KR20130103774A

KR20130103774A - 산소 발화 보일러의 열적 성능을 제어하기 위한 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20130103774A
Application number: KR1020137015094A
Authority: KR
Inventors: 아르맨드 에이. 르배서; 신규 강; 제임스 알. 케니; 카를 디. 에드버그; 데이비드 고든 투렉
Original assignee: 알스톰 테크놀러지 리미티드
Priority date: 2010-11-16
Filing date: 2011-11-16
Publication date: 2013-09-24
Also published as: WO2012068293A3; WO2012068293A2; MY164718A; JP2014500471A; US9752773B2; US20120145052A1; CN103429956B; EP2641019A2; ZA201303510B; CN103429956A

Abstract

본원에는, 산소 발화 보일러의 작동을 제어하는 방법이 개시되어 있으며, 이 방법은 보일러 내의 연료를 연소하는 단계; 상기 보일러 내에서 열 흡수 패턴을 생성하는 단계; 상기 보일러로부터 연도 가스들을 방출하는 단계; 상기 연도 가스들의 일부를 상기 보일러로 재순환시키는 단계; 조합 스트림을 형성하기 위하여 제 1 산화제 스트림을 상기 재순환된 연도 가스들과 조합시키는 단계; 상기 조합 스트림을 여러 소량들로(fractions) 분할하는 단계; 및 상기 보일러에 대한 입구의 상이한 지점들에서 상기 보일러에 대해서 상기 조합 스트림의 각 소량을 도입시키는 단계를 포함한다.

Description

산소 발화 보일러의 열적 성능을 제어하기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD OF CONTROLLING THE THERMAL PERFORMANCE OF AN OXYGEN-FIRED BOILER}

관련 출원의 교차 참조

본 공개물은 그 내용이 본원에 참조로 합체되는 2011년 11월 16일자 출원된 미국 가출원 제 61/414,175호의 우선권을 주장한다.

연방 후원 리서치 또는 지지에 관한 진술

미국 정부는 에너지/국자 에너지 기술 실험(NETL) 부서로부터의 계약 번호 제 DE-NT0005290를 갖는 승인에 이어 본 발명에 대한 권리를 가진다.

기술분야

본 공개물은 일반적으로 산소 발화 보일러에 관한 것이며, 특히 보일러에 대한 산소 및/또는 재순환 연도 가스의 분배를 제어함으로써 산소 발화 보일러의 열적 성능을 제어하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

산소 연소는 화력 발전소에서 이산화탄소 포획 및 제거를 위하여 개발되었다. 산소 연소의 개념은[또한 종종 산소연료(oxyfuel) 및 '산소발화'로 칭함] 연소 공기를 산소 및 재순환된 연도 가스의 혼합물과 교체함으로써 제거를 위해서 더욱 단순하게 처리될 수 있는 높은 이산화탄소 함량의 연도 가스 스트림을 생성하는 것이다. 분쇄 석탄(pc) 발전소를 위한 산소 연소 프로세스의 단순화된 예시적인 개략도가 도 1에 도시된 종래 기술에 도시되어 있다.

도 1은 공기 분리 유닛(102), 보일러(104), 오염물 제어 시스템(106) 및 가스 처리 유닛(108)을 포함하는 산소 연소 시스템(100)을 도시한다. 공기 분리 유닛(102)은 오염물 제어 시스템(106) 및 가스 처리 유닛(108)의 상류에 위치하는, 보일러(104)의 상류에 위치한다. 오염물 제어 시스템(106)은 가스 처리 유닛(108)의 상류에 위치한다. 가스 재순환은 오염물 제어 시스템 이후에 도시되고, 보일러 및 가스 처리 유닛 사이의 임의의 위치에서 행해질 수 있다.

보일러(104)는 접선방향 발화 보일러(T-보일러로 알려짐) 또는 벽 발화 보일러(wall fired boiler)일 수 있다. T-발화는 보일러 노의 모서리에 위치한 연료 인가 격실을 갖는 버너 조립체들을 사용하고, 이는 노 단면의 대부분을 채우는 회전하는 화구(fireball)를 발생시킨다는 점에서 벽 발화와 상이하다. 벽 발화(도시생략)는 한편으로 보일러(쉘)의 측부에 직각인 버너 조립체들을 사용한다.

도 2는 접선방향 발화 보일러(104)를 도시한다. 접선방향 발화 보일러는 직사각형 단면을 가지며 모서리에 위치한 버너 조립체(105)를 가진다. 연료 및 운송 공기는 버너 조립체(105)를 경유하여 보일러(104) 안으로 도입되고 노의 중심에 위치하고 0 보다 큰 직경을 갖는 가상원(imaginary circle)에 접선방향으로 지향된다. 이는 노 단면의 대부분을 채우는 회전하는 화구를 발생시킨다. 연료 및 혼합 공기는 스트림이 노 체적에서 함께 결합하여 회전을 발생시킬 때까지 제한된다. 이는 종종 "전체 보일러가 버너가 된다"고 기술되었다. 전체 보일러 유체동역학 및 혼합은 벽 발화와 비교할 때 T 발화 중에 연소 프로세스 및 그에 따른 보일러 성능에 많이 더욱 중요하다. 벽 발화 동안, 연료 및 공기/산소 혼합은 버너에서 또는 버너 인근에서 발생하고 보일러 내에서 혼합은 덜 발생한다.

일단 다시 도 1을 참조하면, 산소 연소 시스템(100)의 하나의 작동 방법에서, 산소는 공기 분리 유닛(102)에서 질소로부터 먼저 분리된다. 질소는 공기 분리 유닛으로부터 개별적으로 방출된다. 공기 분리 유닛(102)은 대기로부터 산소를 추출한다.

산소는 그때 재순환된 연도 가스와 조합하기 위하여 공기 분리 유닛(102)으로부터 방출되고, 그 조합물은 보일러(104)로 공급된다. 보일러(104)는 열과 연도 가스들을 발생시키기 위하여 연료(예로서, 석탄, 오일 등)를 연소시키기 위해 연도 가스 스트림에 제공된 산소를 사용한다. 공기 대신에 산소와 함께 연료를 연소시키는 결과로 인해서, 생성된 연도 가스는 높은 이산화탄소 함량을 가진다. 연도 가스의 다른 구성물은 수증기 및 소량의 산소, 그리고 황 산화물, 질소 산화물 및 일산화탄소 등과 같은 오염물이다. 물과 다른 성분들을 제거하면 격리 또는 다른 용도에 적합한 매우 순수한 이산화탄소 스트림을 생성한다.

열은 미립자 물질 및 기타 오염물들(예로서, NOx, SOx 등)이 제거되는 오염물 제어 시스템(106)으로 연도 가스들이 방출되는 동안 전기를 생산하기 위하여 발전기(도시생략)를 구동하는데 사용될 수 있는 증기를 발생시키는데 사용된다. 정화된 연도 가스들의 일부는 도 1에 도시된 바와 같이 보일러(104)로 재순환된다. 잔여 연도 가스들(실질적으로 이산화탄소를 함유함)은 가스 처리 유닛(108)으로 방출되고, 상기 가스 처리 유닛으로부터 제거된다.

산소의 양에 대한 대량의 재순환된 연도 가스들이 보일러(104)에 공급되어서 연소를 실행하면, 보일러에 도달한 연소 온도는 모든 연료의 연소를 촉진하기에 충분하지 않다. 추가로, 이러한 대량의 연도 가스들을 재순환시키는데 더욱 큰 설비가 필요하다. 한편, 연료를 순수한 산소로 연소시키면 일반적으로 실제 보일러 재료에 대해서 너무 높은 화염 온도를 생산하므로, 높은 이산화탄소 연도 가스들의 일부는 산소를 희석시키고 보일러 온도를 완화시키는데 사용된다.

재순환된 연도 가스에 추가된 산소량은 보일러에서 연소된 연료량에 기초한다. 연료는 완전한 연소를 보장하기 위하여 어떤 양의 잉여 산소에 추가하여 임의의 양의 산소를 사용한다. 보일러 내의 단일 농도에서 보일러 안으로 산화제 스트림을 추가하면 임의의 단점을 가진다. 이들 단점들 중 하나는 보일러 내의 열 방출량 또는 유속 프로파일[본원 이후 "열 방출 프로파일(heat release profile)]이 작동 신뢰성 및 유지비용에 영향을 주는 튜브 금속 온도, 애쉬 증착 및 발화측 부식에 대해서 허용가능한 조건들을 유지하면서 최대 전체 노 열 흡수율을 나타내도록 최적화되지 않는다는 것이다.

따라서, 애쉬 증착물 및 발화측 부식을 감소시키고 슬래그 및 부식을 방지하기 위하여, 보일러의 열적 성능을 최적화하도록 보일러 내의 상이한 위치들에서 보일러에서 열 방출 프로파일을 최적화하는 방식으로 보일러 안으로 산화제 스트림을 도입하기 위한 방법을 개발하는 것이 바람직하다.

본원에는, 보일러 내의 연료를 연소하는 단계; 상기 보일러 내에서 열 흡수 패턴을 생성하는 단계; 상기 보일러로부터 연도 가스들을 방출하는 단계; 상기 연도 가스들의 일부를 상기 보일러로 재순환시키는 단계; 제 1 조합 스트림을 형성하기 위하여 제 1 산화제 스트림을 상기 재순환된 연도 가스들과 조합시키는 단계; 상기 제 1 조합 스트림을 여러 소량들로(fractions) 분할하는 단계; 제 2 조합 스트림의 복수의 소량들을 형성하기 위하여, 상기 제 1 조합 스트림의 각 소량을 제 2 산화제 스트림과 혼합시키는 단계; 그리고 상기 보일러에 대한 입구의 상이한 지점들에서 상기 보일러에 대해서 상기 제 2 조합 스트림의 복수의 소량들의 각 소량을 도입시키는 단계를 포함하는 방법이 개시되어 있다.

본원에는, 보일러 내의 연료를 연소하는 단계; 상기 보일러 내에서 열 흡수 패턴을 생성하는 단계; 상기 보일러로부터 연도 가스들을 방출하는 단계; 상기 연도 가스들의 일부를 상기 보일러로 재순환시키는 단계; 상기 연도 가스들을 상기 보일러 안으로 도입하기 전에 상기 연도 가스들을 복수의 상이한 스트림들로 분할하는 단계; 그리고 상기 보일러 안으로 흐르는 복수의 스트림들의 각각의 유량을 제어하는 단계를 포함하는 방법도 역시 개시되어 있다.

도 1은 연도 가스들이 보일러로 재순환되는 종래 기술의 연소 시스템을 도시하는 도면.
도 2는 접선방향 발화 보일러를 도시하는 도면.
도 3은 제 1 산화제 스트림(실질적으로 산소를 함유함) 및 제 2 스트림(실질적으로 재순환된 연도 가스들을 함유함)이 상기 보일러 안으로 도입되는 여러 지점들을 도시하는 도면.
도 4는 보일러로 들어가는 연도 가스 스트림 안으로 산소를 도입하는 예시적인 실시예를 도시하는 다른 도면.
도 5는 접선방향 발화 보일러 안으로 조합 스트림을 도입하는 단계를 도시하는 도면.
도 6은 조합 스트림이 접선방향 발화 보일러의 윈드박스 안으로 도입되는 다른 예시적인 실시예를 도시하는 도면.
도 7은 어떻게 열 유속 프로파일이 보일러에 대한 산소의 재순환 속도 및 분배 속도를 변화시킴으로써 변화될 수 있는지를 나타내는 그래프.
도 8은 노 출구 평면에 대한 가변 고도에서 보일러로 인가된 재순환된 연도 가스의 비율을 조절하는 효과를 도시하는 그래프.
도 9는 노 출구 평면에 대한 가변 고도에서 보일러 안으로 들어가는 산소 스트림들로 인가된 산소 첨가물의 분배를 조절하는 것을 도시하는 그래프.

본원에는 보일러 안으로 도입되는 산화제 스트림을 형성하기 위하여 산소가 재순환된 연도 가스 스트림과 조합되거나 또는 부가되는 산소연료(oxyfuel) 연소 시스템이 개시되어 있다. 본원에는 또한 애쉬 증착물 및 발화측 부식을 감소시키고 그리고/또는 노에서 슬래그를 방지하기 위하여, 보일러의 열적 성능을 개선하도록 보일러 내의 열 방출 프로파일을 한정 그리고/또는 변화시키기 위하여 보일러 내의 여러 지점들에서 산화제 스트림의 재순환된 연도 가스 및 산소의 비율을 도입하고 제어하기 위한 방법이 개시되어 있다.

본원에 개시된 방법은 보일러의 여러 영역들 및/또는 보일러에 제공된 입력 스트림, 보일러에 대한 여러 입력들에 공급되는 조합 스트림 내에서 양, 비율 및/또는 산소, 양, 비율의 분배 및/또는 재순환된 연도 가스들 또는 양, 비율 모두의 분배 및/또는 산소 및 재순환된 연도 가스들의 분배를 변화시키는 단계를 포함한다. 예로서, 바람직한 화학량론 변수들에 따라 보일러에 제공된 연료의 바람직한 연소량에 충분한 산소 용적은 보일러의 상이한 영역들 또는 위치들로 나누어지거나 또는 분배되어서 보일러에 원하는 열 방출 프로파일을 제공한다. 또한, 재순환된 연도 가스 및/또는 산소 용적은 보일러의 영역 내에서 상이한 구역들로 나누어지고 그리고/또는 분배되어서 상기 영역에서 원하는 열 방출 프로파일을 제공할 수 있다. 또한, 보일러에 대한 산소 및/또는 재순환된 연도 가스 대 입력 스트림의 비율 또는 용적의 첨가물의 분배 및/또는 비율은 원하는 열 방출 프로파일을 제공하도록 제어될 수 있다.

도 3에 도시된 것과 유사한 일 실시예에서, 시스템 및 방법은 재순환된 연도 가스 및 제 1 산화제 스트림의 제 1 조합 스트림을 보일러의 상이한 섹션들 또는 영역들에 공급하는 단계를 포함한다. 제 1 조합 스트림은 각각의 유체 유동 제어 디바이스에 의해서 각각 제어되는 상이한 용적들에서 호퍼 영역, 윈드박스 영역 및/또는 하나 이상의 오버파이어 산화제 격실로 공급될 수 있다. 본 실시예에서, 산소 대 재순환된 연도 가스의 비율은 도입되는 보일러의 영역들 중 임의의 영역에서 일정하지만, 제 1 조합 스트림의 분배는 원하는 열 방출 프로파일을 제공하기 위하여 특정 영역 내의 상이한 위치들 및/또는 보일러의 상이한 영역들에 제 1 조합 스트림의 가변 부분들을 제공함으로써 제어된다.

도 4에 도시된 것과 유사한 다른 실시예에서, 시스템 및 방법은 상이한 용적들에서 호퍼 영역, 윈드박스 영역 및/또는 하나 이상의 오버파이어 산화제 격실로 공급될 수 있는 제 2 조합 스트림을 형성하기 위하여 제 1 조합 스트림과 제 2 산화제 스트림을 조합하는 단계를 포함하고, 용적측정 유동의 제 2 산화제는 유체 유동 제어 디바이스에 의해서 제어된다. 제 1 조합 스트림을 농후화하는 단계의 본 방법은 제 2 조합 스트림을 보일러 안으로 도입하기 직전에 실행된다. 본 시스템 및 방법에서, 호퍼 영역, 윈드박스 영역, 호퍼 영역 및/또는 오버파이어 산화제 격실에 대한 산소량은 재순환된 연도 가스의 양에 대해서 변화된다. 본 시스템 및 방법은 보일러에서 열 방출 패턴을 변화시키는데 유리하게 사용될 수 있다.

보일러에 대한 산소 및/또는 재순환된 연도 가스의 분배를 제어하는 본 시스템 및 방법은 보일러 내의 대기의 국부적인 산소 농후를 허용하고 따라서 보일러의 원하는 구역에서 국부적인 열 방출을 증가시키고 온도 프로파일을 조절할 수 있다는 점이 유리하다.

도 3 및 도 4의 것과 유사한 또다른 실시예에서, 조합 스트림에서의 연도 가스량은 산소량을 추가하거나 또는 변화시키는 것 대신에 변화될 수 있다. 또다른 실시예에서, 본 공개물은 노 출구 평면에 대한 가변 고도에서 보일러로 인가된 재순환된 연도 가스의 비율 또는 분배를 세부적으로 조절하거나 또는 변화시킨다. 연도 가스들의 유량을 제어하는 방법은 연료 특성 또는 노 조건들이 변화될 때 일정한 증기 온도 제어를 유지할 수 있게 한다는 점에서 유리하다. 이는 부하가 변화될 때의 증기 온도 제어 수단을 제공한다. 증기 온도 제어의 다른 방법은 가변 고도에 대한 산소량을 조절함으로써 달성될 수 있다.

본 발명의 장점은 산소 발화 보일러에서 유체 스트림에 제공된 산소 및 연도 가스으 양은 보일러의 작동을 최적화하고 보일러의 열 방출 프로파일을 제공하거나 또는 조절하기 위해 큰 가요성을 제공하도록 독립적으로 제어될 수 있다. 당기술에 숙련된 업자는 보일러에 대한 입력 유체 스트림과 함께 산소를 증가시키면 결과적으로 입력 유체 스트림의 위치에서 열 유속이 증가된다는 것을 이해할 것이다.

도 3은 보일러의 여러 위치들 또는 영역들에 대한 조합 스트림(320)의 비율 또는 분배를 제어하는 제어 시스템(290)을 갖는 T-발화 보일러와 같은 보일러(200)를 도시한다. 조합 스트림(320)은 제 1 산화제 스트림(310)[0 내지 100 중량%의 산소, 일 실시예에서는 실질적인 산소를 포함한다] 및 제 2 스트림(350)[실질적으로 재순환된 연도 가스들을 포함함]을 포함한다. 제 1 산화제 스트림(310) 및 제 2 스트림(350)의 용적측정 유동은 배플(baffle), 팬, 댐퍼(damper), 밸브 및 이덕터(eductor)와 같은 각각의 유체 유동 제어 디바이스(311)에 의해서 제어된다. 상기 유동 제어 디바이스들은 하기에 더욱 상세하게 기술되는 개방 루프 또는 폐쇄 루프 제어 시스템에서 제어될 수 있다. 본 실시예에서, 균일한 산소 농도를 포함하는 조합 스트림(320)은 상이한 위치들 또는 영역들에서 제어가능하게는 상이한 용적들에서 보일러(200) 안으로 도입된다. 보일러(200)는 애쉬가 제거될 수 있는 주 버너 영역(208) 밑에 위치한 호퍼 영역(210), 산화제 및 산화제-연료 혼합물(또는 대안으로 가스-연료 혼합물)이 보일러(200) 안으로 도입되는 주 버너 영역(208)[이하 윈드박스(208)], 주 버너 영역에서 연소되지 않는 임의의 산소 또는 연료가 연소되는 번아웃 영역(burnout zone;216), 증기가 과열될 수 있는 과열기 영역(212), 및 과열기 영역(212)으로 진입하기 전에 물이 예열될 수 있는 절약기 영역(economizer zone;214)을 포함할 수 있다. 번아웃 영역(216)은 하부 오버파이어(overfire) 산화제 격실(206) 및 상부 오버파이어 산화제 격실(204)을 사용할 수 있다. 보일러(200)는 또한 수평 보일러 출구 평면(304) 및 수직 보일러 출구 평면(302)을 포함할 수 있다. 보일러(200)는 또한 물이 증기로 변형될 수 있는 수벽(waterwall;202)을 포함한다.

상술한 바와 같이, 제 1 산화제 스트림(310) 및 제 2 스트림(350)은 그때 보일러로 공급되는 조합 스트림(320)을 형성하도록 조합된다. 조합 스트림(320)은 산소에 비례해서 약 15 내지 약 40 용적 퍼센트를 포함하고, 나머지는 재순환된 연도 가스이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 조합 스트림(320)은 보일러(200)로 호퍼 영역(210), 윈드박스(208), 하부 오버파이어 산화제 격실(206) 및/또는 상부 오버파이어 산화제 격실(204) 안으로 제공될 수 있다. 다시 말해서, 조합 스트림(320)은 여러 스트림들(320A, 320B, 320C 및/또는 320D)로 분할되어 분배되고 보일러의 상이한 부분들에 제공되어서 보일러 내의 열 방출 프로파일을 변화시키고 열적 성능을 개선시켜서, 하나 이상의 증기들(320A, 320B, 320C, 320D)의 용량측정 유량이 각각의 유체 유동 제어 디바이스(312)에 의해서 제어된다. 예로서, 더욱 높은 비율의 조합 스트림(320)이 상기 영역에서 열 방출 프로파일을 증가시키기 위하여 윈드박스에 제공되거나 또는 그 반대일 수 있다. 제 2 스트림(350)을 산소로써 농후화시키고 조합 스트림(320)을 상이한 증기들(320A, 320B, 320C, 320D)로 분할하는 본 방법은 보일러의 상이한 부분들로 들어가는 연도 가스 및 산소의 양을 변화시켜서 그 열적 성능을 개선하거나 또는 원하는 열 방출 프로파일을 제공할 수 있다.

식별 목적을 위해서 호퍼 영역(210)에서 보일러(200) 안으로 제공된 조합 스트림(320)은 부호 "320A"로 식별되고 조합 스트림(320)의 전체 중량의 최대 약 25 중량 퍼센트를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 조합 스트림(320A)은 조합 스트림(320)의 전체 중량의 약 0 내지 약 10 중량 퍼센트를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 윈드박스(208)에서 보일러(200) 안으로 제공된 조합 스트림(320)은 부호 "320B"로 식별되고 조합 스트림(320)의 전체 중량의 약 50 내지 약 100 중량 퍼센트를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 조합 스트림(320B)은 조합 스트림(320)의 전체 중량의 약 50 내지 약 80 중량 퍼센트를 포함할 수 있다. 또다른 실시예에서, 하부 오버파이어 산화제 격실(206)에서 보일러(200) 안으로 제공된 조합 스트림(320)은 부호 "320C"로 식별되고 조합 스트림(320)의 전체 중량의 최대 약 50 중량 퍼센트를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 조합 스트림(320C)은 조합 스트림(320)의 전체 중량의 약 10 내지 약 30 중량 퍼센트를 포함할 수 있다.

또다른 실시예에서, 상부 오버파이어 산화제 격실(206)에서 보일러(200) 안으로 제공된 조합 스트림(320)은 부호 "320D"로 식별되고 조합 스트림(320)의 전체 중량의 최대 약 50 중량 퍼센트를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 조합 스트림(320D)은 조합 스트림(320)의 전체 중량의 약 10 내지 약 30 중량 퍼센트를 포함할 수 있다.

도 4는 보일러 내의 열 방출 프로파일을 한정하거나 또는 변화시키기 위하여 그리고 그 열적 성능을 개선하거나 또는 원하는 열 방출 프로파일을 제공하기 위하여, 보일러(200)에 공급된 각 입력 스트림의 산소의 연도 가스를 농후하게 하거나 또는 고갈시키도록, 조합 스트림(360) 및 제 2 산화제 스트림(370)을 사용함으로써, 보일러의 다양한 위치들 또는 영역들에 대한 각 스트림(360A, 360B, 360C, 360D)의 산소 비 및 조합 스트림(360)의 비율 또는 분배를 제어하는 제어 시스템(291)을 갖는 T-발화 보일러와 같은 보일러(200)의 다른 실시예를 도시한다. 본 실시예에서, 상이한 산소 농도들을 갖는 스트림들은 호퍼 영역, 윈드박스 영역, 상부 오버파이어 산화제 영역 및 하부 오버파이어 산화제 영역으로 제공된다. 당업자는 각 영역의 제어 산소 농도 또는 비가 보일러의 위치들 또는 영역들의 임의의 구성 또는 조합으로 제어될 수 있다. 재순환된 연도 가스들(350)은 제 1 조합 스트림(360)을 형성하기 위하여 산화제 스트림(310)과 먼저 사전 혼합될 수 있다. 제 1 조합 스트림(360)은 그때 상이한 양 또는 용적에서 보일러의 상이한 위치들 또는 영역들을 향하여 방출된다. 그러나, 각 조합 스트림(360)은 각각의 제 2 산화제 스트림(370)으로부터 산소와 농후화되어서 각 입력 스트림(360A, 360B, 360C, 360D)에 원하는 농도의 산소 뿐 아니라 각 입력 스트림 뒤로 원하는 전체 용적의 유동을 제공한다. 상이한 스트림들에서의 산소 비는 따라서 서로 동일하거나 또는 상이할 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 제어 시스템(291)은 각각의 유체 유동 제어 디바이스(311)를 사용하여 스트림(350) 및 산화제 스트림(310)의 유체 유동을 제어함으로써 산소의 농도 및 조합 스트림(360)의 용적측정 유동을 제어한다. 제어 시스템(291)은 조합 스트림(360)의 유동을 제어하기 위하여 각각의 유체 유동 제어 디바이스(312)을 제어하고 각각의 유체 유동 제어 디바이스(313)의 유동을 제어하기 위하여 각각의 유체 유동 제어 디바이스(313)를 제어함으로써 각각의 입력 스트림(360A, 360B, 360C, 360D)에 대한 산소 농도 및 용적측정 유량을 추가로 제어한다. 유체 유동 제어 디바이스(312)는 제 2 산화제 스트림(370)이 부가되는 지점의 상류 또는 하류에 배치될 수 있다. 그러나, 유체 유동 제어 디바이스(312)가 제 2 산화제 스트림(370)이 부가되는 지점의 상류에 배치될 때, 제어 시스템(291)은 보일러에 대한 입력 스트림(360A, 360B, 360C, 360D)의 전체 용적 및 산소 농도 모두를 국부적으로 제어하기 위하여 더욱 큰 가요성 및 농도 범위를 제공한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 요약서에서, 제어 시스템(291)의 유체 유동 제어 디바이스(311,312,313)는 각 입력 스트림(360A, 360B, 360C, 360D)의 산소 농도, 각 입력 스트림 및 그에 따른 보일러의 영역에 대한 산소 분배, 및 각 입력 스트림의 원하는 용적측정 가스 유동을 제어할 수 있다.

일단 도 4에 대해서 다시 참조하면, 전체 부가된 산소의 제 1 산화제 스트림(310)은 제 1 조합 스트림(360)을 형성하기 위하여 재순환된 연도 가스들을 포함하는 제 2 스트림(350)과 혼합된다. 예시적인 실시예에서, 제 1 산화제 스트림(310)은 전체 부가된 산소의 약 50 내지 약 95 퍼센트, 특히 약 80 내지 약 90 퍼센트를 포함한다. 보일러(200) 내의 원하는 양의 연소에 필요한 잔여 비율의 산소가 제 2 산화제 스트림(370)에 제공된다. 재순환된 연도 가스 및 운송 가스는 입력 스트림(360A, 360B, 360C, 360D)의 제어에서 고려될 필요가 있는 작은 비율의 산소를 포함할 수 있다는 것을 주의해야 한다.

도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 부가된 전체의 최대 20%까지 포함하는 제 1 조합 스트림(360) 및 제 2 산화제 스트림(370)을 포함하는 제 2 조합 스트림(360A)은 호퍼 영역(210)에 제공된다. 예시적인 실시예에서, 제 2 조합 스트림(360A)은 전체 첨부된 산소의 약 0 내지 약 18%를 포함하고, 구체적으로 약 2 내지 약 15%를 포함할 수 있다.

다른 실시예에서, 전체 첨부된 산소의 최대 100%의 양으로 산소를 포함하는 제 2 산화제 스트림(370)은 제 1 조합 스트림(360)과 조합되어서 윈드박스(208)로 제공된다. 예시적인 실시예에서, 전체 첨가된 산소의 약 50 내지 약 80%의 양으로 산소를 포함하는제 2 산화제 스트림은 제 1 조합 스트림(360)과 조합되어서 윈드박스(208)로 제공된다.

또다른 실시예에서, 최대 50 wt%의 양으로 산소를 포함하는 제 2 산화제 스트림(370)은 제 1 조합 스트림(360)과 조합되어서 하부 오버파이어 산화제 격실(206)로 제공된다. 예시적인 실시예에서, 전체 첨가된 산소의 약 10 내지 약 30%의 양으로 산소를 포함하는제 2 산화제 스트림은 제 1 조합 스트림(360)과 조합되어서 하부 오버파이어 산화제 격실(206) 및/또는 상부 오버파이어 산화제 격실(204)로 제공된다.

제 2 산화제 스트림(370)은 일반적으로 보일러(200)에 가능한 근접한 조합 스트림(360A, 360B, 360C 또는 360D)을 형성하기 위하여 제 1 조합 스트림(360)과 혼합된다. 산소 분배에 대한 더욱 미세한 레벨의 제어는 보일러에 더욱 근접한 산소 혼합에 의해서, 예로서 도 4에 도시된 위치에서 추가 산소를 첨가하여 윈드박스(208)의 한 구역에서 산소 함량을 국부적으로 농후하게 함으로써 달성될 수 있다. 제 1 조합 스트림(360)의 이러한 농후 모드는 접선방향 발화 보일러 뿐 아니라 벽 발화 보일러에서 사용될 수 있다.

도 3 및 도 4의 제어 시스템(290,291)이 보일러(200)의 특정 영역들에 대한 산소 분배 및 농도를 제어하면서, 본 발명은 복수의 개별 입력 증기들을 갖는 각 영역들도 역시 제어 시스템에 의해서 제어될 수 있다는 것을 예상하고 있다. 도 5는 조합 스트림[(320B)(도 3에서) 또는 360B(도 4에서)]을 보일러(200)의 윈드박스(208) 안으로 도입하는 하나의 예시적인 장치 및 방법을 도시한다. 도 5는 접선방향 발화 보일러의 윈드박스(208)의 입력 격실 또는 입력 스트림, 및 윈드박스(208)에 의해서 제공된 각각의 입력 스트림들의 산소 농도 및 용적측정 유동을 제어하는 장치 및 방법의 상세사항을 도시한다. 가변 산소 농도는 윈드박스(208)의 상이한 격실들에서 도입된다.

도 5는 접선방향 발화 보일러(200)의 윈드박스(208)에서 복수의 조립체들, 예로서 제 1 노즐(402, 404, 406) 및 제 2 노즐(409)을 도시한다. 도 5는 제 1 노즐(402, 404, 406) 및 제 2 노즐(409)의 구성을 도시하기 위해 보일러(200)의 윈드박스(208)의 확장 도면을 수용한다. 일 실시예에서, 윈드박스(208)는 약 2 내지 약 10 조립체들을 포함할 수 있다. 재순환된 연도 가스 및 산소의 혼합물과 함께 연료 및 운송 가스[예로서, 조합 스트림(360B 또는 320B)은 각 노즐들 안으로 도입될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 조합 스트림(360B)(국부적인 산소 농후를 갖는)을 노즐(402, 404, 406 및/또는 407) 안으로 도입하는 것이 바람직할 수 있다. 각 조립체들로 공급되는 조합 스트림(360B)에서 산소 대 재순환된 연도 가스의 비는 도 3 및 도 4에 도시되고 기술된 구성과 유사하게 변화될 수 있다. 구체적으로, 도 3 및 도 4의 제어 시스템(290,291)은 각 노즐(402, 404, 406, 407)의 각각의 입력 스트림(360F, 360G, 360H, 360I, 360J, 360K, 360L)의 농도, 비율 및/또는 분배를 제어하기 위하여 유체 유동 제어 디바이스의 동일한 농도를 가질 수 있다. 다시 말해서, 윈드박스(208)의 위치 또는 노즐(즉, 윈드박스 영역들)은 보일러(200)의 각 영역과 동일하거나 또는 유사한 방식으로 제어될 수 있고. 입력 스트림(360B)은 도 3 및 도 4에서 조합 스트림(360)과 기능적으로 동일하다. 이러한 기능이 윈드박스(208)에 대해서 도시되었지만, 당업자는 이러한 레벨의 제어는 보일러(200)의 다른 영역들에 대해서 본 발명에 의해서 예상된다.

예로서, 제 1 조립체(402)는 산소 대 재순환된 연도 가스들의 제 1 비를 수용할 수 있고, 제 2 조립체(404)는 산소 대 재순환된 연도 가스들의 제 2 비를 수용할 수 있다. 일 실시예에서, 제 1 비는 제 2 비와 동일할 수 있다. 다른 실시예에서, 제 1 조립체(402)에 제공된 조합 스트림(360B) 대 석탄의 질량비는 제 2 조립체(404)에 제공된 질량비와 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 산소 대 재순환된 연도 가스의 비를 변경함으로써, 윈드박스의 상이한 부분들에서의 열 방출 프로파일이 변경될 수 있다. 또한, 산소의 질량비는 또한 제 2 노즐(407)에 대해서 개별적으로 제어될 수 있다.

도 6은 조합 스트림(360B)(또는 320B)이 제 1 노즐(402,404 및/또는 406)을 경유하여 접선방향 발화 보일러의 윈드박스(208) 안으로 도입될 수 있고, 각 노즐 내의 농도 및 분배가 제어될 수 있는 다른 실시예를 반영한다. 도 6에 도시된 조립체(402)는 대표적인 제 1 노즐로서 사용된다. 제 1 노즐(402)은 연료(예로서, 석탄)의 스트림 및 운송 가스가 관통하여 보일러(200) 안으로 제공되는 내부 포트(402B)와, 조합 스트림(360M)이 관통하여 보일러 안으로 제공되는 외부 환형체(402A)를 포함한다. 도 3 및 도 4에 대해서 상술한 것과 유사한, 제어 시스템(291, 292)은 제 1 노즐(402)의 각 유체 스트림(360M, 360P)의 산소 농도 및 분배를 유사하게 제어할 수 있고, 노즐(402)의 각 포트(402A, 402B) 영역은 도 3 및 도 4에 기재된 보일러(200)의 영역과 유사하다.

또한, 제 2 조합 스트림(360M)은 조립체(402)의 환형 통로(402A)에 있는 윈드박스(208) 안으로 도입되고, 연료 및 운송 가스(연료를 운송하는데 사용됨)는 조합 스트림(360P)을 포함하는 내부 포트(402B)를 경유하여 노 안으로 도입된다. 이러한 배열은 중심 연료 스트림을 둘러싸는 스트림(360M)에서 산소 농도를 변화시키거나 또는 제어할 수 있게 하고, 이는 변화들이 열 유속 및 그에 따른 보일러(200) 내의 열 방출 프로파일을 제어할 수 있게 하여, 버너 노즐의 화염 안정성을 개선하고 보일러 내의 NOx를 감소시킨다. 연료 주입 스트림을 둘러싸는 환형체 안으로 조합 스트림을 도입하면, 결과적으로 고농도의 산소로 인해서 점화가 더욱 신속하게 되고 보일러 내의 연료 주입 지점 부근에서 연소를 증가시키게 된다.

도 4를 참조하는 일 실시예에서, 조합 스트림(360) 및 제 2 산화제 스트림(370)은 상부 오버파이어 산화제 격실(204) 또는 하부 오버파이어 산화제 격실(206)에서 보일러(200) 안으로 도입될 수 있다. 산소로 인한 농후는 따라서 하부 오버파이어 산화제 격실(206)에 대한 상부 오버파이어 산화제 격실(204), 윈드박스(208) 및/또는 호퍼 영역(210)에서 발생할 수 있다. 다른 실시예에서, 산소로 인한 농후는 따라서 상부 오버파이어 산화제 격실(204)에 대한 하부 오버파이어 산화제 격실(206), 윈드박스(208) 및/또는 호퍼 영역(210)에서 발생할 수 있다. 도 4에 있어서, 일 실시예는 조합 스트림(360) 및 제 2 산화제 스트림(370)은 상부 오버파이어 산화제 격실(204) 또는 하부 오버파이어 산화제 격실(206)에 각각 도입된다. 상부 오버파이어 산화제 격실(204)은 수평 보일러 출구 평면(304)에 최근접하고, 하부 오버파이어 산화제 격실(206)은 수평 보일러 출구 평면(304)으로부터 가장 먼 격실이다.

조합 스트림(360)이 하부 오버파이어 산화제 격실(206)에 도입될 때, 제 2 산화제 스트림(370)은 상부 오버파이어 산화제 격실(204) 안으로 도입되고, 그리고 그 반대도 된다. 조합 스트림(360)을 하부 오버파이어 산화제 격실(206) 안으로 도입함으로써, 하부 오버파이어 산화제 격실(206) 내의 산화제 스트림은 상부 오버파이어 산화제 격실(204), 윈드박스(208) 및 입구 헤더 영역(210)에 대해서 산소 농후이다.

연소 프로세스가 하부 보일러가 연소 프로세스가 필요로 하는 화학량론 비보다 낮은 연료의 산소 비에서 작동할 수 있게 허용하면서, 연소 프로세스가 하부 보일러로부터 계속될 수 있도록, 오버파이어 산화제 격실들에서 충분한 산소가 사용된다. 오버파이어 산화제 격실들로 연도 가스 스트림을 농후화하게 하는 목적은 형성된 질소 산화물(NOx)의 양을 제어할 뿐 아니라 하부 노에서 온도를 제어하는 것이다.

도 4에는, 상부 오버파이어 산화제 격실(204) 및 하부 오버파이어 산화제 격실(206)에서의 산소 농도를 변화시키는 것과 관련된 다른 실시예가 도시되어 있다. 상부 오버파이어 산화제 격실(204)의 산소 농도는 보충 연도 가스 재순환 스트림(380)을 상부 오버파이어 산화제 격실(204)에 도입함으로써 제 2 산화제 스트림(350)의 부피에 대해서 고갈될 수 있다. 또한, 제 2 산화제 스트림(370)의 부피에 대한 상부 오버파이어 산화제 격실(204)의 고갈은 조합 스트림(360)을 하부 오버파이어 산화제 격실(206) 및/또는 윈드박스(208)에 도입함으로써 달성될 수 있다. 일 실시예에서, 제 2 산화제 스트림(370)은 윈드박스(208) 안으로 도입되고, 보충 연도 가스 재순환 스트림(380)은 상부 오버파이어 산화제 격실(204)에 제공된다.

전체 산소 농도(즉, 15 내지 40 wt%)에 대해서 산소가 고갈된 상부 오버파이어 산화제 격실은 보일러에서 더욱 높은 연소 온도 및 그에 따른 열전달 속도를 감소시키면서, 보일러의 하부 부분에서 연소 온도를 더욱 높게 하고 열 전달 속도를 더욱 높게 할 수 있다.

상부 오버파이어 산화제의 온도를 증가시키는데 필요한 에너지로 인하여, 연소 가스의 온도는 감소할 것이다(대부분의 연소는 완료될 것이다). 연소 가스들의 감소된 온도에서, 출구 평면에 최근접한 보일러 부분에서 보일러 벽들에 대한 그에 따른 유속은 감소할 것이다. 열 전달 프로파일에서 그에 따른 변경 수벽 재료, 특히 초임계성 증기 발전기에 대해서 유리할 것이다. 주요 장점은 작용하는 유체 온도가 가장 높은 보일러 출구 평면에 근접한 보일러에서 열 전달을 감소시키는 것이다.

추가 산소의 용도는 다수의 장점들을 가진다. 최하부 버너 조립체 밑에 위치한 산화제 스트림에 산소를 부가하면, 보일러 내의 열 흡수 프로파일을 변경한다. 열 흡수 프로파일을 변경하고 제어하는 능력은 하부 보일러에 위치한 열 전달 표면들의 사용을 증가시킬 수 있다. 이는 보일러의 방사 섹션에서 더욱 많은 전체 열 흡수를 허용할 수 있다. 이는 또한 일반적으로 윈드박스 위에 발생하는 정점 온도 및 열 전달 속도를 감소시킬 수 있고, 애쉬 슬래그 문제들에 대한 재료 요구조건 및 잠재가능성을 감소시킨다.

보일러에서의 열 방출 프로파일을 변경하면 일정한 서멀 열 입력 및 연도 가스 재순환 속도에서 정점 보일러 재료 온도를 감소시킬 수 있다. 장점은 슬래그 문제 및 수벽 튜브 과열을 유발하는 정점 열 유속 없이 낮아질 수 있다. 보일러 내의 열 방출 프로파일을 변경하는 다른 유리한 결과는 열 전달 표면의 더욱 효율적인 활용을 가능하게 하는 것이다. 개량 보일러에 대한 장점들은 서멀 열 입력 및 그에 따른 작용 유체 동력을 증가시키고 신규 보일러에 대해서 보일러 크기를 감소시킬 수 있다는 것이다.

다른 유리한 결과는 일산화탄소 방출량, 요구되는 잉여 산소, 미연소 탄소 및 광물질 특성들을 포함하는 방출 특징에서의 개선이다. 또다른 결과는 보일러 출구 온도를 제어함으로써 보일러의 대류 섹션에서의 애쉬 파울링(ash fouling) 특성에서의 유익한 영향이다. 또다른 유리한 결과는 보일러의 하부 섹션에서 애쉬 슬래그 특성들에 대한 유익한 영향이다. 다른 장점은 보일러에 대한 제 1 조합 스트림(360)에서 사용된 배관은 증가한 산소 농도를 허용할 필요가 없다는 것이다. 장점은 배관이 폭넓은 다양한 재료로 구성되어서 비용을 절감시킬 수 있다는 것이다. 단지 제 2 조합 스트림(360A) 등을 수용하는 배관이 짧을 수록 제 2 산화제 스트림(370)과의 혼합 후에 더욱 높은 산소 농도를 허용할 필요가 있다는 것이다. 개량 적용에 대한 다른 장점은 기존의 플랜트 배관을 사용한다는 것이다.

본 발명의 제어 시스템(290, 291)은 개방 루프 시스템일 수 있고, 유체 유동 제어 디바이스는 작업자에 의해서 소정 세팅 또는 세트에서 조정되거나 또는 세팅될 수 있고, 또는 폐쇄 루프 시스템일 수 있다. 폐쇄 루프 시스템으로서, 보일러 및/또는 보일러 아일랜드의 작동 및/또는 조건 변수에 반응하여 조정되거나 또는 세팅될 수 있다는 것이다. 예로서, 유체 유동 제어 디바이스는 증기 온도, 보일러 온도 또는 보일러 또는 보일러 아일랜드(boiler island)의 다른 서멀 영역과 같은, 보일러 또는 보일러 아일랜드의 서멀 변수들에 따라 유체 유동을 제어할 수 있다. 유사하게, 유체 유동 제어 디바이스는 보일러 또는 보일러 아일랜드의 부하에 대한 변화 또는 시스템 부하와 같은 작동 변수들에 따라 유체 유동을 제어할 수 있다. 본 발명은 프로세서 또는 DCS가 작동 또는 시스템 조건 변수와 같은 감지된 입력 신호에 따라 각각의 유체 유동 제어 디바이스에 각각의 제어 신호를 제공할 수 있다는 것을 고려하고 있다.

도 7은 연도 가스 재순환 속도 및 산소 첨가 위치를 변화시킴으로써 달성될 수 있는 열 방출 패턴에 대한 변화의 예를 도시한다. 3개의 곡선들이 도 7에 도시되고, 15 MW 파일럿 플랜트(pilot plant)에서 시험된 3개의 시험 조건들을 나타낸다. 기본적인 경우는 여러 상이한 고도에서 노의 벽들에 측정된 열 유속을 나타낸다. 열 유속은 주 버너 영역(예로서 도 4의 208)에서 더욱 높고 높은 고도에서 감소된다. 측정되는 열 유속 패턴은 노에서 열 방출 패턴에 직접 대응한다는 것을 주목하시오. 낮은 재순환 곡선은 작은 양의 연도 가스 재순환에 대한 경우를 제시한다. 이러한 경우에, 온도는 각 고도에서 더욱 높고, 따라서 열 유속은 각 고도에서 더욱 높다.

낮은 재순환 및 로컬(local) 0₂를 위한 제 3 곡선은 열 유속 프로파일의 형성을 조정하기 위하여 각 고도에서 첨가된 산소를 변화시키는 제 2 곡선과 동일한 감소된 연도 가스 재순환을 갖는 경우를 제시한다. 이러한 경우에, 주 버너 영역에서 최대 또는 정점, 열 유속은 기본적인 경우의 값으로 뒤로 감소되었다. 이러한 예의 장점은 디자인 한계를 초과할 수 있고 보일러 재료의 과열을 유발할 수 있는 정점 열 유속들을 회피하면서 감소된 연도 가스 재순환으로 작동하는 능력이다. 전체 연도 가스 재순환 및 각 고도에서 첨가된 연도 가스 및 산소의 양을 변화시키는 다른 조합은 열 유속 프로파일의 형상에 대한 다른 변화들을 달성할 수 있다.

본 발명은 상술한 노즐 기울기의 형태들이 예로서 낮은 부하에서 보일러의 큰 범위의 제어를 제공하기 위하여 본 발명의 조합에서 사용될 수 있다는 것을 고려하고 있다. 보일러 내의 열 방출 패턴의 제어를 제공하는 본 발명은 보일러 디자인, 작동 및 제어에서 다양한 적용 및 개선을 위하여 사용될 수 있다. 이들중 일부는 다음 사항을 포함한다:

● 결과적으로 기존의 플랜트 및 신규 산소 연료 플랜트의 모두의 산소 연료 개량을 위한 낮은 자본 설비 비용 및 낮은 작동 비용으로 귀결되는 산소-연소 보일러로 뒤로의 연도 가스 재순환의 전체 량의 감소

● 산소연료 개량을 위한 기존 보일러의 증기 발생 용량의 업그레이드

● 산소 발화 보일러 동작 중에 증기 발생 및 증기 온도의 개선된 제어를 위한 산소연료 적용에 대한 신규 보일러의 크기 및 비용의 감소

● 산소연료 보일러로부터의 증기의 온도 및 발생된(유동) 증기량의 능동 제어(개방 루프 제어 및 폐쇄 루프 제어의 양자). 이는 부하 변화들, 열 전달에 대한 보일러 내구성의 변화들, 및 연료 변화들 중에 증기 유동 및 온도에 대한 제어를 포함한다. 또한, 이는 제어 범위를 확장하기 위하여, 접선방향 연료 노즐의 기울기 및/또는 주입된 가스 재순환된 유동의 전체 량과 같은, 다른 기존 방법들과 조합하여 사용될 수 있다.

감소된 연도 가스 재순환 유동을 사용하는 여러 가능한 적용들이 있다. 예로서, 신규의 산소연료(oxyfuel) 유닛에 대해서, 보일러 수벽면은 증가된 전체 노 열 유속의 결과로서 동일한 열 전달 율(duty)에 대해서 더욱 작게 제조될 수 있다. 보일러의 하류, 배관, 가스 재순환 시스템, 및 오염물 제어 설비는 낮은 자본 비용으로 크기가 더욱 작아질 수 있다. 낮은 가스 재순환으로, 재순환 팬을 위한 기생 전력도 역시 감소된다. 상부 보일러 및 백패스의 표면의 크기는 또한 감소된 연도 가스 유량을 수용하도록 설계될 수 있다.

예로서, 기존의 임계 이하의 증기 보일러의 개량 적용을 위하여, 더욱 많은 표면이 상부 보일러 섹션에 부가되어서 감소된 연도 가스 유동으로부터 열 부하(heat duty)에 대한 원하는 과열 및 재가열을 달성할 수 있다. 보일러의 하류에는, 배관, 가스 재순환 시스템 및 오염물 제어 설비가 작은 자본 비용으로 더욱 작아질 수 있다. 낮은 가스 재순환으로, 재순환 팬들을 위한 기생 전력도 역시 감소된다. 추가로, 기존의 임계 이하의 증기 보일러의 개량 적용을 위하여, 감소된 연도 가스 유동으로부터 열 부하에 대한 원하는 과열 및 재가열을 달성해서 그에 따른 장점을 획득하는데 추가의 표면이 필요하지 않다.

보일러 용량은 또한 산소 및 재순환된 연도 가스의 분배를 최적화함으로써 업그레이드될 수 있다. 보일러 열 유속 프로파일을 성형하고 제어하는데 동일한 사상 및 접근방안을 적용하면, 동일한 레벨의 가스 재순환 및 가스 유동에서 시스템을 통하여 증기 발생 용량이 증가할 수 있다. 일 실시예에서, 개량 적용을 위하여, 더욱 많은 연료가 발화되고 더욱 많은 증기가 생산될 수 있다. 원하는 과열을 달성하고 열 부하들을 재가열하기 위하여 추가 표면이 상부 보일러 섹션에 부가된 상태에서 이러한 증가된 증기 생산은 증기 터빈도 역시 업그레이드되면 보충 산소가 사용되지 않는 경쟁 보일러보다 더욱 많은 전력을 생산하는데 사용될 수 있다.

다른 실시예에서, 개량 적용을 위하여, 더욱 많은 연료가 발화되고 더욱 많은 증기가 생산될 수 있다. 증가하는 총 전기 발생에 대한 대안으로서, 초과 증기는 산소연료 플랜트의 다른 부분들에 사용될 수 있다. 예로서, 공기 분리 유닛 및 가스 처리 유닛은 이러한 증기를 사용하여 증기 구동으로 전력공급될 수 있다. 이는 플랜트 설비에 의해서 소모된 기생 전력을 감소시키고 순수 전력을 증가시킨다.

보일러를 떠나는 증기 온도의 능동 제어는 개별 산화제 스트림[도 4, 스트림(370A, 370B, 370C, 370D)]의 조절에 의해서 달성될 수 있다. 예로서, 기존의 연료 노즐 기울기 제어 시스템을 사용함으로써, 보일러 수벽 파울(waterwalls foul)로 인하여, 열이 적게 흡수되고 결과적으로 하류 섹션으로 들어가는 가스 온도가 더욱 높아지며, 이는 여러 작동 문제를 유발할 수 있다. 노즐을 아래로 기울임으로써, 고온 가스들이 하부 보일러 수벽면에 더욱 많이 노출되고, 벽들이 세정될 때, 노즐들은 다시 적당한 열 흡수를 유지하도록 높게 기울어진다. 보일러 안으로의 산소 분배를 변화시키기 위해서 산화제 스트림들의 유량을 조절함으로써 유사 제어가 얻어질 수 있다. 상부 부분들에서 산화제 유동을 감소시키면서 보일러의 하부 부분(도 5에서, 주요 버너 영역의 하부 윈드박스 격실들)에서 산화제 스트림의 유동을 증가시킴으로써 결과적으로 열 전달을 증가시키고 가스 출구 온도를 낮추게 된다. 반대로, 하부 보일러에서 낮은 열 흡수가 바람직하다면, 예로서 증기 출구 온도가 너무 낮다면, 그때 하부 보일러에서 산화제 유동을 감소시키고 상부 부분에서 산화제 유동을 증가시켜서[도 5에서와 같이 오버파이어 격실(LSOFA 및 USOFA)] 결과적으로 하류 섹션에서 가스 온도를 더욱 높게 하고 증기 온도를 증가시킨다. 보일러를 떠나는 가스 온도에 대한 제어는 가스 온도가 디자인 조건들 위에 있으면, 분쇄된 연료 발화 중에 중요하고, 하류 관 섹션들의 과열 및/또는 심한 파울링(fouling)이 발생할 수 있다. 가스 온도가 디자인 조건 밑에 있으면, 그때 증기 온도는 원하는 온도에 도달할 수 없다.

도 9는 노 출구 평면(도 4, HFOP)에 대한 가변 고도에서 보일러 안으로 도입되는 산화제 스트림에 인가된 산소 첨가물의 분배를 조절하는 개념을 도시하고 있다. 라인들 "A, B, C, D, 및 E"은 상이한 보일러 벽 슬래그 조건들에 의해서 제시된 바와 같이 열 전달에 대한 저항의 가변 레벨을 나타낸다. 저항 레벨이 변화될 때 작동 조정이 없다면, 증기 온도는 라인 "1"에 의해서 나타내는 바와 같이 변화된다. 라인 "2"은 저항 레벨이 A 내지 E로 변화될 때 본 발명의 개념을 나타내고, 산소 첨가물의 분배는 노 출구 평면에 대한 가변 고도에서 보일러로 진입하여 라인 "2"를 따라 일정한 증기 온도를 유지하는 산화제 스트림으로 인가된다. 이는 노 조건들의 연료 특성들이 변화될 때 일정한 증기 온도 제어를 허용한다.

증기 온도는 보일러 안으로 도입된 산소의 분배를 조절함으로써 부하(연료 입력)들이 변화될 때 또한 제어될 수 있다. 보일러 안으로 도입된 산소 분배를 조절하는 것은 증기 온도 제어의 범위를 확장하기 위하여 다른 제어 방법들과 조합하여 사용될 수 있다.

연소실로 복귀된 재순환된 연도 가스의 양을 변화시키면, 대류 통과에 대한 가스의 온도 및 에너지를 변화시키고, 이는 가스의 냉각 속도 및 대류 섹션의 열 유속 프로파일을 변화시킨다. 보일러를 떠나는 가스 온도에 대한 제어는 분쇄 연료 발화 중에 중요하다. 만약 이 위치에서의 온도가 애쉬 연화 또는 애쉬 융합 온도 위에 있다면, 심각한 파울링이 발생할 수 있고 잉여 수트 블로잉(soot blowing)이 실행되어서 플랜트의 효율성 및 유용성을 감소시킬 것이다. 또한, 대류 통과에서 열 전달 프로파일이 변화될 때, 이는 튜브들이 일부 위치에서 과열되게 한다. 따라서, 대류 통과에 대한 온도 및 에너지 유량의 독립적인 제어를 허용하는 연소 시스템이 유리할 것이다. 증기 온도 제어를 위한 연도 가스 재순환 유량을 변화시키는 기존의 수단은 대류 통과에 대한 온도 및 에너지 유량을 독립적으로 제어할 수 없다.

보일러에서 이를 적용함으로써 증기 조건은 HFOP에 대한 가변 고도에서 산화제 스트림과 함께 보일러 안으로 진입하는 재순환된 연도 가스의 비율을 조절함으로써 제어될 수 있다. 일정한 연도 가스 재순환 속도에서, 재순환 가스의 분배가 변화될 때, 보일러 내의 열 흡수 패턴은 변화된다. 이러한 제어 방법은 오버파이어 격실에서 사용된 산화제의 양과 윈드박스 사이의 연도 가스 재순환의 분배를 조절하는 것을 포함한다. 재순환 가스 첨가물의 분배가 윈드박스 및 오버파이어 격실 사이에서 변화될 때, 보일러 내의 열 흡수 프로파일은 변화되어서 보일러를 떠나는 증기 조건들의 작동 제어를 허용한다.

도 8은 노 출구 평면에 대한 가변 고도에서 보일러에 인가된 재순환된 연도 가스의 비율을 조절하는 효과 및 노에서 열 전달 저항을 변화시키는 영향을 나타내는 그래프이다. 만약, 저항 레벨이 변화될 때 작동 조정이 이루어지지 않으면, 예로서 노 벽들 상의 애쉬 증착이 증가할 때, 증기 온도는 라인 "1"에 의해서 나타내는 바와 같이 변화될 것이다. 라인 "2"은 본 발명의 개념을 도시하고, 저항 레벨이 A에서 G로 변화될 때, 윈드박스 재순환 대 오버파이어 재순환의 비율은 일정한 증기 스트림을 유지하기 위하여 라인 "2"를 추종한다. 연도 가스들의 유량을 제어하는 이러한 방법은 연료 특성들 또는 연료 조건들이 변화될 때 일정한 증기 온도 제어를 유지할 수 있다는 점에서 유리하다.

이러한 접근 방안은 또한 보일러 안으로 도입된 가스 재순환의 분배를 조절함으로써 부하들(연료 입력)이 변화될 때 증기 온도 제어 수단을 제공할 수 있다. 부하가 변화될 때, 원하는 증기 조건을 충족시키기 위하여 열 흡수 패턴의 분배를 변화시키려는 바램이 있다. 보일러 안으로 도입된 가스 재순환의 분배를 조절하는 것은 또한 증기 온도 제어 범위를 확장하기 위하여 다른 제어 방법들과 조합되어 사용될 수 있다.

본 발명은 접선방향 발화 보일러에 대해서 일 실시예를 제공하지만, 당업자는 본 발명이 산소 벽 발화 보일러를 포함하는 산소 발화 보일러에 대해서 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

일 요소가 또다른 요소로 기재될 때, 다른 요소 상에 직접 있거나 또는 개재 요소들이 그 사이에 제공될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 대조적으로, 일 요소가 직접 또다른 요소 상에 있는 것으로 언급될 때, 개재 요소들이 제공되지 않는다. 본원에서 사용될 때, 용어 및/또는 하나 이상의 연계된 목록 물품의 임의의 모든 조합을 포함한다.

비록 본원에서 여러 요소들, 부품들, 구역들, 층들 및/또는 섹션들을 기술할 때, 용어 "제 1 ", "제 2 ", "제 3 " 등이 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 부품들, 구역들, 층들 및/또는 섹션들은 상기 용어에 의해서 한정되지 않아야 한다는 것을 이해할 것이다. 이들 용어들은 하나의 요소, 부품, 구역, 층 또는 섹션을 다른 요소, 부품, 구역, 층 또는 섹션으로부터 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 하기 기술된 "제 1 요소", "부품", "구역", "층" 또는 "섹션"은 본원의 교시에서 이탈하지 않고, 제 2 요소, 부품, 구역, 층 또는 섹션으로 기재될 수 있다.

본원에 사용된 기술용어는 단지 특정 실시예들을 기술하는 것을 목적으로 하고 제안하도록 의도된 것이 아니다. 본원에서 사용된 바와 같이, 단수용어 형태는 본문에서 명확하게 다르게 지시하지 않는다면 복수의 형태들을 포함하는 것으로 의도된 것이다. 본원에서 사용되는 "구비하다" 및/또는 "구비하는" 또는 "포함하다" 및/또는 "포함하는" 등의 용어는 기술된 형태들, 구역들, 정수들, 단계들, 작동들, 요소들 및/또는 구성요소들의 존재를 명시할 뿐 아니라, 하나 이상의 다른 형태들, 구역들, 정수들, 단계들, 작동들, 요소들, 구성요소들 및/또는 그룹들의 존재를 배제하지 않는다는 것을 추가로 이해할 수 있다.

또한, "하부" 또는 "저부" 및 "상부" 또는 "정상부" 등의 상대 용어는 도면에서 도시되는 바와 같이, 한 요소와 다른 요소의 관계를 기술하기 위하여 본원에서 사용될 수 있다. 상대 용어들은 도면에 도시된 방위 이외에 디바이스의 상이한 방위들을 포괄하도록 의도된다는 것을 이해할 수 있다. 예로서, 도면들중 하나의 디바이스가 뒤집어진다면, 다른 요소들의 "하부" 측부로 기술되는 요소들이 다른 요소들의 "상부" 측부로 배향될 수 있다. 예시적인 용어 "하부"는 도면의 특정 방위에 따라서 양자 "하부" 및 "상부"의 방위를 모두 포괄한다. 유사하게, 도면들중 하나의 디바이스가 뒤집어지면, 다른 요소들의 "밑" 또는 "아래"로 기술되는 요소들은 다른 요소들의 "위"로 배향된다. 예시적인 용어 "밑" 또는 "아래"는 따라서 위와 아래의 방위를 모두 포괄할 수 있다.

다르게 규정하지 않는다면, 본원에서 사용되는 모든 용어들(기술적 용어 및 과학적 용어를 포함함)은 본원이 속하는 분야의 당업자중 하나가 일반적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에서 규정된 것들과 같은 용어들은 당기술 및 본 공개물의 문맥의 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하고, 본원에서 다르게 규정하지 않는다면 이상화되거나 또는 과도하게 형식적 의미로 해석되지 않아야한다는 것을 추가로 이해할 수 있다.

예시적인 실시예들은 이상화된 실시예들의 개략적인 도시인 단면도를 참조하여 본원에 기술된다. 이와 같이, 예로서 제조 기법 및/또는 허용오차의 결과로서 도면의 형상과 상이한 형태들이 예상될 수 있다. 따라서, 본원에 도시된 실시예들은 본원에 도시된 구역들의 특정 형상에 국한되지 않고 예로서 제조시에 발생되는 형상의 편차를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 예로서, 평탄한 것으로 도시되거나 또는 기술되는 구역은 통상적으로 거칠고 그리고/또는 비선형 형태를 가질 수 있다. 또한, 도시되는 예리한 각도들은 둥글 수 있다. 따라서, 도면에 도시된 구역들은 대략적인 성질을 나타내고 구역의 정확한 형상을 도시한 것으로 의도되지 않고 본원의 청구범위의 범주를 제한하는 것으로 의도된 것이 아니다.

본 발명은 양호한 실시예 및 다양한 대안 실시예를 참조하여 기술되었지만, 당업자는 본 발명의 범주에서 이탈하지 않고 변화가 이루어지고 등가물로 요소들을 대체할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 핵심 범주 내에서 본 발명의 교시에 특정 상황 또는 재료를 적용하도록 많은 변형이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 발명의 실행하기 위해서 계획된 최상의 형태로 공개된 특정 실시예에 국한되지 않으며, 본 발명은 첨부된 청구범위의 범주 내에서 모든 실시예들을 포함할 수 있다.

Claims

산소 발화 보일러의 작동을 제어하는 방법으로서,
보일러 내의 연료를 연소하는 단계;
상기 보일러 내에서 열 흡수 패턴을 생성하는 단계;
상기 보일러로부터 연도 가스들을 방출하는 단계;
상기 연도 가스들의 일부를 상기 보일러로 재순환시키는 단계;
조합 스트림을 형성하기 위하여 제 1 산화제 스트림을 상기 재순환된 연도 가스들과 조합시키는 단계;
상기 조합 스트림을 여러 소량들로(fractions) 분할하는 단계; 그리고
상기 보일러에 대한 입구의 상이한 지점들에서 상기 조합 스트림의 각 소량을 상기 보일러로 도입시키는 단계를 포함하는, 산소 발화 보일러의 작동 제어 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 보일러는 접선방향 발화 보일러인, 산소 발화 보일러의 작동 제어 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 보일러에 대해서 상기 조합 스트림의 각 소량들을 도입하는 단계는 상기 보일러 내의 상기 열 흡수 패턴을 변화시키는, 산소 발화 보일러의 작동 제어 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 조합 스트림의 각 소량들은 윈드박스(windbox) 밑에 위치한 호퍼 영역(hopper zone)에서, 상기 윈드박스에서 및/또는 상기 윈드박스 위에 위치한 오버파이어 격실(overfire compartment)에서 상기 보일러 내로 도입되는, 산소 발화 보일러의 작동 제어 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 조합 스트림의 적어도 하나의 소량은 상기 윈드박스의 하부 내에서 상기 보일러 안으로 도입되는, 산소 발화 보일러의 작동 제어 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 윈드박스에서 상기 보일러 안으로 도입되는 상기 조합 스트림의 적어도 하나의 소량은 상기 조합 스트림의 약 50 내지 약 100 중량 퍼센트인, 산소 발화 보일러의 작동 제어 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 조합 스트림의 적어도 하나의 소량은 상기 오버파이어 격실의 하부 부분에서 상기 보일러 안으로 도입되는, 산소 발화 보일러의 작동 제어 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 조합 스트림의 적어도 하나의 소량은 상기 오버파이어 격실의 상부 부분에서 상기 보일러 안으로 도입되는, 산소 발화 보일러의 작동 제어 방법.
보일러 내의 연료를 연소시키는 단계;
상기 보일러 내에 열 흡수 패턴을 생성하는 단계;
상기 보일러로부터 연도 가스들을 방출시키는 단계;
상기 연도 가스들의 일부를 상기 보일러로 재순환시키는 단계;
제 1 조합 스트림을 형성하기 위하여 제 1 산화제 스트림을 상기 재순환된 연도 가스들과 조합하는 단계;
상기 제 1 조합 스트림을 여러 소량들로 분할하는 단계;
제 2 조합 스트림의 복수의 소량들을 형성하기 위하여, 상기 제 1 조합 스트림의 각 소량을 제 2 산화제 스트림과 혼합시키는 단계; 그리고
상기 보일러에 대한 입구의 상이한 지점들에서 상기 제 2 조합 스트림의 복수의 소량들의 각 소량을 상기 보일러로 도입시키는 단계를 포함하는 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 보일러는 접선방향 발화 보일러인 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 제 2 조합 스트림을 형성하기 위하여 상기 제 1 조합 스트림의 각 소량을 제 2 산화제 스트림과 혼합시키는 단계는 입구 지점 근위에 있는 위치에서 상기 보일러 안으로 실행되는 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 제 2 조합 스트림의 각 소량들은 서로로부터 상이한 입구 지점들에서 상기 보일러 안으로 동시에 또는 연속적으로 도입되는 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 상이한 입구 지점들은 상기 윈드박스 밑에 위치한 호퍼 영역, 윈드박스에 및/또는 상기 윈드박스 위에 위치한 오버파이어 격실에 있는 방법.
제 13 항에 있어서,
상기 윈드박스에서 상기 보일러 안으로 도입된 상기 제 2 조합 스트림은 상기 스트림의 전체 중량에 기초하여 약 50 내지 약 100 wt%의 산소를 함유하는 방법.
제 13 항에 있어서,
상기 제 2 조합 스트림은 내부 포트 주위에 배치된 환형 공간을 경유하여 상기 보일러 안으로 도입되고, 상기 내부 포트는 상기 보일러 안으로 연료를 도입하고 공기를 운송하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 조합 스트림은 내부 포트 주위에 배치된 환형 공간을 경유하여 상기 보일러 안으로 도입되고, 상기 내부 포트는 상기 보일러 안으로 연료를 도입하고 공기를 운송하는 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 보일러는 벽 발화 보일러인 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 조합 스트림의 각 소량들을 상기 보일러로 도입시키는 단계는 상기 보일러의 열 패턴을 변화시키는 방법.
제 13 항에 있어서,
상기 호퍼 영역에서 상기 오버파이어 격실 안으로 도입된 상기 제 2 조합 스트림은 상기 제 2 조합 스트림의 전체 중량에 기초하여 최대 50 wt% 산소를 함유하는 방법.
공기 분리 유닛;
보일러;
오염물 제어 시스템; 및
가스 처리 유닛으로서, 상기 공기 분리 유닛은 상기 보일러, 상기 오염물 제어 시스템 및 상기 가스 처리 유닛의 상류에 있고, 상기 보일러는 상기 오염물 제어 시스템 및 상기 가스 처리 유닛의 상류에 있으며, 연도 가스들은 상기 가스 처리 유닛으로부터 상기 공기 분리 유닛을 경유하여 상기 보일러로 재순환되는, 상기 가스 처리 유닛을 포함하는 시스템으로서,
상기 보일러는 산소를 함유하는 조합 스트림을 수용하도록 작동되고, 상기 조합 스트림을 수용하도록 구성되지 않은 보일러와 비교할 때, 열 흡수 패턴에서 변화를 실행하기 위하여 연도 가스들을 재순환시키는 시스템.