KR20020005620A - 보일러 튜브/열교환기 보호용 내화 타일 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 내화 타일 장치는 소각로 또는 열교환기의 보일러의 벽에 적용되는 배리어 층 코팅(멤브레인 및 수벽 또는 튜브 벽)을 포함한다. 내화 타일은 상기 타일이 경험하는 비교적 큰 온도 구배 및 평균 온도에 의해 발생되는 타일의 마이크로-스케일 휨을 수용하도록 튜브 벽에 대해 비교적 큰 이동 자유도를 제공하기 위해 부유형 부착 기구를 이용하여 튜브 벽에 체결된다. 각각의 타일은 그 네트워킹에 의해 발생되는 매크로-스케일 휨을 효과적으로 방지하기에 충분한 크기로 이루어진 소정의 틈새를 인접하는 타일들 사이에 제공함으로써 서로 효과적으로 격리된다. 또한, 압축성 섬유질 모르타르는 재 또는 다른 이물질이 통과하는 것을 양호하게 방지하기 위해 각각의 인접하는 타일들 사이의 틈새 또는 채널에 배치된다. 인접하는 타일들 사이의 틈새 또는 채널은 선택된 특정한 압축성 모르타르의 공지된 압축성을 고려한 크기로 되어, 타일들이 최대 마이크로-스케일 휨 상태로 배치될 때 매크로-스케일 휨이 발생하는 것을 방지한다.

Description

보일러 튜브/열교환기 보호용 내화 타일 장치{Refractory tile system for boiler tube/heat exchanger protection}

내화 타일(refractory tile)은 폐기물 소각로 및 다른 열교환기 적용분야에서 보일러 벽의 보호를 위해 오랜 기간 사용되고 있다. 내화 타일의 주된 기능은 통상적으로 수벽 튜브들과 그 튜브들 사이에 배치되는 멤브레인 또는 웨브를 포함하는 스틸 합금 보일러 벽을 온도, 침식(erosion), 및 보일러 작동과 관련된 산성 증기의 침해에 의한 부식(corrosion)으로부터 보호하는 것이다. 이러한 조건은 보일러 내에서의 연소 공정에 의해 발생된다. 예를 들어, 도시 고형 폐기물(MSW) 설비는 일반 쓰레기 및 음식 쓰레기를 약 1400℃까지의 온도로 소각한다. 이러한 MSW 설비에서 발생되는 유효 에너지를 재생하기 위해, 폐기물은 노에 인접한 금속성 수벽 튜브를 통해 통과되어 높은 온도에 의해 증기로 변환된다. 그후, 튜브 조립체에서 발생된 증기는 터빈구동형 전기 발생기를 구동하는데 사용된다. 그러나, MSW 설비는 금속 벽과 접촉되면 그 벽을 화학적으로 침해하는 기체상태의 생성물을 생성한다. 내화 타일의 목적은 기체상태의 생성물에 의한 벽의 직접적인 침해를 방지하고 증기를 효율적으로 발생시키기 위해 튜브를 충분히 가열시키는 것이다. 따라서, 타일의 주된 목적은 튜브 벽의 예상 수명을 연장시키는 것이다.

보일러 튜브를 보호하기 위한 내화 타일은 통상적으로 실리콘 카바이드(SiC)와 같은 물질로부터 제조되었다. 이들 타일에는 일반적으로 튜브 벽의 외형에 일치하는 형상 및 크기로 이루어진 후면을 갖는 실질적으로 편평한 면이 제공된다. 상기 타일은 일반적으로 세가지 구성 즉, 볼트식 타일(bolted tiles)과, 로메게레(Roumeguere)에 의한 미국특허 제 4,768,447호에 개시된 바와 같은 걸이식 타일(hanging tiles)과, 아이켄(Aiken) 등에 의한 미국특허 제 5,243,801호 및 잠펠 어드밴스드 리프랙토리 테크놀로지스 인크(Zampell Advanced Refractory Technologies, Inc.)에 의한 국제공개팜플렛 제 WO 97/09577호에 개시된 바와 같은 슬롯형 또는 T-슬롯형 타일로서도 공지된 변형된 걸이식 타일(modified hanging tiles) 중 하나로 다양하게 제조되었다. 미국특허 제 4,768,447호, 미국특허 제 5,243,801호 및 국제공개팜플렛 WO 97/09577호 문헌은 참조용으로 본원에 합체된다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 일반적으로 볼트식 타일(10)에는 보일러의 내부를 향해 배향되는 정사각형 또는 직사각형 면(12)이 제공된다. 면(12)의 대략 중심에 타일의 두께에 걸쳐 구멍이 관통된다. 통상적으로, 구멍 또는 보어(30) 내에는 너트(28)용 자리로서 작용하는 접시머리 구역(34; countersunk region)이 존재한다. 통상적인 설치에 있어서, 스터드 또는 나사식 볼트(24)는 보일러 벽(62)내의 두개의 튜브(18) 사이에서 멤브레인 구역(16)에 용접된다. 타일(10)의 후면(14)은 튜브 벽(19)의 외형에 수용가능하게 일치되는 밀착 접촉을 허용하는 형상 및 크기의 정밀부(20)를 포함한다.

타일은 구멍을 통해 스터드를 끼우고 와셔(28)와 너트(26)를 스터드 상으로 나사결합하여 타일을 제위치에 고정함으로써 설치된다. 그후, 캡(도시되지 않음)은 타일의 후면에 대한 표준 구멍 사이의 간극을 통해 유동할 수 있는 가스의 양을 최소화하기 위해 통상적으로 구멍 위로 모르타르로 고정된다. 모르타르층(도시되지 않음)은 통상적으로 타일과 벽(2) 사이에 및 인접하는 타일들 사이에 제공되어, 타일을 제위치에 고정하는 것을 돕고 타일들 사이 및/또는 뒤로 가스가 유동하는 것을 실질적으로 방지하도록 기능하는 강성 구조체를 형성한다.

볼트식 타일 구성을 사용하는 장점은 타일이 비교적 용이하게 설치되고 수직면 및 돌출면을 포함하는 임의의 보일러 표면에 설치될 수 있다는 것이다.

상기 볼트식 타일의 단점은 타일의 파손에 관련된다. 일반적으로, 이러한 타일은 스터드 파손으로 인해 2 내지 4년의 예상 수명을 갖는다. 스터드가 파손되면, 타일이 벽으로부터 떨어지게 되어, 보일러 튜브를 소각로 분위기에 노출시킨다. 스터드에서의 파손의 원인은 고온 산성 부식에 의한 것이다. 특히, 산은 스터드 구멍을 통해 타일에 침투하여 스터드를 침해한다. 부식은 높은 작동 온도(1000℃ 이상)로 인해 스터드 상에는 심각한 것으로 인식된다. 또한, 타일의 균열은 통상적으로 발생하는 것이고, 스터드를 과도하게 조이므로써 발생된다.

볼트식 타일 장치와 관련된 단점을 처리하고자 하는 한 시도는 걸이식 타일을 사용하는 것이었다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 걸이식 타일(45)은 통상적으로 보일러 벽(62)의 멤브레인(16)상에 타일을 걸도록 앵커/후크 또는 짧은 스터드(37)를 이용하고, 양호한 열교환을 위해 타일을 보일러 벽(62) 근처에 밀착하여 유지하는데 중력이 이용된다. 이러한 타일(45)은 하나 이상의 구멍(30')이 타일의 후면(14')으로부터 고온 면(12)쪽으로 돌출하지만 고온 면을 완전하게 관통하지는 않는 볼트식 타일의 변형이다. 이는 산성 부식 저항을 이론적으로 개선하기 위해 밀착면을 구비한 타일을 제공한다. 모르타르층(도시되지 않음)은 실질적으로 가스 및 재 불침투성인 강성 구조체를 형성하기 위해 통상적으로 타일(45)과 보일러 벽(62) 사이에 뿐만 아니라 인접한 타일들 사이에 제공된다.

이러한 걸이식 타일 구성의 변형은 공기 청소 시스템과 함께 타일(45)을 이용하는 것이다. 이러한 변형에 있어서, 타일과 보일러 벽 사이에 틈새를 남겨두기 위해 타일의 뒤에는 모르타르가 제공되지 않는다. 공기는 벽의 산성 부식을 최소화하기 위해 상기 틈새를 통해 유동된다.

걸이식 타일의 장점은 일반적으로 설치 및 교체가 비교적 용이하다는 것이다. 상기 걸이식 타일 구성의 단점은 타일이 앵커로부터 떨어지는 경향이 있기 때문에 일반적으로 수직이 아닌 벽에는 설치될 수 없다는 것이다. 또한, 타일은 열팽창 등으로 인해 작업중에 앵커로부터 들리는 것으로 공지되어 있다. 또한, 상술된 공기 청소 장치는 모르타르를 이용하는 구성에 비해 타일 장치의 소요비용을 불리하게 증가시키는 경향이 있다. 타일과 벽 사이의 열전달은 공기 층의 절연(즉, 상대적으로 낮은 열전도성) 특성으로 인해 불리하게 감소될 수도 있다.

도 5를 참조하면, 변형된 걸이식 타일(50)은 걸이식 타일이 앵커 또는 후크로부터 이동되는 것과 관련된 결점을 해결하려는 시도로서 개발되었다. 상기 변형 구성의 예는 통상적으로 버섯모양 볼트(mushroom bolt), 튜브용접 핀 앵커(tube-welded fin anchor), 및 T-슬롯 타일(T-slot tile)로서 공지되어 있다. 이러한 타일(50)은 타일을 효과적으로 고정하여 수직 및 돌출면에 설치시키기 위해 실질적으로 T-형상 외형을 갖는 앵커(52)에 밀착되는 타일 면(12')을 합체하는 볼트식 타일과 걸이식 타일의 혼합형이다.

이러한 타일(50)은 일반적으로 타일과 보일러 벽 사이 및 인접한 타일들 사이에 모르타르층을 사용하여 설치된다. 모르타르의 목적은 견고한 부착을 제공함으로써 타일을 고정하는 것과 타일들 사이 및 그 뒤로 재 및 부식성 가스가 침투하는 것을 방지하도록 배리어를 제공하는 것이다.

이러한 변형된 타일(50)의 장점은 명목상 어떤 보일러 표면에도 설치될 수 있다는 것이다. 타일(50)의 단점은 그 에지로부터 타일 내로 측방향으로 돌출하는 블라인드(즉, 불연속) 슬롯(54)을 합체하기 때문에 제조가 어렵다는 것이다. 또한, 타일은 블라인드 슬롯(54)의 복잡한 구조로 인해 물리적으로 약해질 수 있다. 또한, 일반적으로 개개의 타일은 타일 열 전체를 제거하지 않고는 교체될 수 없다.

상술된 구성의 결점을 해결하고자 하는 다른 접근법은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 대향된 리세스 또는 홈(49) 사이에 설치된 탄성 재료(48)와 함께 걸이식 타일(45)을 사용하는 것이다. 이러한 접근법은 종래의 강성 모르타르를 이용하는 타일 장치에 비해 타일의 설치 및 교체가 용이하다. 이러한 접근법이 몇몇 적용분야에서 만족스럽게 사용될 수 있지만, 탄성 재료(48)는 불리하게 부식성 가스 유동에 대한 낮은 내부식성을 제공하고 특히, MSW 보일러에서 발견되는 바와 같은 부식 환경에서 사용하기에는 바람직하지 않은 경향이 있다.

또한, 상술된 다수의 접근법은 팽창 조인트로서 기능하도록 주기적인 타일 간격에 압축성 섬유질 재료 또는 모르타르를 이용한다. 예를 들어, 상기 재료는 벽돌공 기술 분야(즉, 콘크리트 보도 등의 제조에 통상적으로 이용되는 바와 같은)의 기술자에게 친숙한 방색으로 7개 내지 15개의 타일마다 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 조인트는 불리하게도 산 또는 다른 부식성 재료를 통과시켜 밑에 있는 보일러 벽을 부식시키는 경향이 있다. 부가적으로, 상기 팽창 조인트를 갖는 타일 장치의 유효 수명은 상기 팽창 조인트를 갖지 않는 유사한 타일 구성보다 그다지 크지 않은 것으로 나타났다.

따라서, 종래 기술과 관련된 결점을 해결하는 개선된 내화 타일 장치에 대한 필요성이 존재한다.

본 발명은 양호한 열전도성을 유지하면서 고온 및 고부식성 노 가스로부터 금속성 수벽 튜브(metallic waterwall tube)를 보호하는 내화 튜브 블록(refractory tube block)에 관한 것이다.

도 1은 종래 기술의 볼트식 내화 타일의 평면도.

도 2는 도 1의 내화 타일의 2-2 선을 따라 취해진 단면도.

도 3은 종래 기술의 걸이식 내화 타일의 측단면도.

도 4는 도 3의 걸이식 내화 타일의 정단면도.

도 5는 보일러 벽과의 결합을 위해 배치된 종래 기술의 변형된 내화 타일의 일부를 파단하여 도시한 부분 단면 사시도.

도 6은 본 발명의 내화 타일 장치의 일실시예의 정면도를 포함하는 도 2와 유사한 단면도.

도 7은 본 발명의 내화 타일 장치의 다른 실시예를 도시하는 도 6과 유사한 단면도.

도 8은 본 발명에 따라 인식되는 것과 같이 매크로-스케일로 휜 종래 기술의 내화 타일 배열을 도시하는 사시도.

도 9는 종래 기술의 한쌍의 인접한 내화 타일의 일부분을 도시하며, 휨에 의해 변형된 것을 가상선으로서 도시하는 도 2와 유사한 개략적인 단면도.

도 10은 본 발명의 내화 타일 장치의 또다른 실시예를 도시하는 도 6 및 도 7과 유사한 도면.

도 11은 도 10의 내화 타일 장치의 일부를 파단하여 도시한 측면도.

도 12 내지 도 15는 도 10 및 도 11의 내화 타일 장치의 본 발명에 따른 내화 타일의 설치 중에 취해진 다양한 단계를 도시하는 사시도.

도 16은 테스트용 보일러에 설치된 도 1 및 도 2의 종래의 일련의 볼트식 타일의 측면 개요도.

도 17은 도 16의 볼트식 타일에 의해 발생된 테스트 결과를 나타내는 그래프.

도 18은 본 발명의 타일에 의해 발생된 테스트 결과를 도 17과 유사하게 나타내는 그래프.

본 발명의 분명한 양태는 종래 기술 장치의 다수의 파손을 초래하는 문제점을 인식하는 것이다. 이러한 파손은 도 8에 도시된 바와 같이, 개별 타일의 휨[본원에서는 "마이크로-스케일" 휨("micro-scale" bowing)으로서 사용됨] 및 복수 타일의 집단적인 휨[본원에서는 "네트워크" 또는 "매크로-스케일" 휨("networked" or "macro-scale" bowing)으로서 사용됨]에 의해 발생되는 것으로 인식되었다. 도 9를 참조하면, 마이크로-스케일 휨은 인접 타일에 강성 모르타르(도시되지 않음)를 통해 전달되는 힘(F)을 발생시켜 매크로-스케일 휨 효과를 발생시키게 된다. 매크로-스케일 휨은 스터드에 충분한 인장 응력을 가하여 파손을 야기한다. 이와 관련하여, 지금까지는 상승된 보일러 온도에 노출되어 발생되는 열팽창에 대해 타일의 상당한 치수상의 불안정성이 주로 제한되었다. 또한, 임의의 휨이 개별 타일에 대해 제한되었다.

이에 반해, 본 발명은 보일러 작동중에 개별 타일이 받게 되는 열구배[즉, 예를 들어 도 7에 도시된 바와 같이, 고온 면(112')과 후부(114') 사이에서의 온도차]가 예견된 것보다 크고, 상술된 열팽창보다는 타일의 치수상의 불안정성에 보다 크게 영향을 준다는 인식에 기초한 것이다. 그후, 열구배에 의해 발생된 휨이 인접한 타일들 사이에 배치된 강성 모르타르를 통해 응력을 전달하여 타일 네트워크의 길이의 제곱의 함수로서 개별 타일의 휨 효과를 효과적으로 증대하는 것이 실현되었다. 이러한 현상은 하기의 방정식에 의해 설명된다.

δ = α L²ΔT / (8t)

여기서, δ는 누적 편차, α는 열팽창 계수, L은 타일 배열 길이, ΔT는 타일의 대향면에서의 온도차, 및 t는 타일 두께이다.

시간 경과에 따라 발생하는 타일의 고온 면에서의 산화가 마이크로-스케일 휨 효과에 더욱 기여하도록 타일을 가로지르는 온도 구배를 심화시키는 "고온 스폿"을 생성하는 것이 또한 발견되었다. 이와 관련하여, 매크로-스케일 휨은 산화를 가속하여 타일의 붕괴를 가속하도록 기능하는 무제한적인 반복 사이클을 개시하는 것으로 밝혀졌다. 예를 들어, SiC 타일의 고온 면의 최적 작업 온도는 대략 500 내지 600℃이다. 이러한 온도에서의 산화는 최소로 되어 실질적으로 타일 수명에 악영향을 주지 않는 것으로 밝혀졌다. 그러나, 고온 면이 약 750℃에 이르거나 그 온도를 초과하는 경우에는 산화가 급속하게 진행되고, 온도의 추가 증가에 따라 급속한 가속이 유지되는 것이 밝혀졌다. 따라서, 본 발명의 양태는 매크로-스케일 휨이 타일을 보일러 벽으로부터 분리하도록 기능하여 일반적으로 타일의 후부로부터 벽까지의 열전달을 감소시키는 공기 틈새를 형성하게 되는 것에 대한 인식이다. 이러한 열전달의 감소는 실질적으로 고온 면에서의 온도를 양호한 작동 온도 범위 넘어로 증가시킨다. 결과적으로, 매크로-스케일 휨은 고온 면의 온도를 750℃ 이상의 산화 촉진 온도까지 상승시키는 효과를 갖는다. 산화는 상술된 바와 같은 온도 구배를 더욱 증가시키고 매크로-스케일 휨을 더욱 악화시켜서, 지속적인 해로운 반복 사이클을 형성한다.

따라서, 종래 기술의 타일 구성은 산 침투[즉, 걸이식 및 변형 타일(45, 50)의 장착용 블라인드 구멍]를 최소화하도록 개발되었지만, 전술된 휨 조건에 대해서는 전혀 인식 및 취급되어 있지 않다. 이러한 종래의 구성은 타일 주위에 강성 모르타르를 지속적으로 사용하도록 하여, 매크로-스케일 휨을 발생시킨다.

임의의 실질적인 이익을 발생시키기 위한 상술된 팽창 조인트의 실패는 부분적으로 네트워크 휨 현상의 인식에 대한 실패로 인한 것이고 비교적 양호한 열팽창 효과에 대해서만 보상하려는 시도가 있었다. 이러한 실패는 비교적 소량인 즉, 드문 팽창 조인트(즉, 7 내지 15 타일마다 단 한번 사용됨)에 의해서 뿐만 아니라, 팽창 조인트의 적어도 일부분에 배치된 종래의 모르타르의 빈번한 사용에 의해 지적되었다.

본 발명을 개발하는데 있어서의 초기 단계는 작업 중에 타일 내의 균열의 원인을 점검하기 위해 종래의 18㎝×18㎝ 볼트식 타일의 제 1 유한 요소 모델(FEM)의 완성을 포함하였다. 이러한 분석은 열 구배로 인한 타일 내에 존재하는 응력을 드러냈다. 개별 타일의 휨을 열구배의 함수로서 드러냈다. 이러한 분석의 초기 결과는 타일 강도를 증가시키기 위해 타일 두께를 증가시키는 것이었다.

이러한 첫번째 분석이 완료된 후에, 제 2 유한 요소 모델이 타일 두께를 통해 스터드의 길이를 따라 열 프로파일을 예견하도록 완료되었다. 1370℃의 추정된 소각로 작동 온도에서, 이러한 모델은 대부분의 스테인리스 스틸의 최대 사용 온도인 약 800℃의 온도에서 스터드가 반응하는 것을 예견하였다.

그후, 파손된 스터드가 소각로로부터 회수되었다. 스터드가 파손 전에 대략 6㎜ 정도 신장되었다는 것이 분석에 의해 드러났다. 이는 스터드가 인장 하중하에 위치되어 산성 부식에 의해서만 파손되는 것이 아니라 오히려 응력-부식에 의해 파손되는 것이라는 점을 나타냈다. 따라서, 스터드상의 응력의 원인을 조사하는 것이 결정되었다.

또한, 파손된 스터드의 회수중에, 타일에 블리스터(blister) 영역이 존재한다는 것이 관찰되었다. 이러한 블리스터는 대략 10타일×10타일 영역에 존재하고, 보일러 내에 배치되었다.

제 3 유한 요소 모델은 타일 휨 및 인장 응력 현상을 연구하기 위해 개시되었다. 상술된 바와 같이, 제 1 FEM은 개별 타일의 휨 또는 마이크로-스케일 휨이열 구배로 인해 발생된다는 것을 나타냈다. 그러나, 이러한 휨은 스터드에서 관찰된 6㎜ 변형을 야기하기에는 불충분한 크기(0.3㎜)였다.

제 3 FEM에 있어서, 모르타르가 강성 재료로서 작용한다고 가정하고 타일의 7×7 배열이 모델링되었다. 분석 결과는 25㎜ 이상의 명백한 휨을 발생시킨 타일들 사이에서 네트워크 효과를 나타냈다. 또한, 응력 분석은 네트워크(매크로-스케일) 휨이 파열된 지점에 대해 스터드를 신장시키도록 스터드에 충분한 인장력을 가하는 것을 나타했다.

유한 요소 모델을 확증하기 위해, 시험용 타일의 테스트 패널이 연소로에 설치되었다. 테스트 패널로부터 수집된 데이터는 1 년간 사용한 후 휨의 크기가 대략 4㎜ 정도인 매크로-스케일의 타일 휨이 작업중에 발생했다는 것을 나타냈다. 휨 속도의 보외법(extrapolation)에 의하면 테스트의 개시로부터 대략 2.5년 동안 타일이 8㎜(스터드 파손에 필요한 것으로 가정된 변위량) 변위되는 것으로 계산된다. 이는 상기 볼트식 타일의 작동 수명 관찰과 상당히 대응한다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따라, 보일러의 벽에 사용하기 위한 내화 타일 장치는 타일들을 서로 이격되어 이동가능한 관계로 유지하도록 벽에 결합할 수 있는 부유형(floating) 체결 장치를 갖는 복수의 타일을 포함한다. 상기 타일은 타일들 중 인접한 타일들 사이에 틈새를 제공하는 형상 및 크기를 가지며, 상기 틈새는 보일러의 작동 온도에 노출되는 중에 나타나는 타일의 치수 변화를 충분히 수용할 수 있도록 구성된다. 부식 배리어는 타일과 벽 사이에 배치된다.

본 발명의 제 2 양태에 있어서, 보일러의 벽에 사용하기 위한 내화 타일 장치는 서로 이격되어 이동가능한 관계로 벽에 배치되는 복수의 타일을 포함한다. 상기 타일은 타일들 중 인접한 타일들 사이에 틈새를 제공하는 형상 및 크기를 가지며, 상기 틈새는 보일러의 작동 온도에 노출되는 중에 타일이 매크로-스케일로 휘는 것을 실질적으로 충분히 방지할 수 있도록 구성된다. 부식 배리어는 실질적으로 벽의 부식을 방지하기 위해 타일과 벽 사이에 배치된다.

본 발명의 제 3 양태에 있어서, 보일러의 벽의 유효 수명을 증가시키기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 하기의 단계 즉,

(a) 타일들을 서로에 대해 이격되어 이동가능한 관계로 유지하도록 벽에 결합할 수 있는 부유형 체결 장치를 갖는 복수의 타일을 제공하는 단계와,

(b) 인접하여 벽에 장착되는 타일들 사이에 틈새를 제공하도록 타일의 치수 및 형상을 결정하는 단계와,

(c) 벽에 부식 배리어를 배치하는 단계와,

(d) 벽에 부유형 체결 장치를 결합하는 단계를 포함하고, 상기 타일들은 사이에 부식 배리어를 두고 벽과 포개진다.

본 발명의 상기 및 다른 특징 및 장점은 첨부 도면과 함께 취해진 본 발명의 다양한 양태에 대한 하기의 상세한 설명을 참조함으로써 보다 분명해질 것이다.

상기 도면 설명에서 설명된 도면을 참조로 본 발명의 예시적인 실시예가 하기에서 상세하게 설명된다. 명료한 설명을 위해, 첨부 도면에 도시된 동일 부분은 동일한 인용 번호로 지시되고, 다른 실시예에 도시된 유사 부분은 유사한 인용 번호로 지시된다.

본 명세서에 사용된 용어 중, 본원에 개시된 요소와 함께 사용된 용어인 "축방향"은, 그 요소가 도 6, 도 7, 도 10 및 도 14에 도시된 바와 같이 튜브(18)와 결합하도록 배치될 때 튜브(18)의 중심축선(a)(도 7 참조)에 실질적으로 평행한, 요소에 대한 방향을 의미한다. "횡방향"이라는 용어는 축방향에 실질적으로 직교하는 방향을 의미한다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 있어서, 내화 타일 장치(60)는 소각로 또는 열교환기의 보일러의 벽(62)[즉, 멤브레인(16)과 튜브 벽(19)]에 적용되는 배리어층 코팅(61)을 포함한다. 배리어층(61)은 보일러의 정상 작동 온도에서 산 및 염에 대한 내부식성을 제공하도록 되어 있다. 상기 코팅의 일예는 미국 메사추세츠주 워체스터 소재의 노턴 컴퍼니에 의해 제조되어 시판중인 PC-1022^TM과 같은 인산염 부착 SiC 배리어층이다. 유리하게는, 이러한 재료는 비교적 양호한 내부식성 및 열전도성을 제공한다. 그후, 내화 타일(66)은 벽(62)에 포개지는 관계로 부유형 부착 기구(68)를 이용하여 튜브 벽(62)에 체결된다. 타일(66)은 MSW 소각로/열교환기 등의 보일러 내에서 경험되는 온도(대략 1400℃)에 견딜 수 있는 예를 들어, 실리콘 카바이드(SiC) 또는 다른 세라믹 재료와 같은 본 기술 분야의 기술자에게는 공지되어 있는 임의의 적절한 내화 재료로 제조된다.

부유형 부착 기구(68)는 타일의 마이크로-스케일 휨을 수용하도록 튜브 벽(62)에 대해 비교적 높은 이동 자유도를 타일(66)에 제공한다. 상술된 바와 같이, 마이크로-스케일 휨은 상기 타일이 받게되는 비교적 큰 온도 구배(일반적으로, 약 200 내지 600℃ 또는 그 이상)에 의해 발생된다. 상술된 바와 같이, 이러한 온도 구배는 자체의 상승된 온도보다 타일의 치수 불안정성, 특히 타일 배열 길이의 제곱으로서 휨이 증가하는 네트워크 효과 면에서 실질적으로 보다 크게 작용한다. 각각의 타일(66)은 네트워킹에 의해 발생된 마이크로-스케일 휨을 효과적으로 방지하기에 충분한 크기를 갖는 소정의 틈새(70)를 타일들 사이에 제공함으로써 인접한 타일들로부터 효과적으로 격리된다. 도 9에 도시된 바와 같이, 이러한 네트워킹 현상은 마이크로-스케일 휨이 발생할 때 강성 모르타르(도시되지 않음)를 통해 타일들에 의해 서로에게 가해진 압력 또는 힘(F)에 의해 발생된다.

도 6을 참조하면, 틈새(70)는 타일(66)들 사이에 이격된 반턱 쪽매 이음(shiplapped joint)을 형성하기 위한 크기 및 형상을 갖는 외형 주변 에지(72)에 의해 양호하게 형성된다. 이러한 반턱 쪽매 이음 구성은 보일러의 작동중에 틈새(70)를 통해 재 또는 다른 이물질이 침입하는 것을 막기 위해 타일들 사이에 차단된 조준선(line-of-sight)을 제공하도록 기능한다. 또한, 압축성 섬유질 모르타르(도시되지 않음)는 재 또는 다른 이물질의 침입을 더욱 막기 위해 각각의 인접한타일 사이의 틈새 또는 채널(70)에 배치될 수 있다. 상기 적절한 압축성 섬유질 모르타르의 예는 미국, 뉴욕 나이아가라 폴스 소재의 유니프랙스 코포레이션(Unifrax Corporation)에 의해 시판되는 Topcoat 2600^TM으로서 공지되어 있다. 상기 압축성 물질이 사용되는 경우에 있어서, 틈새(70)는 선택된 특정한 압축성 모르타르의 공지된 압축성과 관련하여 크기가 결정되므로, 개개의 타일이 최대 마이크로-스케일 휨 상태로 배치될 때 매크로-스케일 휨의 발생을 실질적으로 방지하기에 충분한 낮은 크기로 타일들 사이에서 임의의 힘의 전달을 유지한다. 예를 들어, 실질적으로 대략 30㎝×20㎝ 로 연장되는 직사각형 면(112')을 갖는 도 7에 도시된 바와 같은 형상의 타일은 인접한 타일들로부터 적어도 대략 6㎜ 로 연장되는 틈새(70')를 가져야 한다.

도시된 실시예에 있어서, 부유형 부착 기구(68)는 타일(66) 내에 배치된 유사한 크기의 리세스(80)에 결합하도록 되어 있는 볼록 단부(78)를 구비한 복수의 가요성 아암(76)을 갖는 레일(74)을 포함한다. 따라서, 아암(76)은 타일의 설치 및 제거가 용이하도록 타일(66)과의 해제가능한 결합관계로 편향된다. 또한, 아암(76)의 탄성은 열구배 및 상승된 평균 온도에 의해 발생된 타일(66)의 치수 변화에 따라 벽(62)에 대해 타일(66)을 이동 또는 "부유"시키는 방식으로 타일(66)을 벽(62)에 체결하도록 기능한다. 이러한 점에서, 부유형 부착 기구(68)는 벽(62)에 대해 적어도 세개의 자유도[즉, 도시된 바와 같이 서로 직교하는 세개의 축선(x, y 및 z)을 따라]로 타일(66)을 이동시킬 수 있다. 또한, x, y 및 z 축선을 따르는 이동에 더불어, 타일은 튜브(18) 둘레로 회전할 수 있고, 또는 튜브(18)쪽으로 또는 튜브로부터 멀리 휠 수 있다. 아암(76) 및 볼록 단부(78)를 포함하는 레일(74)은 양호하게는 스테인리스 스틸과 같은 가요성 내부식성 재료로 제조된다.

도시된 바와 같이, 타일(66)의 면(112)에는 비교적 균일한 두께(t)를 갖는 타일을 제공하기 위해 벽(62)의 외형에 실질적으로 부합하는 외형이 제공될 수 있다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 선택적인 실시예가 타일 장치(60')로서 도시된다. 본 실시예는 도 6에 도시된 타일 장치(60)와 실질적으로 유사하지만, 실질적으로 평면인 면(112')과 다른 부유형 결합 기구(68')를 이용한다. 도시된 바와 같이, 이러한 체결 장치(68')는 대략 50% 작은 아암(76')을 이용하는 것 외에는 도 6의 체결 장치(68')와 많은 점에서 유사하다.

부유형 기구(68, 68')의 실시예가 도시되었지만, 상술된 바와 같이, 실질적으로 매크로-휨 효과를 발생하지 않고 타일을 마이크로-스케일로 팽창 및/또는 휘게 하는 방식으로 보일러의 벽(62)에 타일을 고정할 수 있는 임의의 장착 기구가 본 발명의 정신 및 범위로부터 일탈함이 없이 이용될 수 있다는 것을 당업자라면 이해해야 한다. 이러한 점에서, 장착 본체 및/또는 인접한 타일들에 과도한 힘 또는 응력을 가하지 않고 전술된 치수 변화가 아주 작게 발생할 수 있도록, 장착 본체와 타일 사이에 충분한 간극이 제공되는 한, 예를 들어, 강성 장착 장치가 가요성 아암(76, 76') 대신 사용될 수 있다.

상기 선택적인 장치의 일예는 타일 내에 배치된 실질적으로 큰 크기의 구멍(84; 가상선으로 도시됨) 내로 삽입할 수 있으며, 타일 면(112)에 실질적으로평행하게 연장되는 스테인리스 스틸 등으로 제조된 하나 이상의 핀(82; 가상선으로 도시됨)을 제공하는 것을 포함한다. 핀(82)은 당업자에게 공지된 임의의 편리한 방식(도시되지 않음)으로 벽(62)에 고정된다. 이러한 방식에 있어서, 타일은 상술된 바와 같이 벽에 대해 효과적으로 "부유"하도록 충분한 간극이 제공된 벽(62)에 고정될 수 있다.

이제, 도 10 및 도 11을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예가 타일 장치(60")로서 도시된다. 타일 장치(60")는 도 6 및 도 7의 타일 장치(60, 60')와 실질적으로 유사하지만. 다른 부유형 결합 기구(68")를 사용한다. 도시된 바와 같이, 이러한 체결 장치(68")는 도시된 바와 같이 타일(66")의 실질적으로 반원형인 슬롯 또는 리세스(80")와의 결합을 위해 아암(76")이 실질적으로 "C" 형상을 가진다는 것 외에는 도 7의 체결 장치(68')와 많은 점에서 유사하다.

도 11을 참조하면, 타일(66")의 슬롯(80")은 각각 타일(66")의 상부 및 하부 에지(116, 118)로부터 축방향 내측으로 연장되는 상부 슬롯(81) 및 하부 슬롯(83)을 포함한다. 상부 슬롯(81)은 후술되는 바와 같이 타일(66")을 용이하게 설치하기 위해 하부 슬롯(83)의 축방향 거리(d2)보다 큰 상부 에지(116)로부터의 축방향 거리(d1)만큼 양호하게 연장된다. 도시된 바와 같이, 상부 및 하부면(116, 118)은 후술되는 바와 같이, 타일(66")의 설치가 더욱 용이하도록 슬롯(81, 83)과의 교차지점에서 대략 30 내지 60˚인 각도(α)로 모서리 가공된다. 양호한 실시예에 있어서, 각도(α)는 도시된 바와 같이 대략 45˚이다.

이제, 도 12 내지 도 15를 참조하면, 타일(66")의 설치 방법이 도시된다. 도12를 참조하면, 타일(66")은 타일의 상부 표면(116)을 실질적인 축방향 정렬로 상부 및 하부 아암(76") 사이에 위치시킴으로써 설치된다. 이러한 배향은 도시된 바와 같이 상부 표면(116)의 일부를 튜브(18)와의 표면-대-표면 결합으로 배치함으로써 달성될 수 있다. 도 13을 참조하면, 타일(66")의 표면(116)은 화살표(a)로 지시된 바와 같이 축방향 상향으로 이동되고, 하부 표면(118)은 화살표(b)로 도시된 바와 같이 튜브(18)에 밀착되게 피벗된다. 이러한 동작은 도시된 바와 같이 한 세트(즉, 최상부)의 아암(76")과의 수용 결합을 위해 상부 슬롯(81; 도 11 참조)을 슬라이딩시킨다. 이러한 이동은 도 14에 도시된 바와 같이, 튜브(18)와의 실질적으로 평행한 정렬을 위해 타일(66")이 이동되도록 하여 타일이 하부 아암(76")을 덮을 때까지 지속된다. 그후, 타일은 하부 슬롯(83; 도 11 참조) 내에 하부 아암(76")을 수용식으로 결합하도록 인접한 미리설치된 타일(66")을 향해(즉,c의 방향으로) 축방향으로 이동될 수 있다. 이러한 이동은 양호하게는 하부 아암(76")이 슬롯(83)의 근위단부(120; 도 11 참조)와 결합할 때까지 지속된다. 이 지점에서, 인접한 타일(66")은 도 15에 도시된 바와 같이 바람직하게 이격된 반턱 쪽매 이음되는 방향으로 배치되어 설치를 완료한다. 그후, 부가의 타일(66"; 도시되지 않음)이 동일한 방식으로 설치될 수 있다.

하기에 도시되는 예는 본 발명의 임의의 양태를 설명하기 위한 것이다. 이들 예는 한정하는 것으로서 해석되어서는 안된다는 것을 이해해야 한다.

예

예 1 - 비교

도 1 및 도 2에 도시된 일반적인 형태의 일련의 종래의 볼트식 타일은 도 16에 도시된 바와 같은 패턴으로 노에 설치된다. A, B, C, 및 D 로 분류된 타일에는 정상적인 노 작동중에 튜브 벽으로부터 멀어지는 타일의 변위를 측정하기 위해 LVDTs(linear variable-displacement transducers)가 장치되었다. 도시된 바와 같이, 타일(B, D)은 인접한 타일들 사이에 종래의 가요성 모르타르(상술된 Topcoat 2600^TM)가 제공된 타일 배열부에 위치된다. 도 17을 참조하면, LVDTs의 출력은 측정용 타일이 서로 근접되게 동시에 변위되어 매크로-스케일 휨이 발생했다는 증거를 제공하는 것을 지시한다. (그래프에 의해 지시되는 변위 크기의 차이는 타일 내의 LVDTs의 위치에서의 편차로 인해 명확해진다.) 타일(B)에 위치된 LVDT 5는 고장이기 때문에, 도 17에는 도시되지 않았다는 점에 주의해야 한다.

예 2

본 발명의 타일의 배열은 테스트용 보일러에 장착된다. 타일은 보일러 벽과 타일 사이에 배리어 재료를 사용하고 인접하는 타일들 사이에 Topcoat 2600^TM을 사용하여 실질적으로 도 7에 대해 도시 및 상술된 바와 같은 방식으로 보일러에 구성되어 장착되었다. A, B, C, D, E 및 G 로 지시된 선택된 타일들에는 예 1에서 설명된 방식으로 LVDTs가 장치되었다. 도 17에 도시된 바와 같이, 이들 LVDTs의 출력은 타일이 예 1에 도시된 것과는 다른 방식으로 서로로부터 독립적으로 변위되었다는 것을 도시한다. 따라서, 이러한 테스트 결과는 본 발명의 타일들이 매크로-스케일 휨을 발생함이 없이 개별적인(마이크로-스케일) 휨을 수용한 것을 지시한다.

부착 기구(68, 68' 및 68")가 타일(66, 66' 및 66")을 벽(62)에 대해 이동 또는 "부유"시킬 수 있지만, 타일(66)을 통한 튜브로의 열전달을 최대화하기 위해서는 상기 기구(68, 68' 및 68")가 타일(66)을 튜브(18)의 표면에 대해 가능한 밀착시켜 유지하는 것이 바람직하다는 것을 당업자라면 이해할 것이다.

또한, 전술된 걸이식 타일과 변형된 걸이식 타일 장치는 본 발명과 함께 이용될 수 있다. 또한, 전술된 바와 같이 종래의 볼트식 타일 체결 장치는 스터드와 보어 사이에 부가의 간극을 제공하여, 타일이 벽에 대해 부유하도록 함으로써, 본 발명의 인접한 타일들 사이에 틈새와 부식 배리어를 함께 사용할 수 있도록 변형될 수 있다.

상기 설명은 본래 도시 목적에 맞게 취해진 것이다. 본 발명이 그 예시적인 실시예에 대해 도시 및 설명되었지만, 당업자라면 본 발명의 정신 및 범위로부터 일탈함이 없이 그 형태 및 상세에서의 전술한 및 다양한 다른 변화, 생략, 및 추가가 취해질 수 있다는 것을 이해할 것이다.

Claims (31)

1. 보일러의 벽에 사용하기 위한 내화 타일 장치에 있어서,

   타일들을 서로에 대해 이격되어 이동 가능한 관계로 유지하도록 벽에 결합할 수 있는 부유형 체결 장치를 갖는 복수의 타일을 포함하고,

   상기 타일은 상기 타일들 중 인접한 타일들 사이에 틈새를 제공하는 크기 및 형상으로 구성되고, 상기 틈새는 보일러의 작동 온도에 노출되는 동안 나타나는 상기 타일의 치수 변화를 충분히 수용할 수 있게 구성되고,

   상기 타일과 벽 사이에 배치되는 부식 배리어를 또한 포함하는 내화 타일 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 체결 장치는 상기 타일을 이격되어 이동 가능한 관계로 벽에 유지하는 내화 타일 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 타일은 상기 타일의 적어도 일부분과 튜브 벽 사이에 상기 치수 변화를 수용하기에 충분한 틈새를 제공하는 크기 및 형상으로 구성되는 내화 타일 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 틈새는 보일러의 작동중에 경험되는 평균 온도에 대한 노출과 온도 구배에 대한 노출로 인한 상기 타일의 치수 변화를 수용하기에 충분한 내화 타일 장치.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 온도 구배는 약 200 내지 600℃의 범위 내이고, 상기 평균 온도는 약 500 내지 1400℃의 범위 내인 내화 타일 장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 타일은 상기 온도 구배를 약 200 내지 600℃의 상기 범위 내에 유지하도록 보일러의 벽에 충분히 밀착되어 유지되는 내화 타일 장치.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 타일의 적어도 일부분은 상기 부식 배리어의 적어도 일부분과 중첩되어 유지되고, 상기 부식 배리어의 부분은 상기 벽의 적어도 일부분과 중첩되어 유지되는 내화 타일 장치.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 부유형 체결 장치는 상기 벽과 상기 타일 중 하나에 배치된 탭과, 상기 벽과 상기 타일 중 다른 하나에 배치된 리셉터클을 포함하고, 상기 부재와 상기 리셉터클은 상기 타일을 상기 이동 가능한 관계로 유지하기에 충분한 간극을 두고 상호 결합하도록 되어 있는 내화 타일 장치.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 부유형 체결 장치는 걸이식 타일 장치를 포함하는 내화 타일 장치.
10. 제 8 항에 있어서, 상기 부유형 체결 장치는 T-슬롯형 타일 장치를 포함하는 내화 타일 장치.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 부유형 체결 장치는 상기 벽과 상기 타일 중 하나에 배치된 탭과, 상기 벽과 상기 타일 중 다른 하나에 배치된 리셉터클을 포함하고, 상기 부재와 상기 리셉터클은 상기 타일을 상기 이동 가능한 관계로 유지하기에 충분한 탄성을 가지고 상호 결합하도록 되어 있는 내화 타일 장치.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 리셉터클은 적어도 하나의 슬롯을 포함하고, 상기 적어도 하나의 슬롯은 축방향으로 연장되는 내화 타일 장치.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 슬롯은 상기 타일의 에지로부터 내측으로 연장되고, 상기 에지는 상기 타일의 에지에 대해 모서리 가공되는 내화 타일 장치.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 슬롯은 상기 타일의 대향 에지로부터 내측으로 연장되는 제 1 및 제 2 슬롯을 포함하고, 상기 제 1 슬롯은 상기 제 2 슬롯의 각각의 대향 에지로부터의 거리보다 대략 2배 길이로 연장되는 내화 타일 장치.
15. 제 13 항에 있어서, 상기 모서리 가공은 횡방향에 대해 대략 30 내지 60°각도로 연장되는 내화 타일 장치.
16. 제 1 항에 있어서, 상기 부유형 체결 장치는 벽에 대한 적어도 하나의 이동 자유도를 갖는 상기 타일을 제공하는 내화 타일 장치.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 부유형 체결 장치는 벽에 대한 적어도 두개의 이동 자유도를 갖는 상기 타일을 제공하는 내화 타일 장치.
18. 제 17 항에 있어서, 상기 부유형 체결 장치는 벽에 대한 적어도 세개의 이동 자유도를 갖는 상기 타일을 제공하는 내화 타일 장치.
19. 제 1 항에 있어서, 상기 틈새에 배치되는 압축성 재료를 부가로 포함하는 내화 타일 장치.
20. 제 19 항에 있어서, 상기 압축성 재료는 이물질이 상기 틈새 내로 통과하는 것을 방지하는 내화 타일 장치.
21. 제 20 항에 있어서, 상기 압축성 재료는 섬유질 모르타르를 포함하는 내화 타일 장치.
22. 제 1 항에 있어서, 상기 배리어는 유체를 압축하는 내화 타일 장치.
23. 제 22 항에 있어서, 상기 유체는 상기 타일과 상기 벽 사이로 유동하는 가스를 포함하는 내화 타일 장치.
24. 제 22 항에 있어서, 상기 유체는 상기 튜브 벽에 적용되는 코팅을 포함하는 내화 타일 장치.
25. 제 24 항에 있어서, 상기 코팅은 상기 벽에 부착하도록 되어 있고 상기 타일은 부착으로부터 자유로운 내화 타일 장치.
26. 제 25 항에 있어서, 상기 코팅은 멤브레인을 포함하는 내화 타일 장치.
27. 제 26 항에 있어서, 상기 코팅은 인산염 부착 실리콘 카바이드(SiC)를 포함하는 내화 타일 장치.
28. 제 1 항에 있어서, 상기 타일은 상기 타일 중 상기 인접한 타일들 사이에 이격된 반턱 쪽매 이음을 형성하는 크기 및 형상의 주위면을 부가로 포함하는 내화 타일 장치.
29. 제 5 항에 있어서, 상기 평균 온도는 약 750 내지 1200℃의 범위 내인 내화 타일 장치.
30. 보일러의 벽에 사용하기 위한 내화 타일 장치에 있어서,

    서로에 대해 이격되어 이동 가능한 관계로 벽에 배치되는 복수의 타일을 포함하고,

    상기 타일은 상기 타일들 중 인접한 타일들 사이에 틈새를 제공하는 크기 및 형상으로 구성되고, 상기 틈새는 보일러의 작동 온도에 노출되는 동안 상기 타일의 매크로-스케일 휨을 방지하기에 충분하고,

    상기 타일과 벽 사이에 배치되어 부식을 방지하는 부식 배리어를 또한 포함하는 내화 타일 장치.
31. 보일러 벽의 유효 수명을 증가시키는 방법에 있어서,

    (a) 타일을 서로에 대해 이격되어 이동 가능한 관계로 유지하도록 벽에 결합할 수 있는 부유형 체결 장치를 갖는 복수의 타일을 제공하는 단계와,

    (b) 상기 타일들 중 인접한 타일들 사이에 틈새를 제공하도록 상기 타일의 크기 및 형상을 결정하는 단계를 포함하고,

    상기 틈새는 보일러의 작동 온도에 노출되는 동안 나타나는 상기 타일의 치수 변화를 충분히 수용할 수 있게 구성되고,

    (c) 상기 벽에 부식 배리어를 배치하는 단계와,

    (d) 상기 부유형 체결 장치를 상기 벽에 결합하는 단계를 또한 포함하고,

    상기 타일은 상기 벽에 중첩되고, 상기 부식 배리어가 그 사이에 배치되는 보일러 벽의 유효 수명을 증가시키는 방법.