KR20130096317A - 고온의 고형물 유동을 위한 두 개의 외부 열 교환기를 갖는 순환 유동층 보일러 - Google Patents

고온의 고형물 유동을 위한 두 개의 외부 열 교환기를 갖는 순환 유동층 보일러 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 노(furnace)(12), 고형물 분리기(solids separator)(16), 제 1 유동층 열 교환 챔버(72), 및 제 2 유동층 열 교환 챔버(74)를 포함하는 순환 유동층 보일러(10)에 관한 것으로, 상기 제 1 유동층 열 교환 챔버(72)는 상기 제 2 유동층 열 교환 챔버(74) 위에 위치하고, 냉각된 고형물은 상기 제 1 유동층 열 교환 챔버(72)로부터 노(12)의 하부 부분으로 운반되며, 제 2 유동층 열 교환 챔버(72)는 제 1 열 교환 챔버(74)로부터 복귀 채널(86)의 하단부 사이에 위치한다.

Description

고온의 고형물 유동을 위한 두 개의 외부 열 교환기를 갖는 순환 유동층 보일러{CIRCULATING FLUIDIZED BED BOILER HAVING TWO EXTERNAL HEAT EXCHANGER FOR HOT SOLIDS FLOW}
본 발명은 독립항의 도입부에 따른 순환 유동층에 관한 것이다. 본 발명은 청구항 제 1항의 전제부에 따른 순환 유동층 보일러에 관한 것이다.
본 발명의 순환 유동층 보일러는, 예를 들어, 전력 생산 또는 산업용 증기 생산을 위한 관류 시설(once through utility)(OTU)인 것이 바람직하다. 보일러의 크기가 증가함에 따라, 노(furnace)의 부피에 대한 벽 표면적의 관계는 일반적으로 불리하게 되는데, 이는, 예를 들어, 서로 다른 재료의 공급과 혼합뿐만 아니라, 노에 대한 서로 다른 장치와 도관(conduit)의 배치에서 문제를 일으킬 수 있다. 본 발명은 특히 대형 유동층(CFB) 보일러에 관한 문제를 해결하는 것에 관한 것이다.
순환 유동층 보일러는, 연료를 연소하기 위한 노, 노 밖으로 연도 가스(flue gas)를 배출하기 위해 노의 상부 섹션에 연결된 출구 채널(outlet channel), 노로부터 출구 채널을 통해 연도 가스를 수용하고, 연도 가스로부터 고형물 입자를 분리하기 위한 고형물 분리기(solid separator)를 포함한다. CFB 보일러는, 상기 고형물 분리기의 하부 부분에서 노의 하부 섹션으로 고형물 분리기에 의해 분리된 고온의 고형물을 운반하기 위한 복귀 채널과, 상기 고형물 분리기의 상부 부분에서 보일러의 백패스(backpass), 가스 청정 장치, 및 추가로 스택을 통해 외부 환경으로 청정 연도 가스를 운반하기 위한 연도 가스 덕트(flue gas duct)를 더 포함한다. 출구 채널, 고형물 분리기, 및 복귀 채널은 소위 외부 고온 순환을 형성하고, 여기에서, 연도 가스에 동반된 고온 고형물은 먼저 노의 밖으로 나간 다음, 분리기에서 처리되며, 마지막으로 노로 복귀된다. 가장 흔하게, 고형물 복귀 채널과 유동이 통하는 외부 순환 어딘가에서, 유동층 열 교환기가 배열된다. 열 교환기는, 복귀 채널이 열 교환기로부터 노의 하부 섹션으로 고형물을 운반하도록, 고형물 분리기의 하부 부분에 지지될 수 있다. 또는 열 교환기는, 복귀 채널이 고형물 분리기로부터 열 교환 챔버로 고형물을 운반하도록, 노의 측벽(side wall)에 의해 지지될 수 있다. 유동층 열 교환기에 관해서, 이들은 또한 내부 순환에, 즉, 노 벽을 따라 아래로 유동하는 층 물질로부터 고형물을 수용하기 위해, 배열될 수 있다. 그리고, 자연히, 내부 또는 외부 순환 또는 동시에 양 순환으로부터 고형물을 수용할 수 있는 유동층 열 교환기가 또한 존재한다. 노의 하부 섹션은 노에 연료, 비활성 층 재료, 및 가능한 황 결합제를 공급하기 위한 수단을 구비하고, 마지막으로, 노의 바닥은 산화물 함유 유동화 가스를 노에 공급하는 수단, 즉, 가스 입구 채널, 윈드 박스(wind box), 및 노즐을 구비한다.
WO-A2-2007128883은 CFB 보일러용 유동층 열 교환기 구조를 논의한다. 상기 WO 문서의 CFB 보일러, 또는 사실상, 유동층 열 교환기는, 복귀 채널과 유동이 통하도록 직렬로 배열된 두 개의 열 교환 챔버를 포함하여, 고형물 분리기 아래에 지지된 제 1 유동층 열 교환 챔버는 고온의 고형물을 직접, 실제, 가스 밀봉부(gas seal)를 통해, 고형물 분리기로부터 수용한 다음, 정상 조건에서 냉각된 고형물을 노의 하부 섹션의 벽과 연결되어 배열된 제 2 유동층 열 교환 챔버로 배출한다. 마지막으로, 냉각된 고형물은 제 2 열 교환 챔버로부터 노로 복귀된다. WO 문서의 교시에 따라, 상부 열 교환 챔버는 또한 냉각된 고형물을 상부 열 교환 챔버로부터 직접 노로 복귀시키기 위한 수단을 구비한다. 양 열 교환 챔버는, 노의 하부 섹션으로 복귀되기 전에 고형물을 냉각시키기 위해 열 교환 챔버 내에 배열된 내부 열 교환 표면을 갖는다. 즉, 앞에서 논의된 두 개의 열 교환 챔버는 CFB 보일러의 외부 고형물 순환에서 직렬로 연결된다. 제 2, 즉, 상기 논의된 WO 문서의 하부 열 교환 챔버의 특징적인 특징은, 열 교환 챔버가 제 1 열 교환 챔버뿐만 아니라, 내부 순환으로부터 고온 고형물을 수용할 수 있고, 즉, 제 2 열 교환 챔버는 노의 하부 섹션의 벽에 배열된 입구를 구비하여, 보일러 벽을 따라 아래로 유동하는 고온 고형물은 제 2 유동층 열 교환 챔버에 진입할 수 있다는 것이다. 또한, WO 문서의 열 교환기 장치는, 제 1 열 교환 챔버 안으로의 고형물 유동이 제 1 열 교환 챔버 밖으로의 배출 유동보다 더 큰 경우, 제 1 열 교환 챔버로부터 직접 제 2 열 교환 챔버로 고형물의 넘침(overflow)을 허용하기 위한 수단을 구비한다. 열 교환기에 관한 이러한 논의와 관련해서, 대형 CFB 보일러는 여러 개의 평행한 고형물 분리기와, 보일러의 일 측 또는 양측 중 어느 하나에서 복귀 채널에 연결된 열 교환기를 일반적으로 구비하지만, 명확함의 이유 때문에, 본 발명의 다음 상세한 설명에서는 하나의 고형물 분리기를 갖는 오직 하나의 열 교환 장치만이 주로 논의되었다.
WO-A2-2007128883의 유동층 열 교환기의 전개에서 출발 지점은, 그 자유자재의 조절 가능성 때문에 거의 모든 가능한 용도에서 사용될 수 있는 열 교환 장치를 만들 수 있다는 것이었다. WO 문서의 구성이 해결한 문제는, 노의 하부 섹션의 외부 벽에서 유동층 열 교환 챔버의 일반적인 위치에 관한 것이었다. CFB 보일러가 발달했지만, 유동층 열 교환 챔버의 크기를 증가시키는 것이 불가능했고, 이에 따라, 열 교환 챔버의 높이를 증가시키는 것이 유동화 공기(fluidization air)에서 압력 손실의 증가를 가져오기 때문에, 열 교환기 폭의 증가는 공간의 부족 때문에 불가능했다. 그래서, CFB 보일러의 증가하는 크기는 열 교환기를 서로 겹쳐 배열하여 WO 문서에서 고려되었고, 이에 의해 이용 가능한 공간과 허용 가능한 압력 손실 모두에 관한 요건이 고려되었다. 마지막으로, 열 교환 장치의 조절 가능성(adjustability) 또는 제어 가능성(controllability)은, 상기 장치에, 서로 다른 여러 방법으로 상기 장치를 작동하는 가능성을 제공하는 설비(equipment)를 제공하여 보장되었다.
그러나, 앞에서 논의된 모든 사항 및 이와 다른 사항이 열 교환 장치의 디자인에 고려되면, 상기 장치의 구성은 일부 특정 애플리케이션 때문에 덜 최적화되었다. 이러한 애플리케이션은, 광범위한 제어가 요구되지 않는 경우이거나 또는 열 교환 챔버의 직렬 연결이 어떠한 이유 때문에 요망되지 않는 경우이다. 즉, 종래 기술의 장치(arrangement)는 몇 가지 단점 또는 문제를 안고 있다.
첫 번째, 상부 열 교환 챔버는 냉각된 고형물을 하부로 배출할 것으로 가정되기 때문에, 열 교환 챔버 사이의 채널은 상부 열 교환 챔버와 노 사이로 진행하여 제 1 / 상부 열 교환 챔버가 노 벽(furnace wall)으로부터 실질적으로 멀리 위치하도록 한다. 이것은 또한 상부 열 교환 챔버가 분리기 바로 아래에 정상 위치하고 분리기로부터 지지되기 때문에, 고형물 분리기가 노에서 멀리 위치해야만 한다는 것을 의미한다.
두 번째, 하부 열 교환 챔버는 상부 열 교환 챔버로부터 냉각된 모든 고형물과, 가능하면 또한 내부 순환으로부터 일부 추가 고형물을 수용할 수 있는 것으로 가정되기 때문에, 하부 열 교환 챔버의 부피는 적어도 상부 열 교환 챔버의 부피와 같아야 한다는 점이 분명하다. WO-A2-2007128883과 관련해서 이미 논의된 바와 같이 하부 열 교환기의 높이와 폭(노 벽에 평행한 방향으로) 어느 것도 자유롭게 선택될 수 없지만, 유동화에서 압력 손실과, 열 교환 챔버에 의해 점유된 공간은 모두 고려되어야 한다. 상기 고려사항은, 하부 열 교환 챔버의 치수가 상부 열 교환 챔버의 치수와 실질적으로 같게 한다. 그래서, 노의 하부 섹션과 관련해서, 예를 들어, 스타트-업 버너(start-up burner), 하부 노 온도 측정 수단, 층 압력(bed pressure) 측정 수단, 연료, 층 재료, 2차 공기, 첨가제, 재순환된 연도 가스(사용시) 등의 주입 수단과 같이, 보일러를 작동시키는데 필요한 설비를 위한 공간이 거의 없다.
세 번째, 여러 작동 대안, 즉, 종래 기술 보일러의 제어 옵션 때문에, 각각의 대안에 대한 도관과 채널이 있다. 예를 들어, 상부 열 교환 챔버는, 분리기로부터 하나의 입구와, 여러 출구 채널 및 리프트 채널이 있다. 하나의 리프트 채널과 출구 채널은 하부 열 교환기로 진행하고, 다른 리프트 채널과 출구 채널은 노로 진행하며, 오버플로우 채널은 하부 열 교환 챔버와 노 모두로 진행한다. 채널 외에 또한 다소 복잡한 유동화 수단 및 유동화를 조절하기 위해 제어 수단이 상부 열 교환 챔버에 필요하다. 여러 채널과 도관이 서로 다른 온도에서 구성요소를 분리하기 위해 벨로즈(bellows)를 필요로 하면(필요로 할 때), 벨로즈는 다시 공간을 점유하고, 앞에서 이미 논의된 여러 채널, 도관, 유동화 설비, 및 제어 시스템과 함께 열 교환기 장치의 비용을 또한 증가시킨다. 또한, 추가로, 모든 채널과 도관은 물/증기 튜브 벽으로 제조되고 증기/물 시스템의 나머지 부분에 연결되거나, 또는 제조에 관계없이 내화 재료로 제조될 필요가 있고, 이것은, 물/증기 튜브 벽의 채널 또는 내화 재료를 구성하는 것이 복잡하고 시간을 소비하는 작업이기 때문에 비용을 증가시킨다.
상기 이유 때문에, CFB 보일러와 그 열 교환기 장치의 구성을 향상시키는 것이 필요한 것으로 밝혀졌다.
본 발명의 목적은, 앞에서 논의된 종래 기술의 문제점과 단점이 최소화되는, 순환 유동층 보일러를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가 목적은, 종래 기술과 비교해서 더 간단한 열 교환기 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 추가 목적은, 보일러 설계자에게, 노의 하부 섹션에서 보일러 시스템의 여러 구성요소 배치시 더 많은 대안을 제공하는 열 교환기 장치를 제공하는 것이다.
종래 기술의 상기 기재된 문제점을 해결하기 위해 신규 열 교환기 장치를 구비한 순환 유동층 보일러가 제공된다. CFB 보일러는, 급속 유동층(fast fluidized bed)에서 고형 탄소질 연료를 연소시키는 노(상기 노는, 물/증기 튜브 패널로 제조되고 여기에 공급된 물을 증발시키기 위해 사용된 벽을 구비함)와; 노의 상부 부분으로부터 출구 채널을 통해 배출된 배기 가스로 부유 운반된 고형물을 분리하기 위해 노의 측벽에 인접하게 배열된 고형물 분리기와; 상기 분리된 고형물의 적어도 일부를, 가스 밀봉부의 하류에 배열되고 내부 열 교환 표면을 갖는 제 1 유동층 열 교환 챔버로 운반하기 위한 가스 밀봉부(gas seal)와; 제 1 유동층 열 교환 챔버의 바닥 부분에 연결된 하단부와 제 1 유동층 열 교환 챔버로부터 고형물을 배출하고 냉각된 고형물을 노의 하부 부분으로 운반하기 위해 제 1 복귀 채널의 상단부에 연결된 상단부를 갖는, 제 1 리프트 채널과; 노의 하부 측벽에 인접하게 배열되고, 내부 열 교환 표면과, 제 2 유동층 열 교환 챔버와 노로부터 제 2 열 교환 챔버로 고온의 고형물을 도입하기 위한 상기 노 사이에 배열된 입구 채널과, 제 2 유동층 열 교환 챔버의 바닥 부분에 연결된 하단부와 고형물을 노의 하부 부분으로 배출하기 위해 연결된 상단부를 갖는 제 2 리프트 채널(lift channel)을 갖는 제 2 유동층 열 교환 챔버와; 제 2 유동층 열 교환 챔버 위에 위치하는 상기 제 1 유동층 열 교환 챔버를 포함하고, 제 1 열 교환 챔버는 그 측부 면에 배열된 두 개의 제 1 리프트 채널과 두 개의 제 1 복귀 채널을 구비하여, 제 2 열 교환 챔버는 두 개의 제 1 복귀 채널의 하단부 사이에 위치한다.
본 발명의 다른 특징은 종속항에서 논의되었다.
본 발명의 CFB 보일러의 구성과 설계로 얻어진 이점은 다음과 같다:
● 더 작은 크기의 하부열 교환 챔버
● 하부 열 교환 챔버는 가벼운 구성을 갖는다
● 하부 열 교환 챔버는 노 벽으로부터 지지하기 더 용이하다
● 하부 열 교환 챔버는 다른 설비를 위한 공간을 남겨 둔다
● 상부 유동층 열 교환 챔버로부터 하부 유동층 열 교환 챔버로 복귀 채널 없음
● 간단한 열 교환기 장치 구성
● 노에 더욱 가까운 분리기와 상부 열 교환 챔버
● 하부 유동층 열 교환 챔버의 측면에 CFB 보일러의 작동에 필요한 설비를 배치할 가능성
● 상부 및 하부 열 교환 챔버에 진입하는 고형물의 서로 다른 온도
● 하부 열 교환 챔버와 관련하여 벨로즈(bellows)를 사용할 필요가 없음
● 상부 열 교환 챔버에서 배출된 고형물에서 연료 혼합
● 노의 층 영역에서 하부 열 교환 챔버로부터 배출된 고형물과 연료의 혼합
● 개별 지지된 상부와 하부 열 교환 챔버, 고형물 분리기와 노의 하부 섹션의 벽 사이에서 분할된 챔버의 중량
● 고형물이 오직 하나의 열 교환 챔버를 통과할 때, 더 높은 온도에서 상부 열 교환 챔버로부터 노의 하부 부분으로 복귀하는 고형물
본 발명은, 종래 기술의 문제점과 단점이 최소화되는, 순환 유동층 보일러를 제공하는 효과를 갖는다.
본 발명은, 첨부된 도면을 참조하여 아래에서 보다 상세히 기술된다.
도 1은, 종래 기술에 따른 열 교환기 장치를 구비하는 순환 유동층 보일러의 개략적인 수직 단면도를 도시하는 도면.
도 2는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열 교환기 장치의 개략적인 수직 단면도를 도시하는 도면.
도 3은, 도 2의 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열 교환기 장치의 개략적인 후면도를 도시하는 도면.
도 1은, 연료를 연소시키기 위한 노(furnace)(12), 노(12) 밖으로 연도 가스를 배출하기 위해 노(12)의 상부 섹션에 연결된 출구 채널(outlet channel)(14), 노(12)로부터 출구 채널(14)을 통해 연도 가스를 수용하고, 연도 가스로부터 고형 입자를 분리하기 위한 고형물 분리기(solid separator)(16)를 포함하는 종래 기술의 순환 유동층(circulating fluidized bed)(CFB) 보일러(10)를 예시한다. CFB 보일러(10)는, 상기 고형물 분리기(16)의 하부 부분에서 노(12)의 하부 섹션을 향해 분리기 밖으로 고형물 분리기(16)에 의해 분리된 고온 고형물을 운반하기 위한 복귀 채널과, 상기 고형물 분리기(16)의 상부 부분에서 보일러의 백패스(backpass), 가스 청정 장치, 및 추가로 스택을 통해 외부환경으로 청정 연도 가스를 운반하기 위한 연도 가스 덕트(20)를 더 포함한다. 출구 채널(14), 고형물 분리기(16), 및 복귀 채널(18)은 소위 외부 고온 순환을 형성하고, 연도 가스에 부유 운반된 고온의 고형물은 먼저 노(12) 밖으로 운반된 다음, 분리기(16)에서 처리되고, 마지막으로 노(12)로 복귀된다. 노(12)의 하부 섹션은, 연료, 비활성 층 재료, 2차 공기, 및 가능한 황 결합제를 노에 공급하기 위한 수단(22)을 구비하고, 마지막으로, 노의 바닥은 노(12)에 산화물 함유 유동화 가스를 공급하기 위한 수단을 구비하고, 즉, 상기 공급 수단은 가스 입구 채널(24), 윈드 박스(26), 및 노즐(28)을 포함한다.
가장 흔하게, 외부 순환 어딘가에 유동층 열 교환기가 배열된다. 유동층 열 교환기는, 복귀 채널이 열 교환기로부터 노의 하부 섹션으로 고형물을 운반하도록, 고형물 분리기의 하부 부분에 지지될 수 있다. 또는 유동층 열 교환기는, 복귀 채널이 고형물 분리기로부터 열 교환 챔버로 고형물을 운반하도록, 노의 측벽에 의해 지지될 수 있다. 종래 기술은 내부 순환에서 노 벽 외부에 배열된 유동층 열 교환 챔버를 또한 인지하고, 이는, 유동층 열 교환 챔버가 노 벽을 따라 아래로 유동하는 고형물을 수용하고, 고형물을 냉각하며, 이들을 노로 다시 복귀시킨다는 것을 의미한다.
도 1은, 유동층 열 교환기가 고형물 분리기 사이에 두 개의 열 교환 챔버; 제 1 또는 상부 열 교환 챔버(36)와, 상기 제 1 열 교환 챔버(36) 아래에 배열된 제 2 또는 하부 열 교환 챔버(38)를 포함하고, 각각의 열 교환 챔버는 내부 열 교환 표면(32, 34)을 구비한다. 제 1 및 제 2 열 교환 챔버(36, 38)의 바닥은, 열 교환 챔버에서 형성되는 고형물의 층을 유동화하기 위한 가스 입구 덕트(40, 42), 윈드 박스(44, 46), 및 노즐(48, 50)을 구비한다.
작동시 도 1의 열 교환기는, 분리기(16)로부터 유동하는 고온 고형물이 복귀 채널(18)을 따라서 가스 밀봉부(52)를 통해 제 1 열 교환 챔버(36)에서 입자의 유동층의 상부 부분으로 통과하도록 작용한다. 열 교환 챔버의 하부 섹션은 리프팅 채널(54)을 구비하고, 상기 리프팅 채널의 하부 섹션은 노즐(56)을 가지며, 이는 고형물 유동이 원하는 속도로 열 교환 챔버(36)를 통해서 리프팅 채널(54)의 상부 부분을 통해 제 2 열 교환 챔버(38)의 입구 채널(58)로 추가 배출되도록 한다. 제 1 열 교환 챔버(36)의 상부 섹션은, 과도한 고형물이 제 2 열 교환 챔버(38)로 배출되거나 또는 노(12)로 다시 배출되는 오버플로우 채널(60)로 배열되는 것이 바람직하다 {리프팅 채널(54)을 통해 배출될 고형물의 양이 분리기(16)를 통해 열 교환 챔버(36)에 진입하는 고형물의 양보다 적은 경우}. 제 1 열 교환 챔버(36)를 통과하는 고형물의 양은 리프팅 채널(54)과 오버플로우 채널(60)에 의해 조절되는 것이 바람직하다.
도 1의 장치에서, 하부 열 교환 챔버(38)는, 하부 열 교환 챔버에서 열 교환 챔버에 진입하는 입자의 유동이, 상부, 즉, 제 1 열 교환 챔버(36)의 리프팅 채널(54)의 상부 부분과 오버플로우 채널(60)로부터 입구 채널(58)을 따라 하부, 즉, 제 2 열 교환 챔버(38)에서 입자의 유동층의 상부 부분으로 수용되는 것을 제외하면, 상부 열 교환 챔버(36)와 동일하다. 제 1 열 교환 챔버(36)의 방식으로, 제 2 열 교환 챔버(38)는 또한 챔버(38)로부터 냉각된 고형물을 배출하기 위한 리프팅 채널(61)을 갖고, 열 교환 챔버(38)에 진입하는 고형물의 양이 리프팅 채널(61)이 배출할 수 있는 양보다 큰 경우 오버플로우 채널(62)을 갖는다. 또한, 하부 열 교환 챔버(38)의 리프팅 채널(61)의 상부 부분과, 오버플로우 채널(62)로부터 배출될 고형물은 노(12)로 들어간다.
또한, 도 1은, 하부 열 교환 챔버(38), 바람직하게는 입구 채널(58)이, 노(12)에서 고형물의 내부 순환으로부터 직접 열 교환 챔버(38)로 고형물을 통과시키기 위해 입구 개구(inlet opening)(64)를 포함하는 방법을 또한 도시한다. 입구 개구(64)는, 노의 하부 섹션에서 비스듬한 표면(66)에 {이 경우, 고온의 고형물은 개구(64)를 통해 열 교환 챔버(38)로 유동함}, 또한 보일러(10)의 적은 적재량에서 {이 경우, 노(12)에서 고형물의 유동화 속도는 비교적 낮다} 배열되는 것이 바람직하다.
정상적으로, 노(12)의 벽뿐만 아니라, 고형물 분리기, 유동층 열 교환 챔버, 또한 일부 도관 및 채널의 벽은 소위 증발 표면 또는 물 가열 표면으로 작용하는 물 튜브 패널(때로 멤브레인 벽으로 불림)로 제조되고, 상기 물 튜브 패널에서, 보일러 백패스에 배열된 이코노마이저(economizer)(도 1에 미도시)에서 가열된 보일러 증기 순환의 고압 공급수는 증기로 변환되거나 또는 공급수가 추가 가열된다. 증기 온도는 표면 증발 후 과열기(superheater)에서 추가 증가되고, 상기 과열기의 최종 단계는 외부 고온 순환의 열 교환기(30)에 정상 배열된다. 과열된 증기는 전기를 생산하기 위해 발생기가 연결되어 있는 고압 증기 터빈으로 들어간다. 고효율 보일러에서, 보다 낮은 압력에서 고압 터빈을 빠져나가는 증기는 재가열을 위해 재가열기(reheater)로 들어간다. 재가열기의 최종 단계는 외부 고온 순환의 열 교환기(30)에서 또한 배열될 수 있는 것이 바람직하다. 이에 의해 생성된 고온 증기는, 생산된 증기의 양과 발전소의 총 효율을 증가시키기 위해, 보다 낮은 압력의 증기 터빈으로 추가 진행한다.
그러나, 이미 앞에서 설명한 바와 같이, 도 1의 열 교환기 장치는 많은 단점과 이에 관한 문제점을 갖는다.
첫 번째, 상부 열 교환 챔버는 냉각된 고형물을 하부로 배출할 것으로 가정되기 때문에, 열 교환기 사이의 채널은 상부 열 교환기와 노 사이로 진행하여 제 1 열 교환기가 노에서 실질적으로 멀리 위치하도록 한다. 이것은 또한 열 교환 챔버가 분리기 바로 아래에 정상 위치하고 분리기로부터 지지되기 때문에, 고형물 분리기가 노에서 멀리 위치해야만 한다는 것을 의미한다.
두 번째, 하부 열 교환 챔버는 상부 열 교환 챔버로부터 냉각된 모든 고형물과, 가능하면 또한 내부 순환으로부터 일부 추가 고형물을 수용할 수 있는 것으로 가정되기 때문에, 하부 열 교환 챔버의 부피는 적어도 상부 열 교환 챔버의 부피와 같아야 한다는 점이 분명하다. WO-A2-2007128883에서 이미 논의된 바와 같이 하부 열 교환기의 높이와 폭 어느 것도 자유롭게 선택될 수 없지만, 유동화에서 압력 손실과, 열 교환기에 의해 점유된 공간은 모두 최적화되어야 한다. 이는, 하부 열 교환 챔버의 치수가 상부 열 교환 챔버의 치수와 실질적으로 같게 한다. 그래서, 노의 하부 섹션과 관련해서, 예를 들어, 스타트-업 버너, 하부 노 온도 측정 수단, 층 압력 측정 수단, 연료, 층 재료, 2차 공기, 첨가제, 재순환된 연도 가스(사용시) 등의 주입 수단과 같이, 보일러를 작동시키는데 필요한 설비를 위한 공간이 거의 없다.
세 번째, 여러 작동 대안 때문에, 각각의 대안에 대한 도관과 채널이 있다. 예를 들어, 상부 열 교환 챔버는, 분리기로부터 하나의 입구와, 여러 출구 채널 및 리프트 채널이 있다. 하나의 리프트 채널과 출구 채널은 하부 열 교환기로 진행하고, 다른 리프트 채널과 출구 채널은 노로 진행하며, 오버플로우 채널은 하부 열 교환 챔버로 진행한다. 채널 외에 또한 다소 복잡한 유동화 수단 및 유동화를 조절하기 위해 제어 수단이 상부 열 교환 챔버의 바닥에서 필요하다. 여러 채널과 도관이 서로 다른 온도에서 구성요소를 분리하기 위해 벨로즈를 필요로 하면(필요로 할 때), 벨로즈는 다시 공간을 점유하고, 앞에서 이미 논의된 여러 채널, 도관, 유동화 설비, 및 제어 시스템과 함께 열 교환기 장치의 비용을 또한 증가시킨다.
상술된 단점과 문제점의 적어도 일부에 대한 해결책은, CFB 보일러에 대한 신규 열 교환기 장치를 도시하는 도 2와 3에 예시된다. 열 교환기 장치(70)는, 두 개의 열 교환기 챔버(72와 74)를 포함한다. 상부 열 교환 챔버(72)는 가스 밀봉부(52)를 통해 고형물 분리기(16)와 유동이 통한다. 상부 열 교환 챔버는 분리기로부터 지지되지만, 상부 열 교환 챔버는 노 벽에 매우 가깝기 때문에, 열 교환 챔버는 노 벽과 그 강화 구조에 의해 또한 지지될 수 있다. 열 교환 챔버(72)는 내부 열 교환 표면(76)과, 챔버(72)의 바닥에 노즐(78)을 또한 구비한다. 노즐(78) 아래에는, 분리기(16)로부터 챔버로 진입하는 고형물을 유동화하기 위해 유동층 열 교환 챔버로 유동화 공기(82)를 송풍하기 위한 윈드 박스(80)가 있다. 본 발명의 이러한 바람직한 실시예에서, 상부 유동층 열 교환 챔버(72)는 챔버(72)의 양 측부 면에 두 개의 리프트 채널(84)을 구비하고, 자연히, 냉각된 고형물을 다시 노(12)로 운반하기 위한 두 개의 복귀 채널(86)을 또한 구비한다. 본 발명의 바람직한 추가 실시예에 따라, 복귀 채널(86)은 고형물 유동에 연료를 도입하기 위한 수단(88)을 구비한다.
하부 유동층 열 교환 챔버(74)는 상부 유동층 열 교환 챔버(72) 아래에 배열되고, 바람직하게는 노 하부 섹션의 벽과 연결된다. 또한, 하부 열 교환 챔버(74)는 상부 열 교환 챔버의 복귀 채널(86), 사실상, 복귀 채널(86)의 하단부 사이에 위치한다. 열 교환 챔버(74)는, 바람직하게는 비스듬한, 노 벽(94)에서 개구(92)를 통해 노(12)에서 직접 고온의 고형물을 수용하기 위한 입구 채널(90)을 구비한다. 챔버(74)는, 내부 열 교환 표면(96), 바닥 노즐(98), 및 바닥 아래에서 그곳으로부터 유동화 공기(102)가 유동층 열 교환 챔버(74) 안으로 송풍되는 윈드 박스(100)를 더 포함한다. 하부 유동층 열 교환기(74)는 리프트 채널(104)을 추가로 구비하고, 상기 리프트 채널을 따라 고형물이 챔버(74)로부터 노(12)의 하부 섹션으로 배출된다. 리프트 채널(104)은 그 자체의 노즐, 윈드 박스, 및 고형물을 리프트 채널 안으로 상승시킬 수 있는 공기 공급을 필요로 한다.
본 발명의 이점은 도 2와 3 모두에서 보일 수 있다. 분리기(16)와, 상부 유동층 열 교환 챔버(72)는 도 1의 종래 기술 구조보다 노(12)에 훨씬 더 가깝게 위치한 것으로 도시되었다. 이러한 개선의 이유는, 리프트 채널(84)과 복귀 채널(86)이 종래 기술에서와 같이 챔버와 노 벽 사이가 아니라, 유동층 열 교환 챔버(72)의 측부 면에 배열되었다는 도 3에 도시된 사실이다. 추가 옵션은, 리프트 채널과 복귀 채널이 모두 챔버(72)와 공통 벽을 갖도록 리프트 채널과 복귀 채널을 배열하는 것으로, 도 3과 같은 예시에서, 채널은 나란하지 않지만 (도 3에서와 같이) 서로 번갈아 있어서, 공간의 활용이 매우 효율적이고, 인접한 열 교환 챔버(와 분리기)를 서로 훨씬 더 가깝게 가져올 수 있다.
도 3은, 하부 유동층 열 교환 챔버(74)가 상부 열 교환 챔버(72)보다 더 좁게 구성될 수 있는 방법을 분명하게 도시하는데, 이는, 하부 열 교환 챔버가 고온의 고형물을 노에서만 받기 때문으로, 챔버(74)의 크기, 즉, 폭은 줄어들 수 있다. 그래서, 이러한 구성은 하부 열 교환 챔버(74)의 측부에 다른 설비를 위한 공간을 제공한다. 이러한 것은 노(12)의 벽(94)에 있는 개구(106)에 의해 예시되었다. 개구(106)는 연료, 층 재료, 2차 공기 등을 노에 도입하기 위한 수단 또는 스타트-업 버너를 구비할 수 있다.
유동층 열 교환 챔버의 열 교환 표면에 대해서, 내부 표면(76과 96)(도 2와 3)이 증기 순환에 사용되는 것이 정상적인 실행이다. 실행 가능한 옵션은, 증기가 고압 터빈 안으로 도입되기 전에, 상부 열 교환기(72)의 열 교환 표면(76)을 최종 과열기 단계로 사용하는 것이다. 유사하게 실행 가능한 옵션은, 저압 터빈으로 도입되기 전에, 고압 터빈으로부터 진입하는 증기를 재가열하기 위해 하부 열 교환기(74)의 열 교환 표면(96)을 사용하는 것이다. 그러나, 유동층 열 교환 챔버의 멤브레인 벽의 활용은 자명하지 않다.
열 교환 챔버의 벽 표면을 활용하는 한 가지 대안은, 물 순환에서, 즉, 노의 증기 순환으로 공급될 물을 예비 가열하기 위해 배열하는 것이다. 예를 들어, 한 가지 옵션은, 하부 유동층 열 교환 챔버의 벽으로 연도 가스 도관의 이코노마이저를 통해 물을 공급한 다음, 노 벽의 증발기 튜브에 미리 가열된 물을 도입하는 것이다. 추가 옵션은, 하부 열 교환 챔버 다음의 공급수를 상부 열 교환 챔버의 벽으로 운반하고, 이후 미리 가열된 물을 노의 증발기 패널에 도입하는 것이다. 또 다른 옵션은, 하부 열 교환 챔버 다음에, 상부 열 교환 챔버로부터 노로 안내하는 배출 도관의 벽에 공급수를 운반한 다음, 상부 열 교환 챔버의 벽으로 운반하는 것이다. 이러한 방식으로 공급수 펌프로부터 노 벽의 증발기 튜브로의 공급수 경로는 다음과 같다: 공급수 펌프 - 이코노마이저 - 하부 열 교환 챔버 벽 - 복귀 채널 벽 - 상부 열 교환 챔버 벽 - 노의 물/증기 튜브 패널. 공급수 경로는, 이코노마이저와 하부 열 교환 챔버 벽 사이에 물 냉각 행거 튜브(water cooled hanger tube)를 또한 구비할 수 있다. 추가 옵션으로는, 상부 열 교환 챔버의 벽이 증기 냉각될 수 있고, 선택적으로 증기 냉각 분리기와 통합될 수 있는 것이 또한 가능하다.
본 발명은 예시적인 장치와 관련하여 상술되었지만, 본 발명은 기재된 실시예의 여러 조합 또는 변형예를 또한 포함한다. 특히 많은 분리기와 열 교환기는 도 1 내지 3에 기술된 것과 다를 수 있다. 그래서, 본 명세서에 기재된 예시적인 실시예는 본 발명의 범위를 제한하도록 의도되지 않지만, 여러 다른 실시예가 본 발명에 또한 포함되고, 상기 실시예는 첨부된 청구항과 상기 청구항에서의 한정에 의해서만 제한되는 것이 분명하다.

Claims (9)

  1. 순환 유동층 보일러(circulating fluidized bed boiler)(10)에 있어서,
    - 급속 유동층(fast fluidized bed)에서 고형 탄소질 연료를 연소시키는 노(furnace)(12)로서, 상기 노는, 물/증기 튜브 패널로 제조되고 여기에 공급된 물을 증발시키기 위해 사용된 벽을 갖는, 상기 노(12)와,
    - 상기 노(12)의 상부 부분으로부터 출구 채널(outlet channel)(14)을 통해 배출된 배기 가스로 부유 운반된 고형물을 분리하기 위해 상기 노의 측벽에 인접하게 배열된 고형물 분리기(solids separator)(16)와,
    - 상기 분리된 고형물의 적어도 일부를, 가스 밀봉부(52)의 하류에 배열되고 내부 열 교환 표면(76)을 갖는 제 1 유동층 열 교환 챔버(72)로 운반하기 위한 가스 밀봉부(gas seal)(52)와,
    - 상기 제 1 유동층 열 교환 챔버(72)의 바닥 부분에 연결된 하단부(lower end)와, 상기 제 1 유동층 열 교환 챔버(72)로부터 고형물을 배출하고 냉각된 고형물을 상기 노(12)의 하부 부분으로 운반하기 위해 제 1 복귀 채널(86)의 상단부(upper end)에 연결된 상단부를 갖는, 제 1 리프트 채널(lift channel)과,
    - 상기 노(12)의 하부 측벽에 인접하게 배열되고, 내부 열 교환 표면(96), 상기 제 2 유동층 열 교환 챔버(74)와 상기 노(12)로부터 상기 제 2 열 교환 챔버(74)로 고온의 고형물을 도입하기 위한 상기 노(12) 사이에 배열된 입구 채널(90), 상기 제 2 유동층 열 교환 챔버의 바닥 부분에 연결된 하단부와 고형물을 상기 노(12)의 하부 부분으로 배출하기 위해 연결된 상단부를 갖는 제 2 리프트 채널(lift channel)(104)을 갖는 제 2 유동층 열 교환 챔버(74)와,
    - 상기 제 2 유동층 열 교환 챔버(74) 위에 위치하는 상기 제 1 유동층 열 교환 챔버(72)를
    포함하고,
    상기 제 1 열 교환 챔버(72)는 그 측부 면에 배열된 두 개의 제 1 리프트 채널(84)과 두 개의 제 1 복귀 채널(86)을 구비하여, 상기 제 2 열 교환 챔버(74)는 상기 두 개의 제 1 복귀 채널(86)의 하단부 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는, 순환 유동층 보일러.
  2. 제 1항에 있어서, 연료 공급물, 층 재료 공급물, 2차 가스 공급물, 및 스타트-업 버너 중 하나 이상을, 상기 제 1 복귀 채널(86)과 상기 제 2 유동층 열 교환 챔버(74) 사이에 배치하는 것을 특징으로 하는, 순환 유동층 보일러.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 제 1 복귀 채널(86)은, 상기 노(12)의 하부 부분에 도입될 연료를 수용하는 수단(88)을 구비하는 것을 특징으로 하는, 순환 유동층 보일러.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 유동층 열 교환 챔버(72, 74)는 물 튜브 패널(water tube panel)로 제조된 벽을 갖는 것을 특징으로 하는, 순환 유동층 보일러.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 제 1 복귀 채널(86)은 물 튜브 패널로 제조된 벽을 갖는 것을 특징으로 하는, 순환 유동층 보일러.
  6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서, 제 1 유동층 열 교환 챔버(72), 제 2 유동층 열 교환 챔버(74), 및 제 1 복귀 채널(86) 중 하나 이상의 벽은, 상기 노(12)의 물/증기 튜브 패널 안으로 도입될 물을 가열하는데 사용되는, 순환 유동층 보일러.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 노(12)의 물/증기 튜브 패널에 대한 공급수 경로(feed water path)는, 공급수 펌프(feed water pump) - 이코노마이저(economizer) - 선택적인 행거 튜브(hanger tube) - 상기 제 2 유동층 열 교환 챔버(74)의 벽 - 상기 제 1 복귀 채널(86) - 상기 제 1 유동층 열 교환 챔버(72)의 벽 - 상기 노(12)의 물/증기 튜브 패널인 것을 특징으로 하는, 순환 유동층 보일러.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 노(12)의 물/증기 튜브 패널에 대한 공급수 경로는, 공급수 펌프 - 이코노마이저 - 선택적인 행거 튜브 - 상기 제 2 유동층 열 교환 챔버(74)의 벽 - 상기 노(12)의 물/증기 튜브 패널인 것을 특징으로 하는, 순환 유동층 보일러.
  9. 제 6항에 있어서, 상기 노(12)의 물/증기 튜브 패널에 대한 공급수 경로는, 공급수 펌프 - 이코노마이저 - 선택적인 행거 튜브 - 상기 제 2 유동층 열 교환 챔버(74)의 벽 - 상기 제 1 복귀 채널(86) - 상기 노(12)의 물/증기 튜브 패널인 것을 특징으로 하는, 순환 유동층 보일러.
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