KR20130041506A - 순환 유동층 보일러 - Google Patents

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KR20130041506A
KR20130041506A KR1020110105799A KR20110105799A KR20130041506A KR 20130041506 A KR20130041506 A KR 20130041506A KR 1020110105799 A KR1020110105799 A KR 1020110105799A KR 20110105799 A KR20110105799 A KR 20110105799A KR 20130041506 A KR20130041506 A KR 20130041506A
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combustion furnace
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fluidized bed
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김규종
민병수
김정래
차훈
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현대중공업 주식회사
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Abstract

본 발명은 순환 유동층 보일러에 관한 것으로서 개선된 사이클론을 구비하여 사이클론에서 비산회 입자의 포집 성능은 동일하면서도 루프실(Loop seal)의 유지보수가 간편하고 컴팩트한 순환 유동층 보일러에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 연료의 연소가 이루어지는 연소로와, 비산회 입자를 포집하는 사이클론과, 상기 비산회 입자를 상기 연소로의 하부로 재주입시키는 루프실, 상기 연소로와 상기 사이클론을 연결하는 연결관과, 상기 루프실과 상기 연소로를 연결하는 제2배출관을 구비하고, 상기 루프실은 유동층, 분산노즐 및 공기상자로 구성된 순환 유동층 보일러에 있어서, 상기 사이클론의 하부는 비대칭 깔대기 형상으로 경사부, 수직부 및 제1배출관을 포함하여 구성되고, 상기 경사부는 상기 사이클론의 중심축을 기준으로 상기 연소로측 방향에 위치하며 상기 중심축에 대하여 일정각도로 경사가 형성되어 있으며, 상기 수직부는 상기 사이클론의 중심축을 기준으로 상기 연소로측 방향과 반대 방향에 위치하며 상기 사이클론의 중심축과 평행하고, 상기 제1배출관의 상부는 상기 경사부 및 상기 수직부에 연결되고 상기 제1배출관의 하부는 상기 루프실에 연결되며 상기 사이클론의 중심축을 기준으로 연소로의 반대 방향에 위치하며, 상기 제2배출관은 상기 루프실 및 상기 연소로에 연결되며 수평면과 이루는 각도가 45°이상인 것을 특징으로 하는 순환 유동층 보일러를 제공한다.

Description

순환 유동층 보일러{Circulating fluidized bed boiler}
본 발명은 순환 유동층 보일러에 관한 것으로서 개선된 사이클론을 구비하여 사이클론이 비산회 입자를 포집하는 성능은 동일하면서도 루프실(Loop seal)의 유지보수가 간편하고 컴팩트한 순환 유동층 보일러에 관한 것이다.
일반적으로 순환 유동층 보일러의 구성은 연소로, 사이클론, 루프실로 구성되어 있으며, 순환 유동층 보일러는 외부열교환기가 설치되지 않은 형태와 외부 열교환기가 설치된 형태가 있다.
먼저, 외부열교환기가 설치되지 않은 순환 유동층 보일러의 경우, 사이클론 하부에는 사이클론이 원심력에 의하여 포집한 비산회 입자를 연소로로 재순환시키기 위한 비기계적인 장치인 루프실(Loop seal)이 마련된다. 루프실은 공기 유속이 낮은 기포 유동층으로서 Seal 기능과 입자 순환기능을 담당하는데 공기상자, 분산노즐이 심어진 분산노즐부 그리고 유동층(Fluidized Bed)로 구성된다. 루프실의 배출관은 연소로의 하부층(Bed)으로 연결되어 순환 유동층을 구성하게 된다.
구체적으로, 도 1(대한민국특허공개번호 제10-2005-0061531호)에 도시된 바와 같이, 가속 덕트(4)에 의해서 원심 분리기(2)에 연결되며 상기 반응 챔버(1)에서 나오는 열가스로부터 입자들을 분리시키는 반응 챔버(1)를 포함하는 순환 유동 베드 반응기이며,상기 가속 덕트(4)는 상기 반응 챔버(1)의 상부 내에 적어도 부분적으로 배치되며, 상기 원심 분리기(2)는 거의 직선을 이루는 수직의 벽부들을 제공하는 것을 특징으로 하는 유동 베드 반응기로 구성된다.
그리고, 외부열교환기가 설치된 순환 유동층 보일러의 경우, 입자는 연소로→사이클론→루프실→외부열교환기→연소로 순서로 순환하여 순환 유동층을 형성하게 된다. 사이클론 하부는 사이클론의 원심력에 의하여 포집된 비산회 입자를 모으기 위하여 깔대기(원뿔을 뒤집어 놓은 콘 형태)형태를 이루고 있다. 사이클론에서 포집된 비산회 입자는 비기계적인 밸브인 루프실을 거쳐 루프실 하부에 있는 외부열교환기로 이송되어 열교환 된 후 연소로 하부층(Bed)으로 되돌려지게 된다.
또한, 도 2(대한민국특허공개번호 제10-2011-0086105호)에 도시된 바와 같이, 탄소질 연료를 연소하기 위한 노와, 상기 노로부터 연료 연소시 생성되는 고체 입자와 연도 가스를 제거하기 위해 상기 노의 상부 부분에 연결되어 있는 적어도 하나의 출구 채널(14)을 포함하고, 각각의 출구 채널은, 상기 보일러 밖으로 고체 입자가 청소된 연도 가스를 운반하기 위한 연도 가스 채널(18)과, 분리된 고체 입자를 상기 노의 하부 부분에 운반하기 위한 복귀 덕트(return duct)(20)가 부착된 입자 분리기(16)를 구비하며, 상기 복귀 덕트(20)는, 가스 밀봉부(gas seal)(22), 열 교환 챔버(24), 리프트 채널(34), 및 오버플로우 도관(overflowconduit)(44)을 구비하고, 상기 가스 밀봉부를 빠져나가는 고체 입자는 상기 열 교환 챔버(24)의 상부 부분으로 안내되고 상기 열 교환 챔버의 하부 부분으로부터 상기 리프트 채널(34)을 통해 상기 노로, 또는 상기 열 교환 챔버의 상부 부분으로부터 상기 오버플로우 도관(44)을 통해 상기 노로 직접 안내되는, 순환 유동층 보일러(10)에 있어서, 하나 이상의 다운파이프(downpipe)(42)는 상기 리프트 채널(34)과 연결되어 배열되고, 상기 다운파이프는 그 상부 부분이 상기 리프트 채널(34)의 상부 부분과 유동 연결되고 그 하부 부분이 상기 노(12)의 하부 부분과 유동 연결되도록 연결되며, 상기 오버플로우 도관(44)은 상기 다운파이프의 상부 부분과 직접 유동 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 순환 유동층 보일러로 구성된다.
그러나, 종래와 같이 사이클론 가속덕트를 연소로 안에 배치하면서 사이클론의 하부 배출관의 중심이 사이클론의 중심과 동일한 통상적인 사이클론을 사용하는 경우, 루프실과 연소로의 거리가 가깝기 때문에 루프실의 배출관과 연소로로의 연결관의 배치가 어려울 뿐만 아니라, 연소로의 높이를 증가시킨다든지 루프실 배출관을 연소로의 반대방향으로 변형하든지 하여야 하기 때문에 컴팩트한 설계를 하지 못한다는 문제점이 있다.
또한, 종래의 순환 유동층 보일러는 루프실 공기공급관의 배열이 복잡할 뿐만 아니라, 운전상황에 따라 루프실에서 온도가 상승하여 응집이 발생하거나 루프실의 분산노즐이 폐색되어 교체가 필요한 경우 루프실의 유지,보수가 용이하지 않다는 문제점이 있다.
대한민국특허공개번호 제10-2005-0061531호(발명의 명칭:분리기 및 일체형 가속 덕트를 구비한 순환 유동 베드반응기)명세서 참조 대한민국특허공개번호 제10-2011-0086105호(발명의 명칭:순환 유동층 보일러)명세서 참조
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 컴팩트한 설계가 가능한 순환 유동층 보일러를 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 다른 과제는 사이클론의 비산회 입자의 포집 성능을 동일하게 유지하면서도 루프실의 유지, 보수가 용이한 순환 유동층 보일러를 제공하는 것이다.
상술한 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 연료의 연소가 이루어지는 연소로와, 비산회 입자를 포집하는 사이클론과, 상기 비산회 입자를 상기 연소로의 하부로 재주입시키는 루프실, 상기 연소로와 상기 사이클론을 연결하는 연결관과, 상기 루프실과 상기 연소로를 연결하는 제2배출관을 구비하고, 상기 루프실은 유동층, 분산노즐 및 공기상자로 구성된 순환 유동층 보일러에 있어서, 상기 사이클론의 하부는 비대칭 깔대기 형상으로 경사부, 수직부 및 제1배출관을 포함하여 구성되고, 상기 경사부는 상기 사이클론의 중심축을 기준으로 상기 연소로측 방향에 위치하며 상기 중심축에 대하여 일정각도로 경사가 형성되어 있으며, 상기 수직부는 상기 사이클론의 중심축을 기준으로 상기 연소로측 방향과 반대 방향에 위치하며 상기 사이클론의 중심축과 평행하고, 상기 제1배출관의 상부는 상기 경사부 및 상기 수직부에 연결되고 상기 제1배출관의 하부는 상기 루프실에 연결되며 상기 사이클론의 중심축을 기준으로 연소로의 반대 방향에 위치하며, 상기 제2배출관은 상기 루프실 및 상기 연소로에 연결되며 수평면과 이루는 각도가 45°이상인 것을 특징으로 하는 순환 유동층 보일러를 제공한다.
본 발명의 다른 실시형태에 의하면, 본 발명은 연료의 연소가 이루어지는 연소로와, 비산회 입자를 포집하는 사이클론과, 외부열교환기와, 상기 비산회 입자를 상기 외부열교환기로 주입시키는 루프실, 상기 연소로와 상기 사이클론을 연결하는 연결관과, 상기 외부열교환기와 상기 연소로를 연결하는 제2배출관을 구비하고, 상기 루프실은 유동층, 분산노즐 및 공기상자로 구성된 순환 유동층 보일러에 있어서, 상기 사이클론의 하부는 비대칭 깔대기 형상으로 경사부, 수직부 및 제1배출관을 포함하여 구성되고, 상기 경사부는 상기 사이클론의 중심축을 기준으로 상기 연소로측 방향에 위치하며 상기 중심축에 대하여 일정각도로 경사가 형성되어 있으며, 상기 수직부는 상기 사이클론의 중심축을 기준으로 상기 연소로측 방향과 반대 방향에 위치하며 상기 사이클론의 중심축과 평행하고, 상기 제1배출관의 상부는 상기 경사부 및 상기 수직부에 연결되고 상기 제1배출관의 하부는 상기 루프실에 연결되며 상기 사이클론의 중심축을 기준으로 연소로의 반대 방향에 위치하며, 상기 외부열교환기의 상부는 상기 루프실에 연결되고 상기 외부열교환기의 하부는 상기 제2배출관에 연결되고, 상기 제2배출관은 상기 외부열교환기 및 상기 연소로에 연결되며 수평면과 이루는 각도가 45°이상인 것을 특징으로 하는 순환 유동층 보일러를 제공한다.
상기 연결관은 상기 연소로에 삽입되는 것도 가능하다.
상기 루프실은 상기 사이클론의 중심축에 수직인 면에 대해 90°로 회전된 상태로 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 순환 유동층 보일러의 효과를 설명하면 다음과 같다.
첫째, 사이클론 하부 배출관을 사이클론 벽부분과 일직선이 되도록 하되, 사이클론 하부 배출관은 사이클론 중심축을 기준으로 연소로의 반대방향에 위치하도록 하여 컴팩트한 설계를 할 수 있다는 이점이 있다.
둘째, 개선된 사이클론을 구비하여 사이클론에서 비산 입자의 포집성능은 동일하면서도 루프실의 유지, 보수가 간편하다는 이점이 있다.
도 1은 종래의 외부열교환기를 포함하지 않은 순환 유동층 보일러를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 종래의 외부열교환기를 포함한 순환 유동층 보일러를 개략적으로 나타낸 도면.
도 3은 본 발명 따른 외부열교환기를 포함하지 않은 순환 유동층 보일러의 일실시예를 나타낸 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 외부열교환기를 포함한 순환 유동층 보일러의 일실시예를 나타낸 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 외부열교환기를 포함한 순환 유동층 보일러의 다른 실시예를 나타낸 구성도.
도 6은 본 발명에 따른 외부열교환기를 포함한 순환 유동층 보일러의 또다른실시예를 나타낸 구성도.
도7은 본 발명에 따른 외부열교환기를 포함한 순환 유동층 보일러의 일실시예를 나타낸 측면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 순환 유동층 보일러의 실시 예를 설명한다.
도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 순환 유동층 보일러를 설명한다. 본 실시 예에 따른 순환 유동층 보일러는 연료의 연소가 이루어지는 연소로(100)와, 비산회 입자를 포집하는 사이클론(300)과, 상기 비산회 입자를 상기 연소로(100)의 하부로 재주입시키는 루프실(400), 상기 연소로(100)와 상기 사이클론(300)을 연결하는 연결관(200)과, 상기 루프실(400)과 상기 연소로(100)를 연결하는 제2배출관(500)을 구비하고, 상기 루프실(400)은 유동층, 분산노즐 및 공기상자로 구성된 순환 유동층 보일러에 있어서, 상기 사이클론의 하부는 비대칭 깔대기 형상으로 경사부(310), 수직부(320) 및 제1배출관(330)을 포함한다.
상기 경사부(310)는 상기 사이클론(300)의 중심축을 기준으로 할 때 상기 연소로(100)에 가까운 쪽에 위치하고, 상기 중심축에 대하여 일정각도로 경사가 형성되어 있으며 상기 경사는 음의 기울기를 갖는다.
상기 수직부(320)는 상기 사이클론(300)의 중심축을 기준으로 할 때 상기 연소로(100)와 먼 쪽에 위치하며, 상기 사이클론(300)의 중심축에 대해 평행한 것이 바람직하나, 경사를 갖도록 구성할 수도 있다.
상기 제2배출관(500)의 상단은 상기 루프실(400) 상단과 연결되어 있으며, 상기 제2배출관(500)의 하단은 상기 연소실(100)의 하부와 연결된다. 즉, 상기 제2배출관(500)의 상단은 상기 경사부(310) 하단 및 수직부(320) 하단에 연결되어 있다.
여기서, 상기 제2배출관(500)은 상기 사이클론(300)에서 포집된 비산회 입자의 순환이 원할 하도록 수평면과 이루는 각도가 최소 45°이상이 되어야 하며, 통상 60°가 적합하다. 이는 비산회 입자가 흘러내릴 수 있는 임계각도인 비산회 입자의 안식각을 유지하기 위해서이다.
상기 비대칭 깔대기의 형상을 갖는 사이클론(300)을 사용함으로써, 상기 연결관(200)을 상기 연소로(100) 내측으로 삽입하여 보다 컴팩트한 순환 유동층 보일러를 설계할 수 있다.
도 4 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 순환 유동층 보일러를 설명한다.
본 실시 예에 따른 순환 유동층 보일러는 외부열교환기(600)를 더 포함한다.
상기 외부열교환기(600)는 순환 유동층 보일러가 대용량화되어 추가적인 열교환을 위한 전열면적이 필요하거나 폐기물고체연료(RDF)와 같이 Cl을 많이 포함하고 있는 연료를 연소할 경우에 생기는 튜브 부식문제를 해결하기 위하여 설치된다.
도 4를 참조하면, 상기 외부열교환기(600)의 상부는 상기 루프실(400)의 하부에 연결되고, 상기 외부열교환기(600)의 하부는 상기 제2배출관(500)에 연결된다.
상기 제2배출관(500)은 상기 외부열교환기(600) 및 상기 연소로(500)에 연결된다.
또한, 상기 제2배출관(500)의 상부는 상기 외부열교환기(600)의 하부에 연결되고, 상기 제2배출관(500)의 하부는 상기 연소로(500)의 하부에 연결되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 제2배출관(500)은 상기 사이클론(300)에서 포집된 비산회 입자의 순환이 원할 하도록 수평면과 이루는 각도가 최소 45°이상이 되어야 하며, 통상 60°가 적합하다. 이는 비산회 입자가 흘러내릴 수 있는 임계각도인 비산회 입자의 안식각을 유지하기 위해서이다.
도 5를 참조하면, 상기 루프실(400)은 도 4에 도시된 바와 같이 설치되는 것을 기준으로, 상기 사이클론(300)의 중심축에 수직인 면에 대해 임의의 각도로 회전된 상태로 설치될 수도 있다. 상기 각도를 90°로 함으로써 상기 순환 유동층 보일러는 보다 컴팩트하게 설계될 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 연결관(200)은 상기 연소로(100) 내측으로 삽입될 수도 있으며, 이때, 상기 도 6에 도시된 바와 같이 상기 루프실(400)을 상기 사이클론(300)의 중심축에 수직인 면에 대해 임의의 각도로 회전된 상태로 설치됨으로써, 상기 순환 유동층 보일러는 보다 컴팩트하게 구성될 수 있고, 뿐만 아니라 상기 외부열교환기(600) 또는 상기 루프실(400)의 주변 공간이 넓어지게 되어 상기 순환 유동층 보일러의 유지 및 보수가 용이하게 된다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
100: 연소로 200: 연결관
300: 사이클론 310: 경사부
320: 수직부 330: 제1배출관
400: 루프실 500 : 제2배출관
600: 외부열교환기

Claims (4)

  1. 연료의 연소가 이루어지는 연소로와, 비산회 입자를 포집하는 사이클론과, 상기 비산회 입자를 상기 연소로의 하부로 재주입시키는 루프실, 상기 연소로와 상기 사이클론을 연결하는 연결관과, 상기 루프실과 상기 연소로를 연결하는 제2배출관을 구비하고, 상기 루프실은 유동층, 분산노즐 및 공기상자로 구성된 순환 유동층 보일러에 있어서,
    상기 사이클론의 하부는 비대칭 깔대기 형상으로 경사부, 수직부 및 제1배출관을 포함하여 구성되고,
    상기 경사부는 상기 사이클론의 중심축을 기준으로 상기 연소로측 방향에 위치하며 상기 중심축에 대하여 일정각도로 경사가 형성되어 있으며,
    상기 수직부는 상기 사이클론의 중심축을 기준으로 상기 연소로측 방향과 반대 방향에 위치하며 상기 사이클론의 중심축과 평행하고,
    상기 제1배출관의 상부는 상기 경사부 및 상기 수직부에 연결되고 상기 제1배출관의 하부는 상기 루프실에 연결되며 상기 사이클론의 중심축을 기준으로 연소로의 반대 방향에 위치하며,
    상기 제2배출관은 상기 루프실 및 상기 연소로에 연결되며 수평면과 이루는 각도가 45°이상인 것을 특징으로 하는 순환 유동층 보일러.
  2. 연료의 연소가 이루어지는 연소로와, 비산회 입자를 포집하는 사이클론과, 외부열교환기와, 상기 비산회 입자를 상기 외부열교환기로 주입시키는 루프실, 상기 연소로와 상기 사이클론을 연결하는 연결관과, 상기 외부열교환기와 상기 연소로를 연결하는 제2배출관을 구비하고, 상기 루프실은 유동층, 분산노즐 및 공기상자로 구성된 순환 유동층 보일러에 있어서,
    상기 사이클론의 하부는 비대칭 깔대기 형상으로 경사부, 수직부 및 제1배출관을 포함하여 구성되고,
    상기 경사부는 상기 사이클론의 중심축을 기준으로 상기 연소로측 방향에 위치하며 상기 중심축에 대하여 일정각도로 경사가 형성되어 있으며,
    상기 수직부는 상기 사이클론의 중심축을 기준으로 상기 연소로측 방향과 반대 방향에 위치하며 상기 사이클론의 중심축과 평행하고,
    상기 제1배출관의 상부는 상기 경사부 및 상기 수직부에 연결되고 상기 제1배출관의 하부는 상기 루프실에 연결되며 상기 사이클론의 중심축을 기준으로 연소로의 반대 방향에 위치하며,
    상기 외부열교환기의 상부는 상기 루프실에 연결되고 상기 외부열교환기의 하부는 상기 제2배출관에 연결되고,
    상기 제2배출관은 상기 외부열교환기 및 상기 연소로에 연결되며 수평면과 이루는 각도가 45°이상인 것을 특징으로 하는 순환 유동층 보일러.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연결관은 상기 연소로에 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 순환 유동층 보일러.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 루프실은 상기 사이클론의 중심축에 수직인 면에 대해 90°로 회전된 상태로 설치된 것을 특징으로 하는 순환 유동층 보일러.











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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20160110570A (ko) 2015-03-09 2016-09-22 현대중공업 주식회사 가동식 위어가 구비된 열교환기를 갖는 순환유동층보일러
CN111457411A (zh) * 2020-04-23 2020-07-28 杭州富阳林长发科技有限公司 一种用于户外且可高效燃烧的节能炉
JP2021063628A (ja) * 2019-10-16 2021-04-22 住友金属鉱山株式会社 循環流動層ボイラのシールポットの補修方法
KR20210131562A (ko) 2020-04-24 2021-11-03 한국에너지기술연구원 산화제 농도 및 열량을 제어하여 승온 속도를 증가시키는 순환유동층 반응기 제어 방법 및 이를 이용하는 순환유동층 연소 시스템

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