KR101352804B1 - 순환유동층 보일러 연소장치 및 그 연소방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수분 발생을 최대한 억제함과 더불어 발생되는 수분 및 저융점 물질을 미네랄을 이용하여 제거함으로써 시스템 내에서의 막힘현상을 효과적으로 방지하여 연소효율을 높일 수 있는 순환유동층 보일러 연소장치 및 그 연소방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 순환유동층 보일러 연소장치는, 연소로와, 상기 연소로의 내부로 석유코크스를 공급하는 연료투입유닛과, 상기 연소로의 하단에 설치된 풍실(wind room)과, 상기 연소로에서 연소되지 않은 연료와 베드의 층물질을 회수하는 사이클론과, 상기 사이클론에서 분리된 입자를 연소로로 재투입하는 루프실(loop seal)과, 상기 사이클론의 상단에 연결덕트를 매개로 연결된 보일러와, 상기 보일러에서 배출되는 배가스를 외부로 배출하는 연돌을 포함하고, 상기 연료투입유닛은 석유코크스와 함께 미네랄을 함께 연소로 내로 투입하도록 구성되고, 시스템의 소제방식이 음파식 소제기(acoustic cleaning system)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

순환유동층 보일러 연소장치 및 그 연소방법{Burning Apparatus and Method for Circulating Fluidized Bed Boiler}

본 발명은 순환유동층 보일러 연소장치 및 그 연소방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수분 발생을 최대한 억제함과 더불어 발생되는 수분 및 저융점 물질을 미네랄을 이용하여 제거함으로써 시스템 내에서의 막힘 현상을 효과적으로 방지하여 연소효율을 높일 수 있는 순환유동층 보일러 연소장치 및 그 연소방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 연소로 내부로 공기를 공급하는 산기노즐을 분해 및 조립이 용이한 착탈식 구조로 구성함으로써 보수 및 유지를 용이하게 함과 더불어 국부적 과열에 따른 문제점을 해소할 수 있는 순환유동층 보일러 연소장치 및 그 연소방법에 관한 것이다.

일반적으로 발전소, 산업용 보일러 등에서 이용되는 열원은 대부분 가격이 저렴한 벙커시유와 같은 중질유나 석탄 등이 사용되고 있다. 하지만, 최근에는 유가 상승과 함께 중질유, 석탄 가격도 많이 상승하여 좀 더 가격적인 장점(merit)이 있는 경제적인 연료 선택의 필요성이 대두되고 있다.

최근의 보도 자료에 의하면, 전 세계적으로 전력시장은 연간 2.5% 이상의 증가율을 보일 것으로 예측되고 있는데 이러한 전망은 주로 중국, 인도, 남미의 급속한 경제성장에 따른 것으로 연료 가격과 수송비 증가로 석탄 발전의 경우에 전력비에서 연료비가 차지하는 비중이 35% 수준에 달할 것으로 분석되고 있다. 따라서 석탄발전의 경우 폐기물이나 저급연료를 혼합하여 이용하는 방안에 대한 관심이 집중되고 있는데, 만약 환경친화적으로 가격이 저렴한 저급 연료를 이용할 수 있다면 연료비 측면에서 상당한 인센티브를 얻을 수 있기 때문이다.

석유코크스(petroleum coke)는 정유공장에서 150∼250℃와 250∼350℃에서 상압증류에 의해 등유와 경유를 얻으며, 상압증류 잔류물은 감압증류 설비로 공급하여 중질유분을 정제한 다음 최종적으로 처리가 어려운 유분을 코킹 공정을 거쳐 생산된다. 이러한 석유코크스는 높은 열량을 갖고 있으며, 석탄보다 저렴하다는 장점을 갖고 있으나, 유황과 바나듐 함량이 높기 때문에 연료로 이용하기 위해서는 환경적으로 석탄보다 불리한 조건을 가지고 있다.

특히, 회분에 포함된 바나듐은 보일러 관에서 슬래깅(보일러 전열면의 바깥쪽에 연소 생성물이 부착되는 현상)을 일으키며, 탈질촉매에 오산화바나듐(V₂O₅)이 축적되면서 산화촉매 역할을 하여, 아황산가스(SO₂)를 삼산화황(SO₃)으로 산화시킨다. 이렇게 형성된 삼산화황(SO₃)은 암모니아와 함께 하류공정에서 축적됨으로 인하여 잦은 촉매의 교체를 초래하게 된다.

이에 따라, 석유코크스가 연소특성이 낮지만 생산량이 높고 저렴한 가격 때문에 더 이상 연료로서 도외시 할 수는 없는 실정이다.

하지만, 석유코크스는 다른 연료와 비교하여 비교적 높은 온도에서 연소가 이루어지므로 연소로 내에서 보다 많은 체류시간이 요구된다. 이때, 연소로의 온도보다 회분의 융점이 낮은 물질 즉, 나트륨 화합물이나 칼륨 화합물 등과 같은 저융점의 조해성 물질이 다량으로 생성될 경우, 순환라인 막힘 현상이 발생하게 되어 보일러의 가동이 불가능한 상황에 이르게 되는 단점이 있었다.

이와 같이 생산량이 풍부하고 단가가 저렴한 석유코크스를 순환유동층 보일러에서 연소하여 에너지를 생산할 경우, 조해성을 가진 저융점 물질 및 수분을 매체로 한 입자의 상호 응집 내지는 결합에 의해 입자의 크기가 커져 미세입자가 큰 덩어리가 되어 시스템의 순환 불량을 초래하고 종국에는 정상적인 운전을 지속할 수 없게 되는 문제점이 발생되고 있다.

이에 대한 대처방안으로 유동물질인 석회석과 모래의 입도관리를 통해 미립자 함유량을 제한하고, 과잉공기량을 증대하여 연소로의 온도를 낮게 유지하는 방안(한국과학기술원 - 국내 상용 순환유동층 연소로 운전)이 제시 되었으나, 상대적으로 연소성이 열악한 석유코크스의 경우 연소로의 온도를 낮추는 것은 사실상 어려우며, 유동물질의 입도관리만으로는 막힘 현상에 대한 만족스런 결과를 얻지 못하는 문제점이 발생 되었다.

예컨대, 대한민국 공개번호 10-2001-0037928의 순환유동층 보일러 유동매체 및 공급방법에 따르면, 유동 물질을 모래 대신에 무연탄을 사용함으로써 소결(燒結)현상을 완화하는 것으로 나타나고 있지만, 결과적으로 비교적 연소가 용이한 석탄을 사용하면서 이러한 막힘 현상을 완전하게 해결하고 있지 못하였다.

또한, 등록특허 10-1235271의 유동층 연소형 보일러의 경우, RPF 연료를 사용 하는 보일러로서, 연소로와 싸이클론의 연결덕트 부위 즉, 덕트의 막힘 방지를 위한 구성을 개시하고 있지만, 과열기 뒤쪽에 막히는 문제와는 거리가 멀어 그 효과에 제한적인 단점이 있었다.

KR 10-0361093 B1(2002.11.01), KR 10-1235271 B1(2013.02.14)

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 단점들을 해결하기 위해 연구 및 개발되어 안출된 것으로, 수분 발생을 최대한 억제함과 더불어 발생되는 수분 및 저융점 물질을 미네랄을 이용하여 제거함으로써 시스템 내에서의 막힘현상을 효과적으로 방지하여 연소효율을 높일 수 있고, 정기보수시까지 연속적으로 안정적인 운전을 동시에 실시할 수 있어 경제운전이 가능한 순환유동층 보일러 연소장치 및 그 연소방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 연소로 내부로 공기를 공급하는 산기노즐을 분해 및 조립이 용이한 착탈식 구조로 구성함으로써 보수 및 유지를 용이하게 함과 더불어 베드 층의 국부적인 과열에 따른 저 융점 물질이 생성하는 문제점을 해소하는 순환유동층 보일러 연소장치 및 그 연소방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 순환유동층 보일러 연소장치는, 연소로와, 상기 연소로의 내부로 석유코크스를 공급하는 연료투입유닛과, 상기 연소로의 하단에 설치된 풍실(wind room)과, 상기 연소로에서 연소되지 않은 연료와 베드의 층물질을 회수하는 사이클론과, 상기 사이클론에서 분리된 입자를 연소로로 재투입하는 루프실(loop seal)과, 상기 사이클론의 상단에 연결덕트를 매개로 연결된 보일러와, 상기 보일러에서 배출되는 배가스를 외부로 배출하는 연돌을 포함하고,

상기 연료투입유닛은 석유코크스와 미네랄을 함께 연소로 내로 투입하도록 구성되고, 시스템의 소제 방식이 음파식 소제기(acoustic cleaning system)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 음파식 소제기는 230Hz의 주파수를 사용하는 것을 특징으로 한다.

상기 미네랄은 조해성 물질이 저온에서 괴상화됨을 방지하기 위해 탈수처리된 제올라이트로 이루어지고, 석유코크스의 투입량 대비 1~3%인 것을 특징으로 한다.

상기 풍실은 산기장치(30)가 설치되며, 이 산기장치(30)는 보일러(10)의 1차 연소공기 예열기(13)로부터 1차 연소공기를 공급받아 연소로(3)의 하부에서 상부로 1차 연소공기를 공급하는 산기노즐(31, 32)을 포함하며, 상기 산기노즐은 분해 및 조립이 용이한 착탈식 산기노즐을 설치하는 것을 특징으로 한다.

상기 산기노즐(31, 32)중 제1노즐(31)의 외주면에는 복수의 제1노즐공(31a)이 원주방향으로 일정간격으로 형성되고, 제1노즐(31)의 하단에는 결합홈(33)이 형성된 것이며, 제2노즐(32)의 외주면에는 복수의 제2노즐공(32a)이 원주방향으로 일정간격으로 형성되고, 제2노즐(32)의 상단에는 지지체(35)가 상향으로 돌출되며, 이 지지체(35)의 외주면에는 결합돌기(34)가 돌출되어 상호 결합하는 것을 특징으로 한다.

상기 루프실에는 순환공기를 공급하는 루푸실용 공급팬이 소통되게 연결되는 것을 특징으로 한다.

상기 보일러의 내부에는 과열기, 절탄기, 1차 연소공기 예열기, 2차 연소공기 예열기가 내장되고,

상기 1차 연소공기 예열기의 일측에는 1차 연소공기 공급라인이 연장되고, 1차 연소공기 예열기에는 1차 연소공기 공급팬이 소통되게 연결되며, 1차 연소공기 공급팬은 1차 연소공기 예열기에서 예열된 1차 연소공기를 1차 연소공기 공급라인을 통해 연료투입유닛 및 풍실로 공급하도록 구성되고,

상기 2차 연소공기 예열기의 일측에는 2차 연소공기 공급라인이 연장되어 연소로의 측벽에 직접 연결되며, 2차 연소공기 예열기에는 2차 연소공기 공급팬이 소통되게 연결되고, 2차 연소공기 공급팬은 2차 연소공기 예열기에서 예열된 2차 연소공기를 2차 연소공기 공급라인을 통해 연소로의 내부로 직접적으로 공급하는 것을 특징으로 한다.

상기 보일러의 하단에는 배출라인이 연결되고, 이 배출라인에는 배출되는 배가스의 분진을 제거하는 백필터 및 배가스를 연돌로 배출하기 위한 아이디팬이 설치되며, 상기 백필터와 아이디팬 사이에는 탈질설비가 설치되고, 상기 탈질설비는 암모니아를 투입하는 구조인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면은, 연소로와, 상기 연소로의 내부로 석유코크스를 공급하는 연료투입유닛과, 상기 연소로의 하단에 설치된 풍실(wind room)과, 상기 연소로에서 연소되지 않은 연료와 베드의 층물질을 회수하는 사이클론과, 상기 사이클론에서 분리된 입자를 연소로로 재투입하는 루프실(loop seal)과, 상기 사이클론의 상단에 연결덕트를 매개로 연결된 보일러와, 상기 보일러에서 배출되는 배가스를 외부로 배출하는 연돌을 포함하는 순환유동층 보일러 연소장치를 이용한 석유코크스 연소방법으로,

상기 연소로의 내부에 석유코크스를 투입할 때 미네랄을 함께 투입하고, 시스템의 소제 방식은 음파식 소제기(acoustic cleaning system)를 이용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 음파식 소제기는 230Hz의 주파수를 사용하는 것을 특징으로 한다.

상기 미네랄은 조해성 물질이 저온에서 괴상화됨을 방지하기 위해 탈수처리된 제올라이트를 사용하고, 상기 미네랄은 석유코크스의 투입량 대비 1~3%인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 탈수 처리된 제올라이트와 같은 미네랄을 1-3% 투입하여 생성된 수분과 저융점 물질을 제거하거나 고융점 물질로 전환하여 운전 중 순환라인의 막힘 현상을 배제하고 연소효율을 높일 수 있고, 연속적으로 안정적인 운전을 동시에 실시할 수 있어 경제운전이 가능한 것이다.

본 발명은 생성된 저융점의 조해성 물질이 응축되기 전에 증기 상태에서 제거하거나 시스템에서의 수분의 생성을 최대한으로 억제하기 위해 스팀 슈트 블로워 대신 어코스틱 클리닝 시스템(Acoustic Cleaning System)을 채용하며, 탈질설비로서 선택적 무촉매 환원법(SNCR)가 적용되는 경우 요소수가 아닌 암모니아를 사용함으로써 시스템 내의 막힘 현상을 효과적으로 배제할 수 있는 장점이 있다.

그리고, 본 발명은 간단히 분해조립이 가능한 캡형(Cap) 착탈식 산기노즐을 채택하여 유지보수를 용이하게 함으로서 베드 층의 균일한 분산성을 유지하여 국부적인 과열을 사전 예방함으로써 저 융점 물질의 생성을 억제할 수 있고, 산기노즐의 보수지연에 따른 문제점을 해소하여 순환유동층 보일러에서 석유코크스 연료의 연소 시, 정기적인 보수 시까지 연속적으로 안정적인 조업을 유지할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 순환유동층 보일러 연소장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 순환유동층 보일러 연소장치의 산기장치를 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 타 실시예를 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 발명을 설명하는 데 참조하는 도면에 도시된 구성요소의 크기, 선의 두께 등은 이해의 편의상 다소 과장되게 표현되어 있을 수 있다. 또, 본 발명의 설명에 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의한 것이므로 사용자, 운용자 의도, 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 이 용어에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내리는 것이 마땅하겠다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 순환유동층 보일러 연소장치를 도시한 도면이다.

도시된 바와 같이, 본원 발명은 순환유동층 보일러에 관한 것으로 에너지 비용을 절약하기 위하여 가격이 저렴한 석유코크스를 사용하는 보일러이다.

상기 보일러의 연료는 석유코크스에 한정되는 것이 아니며, 연료로 사용되는 고체연료를 통칭하여 한정되는 것이다.

본 발명에 의한 순환유동층 보일러 연소장치는, 연소로(3)와, 연소로(3)의 내부로 석유코크스(연료)를 공급하는 연료투입유닛(2)과, 연소로(3)의 하단에 설치된 풍실(6, wind room)과, 연소로(3)에서 연소되지 않은 연료와 베드의 층물질을 회수하는 사이클론(4)과, 사이클론(4)에서 분리된 입자를 연소로(3)로 재투입하는 루프실(5, loop seal)과, 사이클론(4)의 상단에 연결덕트(10a)를 매개로 연결된 보일러(10)와, 보일러(10)에서 배출되는 배가스를 외부로 배출하는 연돌(19, chimney stack)을 포함한다.

연소로(3)의 내부에는 석유코크스와, 모래나 회분 등과 같은 층물질(bed media)이 충전되어 있다. 연소로(3)는 그 내부에서 석유코크스 및 층물질이 공기에 의해 부유되어 입자들이 서로 부딪히면서 연소가 이루어지도록 구성된다.

연소로(3)의 일측에는 배출덕트(3a)가 연결되고, 이 배출덕트(3a)를 통해 배가스가 외부로 배출된다.

연료투입유닛(2)의 일측에는 석유코크스가 투입되는 연료투입라인(1)이 연결되고, 연료투입유닛(2)은 연소로(3)의 측벽 일측에 설치되어 2~5mm 정로 분쇄된 석유코크스를 공급하도록 구성된다. 그리고, 연료투입유닛(2)은 보일러(10)의 1차 연소공기 예열기(13)로부터 1차 연소공기를 공급받도록 구성된다.

한편, 연료투입유닛(2)은 석유코크스와 함께 미네랄을 함께 투입하고, 이러한 미네랄은 조해성 물질이 저온에서의 괴상화(Agglomeration)되는 것을 방지하기 위하여 탈수 처리된 제올라이트로 이루어진다. 이러한 미네랄은 석유코크스의 투입량 대비 1~3% 정도를 투입하여 물분자들의 흡착 및 흡수를 용이하게 하여 수분과 저융점물질을 효과적으로 제거할 수 있다.

일반적으로 연소 시에 발생하는 재(회 ash)는 산성성분(SiO₂, Al₂O₃, TiO₂)과 염기성 성분(Fe₂O₃, CaO, MgO, Na₂O, K₂O)으로 구성되는데 통상적으로 산성성분이 염기성 성분보다 함유량이 많을수록 융점이 높아지며, 반대로 염기성 성분 특히 나트륨, 칼륨화합물이 많으면 융점이 낮아지게 되는데, 재의 융점이 낮으면 노 내에서 부착하는 재가 많아지며, 이는 전열면의 열전달 저하 및 부식 등 각종 장해를 일으키는 원인이 된다.

이러한 융해와 점착성의 문제는 연료에 함유된 용융 알칼리에 기초하는 것으로 대부분 나트륨과 칼륨이라 할 수 있다. 나트륨과 칼륨의 비점은 883℃와 759℃로서 순환 유동층 보일러의 운전온도 범위에서 증발하여 증기 상을 형성하고, 수산화물, 염화물, 황산염 등을 포함하는 용융화합물로 구성된다. 이러한 회분 화합물이 열교환기의 전열면(튜브)에서 응축하게 되면 점착성을 갖게 되며, 이에 다른 입자와 결합하여 입자가 커지게 되며 궁극적으로는 유동성을 상실하고 막힘현상을 일으키게 된다. 회분 화합물에 칼륨(K)과 나트륨(Na) 화합물이 존재하는 경우 이들은 융점이 낮아 순환라인(연소로와 유동입자 분리장치 사이의 덕트, 과열기, 절탄기, 공기예열기, 루프실 등)에 회분이 뭉쳐지면서 순환라인을 막아 급기야는 보일러 가동을 정지하여야하는 상황으로 치닫는 경우가 생긴다.

한편,제올라이트는 Ca이온을 주축으로 하는 클리놉틸로라이트(clinoptilolite)와 같은 미네랄은 강력한 흡착제, 흡수제로서, 세공을 이루는 골격에 음전하가 퍼져 있으며, 세공 내부에 양이온들이 존재하므로 세공 내부는 강한 극성을 띄고 있어, 제올라이트 세공들은 특히 물과 같은 극성 분자에 친화력이 높은 것으로 알려져 있다.

이에 따라, 본 발명은 이러한 제올라이트의 강력한 극성분자에 대한 친화력을 이용하여 연소로에서 연소반응으로 생성되는 수분과 저융점 물질, 그리고 탈질 및 슈트블로워 작동 시 투입되는 수분을 효과적으로 제거할 수 있다는 데에 착안하여 연소로(3)에 투입되는 탈수처리된 제올라이트와 같은 미네랄을 투입하여 생성된 저융점 물질을 제거하거나 고융점 물질로 전환하도록 구성한다. 이러한 미네랄의 투입량은 투입되는 석유코크스의 투입량 대비 1~3%로 이루어짐이 바람직하다.

풍실(6)은 연소로(3)의 하단에 설치되고, 이 풍실(6) 내에는 산기장치(30)가 설치되며, 이 산기장치(30)는 보일러(10)의 1차 연소공기 예열기(13)로부터 1차 연소공기를 공급받아 연소로(3)의 하부에서 상부로 1차 연소공기를 공급하는 산기노즐(31, 32)을 포함한다.

도 2의 실시예에 따르면, 산기노즐(31, 32)은 서로에 대해 상대적으로 분해 및 조립이 이루어지는 제1 및 제2 노즐(31, 32)을 가진다. 이에, 본 발명의 산기노즐(31, 32)은 제1 및 제2 노즐(31, 32)이 분해 및 조립이 용이한 캡형의 착탈형 구조로 구성된다.

제1노즐(31)의 외주면에는 복수의 제1노즐공(31a)이 원주방향으로 일정간격으로 형성되고, 제1노즐(31)의 하단에는 결합홈(33)이 형성된다.

제2노즐(32)의 외주면에는 복수의 제2노즐공(32a)이 원주방향으로 일정간격으로 형성되고, 제2노즐(32)의 상단에는 지지체(35)가 상향으로 돌출되며, 이 지지체(35)의 외주면에는 결합돌기(34)가 외측으로 돌출되어 있다.

이에, 제1노즐(31)이 제2노즐(32)의 상부에 결합되면, 제1노즐(31)의 결합홈(33)이 제2노즐(32)의 결합돌기(34)에 끼워짐으로써 제1노즐(31)과 제2노즐(32)은 나사식에 비하여 중량을 감축하고 운전풍압에 지탱 가능하게 함으로서 지지도를 향상되고 손쉽고 간편하게 탈착이 가능하여 고장시 운전시간을 단축하여 가동시간을 연장할 수 있다.

여기서, 제1노즐(31)의 중량은 풍압의 이상으로 이루어짐이 바람직하다. 이에, 운전 도중에 풍압에 의해 제1노즐(31)이 제2노즐(32)로부터 이탈됨을 방지할 수 있다.

한편, 도 3의 타 실시예에 따르면, 제1노즐(31)의 결합홈(33) 하단에는 연장홈(33a)이 원주방향으로 연장됨으로써 제1노즐(31)의 하단에는 "L"자형의 결합홈을 형성함으로써 회전결합형 구조를 구성할 수 있다.

이에 따라, 제1노즐(31)의 결합홈(33)를 제2노즐(32)의 결합돌기(34)에 끼워넣은 후에 회전시켜 조립을 간편하게 할 수 있고, 반대로 제1노즐(31)을 분해할 경우에는 제1노즐(31)을 조립방향에 대해 반대방향으로 회전시킨 후에 제1노즐(31)을 상부로 들어올림으로써 제1노즐(31)을 매우 간편하게 분해할 수 있다.

이와 같이, 막힘의 원인 중의 하나인 유동물질의 국부적 과열현상을 배제하기 위해, 산기장치(30)에 분해 및 조립이 용이한 캡(Cap)형 착탈식 산기노즐(31, 32)을 적용함으로써 유지보수를 용이하게 함으로서 베드 층의 균일한 분산성을 유지하여 국부적인 과열을 사전 예방함으로써 저 융점 물질의 생성을 억제할 수 있는 장점이 있고, 산기노즐의 보수지연에 따른 문제점을 해소하여 순환유동층 보일러에서 석유코크스 연료의 연소 시, 정기적인 보수 시까지 연속적으로 안정적인 조업을 유지할 수 있다.

사이클론(4)은 연소로(3)의 배출덕트(3a)에 연결되고, 연소로(3)에서 연소되지 않은 미분탄과 베드의 층물질을 회수하여 연소로(3)로 재투입하도록 구성된다. 특히, 사이클론(4)에 의해 회수된 미분탄 및 베드의 층물질은 일정크기 이상의 입자(0.1mm 이상)가 연소로(3)로 재투입된다.

루프실(5)은 사이클론(4)의 하단에 설치되어 사이클론(4)에 의해 회수된 입자를 리사이클링관(5b)을 통해 연소로(3)로 일정하게 재투입하도록 구성된다. 또한, 루프실(5)에 순환공기를 공급하는 루푸실용 공급팬(5a)이 소통되게 연결된다.

보일러(10)는 사이클론(4)의 상단에 연결덕트(10a)를 매개로 연결되고, 보일러(10)의 내부에는 과열기(11), 절탄기(12), 1차 연소공기 예열기(13), 2차 연소공기 예열기(14) 등이 내장되어 있다. 연소로(3) 및 사이클론(4)에서 배출되는 고온의 배가스는 보일러를 통과하면서 과열기(11), 절탄기(12), 2차 공기예열기(14), 1차 공기예열기(13)로 열전달된다.

과열기(11)는 연소로(3)에서 생성된 증기를 과열증기로 만들도록 구성되고, 절탄기(12)는 보일러(10)로 공급되는 급수를 예열하도록 구성된다.

1차 연소공기 예열기(13)의 일측에는 1차 연소공기 공급라인(13a, 13b)이 연장되고, 1차 연소공기 공급라인(13a, 13b)은 1차 연소공기 예열기(13)에서 연장되는 도중에 2개로 분기되며, 이에 일측의 1차 연소공기 공급라인(13b)은 연료투입유닛(2)에 연결되고, 타측의 1차 연소공기 공급라인(13a)은 풍실(6)에 연결된다.

그리고, 1차 연소공기 예열기(13)에는 1차 연소공기 공급팬(15)이 소통되게 연결되고, 1차 연소공기 공급팬(15)은 1차 연소공기 예열기(13)에서 예열된 1차 연소공기를 1차 연소공기 공급라인(13a, 13b)을 통해 연료투입유닛(2) 및 풍실(6)로 공급한다.

2차 연소공기 예열기(14)의 일측에는 2차 연소공기 공급라인(14a)이 연장되어 연소로(3)의 측벽에 직접 연결된다. 그리고, 2차 연소공기 예열기(14)에는 2차 연소공기 공급팬(16)이 소통되게 연결되고, 2차 연소공기 공급팬(16)은 2차 연소공기 예열기(14)에서 예열된 2차 연소공기를 2차 연소공기 공급라인(14a)을 통해 연소로(3)의 내부로 직접적으로 공급한다.

그리고, 보일러(10)의 하단에는 배출라인(10b)이 연결되고, 이 배출라인(10b)에는 배출되는 배가스의 분진을 제거하는 백필터(17) 및 배가스를 연돌(19)을 통해 배출하기 위한 아이디팬(18)이 설치되어 있다.

또한, 백필터(17)와 아이디팬(18) 사이에는 탈질설비(21) 및 탈황설비(22)이 설치될 수 있고, 그외에도 먼지를 대기환경 배출기준 이하로 배출하기 위한 환경설비 등을 설치하여 최종적으로 배가스를 연돌(19)을 통해 외부로 배출한다.

연소로(3)의 온도는 850∼950℃정도이며, 연료에 따라 연소온도 및 연소로 높이 등이 결정되는데, 이와 같이 연소로(3)의 온도를 낮게 관리하는 이유는 적정온도에서 석회석과 유황 성분의 반응성을 증대하여 탈황성능을 좋게 함과 동시에 낮은 연소온도는 상대적으로 열적 질소산화물(NOx)의 생성을 억제하여 탈질성능을 좋게 하기 위함이다.

또한, 연소로(3)의 낮은 온도는 내화물의 응력을 최소화하여 설비의 내구성을 증대하고 연소회분의 저융점 물질의 괴상화(agglomeration)를 방지하여 순환라인의 막힘이나 스케일 형성에 따른 열교환기 등의 성능저하를 사전방지하는 역할을 수행한다.

또한 유동매체인 층물질은 통상적으로 모래나 석회석(Limestone)이 사용되며, 연소로(3)의 하부 베드(Bed)층에 공급되어 운전 시 유동화 되어 연소로와 입자 분리기를 순환하게 된다. 따라서 상기의 층 물질은 운전이 진행됨에 따라 최초 투입한 입자의 입도 분포가 점진적으로 변화하게 되는데 이러한 변화는 보일러 성능에도 영향을 미치게 된다.

그러므로 보일러 설계에 부합되는 유동매체의 입자 크기의 입도 분포를 유지하기 위해서는 순환되는 층 물질을 주기적으로 점검하여 필요한 경우, 연속적 혹은 단속적으로 층 물질의 일부를 시스템에서 배출하고, 새로운 층 물질을 투입하여 입도 분포를 관리한다. 연료의 입도 분포가 설계치 대비 조 대할 경우에는 유동화가 불충분하여 미연분이 증가하고, 불완전연소가 발생할 수 있다.

그리고 연료의 입도가 너무 작을 경우에는 상대적으로 연료가 높게 부상하여 연소로 상부에서 많이 연소되는 관계로 보일러에서 충분히 열을 흡수하지 못하게 된다.

이와 같이, 층물질과 연료의 입도 그리고 연소로(3)의 온도 유지는 순환유동층 보일러 운전에 있어서 매우 중요한데, 운전 중 주기적으로 순환되는 층 물질의 샘플링을 실시하여 신터링(sintering, 녹는점 이하의 온도에서 가열되어 서로 엉기어 굳어지는 현상)이 발견되지 않으면, 과열되지 않은 것으로 판단할 수 있으며, 입도분포를 함께 체크하여 층물질의 교체 및 교체 량을 결정한다. 그리고 베드의 온도가 상승할 경우에는 2차 연소공기 대비 1차 연소공기의 비율을 증가시키고 국부적으로 온도가 상승할 경우에는 층물질의 관리를 통해 온도를 조절하도록 하며, 이때 1차 연소공기는 화살촉 모양의 유동화 노즐을 통해 이를 공급한다.

이와 같이 공지의 방법에 의한 층 물질의 관리, 베드 온도 관리를 실시함에도 불구하고 석유코크스와 같이 연소성이 불량한 연료의 경우 칼륨, 나트륨과 같이 비교적 저융점의 물질이 회분 속에 존재하면 유동물질이 괴상화되어 순환이 불량하고, 이에 더 나아가 막힘 현상이 발생하게 되어 더 이상 보일러 운전이 불가하게 된다.

이에 따라, 본 발명은 이러한 막힘 현상에 대해 연구를 거듭한 끝에, 시스템 내에서 발생할 수 있는 수분을 최대한 억제하고 발생되는 수분과 저융점 물질을 제거하기 위하여, 시스템의 소제방식을 종래에는 증기를 이용한 소제방식의 스팀 슈트블로워 대신 증기를 사용하지 않는 음파식 소제기(acoustic cleaning system)로 구현한 것을 그 특징으로 한 것이다.

상기의 음파식 소제기는 통상적으로 배관이나 용접 부위 등에 균열현상 등에 영향이 없는 60~420Hz의 주파수 대 영역이 사용되는데, 본 발명의 경우 230Hz의 주파수를 사용하도록 구성된다.

일반적으로 주파수(Hz)별 청소거리 거리와 폭은 다음의 표 1와 같으며, Cleaning 범위는 물성에(Characteristic)에 의해 달라진다.

주파수(Hz)	주행거리	폭	Sound Pressure Level
350Hz	5m	4m	152dB
230Hz	10m	7m	152dB
120Hz	12m	15m	152dB
75Hz	22m	18m	152dB
60Hz	30m	24m	152dB

상기의 표 1에 따르면, 주파수가 230Hz보다 높으면 청소 영역이 작고, 230Hz 보다 낮으면 청소영역이 넓어지고, 특히 152dB, 230Hz의 사양이 중소형에 적합하다.

한편, 석유코크스를 연료로 사용하여 연소할 경우 발생될 수 있는 저융점의 조해성 물질과 각각의 융점은 다음의 표 1과 같다.

조해성 물질	융점(℃)
NaOH	318
KOH	360
K2O	707
KCl	770
NaCl	801
Na2SiO3	877
Na2SO4	884
Na2O	920
K2SO4	1,067

한편, 연소로 내에서 수분이 생성될 수 있는 경우는 다음과 같다. 즉, 연소반응으로 수분이 생성(예, H₂ + 1/2O₂ -> H₂O)되거나, 연료에 수분이 많이 혼입되어 있거나, 열교환기에 재(ash)가 달라붙어 열교환기의 성능을 저하시키는 파울링(Fouling)을 해소하기 위해 스팀 슈트블로워(Steam Soot Blower)를 사용하거나, 질소산화물(NOx)을 제어하기 위해 선택적 무촉매 환원법(SNCR)에 의한 탈질장치를 가동 시, 요소수를 사용하거나 하는 경우이다.

또한, 저융점의 조해성 물질은 열교환기에서 온도가 하강하게 되면 다시 고체 상태가 되는데 이때 발생된 수분이 많을 경우, 입자가 상호 달라붙어 덩어리가 되고 급기야 유동성이 떨어져 순환계통을 막아버리는 관계로 더 이상의 정상적인 운전이 불가한 것으로 추정된다.

이에, 본 발명은 배가스 중의 질소산화물은 질소와 산소의 화합물로 연료의 연소과정에서 공기 중의 질소가 고온에서 산화하여 발생한 것으로 대기오염을 유발한다. 즉 NO_x라고 총칭하는 질소산화물은 NO, NO₂, NO₃을 일컫는 것으로 이들을 제거하기 위해서는 NO3을 환원시켜서 NO₂로 만들고 NO₂는 다시 환원 시켜서 NO로 만들고 NO를 다시 환원을 시켜서 N₂로 만들어야 하기 때문에 산화나 단순 환원으로 제거되는 다른 화합물에 비하여 그 제거기술에 많은 어려움이 있다고 볼 수 있다.

또한, 질소산화물은 약한 규제기준과 처리기술의 부재로 인해 고농도로 외부로 배출되어 왔으며 이로 인하여 산성비의 원인이 될 뿐만 아니라 광화학 스모그를 발생시켜 눈과 호흡기 질환을 유발하게 되며 이산화탄소와 함께 지구온난화의 주범

이 되고 있는 공해물질이다.

따라서 환경오염의 심각성이 부각되면서 정부차원에서 질소산화물의 발생을 제한하기 위한 규제정책을 시행하고 있기 때문에 질소산화물의 처리에 관하여 많은 기술개발이 이루어지고 있는 실정이다.

상기와 같이 질소산화물을 제거하기 위해 탈질설비(21)로서 선택적 촉매환원법(SCR)을 채택하거나, 선택적 무촉매 환원법(SNCR)을 채택하는 경우에는 요소수를 사용하지 않고 암모니아를 투입하는 방법을 채택하여 불필요하게 발생되는 수분의 양을 최소가 되도록 구성된다.

참조로 대표적인 탈질 화학 반응식은 다음과 같다.

-4NO + 4NH₃ + O₂ -> 4N₂ + 6H₂O --------------- 식(1)

-4NO + 2CO(NH₂)₂ + O₂ -> 4N2 + 2CO₂ + 4H₂O ---- (2)

식(1)과 식(2)의 차이는 암모니아를 사용하는 식(1)의 경우, NO 1(Nm³/h)를 처리하는데, 반응에 의한 수분은 1.5(Nm³/h)가 발생하나, 요소수를 사용하는 식(2)의 경우에는 반응에 의한 생성수분은 1.0(Nm³/h)이나, 요소수를 4%로 희석하여 사용하는바, 다량의 물이 희석수로 투입되어 결과적으로 NO 1(Nm³/h)를 처리하는데, 물 사용량은 80(Nm³/h)로 식(1) 대비 식(2)의 경우가 발생하는 수분이 현저하게 많음을 알 수 있다. 이에 따라, 본 발명에서 SNCR의 경우 요소수 대신 암모니아를 사용함으로써 수분의 생성을 최대한 억제할 수 있다.

또한, 본 발명은 막힘의 원인 중의 하나인 유동물질의 국부적 과열현상을 배제하기 위해, 분해 및 조립이 용이한 캡형(Cap형) 착탈식 산기노즐(31, 32)을 채용함으로서 막힘에 따른 보수를 보다 용이하게 실시하여 산기노즐의 보수지연에 따른 제 문제점을 해소하여 순환유동층 보일러에서 석유코크스 연료의 연소 시, 정기적인 보수 시까지 연속적으로 안정적인 조업을 항상 유지할 수 있어 장비의 운영 효율화와 공장가동을 연속적으로 조업할 수 있다.

이상과 같이 구성된 본 발명의 순환유동층 보일러 연소장치를 이용한 연소방법을 이하에서 상세하게 설명한다. 순환유동층 보일러 연소방법은 연소로(3)와, 상기 연소로(3)의 내부로 석유코크스를 공급하는 연료투입유닛(2)과, 상기 연소로(3)의 하단에 설치된 풍실(6, wind room)과, 상기 연소로(3)에서 연소되지 않은 연료와 베드의 층물질을 회수하는 사이클론(4)과, 상기 사이클론(4)에서 분리된 입자를 연소로(3)로 재투입하는 루프실(5, loop seal)과, 상기 사이클론(4)의 상단에 연결덕트(10a)를 매개로 연결된 보일러(10)와, 상기 보일러(10)에서 배출되는 배가스를 외부로 배출하는 연돌(19)을 포함하는 순환유동층 보일러 연소장치를 이용한 석유코크스 연소방법으로,

상기 연소로(3)의 내부에 석유코크스를 투입할 때 미네랄을 함께 투입하고,

시스템의 소제방식은 음파식 소제기(acoustic cleaning system)를 이용하는 단계를 포함하는 것이다.

상기 음파식 소제기는 230Hz의 주파수를 사용하는 것이며, 상기 미네랄은 조해성 물질이 저온에서 괴상화됨을 방지하기 위해 탈수처리된 제올라이트를 사용하고, 석유코크스의 투입량 대비 1~3%를 투입하여 사용한다.

먼저, 연소로(3) 내로 연료투입유닛(2)에 의해 석유코크스 및 미네랄을 함께 투입한 후에, 1차 연소공기 예열기(13) 및 2차 연소공기 예열기(14)에 의해 연소공기를 연소로(3) 내로 공급함으로써 석유코크스를 연소시킨다.

이때, 미네랄은 조해성 물질이 저온에서 괴상화되는 것을 방지하기 위해 탈수처리된 제올라이트를 사용하고, 상기 미네랄은 석유코크스의 투입량 대비 1~3%임이 바람직하다.

석유코크스의 경우 미연분이 생산됨이 일반적이고, 이를 재 연소시켜 연소률을 향상시키는 것이 본 발명의 목적이기에 리싸이클의 형태를 취한 것이다. 그리고 이러한 리싸이클의 경우, 전기에서 언급한 바와 같이 미연분이 시스템에 누적될 경우 전열효율이 저하하게 되는데, 종전의 경우, 치료적 개념에서 1일 1회, 많게는 2-3회 증기를 이용한 소제방식으로 소제시마다 급격히 미연분이 증가하여 라사이클 시스템의 과부하로 인해 정지되거나, 연소조건의 변동으로 불완전연소가 발생하는 문제점으로 연소효율 개선 및 전열효율 개선에 문제가 있었으나, 음파를 이용한 연속적인 소제방식을 채택하여 미연분의 누적을 원천적으로 차단함으로서 열효율(=연소효율× 전열효율)을 대폭 개선할 수 있었다. 본 발명에 의한 음파식 소제기는 그 사용 주파수가 250Hz이 바람직하다.

다음은 본 발명의 출원인이 구체적인 실험을 통해서 얻은 실험의 결과를 서술한다.

<실시예 1>

연료투입유닛(2)을 통해 조 분쇄된 석유코크스를 연소로(3)의 내부에 시간당 3,000(kg)로 투입하고, 공기비 1.2, 연소로(3)의 온도 940℃를 표준으로 시간당 과열증기 30톤을 생산하면서 순환되는 미연분과 회분의 상태를 주기적인 샘플링을 통해 관찰하였다. 이때, 열교환기의 소제는 음파식 소제기를 이용하여 실시하였으며, 탈질설비(21)에서는 요소수를 암모니아 투입 설비로 교체하여 동일한 방법으로 회분의 유동상태를 관찰한 결과이다.

<실시예 2>

실시예 1과 동일한 방법으로, 연료투입유닛(2)를 통해 조 분쇄된 석유코크스를 연소로(3)의 내부에 시간당 3,000(kg)로 투입하고, 공기비 1.2, 연소로(3)의 온도 940℃를 표준으로 시간당 과열증기 30톤을 생산하면서 순환되는 미연분과 회분의 상태를 주기적인 샘플링을 통해 관찰하였다. 이때, 산기노즐은 나사선 결합 방식에서 착탈식으로 변경하였으며, 연료 투입량 대비하여 제올라이트를 2% 투입하여 동일한 방법으로 회분의 유동상태를 관찰하였다.

<비교예>

연료 투입장치(2)를 통해 조 분쇄된 석유코크스를 시간당 3,000(kg)을 투입하고, 공기비 1.2, 연소로 온도 940℃를 표준으로 시간당 과열증기 30톤을 생산하면서 순환되는 미연분과 회분의 상태를 주기적인 샘플링을 통해 관찰하였다. 이때, 스팀 슈트블로워는 12시간에 1회 작동을 실시하였으며, 요소수를 사용하여 탈질을 실시하였으며, 질소산화물 농도는 100ppm이하로 관리하였다. 이때, 사용된 산기노즐은 나사선 결합방식의 노즐이었다. 미연분 및 회분의 상태 점검 방법은 샘플링 밸브 하단에 깔때기를 설치하여 유동 물질이 깔때기 하단으로 잘 흘러 빠지는지, 잘 흐르지 못하는지를 판단의 근거로 하였다. 이때, 운전 상태가 좋을 때에는 회분이 깔때기 밑으로 잘 빠지나, 흐름성이 좋지 않을 경우에는 깔때기 밑으로 잘 빠지지 않아 쉽게 운전상태 즉 화분의 괴상화의 전조를 파악하여 유동물질을 관리하며, 운전하였다.

<테스트 결과>

구분	유동성	막힘시간	산기노즐 정비
비교예	나쁨	1,440	불편
실시예 1	약간 개선	1,800	불편
실시예 2	좋음	4,320	용이

* 막힘시간은 Start부터 Trouble 시각까지의 시간

이상, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 이 명세서에 개시된 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되지 않으며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 이내에서 당업자에 의하여 다양하게 변형될 수 있다.

1: 연료투입라인 2: 연료투입유닛
3: 연소로 4: 사이클론
5: 루프실 6: 풍실
10: 보일러 19: 연돌

Claims (10)

1. 연소로(3)와,
   상기 연소로(3)의 내부로 석유코크스를 공급하는 연료투입유닛(2)과,
   상기 연소로(3)의 하단에 설치된 풍실(6, wind room)과,
   상기 연소로(3)에서 연소되지 않은 연료와 베드의 층물질을 회수하는 사이클론(4)과,
   상기 사이클론(4)에서 분리된 입자를 연소로(3)로 재투입하는 루프실(5, loop seal)과,
   상기 사이클론(4)의 상단에 연결덕트(10a)를 매개로 연결된 보일러(10)와,
   상기 보일러(10)에서 배출되는 배가스를 외부로 배출하는 연돌(19)을 포함하고,
   상기 연료투입유닛(2)는 석유코크스와 미네랄을 함께 연소로(3)의 내부로 투입하도록 구성되고,
   시스템의 소제방식이 음파식 소제기(acoustic cleaning system)로 구성되는 것을 특징으로 하는 순환유동층 보일러 연소장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 음파식 소제기는 230Hz의 주파수를 사용하는 것을 특징으로 하는 순환유동층 보일러 연소장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 미네랄은 조해성 물질이 저온에서 괴상화됨을 방지하기 위해 탈수처리된 제올라이트로 이루어지고, 석유코크스의 투입량 대비 1~3%인 것을 특징으로 하는 순환유동층 보일러 연소장치.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 풍실 내에는 산기장치(30)가 설치되며, 이 산기장치(30)는 보일러(10)의 1차 연소공기 예열기(13)로부터 1차 연소공기를 공급받아 연소로(3)의 하부에서 상부로 1차 연소공기를 공급하는 산기노즐(31, 32)을 포함하며, 상기 산기노즐은 분해 및 조립이 용이한 착탈식 산기노즐을 설치하는 것을 특징으로 하는 순환유동층 보일러 연소장치.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 산기노즐(31, 32)은 서로에 대해 상대적으로 분해 및 조립이 이루어지는 제1 및 제2 노즐(31, 32)을 가지고,
   상기 제1노즐(31)의 외주면에는 복수의 제1노즐공(31a)이 원주방향으로 일정간격으로 형성되고, 제1노즐(31)의 하단에는 결합홈(33)이 형성된 것이며, 제2노즐(32)의 외주면에는 복수의 제2노즐공(32a)이 원주방향으로 일정간격으로 형성되고, 제2노즐(32)의 상단에는 지지체(35)가 상향으로 돌출되며, 이 지지체(35)의 외주면에는 결합돌기(34)가 돌출되어 상호 결합하는 것을 특징으로 하는 순환유동층 보일러 연소장치.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 루프실(5)에는 순환공기를 공급하는 루푸실용 공급팬(5a)이 소통되게 연결되는 것을 특징으로 하는 순환유동층 보일러 연소장치.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 보일러(10)의 내부에는 과열기(11), 절탄기(12), 1차 연소공기 예열기(13), 2차 연소공기 예열기(14)가 내장되고,
   상기 1차 연소공기 예열기(13)의 일측에는 1차 연소공기 공급라인(13a, 13b)이 연장되고, 1차 연소공기 예열기(13)에는 1차 연소공기 공급팬(15)이 소통되게 연결되며, 1차 연소공기 공급팬(15)은 1차 연소공기 예열기(13)에서 예열된 1차 연소공기를 1차 연소공기 공급라인(13b, 13c)을 통해 연료투입유닛(2) 및 풍실(6)로 공급하도록 구성되고,
   상기 2차 연소공기 예열기(14)의 일측에는 2차 연소공기 공급라인(14a)이 연장되어 연소로(3)의 측벽에 직접 연결되며, 2차 연소공기 예열기(14)에는 2차 연소공기 공급팬(16)이 소통되게 연결되고, 2차 연소공기 공급팬(16)은 2차 연소공기 예열기(14)에서 예열된 2차 연소공기를 2차 연소공기 공급라인(14a)을 통해 연소로(3)의 내부로 직접적으로 공급하는 것을 특징으로 하는 순환유동층 보일러 연소장치.
8. 연소로(3)와, 상기 연소로(3)의 내부로 석유코크스를 공급하는 연료투입유닛(2)과, 상기 연소로(3)의 하단에 설치된 풍실(6, wind room)과, 상기 연소로(3)에서 연소되지 않은 연료와 베드의 층물질을 회수하는 사이클론(4)과, 상기 사이클론(4)에서 분리된 입자를 연소로(3)로 재투입하는 루프실(5, loop seal)과, 상기 사이클론(4)의 상단에 연결덕트(10a)를 매개로 연결된 보일러(10)와, 상기 보일러(10)에서 배출되는 배가스를 외부로 배출하는 연돌(19)을 포함하는 순환유동층 보일러 연소장치를 이용한 석유코크스 연소방법으로,
   상기 연소로(3)의 내부에 석유코크스를 투입할 때 미네랄을 함께 투입하고,
   시스템의 소제방식은 음파식 소제기(acoustic cleaning system)를 이용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 순환유동층 보일러 연소방법.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 음파식 소제기는 230Hz의 주파수를 사용하는 것을 특징으로 하는 순환유동층 보일러 연소방법.
10. 청구항 8에 있어서,
    상기 미네랄은 조해성 물질이 저온에서 괴상화됨을 방지하기 위해 탈수처리된 제올라이트를 사용하고, 석유코크스의 투입량 대비 1~3%인 것을 특징으로 하는 순환유동층 보일러 연소방법.

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