관으로 제조될 수 있거나 또는 적절한 금속 및/또는 세라믹 재료로 라이닝된 파이프 또는 컴포넌트일 수 있다. 라이닝이 고형물의 높은 온도와 빠른 속도를 견딜 수 있다는 것은 자명하다. 적절한 라이닝 재료는 해당 기술 분야의 종사자들에게 명백할 것이다.

본 발명은 본 발명에서 바람직한 실시예로 고려된 예로써 개시되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 제한되지 않고 첨부된 청구의 범위에 의해 한정된 바와 같은 본 발명의 범주 내에 포함된 특성 및 응용의 다양한 조합 및 변경을 커버하도록 의도된다는 것이 이해될 것이다.

Claims (14)

1. 배기 가스용 배출 포트를 갖는 노와, 배기 가스로부터 고형 입자를 분리하기 위한 것이고 배기 가스용 출구 덕트를 통해 배기 가스 배출 포트에 연결된 입구와 분리된 고형 입자용 복귀 덕트를 갖는 입자 분리기를 갖는 순환 유동화 베드 반응기를 작동하는 방법이며,

   상기 입자 분리기를 바이패스하는 바이패스 덕트를 배열하는 단계와,

   상기 입자 분리기 이후에 배기 가스의 고형 입자 함량을 증가시키도록 바이패스 덕트를 따라 배기 가스의 부분적인 유동을 수행하는 단계를 포함하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 입자 분리기를 바이패스하는 고형 입자의 양을 조절하도록 바이패스 덕트의 배기 가스 유동을 제어하는 단계를 더 포함하는 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 바이패스 덕트의 배기 가스 유동은 바이패스 덕트로의 부가의 가스 공급에 의해 제어되는 방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 바이패스 덕트 내의 배기 가스 유동은 바이패스 덕트에 배열된 제어 밸브에 의해 제어되는 방법.
5. 순환 유동화 베드 반응기이며,

   고형 물질의 유동화 베드를 갖는 노와,

   상기 노로부터 동반된 고형 입자를 갖는 배기 가스를 제거하기 위한 배출 포트와,

   상기 배기 가스로부터 고형 입자를 분리하기 위해 상기 배출 포트에 연결된 입자 분리기와,

   상기 입자 분리기로 진입하는 고형 입자의 양을 감소시키기 위해 배기 가스의 일부가 상기 입자 분리기를 통과하도록 하기 위한 전달 수단을 포함하고,

   상기 입자 분리기는 배기 가스 덕트에 연결된 배기 가스 출구와 노의 저부로 분리된 고형 입자를 재순환시키기 위한 복귀 덕트에 연결된 고형물 출구를 갖는 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 전달 수단은 상기 입자 분리기의 상류에 연결된 제1 단부와 상기 입자 분리기의 배기 가스 덕트 하류에 연결된 제2 단부를 갖는 바이패스 덕트인 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 바이패스 덕트의 제1 단부는 상기 노의 상부에 연결되는 장치.
8. 제6항에 있어서, 상기 바이패스 덕트의 제1 단부는 상기 노와 입자 분리기 사이의 배출 덕트에 연결되는 장치.
9. 제6항에 있어서, 상기 바이패스 덕트는 상기 바이패스 덕트의 배기 가스의 유동을 제어하기 위한 수단을 구비한 장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 바이패스 덕트 내로 가스를 도입하는 부가의 가스 파이프인 장치.
11. 제10항에 있어서, 상기 부가의 가스 파이프는 상기 바이패스 덕트 내로 도입된 가스의 양을 조절하기 위한 수단을 구비하는 장치.
12. 제9항에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 바이패스 덕트를 폐쇄할 수 있는 제어 밸브인 장치.
13. 제5항에 있어서, 상기 바이패스 덕트는 상기 바이패스 덕트 내의 고형물의 온도와 유동 모두를 견딜 수 있도록 라이닝되는 장치.
14. 제5항에 있어서, 상기 입자 분리기는 사이클론 분리기인 장치.

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