KR20120096037A - 바닥재에서 열을 회수하는 방법과 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 바닥재가 고온에서 제거되는 연소 디바이스에서 수행된 연소 공정의 바닥재(bottom ash)에서 열을 회수하는 방법과 장치에 관한 것이다. 본 발명은, 구체적으로, 기포층 보일러(bubbling bed boiler), 유동층 보일러(fluidized bed boiler), 및 순환 유동층 보일러(circulating fluidized bed boiler)에 적용 가능하다. 본 발명의 특징적인 형태는, 바닥재로부터 특정 냉각수 회로(42)로 회수된 열이 보일러 장치 내의 다른 곳에서 사용된다는 점이다.

Description

바닥재에서 열을 회수하는 방법과 장치{METHOD AND ARRANGEMENT FOR RECOVERING HEAT FROM BOTTOM ASH}
본 발명은, 바닥재가 고온에서 제거되는 연소 디바이스에서 수행된 연소 공정의 바닥재(bottom ash)에서 열을 회수하는 방법과 장치에 관한 것이다. 본 발명은, 구체적으로, 기포층 보일러(bubbling bed boiler), 유동층 보일러(fluidized bed boiler), 및 순환 유동층 보일러(circulating fluidized bed boiler)에 적용 가능하다.
종래 기술의 일반적인 보일러 장치는, 연료, 층 재료(bed material), 및 연소 공기가 도입되는 노(furnace)를 포함한다. 연료 연소시 열이 발생하고, 바닥재와 연도 가스가 모두 형성된다. 연도 가스는 분리기로 가며, 상기 분리기는 가스에서 고체 입자를 분리하여 이 고체 입자를 노로 다시 보낸다. 노와 분리기는 모두 보일러 내에서 이동하는 연도 가스 및 고체에서 열을 수거하기 위해 수관 또는 증기관을 포함하는 열 교환 표면을 구비한다. 연도 가스는 분리기로부터 과열기(superheater) 또는 재열기(reheater)와 같은 다른 열 회수 장치로 가며, 여기서 연도 가스에서 또한 이용 가능한 열은 증기를 추가 가열하는데 사용된다. 열은, 예를 들어, 증기 터빈 및 발전기에 의하여 전기를 생성하기 위한 것과 같은 사용을 위해 고온의 증기 형태로 운반된다. 과열기와 재열기 다음에, 연도 가스는 연도 가스에서 열을 모으는 이코노마이저(economizer)를 통해 보일러 급수, 즉, 예를 들어, 터빈으로부터 보일러로 돌아가는 물 또는 응축물로 흐른다. 연도 가스에서 열을 모으는 가장 빈번한 최종 단계는 연소 공기 예열기에서 일어나고, 여기서 연도 가스 열은 노에서 연소 공기로 사용된 공기를 가열하는데 사용된다. 예열기는 보통으로 회전형 또는 튜브형 예열기이다. 연소 공기 예열기는 연도 가스 경로에서 정전 필터/집진기를 동반하며, 상기 정전 필터/집진기는 연도 가스가 연도 가스 팬에 의하여 굴뚝을 통해 대기로 배출되기 전에 연도 가스 내에 남아있는 어떠한 고체 입자를 분리한다.
이코노마이저로 들어가는 보일러 급수는 통상적으로 이미 상술한 바와 같이, 증기 터빈과 상기 증기 터빈 하류에 있는 응축기 내의 사용으로부터 기원한다. 응축물은 이 응축물이 급수 탱크로 도입될 때까지 하나 이상의 저압 예열기에 의하여 증기 터빈에서 추출된 증기에 의하여 가열되고, 상기 급수 탱크는 물에서 기포를 제거하는데 사용되고, 때로 이코노마이저를 향해 펌핑하기 전에 물을 추가 가열하는데 사용된다. 펌프에 의하여 급수 탱크에서 펌핑된 급수는 이코노마이저로 들어가기 전 고압 예열기에 의하여 추가 가열될 수 있다.
노의 바닥은 소위 일차 또는 연소 공기로 불리는 연소 또는 부유(suspending) 또는 유동화(fluidizing) 가스를 노 안에 도입하고, 노에서 재와 기타 잔해를 제거하기 위해 그리드를 구비한다. 보일러 노에서 그리드를 통해 방출된 물질에 대한 공통의 명칭은 바닥재로 불린다. 이 바닥재는 불연소 물질, 클링커(clinker), 미연소 연료 입자 등을 포함한다. 보통 바닥재는 물로 채워진 트러프(trough)에서 수냉식 또는 공냉식 컨베이어로 배출되며 여기서 냉각된다. 냉각된 바닥재는 다음에 공장 밖으로 나가 폐기되거나, 때로는 건설 자재로 사용된다.
따라서, 종래 기술의 보일러에서 바닥재의 배출에 있어서 열 에너지의 손실은 보일러 손실의 중대한 부분을 형성한다. 이것은 어떠한 높은 재(ash) 함량의 연료에서, 즉 연료의 추정된 바닥재 함량이 높거나 또는 노에서 굵은 또는 다르게는 부적절한 층 재료를 제거 또는 순환시킬 필요가 있을 때에는 더욱 심하다. 높은 에너지 손실의 원인은 노에서 제거되어야 할 바닥재가 고온, 보통 약 700 내지 800℃ 내에 있기 때문이다. 예를 들어, 보일러에서의 바닥재 흐름이 25℃의 기준 온도와 애시 1 kJ/kg에 대한 열용량을 사용하여 725℃의 온도에서 10 kg/s이면, 바닥재를 배출하는 동안 7 MW의 에너지 손실이 예상될 수 있다.
그러나, 종래 기술은, 바닥재의 열 일부를 회수하는 커플 시스템(couple system)을 공개하고 있다. EP-B1-0471055호는 바닥재가 그리드 영역에서 특별하게 설계된 가동 강철 벨트 상으로 배출되는 보일러 장치를 공개하고 있다. 냉각 공기가 바닥재 흐름과 강철 벨트 이동에 대해 역류하도록 만들어져서 가열된 공기가 최종적으로 노로 들어가도록 열 회수가 배열되어 있다.
WO-A1-2007/134874호는 상술한 특허의 강철 벨트 바닥재 배출뿐만 아니라, 역류 공기 흐름이 여전히 사용되는 보일러 장치를 공개하고 있다. 그러나, 이 문헌은 추가로, 바닥재를 냉각하기 위해 물이 바닥재로 분사되어 발생한 증기가 최종적으로 가열된 기류와 함께 노에 들어가는 것을 교시한다.
상술한 특허 문헌에서 공개된 열 회수 기술은 바닥재 배출에서 열을 회수하는 가능성을 가르치지만 효율적이지 않다. 특히, 다량의 바닥재가 배출될 때, 역류 기류는 재를 충분하게 냉각시킬 수 없다는 것은 명백하다. 추가 물 분사가 사용되어도 두 가지 위험이 있다. 첫 번째는, 재가 충분히 냉각되지 않는다는 것이고, 두 번째는, 재가 충분히 냉각되면 증기가 너무 많아서 노에 들어갈 수 없을 수 있다는 것이다. 또한, 대부분 열전달 매체로서 작용하는 공기의 비효율 때문에, 만족스러운 방법으로 균일하게 기능하는 디바이스의 크기가 너무 크고 값이 비싸다. 또한, 바닥재를 충분히 냉각시킬 수 있도록 하기 위해서는, 너무 많은 공기량을 필요로 하고, 연소 공기로 이러한 공기량의 사용은 보일러의 연소 공기 시스템에 부정적으로 간섭할 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 노에서 배출된 바닥재를 냉각시키는 신규하고 효율적인 방법을 제안하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 바닥재에서 회수된 열을 발전소에서 하나 이상의 적절한 위치에 사용하는 것이다.
본 발명의 이러한 목적 및 이와 다른 목적은, 연소 공정의 바닥재에서 열을 회수하는 방법에 의해 충족되고, 상기 공정은, 적어도, 보일러 장치에서 증기 또는 온수를 생산하여 연도 가스 및 바닥재가 형성되도록 열 에너지를 생산하기 위해 연료를 연소하는 단계; 적어도 고온 증기 또는 온수 형태의 열 에너지를 사용하도록 안내하기 위한 수관을 갖는 열 전달 표면을 갖는 노를 보일러 장치에 설치하는 단계; 연소 공기를 노에 공급하는 단계; 연료를 노에 공급하는 단계; 상기 노에서 바닥재를 배출하는 단계; 연도 가스에서 열을 모으는 단계; 고온 증기를 이용하는 단계; 상기 증기를 응축물로 응축하는 단계; 상기 응축물을 순환하는 단계를 포함하고, 여기서, 열은 상기 보일러 장치 내의 다른 곳에서 회수된 열을 사용하기 위한 목적으로 상기 노에서 배출된 바닥재로부터 바닥재 냉각수 회로로 회수된다.
이와 유사하게, 본 발명의 상기 목적 및 이와 다른 목적은, 연소 공정의 바닥재에서 열을 회수하기 위한 장치에 의해 이루어지고, 여기서 연료는 증기 또는 온수를 생산하기 위해 열을 생성하도록 연소되고, 연도 가스 및 바닥재가 보일러 장치에서 형성되고, 상기 보일러 장치는 적어도, 고온 증기 형태의 열을 사용하도록 안내하기 위한 수관을 갖는 열 전달 표면이 제공된 노, 연소 공기를 상기 노에 공급하기 위한 수단, 연료를 상기 노에 공급하기 위한 수단, 상기 노에서 바닥재를 배출하기 위한 수단, 상기 연도 가스에서 열을 회수하기 위한 수단, 고온 증기 또는 온수를 사용하기 위한 수단, 상기 증기를 응축물로 응축하는 수단, 및 상기 응축물을 순환시키기 위한 수단을 포함하고, 여기서, 바닥재는 회수된 열을 상기 보일러 장치 내의 다른 곳에서 이용할 목적으로 상기 바닥재로부터 바닥재 냉각수 회로로 열을 회수하도록 구성된 수단으로 배출된다.
본 발명의 상기 방법과 장치의 다른 특징은 첨부된 청구범위에서 볼 수 있다.
본 발명은 종래 기술의 바닥재 냉각 시스템에 관한 적어도 몇 가지 문제점을 해결하였다. 예를 들어, 본 발명은 바닥재에서 효율적으로 열을 회수할 수 있도록 하고, 회수된 열을 필요할 때마다 발전소에서 사용할 수 있게 한다.
따라서, 본 발명은 보일러의 효율을 크게 개선할 수 있다. 또한, 본 발명은 필요한 어떤 경우에도 바닥재 냉각 디바이스 또는 장치를 보다 효율적으로 사용하여, 필요한 투자비가 매우 적다.
아래에서 본 발명의 방법과 장치는 첨부 도면을 참고하여 더욱 상세히 설명될 것이다.
도 1은, 종래 기술의 순환 유동층 보일러 장치의 개략도.
도 2는, 순환 유동층 보일러와 연결되어 위치한 본 발명의 바람직한 제 1 실시예의 개략도.
도 3은, 순환 유동층 보일러와 연결되어 위치한 본 발명의 바람직한 제 2 실시예의 개략도.
도 4는, 순환 유동층 보일러와 연결되어 위치한 본 발명의 바람직한 제 3 실시예의 개략도.
도 5는, 순환 유동층 보일러와 연결되어 위치한 본 발명의 바람직한 제 4 실시예의 개략도.
도 1은 종래 기술의 보통 보일러 장치를 개략적으로 단지 한 가지 예로만 예시한다. 연료, 층 재료, 및 연소 공기가 도입된 노는 번호 10으로 도면 번호가 표시되어 있다. 노(10)에서 연료를 연소시킬 때 열이 발생하고 바닥재 및 연도 가스 모두가 형성된다. 가스는 분리기(12)로 끌려가고, 이 분리기는 고체 입자를 가스에서 분리하고, 고체 입자를 노(10)로 다시 재순환시킨다. 노(10)와 분리기(12)는 모두 노와 분리기에서 이동하는 연도 가스 및 고체에서 열을 모으기 위해 수관을 포함하는 열 전달 표면을 구비한다. 연도 가스는 분리기(12)로부터 추가 열 회수 장치, 과열기, 및 재열기(14)로 가고, 여기서, 연도 가스에서도 이용할 수 있는 열은 증기를 더 가열시키는데 사용된다. 열은, 예를 들어, 증기 터빈과 발전기에 의해 전기를 생성하기 위한 것과 같이 사용하도록, 고온의 증기 형태로 운반된다. 과열기와 재열기(14) 다음에, 연도 가스는, 다시, 연도 가스에서 열을 수거하는 이코노마이저(16)를 통해 보일러 급수로 흐른다. 연도 가스에서 열을 수거하는 흔한 최종 단계는 연소 공기 예열기(18)에서 일어나고, 여기서, 연도 가스 열이 사용되어 노(10)에서 연소 공기로 사용된 공기를 가열한다. 연도 가스 경로에서 공기 예열기(18) 다음에 정전 필터/집진기 또는 백 필터(bag filter)(20)가 오고, 이는 연도 가스가 연도 가스 팬(22)에 의하여 굴뚝(chimney)을 통해 대기로 배출되기 전에 연도 가스에 남아있는 임의의 고체 입자를 분리한다.
이코노마이저로 들어가는 보일러 급수는 증기 터빈에서의 사용과 상기 증기 터빈 하류의 응축기로부터 유래한다. 응축물(C)은 이 응축물이 급수 탱크(26)로 안내될 때까지 하나 이상의 저압 예열기(24)에 의하여 증기에 의해 먼저 가열되고, 상기 급수 탱크는 물에서 공기를 제거하고, 때로 물을 이코노마이저에 펌핑하기 전에 물을 가열하는데 사용된다. 펌프(28)에 의하여 급수 탱크(26)에서 펌핑된 급수는 이코노마이저(16)에 들어가기 전에 고압 예열기(30)에 의하여 추가 가열될 수 있다.
노(10)의 바닥에는, 한편, 일차 공기 또는 연소 공기로 불리는 연소 또는 부유 또는 유동 가스를 공기 예열기(18)를 통해 팬(34)에 의해 펌핑된 노(10)에 안내하고, 다른 한편, 노(10)에서 재와 다른 찌꺼기를 제거하기 위한 그리드(grid)(32)가 제공된다. 그리드(32)를 통해 보일러 노(10)에서 배출된 물질은 보통 바닥재로 불린다. 이 바닥재는 불연소 물질(non-buring material), 클링커(clinker), 미연소 연료 재 입자 등을 함유한다. 보통 바닥재는 물로 채워진 트러프(water filled trough)(36)에서 배출되고, 트러프에서 바닥재가 냉각된다. 냉각된 바닥재는 배출되도록 발전소 밖으로 나가거나, 때로 건축 재료로 사용된다.
도 2 내지 5는, 예를 들어, 순환 유동층 보일러와 관련되어 배열된 본 발명의 여러 변형예를 개략적으로 도시하지만, 본 발명의 바닥재 냉각 장치는 또한 바닥재가 배출되는 다른 보일러 형태에 사용될 수 있다. 본 발명의 모든 실시예의 공통적인 특징은 바닥재가 그리드(32)를 통해 바닥재 냉각 수단(38), 바람직하게는 모터(40)에 의해 구동되는 냉각 운송 스크류 장치로 배출된다는 점이다. 냉각 운송 스크류는 보통 수냉식 케이싱과 냉각수가 흐를 수 있도록 하는 중공 샤프트를 구비한다. 다른 적용 가능한 바닥재 냉각 수단은 수냉식 드럼 냉각기와, 수냉식 스크레이퍼(scraper) 컨베이어로서, 커플 대안(couple alternative)으로 명명한다. 본 발명의 모든 예시된 실시예에 대한 다른 공통 특징은, 냉각 수단(38)에서 바닥재를 냉각하기 위해 사용되는 물이 연소 공기를 예열하는데 사용된다는 점이다.
도 2는, 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 바닥재 열 회수 장치를 예시한다. 바닥재 냉각 수단(38)은 바닥재 냉각 회로(42)의 일 부분으로, 상기 바닥재 냉각 회로는 적어도 순환 펌프(44)와 열 교환기(46)를 더 포함한다. 따라서, 냉각 회로(42)에서 순환하는 바닥재 냉각수로부터의 열은 열 교환기(46)에서, 폐쇄된 워터 회로(water circuit), 즉 가열 회로(48)로 전달되며, 상기 가열 회로(48)는 열 교환기(46) 외에 적어도 순환 펌프(50)와, 다른 열 교환기(52)를 포함한다. 가열 회로(48)에 모인 열은 열 교환기(52)에 의하여 연소 공기를 가열하는데 사용된다. 열 교환기(52)는 연소 공기 팬(34)과 공기 예열기(18) 사이에 배치되어, 예열기(18), 바람직하게는 회전 공기 예열기는 열 교환기(52)에서 이미 가열된 공기를 수용한다.
연소 공기 예열기(18)는 이제 바닥재 열 회수 이전보다 더 높은 온도에서 공기를 수용하기 때문에, 연소 공기 예열기(18)는 어떤 종류의 조절을 필요로 할 수 있다. 연소 공기 예열기(18)가 동일하게 유지되면, 이것은 바닥재 열 회수 이전만큼 효율적으로 연도 가스 온도를 냉각시킬 수 없으며, 연도 가스에 포함된 열의 일부가 손실되었을 것이다. 따라서, 실제로 이전처럼 효율적으로 연도 가스로부터 열을 회수할 수 있게 하기 위해(바닥재 열 회수 이전과 동일하게 연소 공기 예열기 후에 연도 가스 온도를 유지하는 것과 동일함) 더욱 효율적인 연소 공기 예열기를 필요로 한다.
도 2는 냉각 회로(42) 및 가열 회로(48) 모두에 위치한 추가 장비를 또한 도시한다. 선택적으로, 바닥재 냉각 회로(42)는 제 1 열 교환기(46)의 측면(또는 평행하게)에 연결된 제 2 열 교환기(54)를 구비한다. 실제로, 바닥재 냉각 수단(38)으로부터 나오는 냉각수는 이 추가 실시예에서, 연소 공기를 가열하는데 필요한 열량에 의존하는 2개의 열 교환기(46, 54) 사이에서 밸브에 의하여 분할된다. 연소 공기 예비가열에 필요한 것보다, 바닥재에서 더 많은 열이 회수되거나, 배출시 바닥재의 충분히 낮은 온도를 보장하기 위해 취해져야 할 때마다, 냉각수 유동의 일부가 제 2 열 교환기(54)로 안내되어 과도한 열은 제 2 열 교환기(54)에 의하여 냉각수 회로(42)에서 다른 냉각수 회로(56)로 전달된다. 즉, 제 2 열 교환기(54)에 냉각수 유동 경로를 개방하는 밸브(도시되지 않음)의 작동은 호퍼(58)에 대한 배출시 바닥재의 온도, 열 교환기(52)를 빠져나가는 연소 공기의 온도, 열 교환기(46) 다음의 냉각수의 온도, 연소 공기 예열기(18)를 빠져나가는 연소 공기의 온도 중 적어도 하나에 의하여 제어되는 것이 바람직하다. 이러한 연결은 호퍼(58)에서 배출된 바닥재에 대해 충분히 낮은 온도를 보장한다. 가열 회로(48)는 또한 연소 공기를 가열하는 제 1 열 교환기(52) 외에 제 2 열 교환기(60)를 구비한다. 제 2 열 교환기(60)는 연소 공기를 가열하는 추가 열을 가열 회로(48)에 제공하기 위해 제 1 열 교환기(52)와 직렬로 배열된다. 제 2 열 교환기(60)는, 예를 들어, 연도 가스 열 회수 또는 바닥재 열 회수 또는 이들 모두가 연소 공기의 가열을 위해 충분한 열량을 제공할 수 없을 때, 시동 상황이나 부분 부하 상황에 사용될 수 있다. 제 2 열 교환기(60)의 사용, 즉, 이것에서 증기 유동은, 연소 공기 예열기(18)의 상류의 연도 가스의 온도, 호퍼(58)로 배출시 바닥재의 온도, 열 교환기(52)를 빠져나가는 연소 공기의 온도, 연소 공기 예열기(18)를 빠져나가는 연소 공기의 온도 중 적어도 하나에 의하여 제어되는 것이 바람직하지만, 반드시 그렇지는 않다.
냉각 회로에서 열 교환기를 배열하기 위한 다른 옵션은, 제 2 냉각 회로(56)의 열 교환기(54)를 제 1 냉각 회로의 열 교환기(46)와 직렬로(및 평행하지 않게) 배열하는 것이다. 이러한 연결은 실제, 바닥재 열 회수 장치(38)로부터의 온수가 먼저 열 교환기(46)에 의하여 연소 공기 가열 회로(48)에서 물을 가열하고 다음에 열 교환기(54)로 더 흘러가서 추가 냉각되고, 그 후 물이 펌프(44)에 의하여 바닥재 열 회수 장치(38)로 복귀하도록 하는 기능을 한다.
도 3은, 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 바닥재 열 회수 장치를 도시한다. 사실상, 도 3의 실시예는 도 2의 실시예의 단순화이다. 여기서, 바닥재 냉각 회로(42)와 연소 공기 가열 회로는 단일 회로(42')로 조합되어 바닥재 냉각수가 직접 열 교환기(52') 내의 연소 공기를 가열하도록 취해지게 된다. 회로(42')는 도 2의 실시예의 방법으로 열 교환기(54)와 함께 추가 냉각수 회로(56)를 포함한다. 자연히, 이미 앞에서 논의된 바와 같이, 상기 특정한 회로(42, 42')에서 열교환 매체를 가열하기 위한 특정 회로(42, 42')에 배열된 추가 열 교환기{예를 들어, 열 교환기(54)}는 다른 회로의 열교환 매체 또는 직접 연소 공기를 가열하는데 사용되는 열 교환기(46, 52')와 직렬 또는 병렬 배열될 수 있다. 냉각/가열 회로(42')는 도 2의 열 교환기(60)를 구비할 필요는 없지만, 대응하는 열 교환기는 이것이 연소 공기를 가열하는 유일한 방법일 때 시동 및 부분 부하 상황을 위해 열 교환기(52') 전에 또는 후에 연소 공기 라인에 배치될 수 있다.
도 4는, 본 발명의 바람직한 제 3 실시예에 따른 바닥재 열 회수 장치를 도시한다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 주요 장치는 도 2와 동일하다. 유일한 예외는, 바이패스 이코노마이저(62)가 이코노마이저(16)와 정진 집진기/백 필터(20) 사이의 연도 가스 경로에 연소 공기 예열기(18)와 평행하게 추가되어 있다는 점이다. 바이패스 이코노마이저(62)는 저압 에열기(24') 사이의 응축물(C) 유동 경로에 연결되어 응축물을 가열하는데 사용되기 때문에 일부 응축물이 펌프(64)에 의하여 바이패스 이코노마이저(62)를 경유하여 급수 탱크(24)로 흐르게 되고, 이에 의하여 이코노마이저(62)가 또한 응축물 예열기라고 부를 수 있다. 여기서, 바이패스 이코노마이저에 대하여 응축물 유동을 위한 몇 가지 옵션이 있다는 것을 이해해야 한다. 이미 앞에서 설명한 바와 같이, 급수 탱크 앞에 단 하나의 응축물 예열기 또는 2개 이상의 예열기가 있을 수 있다. 이에 의하여 바이패스 이코노마이저로의 응축물 유동은 이미 제 1 예열기 앞에, 또는 예열기 사이(도 4에 도시됨), 또는 예열기 다음에 취해질 수 있다는 것은 명백하다. 바이패스 이코노마이저를 위한 다른 옵션은 바이패스 이코노마이저를 고압 예열기(30)와 평행하게 연결하는 것이다. 자연히, 3번째 옵션은 상기 두 가지 옵션을 조합하는 것이고, 즉, 바이패스 이코노마이저에서 저압 응축물 및 고압 응축물 모두를 순환시키는 것이다. 급수 탱크 앞에 이코노마이저와 직렬로 하나 이상의 예열기를 배열하거나 배열하지 않고 전체 응축물 유동이 바이패스 이코노마이저에서 가열되는 것 또한 가능하다.
응축물 예열기/바이패스 이코노마이저(62)가 사용되는 이유는, 때로 도 2의 바닥재 열 회수 장치를 사용하지만 연소 공기 예열기가 연도 가스 온도를 충분하게 감소시킬 수 없고 온도가 지나치게 높게(열 에너지를 낭비하면서) 유지된다는 사실 때문이다. 궁극적인 원인은, 열 교환기(52)로 인하여 연소 공기 예열기(18)로 들어가는 연도 가스의 온도와 이것을 빠져나가는 연소 공기의 온도 사이의 차이가 감소되기 때문이다. 연도 가스 온도를 연소 공기 예열기(18) 다음에 허용될 수 있도록 낮은 레벨로 유지하기 위해 연도 가스의 일부는 연소 공기 예열기(18) 대신 응축물 예열기(62)로 추출되고, 이에 의하여 연소 공기 예열기(18)의 가열 부하(heat duty)가 감소되어 공기 예열기(18) 다음의 연도 가스 온도가 새로운 바닥재 열 회수장치 이전과 동일하거나 너 작게 유지된다. 대안적으로, 일부 용도에서, 공기 예열기 상류 또는 하류에 공기 예열기(18)와 직렬로 보조 이코노마이저를 배열하는 것이 바람직할 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예는 냉각 장치를 빠져나가는 바닥재의 온도와 예열기(18) 내의 연소 공기의 가열을 모두 제어하기 위해 다수의 서로 다른 방법을 제공한다. 자연히, 도 2의 실시예와 관련하여 설명된 제어 장치는 여기에서 또한 적용 가능하지만, 바이패스 이코노마이저(62)가 사용되기 때문에 그 제어 장치는 도 2에 설명된 제어 장치와 호환되도록 만들어져야 한다. 즉, 바이패스 이코노마이저(62)로 향하는 연도 가스 도입을 좌우하는 밸브(도시되지 않음)는 연소 공기 예열기(18)를 빠져나가는 연도 가스의 온도에 의하여 제어될 수 있다. 즉, 연소 공기 예열기(18)를 빠져나가는 연도 가스의 온도가 높을수록, 연도 가스의 더 많은 부분이 바이패스 이코노마이저(62)로 들어가도록 허용된다. 바이패스 이코노마이저(62)로 향하는 응축물(C) 유동도 역시 제어되어야 한다. 제어하는 한 가지 실용적인 방법은 바이패스 이코노마이저로 향하는 응축물 유동이 이코노마이저(62)로 흐르는 연도 가스 유동에 의존하게 하도록 하는 것이다. 최종적으로, 냉각 후 바닥재 온도와, 연소 공기 가열과, 굴뚝을 빠져나가는 연도 가스의 온도는 모두 에너지 손실이 최소한으로 유지되도록 제어되어야 한다.
도 5는, 본 발명의 바람직한 제 4 실시예에 따른 바닥재 열 회수 장치를 도시한다. 도 5에 따라, 도 5의 장치는 도 4에서 논의된 장치를 추가 개발한 것이다. 본 발명의 이 실시예의 출발점은, 몇 가지 보일러 플랜트가 연소 공기를 가열하기 위해 정전 집진기(electrostatic precipitator)(20) 다음에 연도 가스에서 열을 회수하도록 설계되어 있다는 점이다. 따라서, 이러한 알려진 장치는, 연도 가스 팬(22) 다음에 위치한 연도 가스 냉각기(66)와 연소 공기 유동 경로에서 연소 공기 팬(34) 다음에 위치한 연소 공기 히터(52)를 포함하는 워터 회로로 이루어진다. 이제, 상기 기재된 알려진 장치는 이미 상술한 바와 같이 냉각 회로(42)에 의해 바닥재에서 회수된 열을 사용하는 연소 공기 가열 회로(48)에 연결되어 있다. 바닥재 냉각 수단(38){열 교환기(46)와 함께}과 연도 가스 열 회수 수단(66), 즉, 연도 가스 냉각기 모두로부터 나온 열은 연소 공기 가열 회로(48)와 교환된다. 연도 가스 냉각기(66)에 의한 열 회수가 새로운 바닥재 열 회수 연결 이전의 것과 동일한 레벨에서 유지되는 것이 바람직하면, 이것은 연소 공기 예열기(18) 이전의 연소 공기 온도가 상승한다는 것을 의미한다. 그러나, 연소 공기 예열기(18) 이후의 연소 공기 온도가 동일하게 증가할 수 없는데, 이는, 연소 공기 예열기(18)를 빠져나가는 연도 가스의 온도와 이것을 빠져나가는 연소 공기의 온도에 특정한 차이만이 존재할 수 있기 때문이다. 이것은 연소 공기 예열기(18)를 통과하는 연도 가스 유동을 감소시키고, 바이패스 이코노마이저(62)를 통과하는 연도 가스 유동을 증가시켜서 보상되고, 이에 의하여 공기 예열기(18)의 가열 부하(heat duty)가 감소되고 바이패스 이코노마이저(62)의 가열 부하가 증가된다.
상술한 설명에 비추어 본 발명의 가장 바람직한 실시예 몇 개만이 설명되어 있는 것으로 이해해야 한다. 따라서, 본 발명은 상술한 실시예에만 제한되지 않고, 첨부한 청구범위의 범위 내에서 여러 방법으로 변형될 수 있다는 것은 명백하다. 본 발명의 특정 실시예의 특징은 본 발명의 기본 개념 내에서 다른 실시예의 특징과 연결되어 적용되거나, 서로 다른 실시예의 특징이 서로 결합되어 작용 및 기술적으로 실행 가능한 구성을 이룰 수 있다는 것을 또한 이해해야 한다. 즉, 도 2 내지 4의 실시예에서 연소 공기 가열 회로에 배열된 추가 가열 수단(60)은 도 5의 실시예에도 이용될 수 있다는 것은 명백하다. 유사하게, 바닥재에서 회수된 열을 사용하는 것은 연소 공기를 가열할 뿐만 아니라, 보일러 장치 또는 발전소 내의 다른 용도에도 적용될 수 있다. 예를 들어, 응축물을 가열하기 위해 열을 사용할 수 있다. 추가 용도는 발전소 빌딩을 가열하기 위해 회수된 열을 사용하는 것, 또는 지역 난방 용도를 위해 열을 전달하는 것과 관련되어 있다. 또한, 바닥재 냉각을 복잡하게 하지 않도록, 즉, 연도 가스 열 회수를 바닥재 냉각 수단과 평행하게 연결하여 연결이 이루어졌음이 보장되면, 도 5의 실시예로부터 정진 집진기 다음에 연도 가스에서 열을 회수하는 열 교환기(66)를 도 2, 도 3, 및 도 4의 실시예에 연결하여 추가 에너지를 연소 공기 가열 회로(48) 또는 바닥재 냉각 회로(42')로 보낼 수 있다. 또한, 연소 공기를 가열하는데 사용된 열 교환기(52)는 팬(34) 상류에 위치할 수 있고, 반드시 그렇지는 않다는 것을 이해해야 한다. 또한, 마지막으로, '응축물(condensate)'이라는 용어는, 기체 상태(즉, 증기)는 아니지만 사용시 냉각된 온수인 보일러 장치로 돌아가는 물을 또한 넓게 포함한다는 것을 이해해야 한다.

Claims (22)

  1. 연소 공정(combustion process)의 바닥재(bottom ash)에서 열을 회수하는 방법으로서,
    ● 연도 가스(flue gas)와 바닥재가 형성되도록 보일러 장치에서 증기 또는 온수를 생산하기 위해 열 에너지를 생성하도록 연료를 연소하는 단계와,
    ● 상기 보일러 장치에 적어도 고온 증기 또는 온수 형태의 열 에너지를 사용하기 위한 수관(water tube)을 갖는 열 전달 표면을 갖는 노(furnace)(10)를 제공하는 단계와,
    ● 상기 노(10)에 연소 공기를 공급하는 단계와,
    ● 상기 노(10)에 연료를 공급하는 단계와,
    ● 상기 노(10)에서 바닥재를 배출하는 단계와,
    ● 상기 연도 가스에서 열을 모으는 단계와,
    ● 상기 고온 증기 또는 온수를 사용하는 단계와,
    ● 상기 증기를 응축물(condensate)(C)로 응축하는 단계와,
    ● 상기 응축물(C)을 순환시키는 단계를
    적어도 포함하는, 연소 공정의 바닥재에서 열을 회수하는 방법에 있어서,
    상기 방법은,
    ● 상기 회수된 열을 상기 보일러 장치 내의 다른 곳에서 사용하기 위해 상기 노(10)에서 배출된 상기 바닥재로부터 바닥재 냉각수 회로(bottom ash cooling circuit)(42, 42')로 열을 회수하는 단계를 특징으로 하는, 연소 공정의 바닥재에서 열을 회수하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 연소 공기를 예열하거나, 상기 응축물(C)을 예열하기 위한 것과 같이, 상기 보일러 장치 내의 적절한 위치에서 상기 회수된 열을 사용하는 것을 특징으로 하는, 연소 공정의 바닥재에서 열을 회수하는 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 연소 공기에서 상기 냉각수로부터 열을 교환하기 위해 상기 바닥재 냉각수 회로(42')에 연소 공기 가열 수단(52')을 배열하는 것을 특징으로 하는, 연소 공정의 바닥재에서 열을 회수하는 방법.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 바닥재 냉각 회로(42)로부터 연소 공기 가열 회로(48)로 열을 교환하는 것을 특징으로 하는, 연소 공정의 바닥재에서 열을 회수하는 방법.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 연도 가스에서 회수된 열로 상기 연소 공기를 예열하기 전에 상기 바닥재 냉각 회로(42') 또는 상기 연소 공기 가열 회로(48)로부터 상기 연소 공기로 열을 교환하는 것을 특징으로 하는, 연소 공정의 바닥재에서 열을 회수하는 방법.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 예열 수단(18)으로 도입된 연도 가스의 양을 감소시켜 연도 가스 온도 제어를 개선하기 위해 상기 연소 공기를 예열하는 수단(18)과 평행하게 바이패스 이코노마이저(bypass economizer)(62)를 배열하는 것을 특징으로 하는, 연소 공정의 바닥재에서 열을 회수하는 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 바이패스 이코노마이저(62)에 의해 상기 응축물(C)에서 상기 연도 가스로부터 열을 회수하는 것을 특징으로 하는, 연소 공정의 바닥재에서 열을 회수하는 방법.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연도 가스에서 고체를 분리하기 위한 상기 수단(20)은 정전 분리기(electrostatic separator)이고, 상기 연소 공기를 가열하기 위해 정전 집진기(electrostatic precipitator)(20) 다음에 연도 가스에서 열을 회수하는 것을 특징으로 하는, 연소 공정의 바닥재에서 열을 회수하는 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 연소 공기를 가열하기 위해 상기 정전 집진기(20) 다음에 연도 가스에서 상기 바닥재 냉각 회로(42') 또는 상기 연소 공기 가열 회로(48)로 열을 회수하는 것을 특징으로 하는, 연소 공정의 바닥재에서 열을 회수하는 방법.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 바닥재 냉각 회로(42, 42')에 추가 냉각 수단(54)을 배열하는 것을 특징으로 하는, 연소 공정의 바닥재에서 열을 회수하는 방법.
  11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 바닥재 냉각 회로(42') 또는 상기 연소 공기 가열 회로(48)에 추가 가열 수단(60)을 배열하는 것을 특징으로 하는, 연소 공정의 바닥재에서 열을 회수하는 방법.
  12. 연소 공정의 바닥재에서 열을 회수하는 장치로서,
    연료는 증기 또는 온수를 생산하도록 열을 생성하도록 연소되고, 연도 가스와 바닥재는 보일러 장치에서 형성되며, 상기 보일러 장치는 적어도, 고온 증기 형태의 열을 사용하기 위한 수관을 갖는 열 전달 표면이 제공된 노(furnace)(10), 연소 공기를 상기 노에 공급하기 위한 수단(34), 연료를 상기 노에 공급하기 위한 수단, 상기 노(10)에서 바닥재를 배출하기 위한 수단(32), 상기 연도 가스에서 열을 회수하기 위한 수단(14, 16, 18), 고온 증기 또는 온수를 사용하기 위한 수단, 상기 증기를 응축물(C)로 응축하는 수단, 및 상기 응축물(C)을 순환시키기 위한 수단(28)을 포함하는, 연소 공정의 바닥재에서 열을 회수하는 장치에 있어서,
    상기 바닥재는 상기 회수된 열을 상기 보일러 장치 내의 다른 곳에서 사용하기 위해 상기 바닥재로부터 바닥재 냉각수 회로(42, 42')로 열을 회수하는데 적합한 수단(38)으로 배출되는 것을 특징으로 하는, 연소 공정의 바닥재에서 열을 회수하는 장치.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 바닥재 냉각 회로(42')는 상기 회로(42')로부터 연소 공기로 열을 교환하는 열 교환기(52')를 구비하는 것을 특징으로 하는, 연소 공정의 바닥재에서 열을 회수하는 장치.
  14. 제 12항에 있어서, 상기 바닥재 냉각수 회로(42)는 상기 냉각수 회로(42)로부터 연소 공기를 가열하기 위한 연소 공기 가열 회로(48)로 열을 교환하는 열 교환기(46)를 구비하는 것을 특징으로 하는, 연소 공정의 바닥재에서 열을 회수하는 장치.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 연소 공기 가열 회로(48)는 연소 공기를 가열하기 위한 열 교환기(52)를 구비하는 것을 특징으로 하는, 연소 공정의 바닥재에서 열을 회수하는 장치.
  16. 제 12항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서, 연도 가스의 일부가 연소 공기 예열기(18)를 바이패스하도록 허용하기 위해 연소 공기를 가열하기 위한 연소 공기 예열기(18)와 평행하게 바이패스 이코노마이저(bypass economizer)(62)가 배열된 것을 특징으로 하는, 연소 공정의 바닥재에서 열을 회수하는 장치.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 바이패스 이코노마이저(62)는 상기 응축물(C)을 예열하기 위해 응축물(C) 유동 경로와 유동이 통하도록 배열된 것을 특징으로 하는, 연소 공정의 바닥재에서 열을 회수하는 장치.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 바이패스 이코노마이저(62)는 공급수 탱크(26) 상류에서 상기 응축물(C) 유동 경로에 배열된 것을 특징으로 하는, 연소 공정의 바닥재에서 열을 회수하는 장치.
  19. 제 12항 내지 제 18항 중 어느 한 항에 있어서, 최종 고체 분리 수단, 즉 정전 집진기(20) 다음에 연도 가스에서 열을 회수하기 위해 연소 공기 가열 회로(48) 또는 상기 바닥재 냉각 회로(42')에 추가 열 교환기(66)가 배열된 것을 특징으로 하는, 연소 공정의 바닥재에서 열을 회수하는 장치.
  20. 제 12항 내지 제 19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 바닥재 냉각 회로(42, 42')는 상기 회로(42, 42')의 물을 냉각하기 위한 수단(54)을 구비하는 것을 특징으로 하는, 연소 공정의 바닥재에서 열을 회수하는 장치.
  21. 제 12항 내지 제 20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연소 공기 가열 회로(48)는 상기 회로(48)의 물을 가열하기 위한 수단(60, 66)을 구비하는 것을 특징으로 하는, 연소 공정의 바닥재에서 열을 회수하는 장치.
  22. 제 12항 내지 제 21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 바닥재 냉각 수단(38)은, 냉각 운송 스크류(cooled transport screw), 수냉식 드럼 냉각기(water-cooled drum cooler), 및 수냉식 스크레이퍼 컨베이어(water-cooled scraper conveyor) 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연소 공정의 바닥재에서 열을 회수하는 장치.
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