KR102402284B1 - 고체연료 과열증기 처리장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고체연료 열에너지 처리 장치에 관한 것으로서, 킬른 형태의 고체 연료 건조장치에서 연료의 건조에 과열증기를 대향류로 킬른 본체 단면 전영역으로 분사하고 이에 대응하여 낙하날개를 이용하여 건조 대상연료를 낙하시키는 대향류 과열증기를 이용한 건조 시스템에 관한 것이다.

Description

고체연료 과열증기 처리장치{A Counter-flow Superheated Steam Drying System}
본 발명은 과열 수증기를 이용하여 고체 연료를 열처리하는 고체연료 과열증기 처리장치에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 킬른 형태의 고체 연료 건조장치에서 연료의 건조에 과열증기를 대향류로 킬른 본체 단면 전영역으로 분사하고 이에 대응하여 낙하날개를 이용하여 건조 대상연료를 낙하시키는 대향류 과열증기를 이용한 건조 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 석탄 등의 고체 연료로 발전하는 화력발전소에서는 500MW당 대략 180톤ton/hr의 석탄을 연소하며, 미분기 1대당 대략 37ton에 상당하는 석탄을 보일러에 공급한다.
석탄을 사용하는 500MW의 화력발전소에는 대략 500ton 용량의 석탄 저장소가 대략 6개가 설치되고, 그 중 5개는 정상적인 석탄의 공급이 이루어지며, 나머지 1개는 예비로 일정기간동안 사용할 수 있는 석탄을 비축하는 저탄장으로 운영된다.
더욱이 석탄을 연료로 발전하는 화력발전소에서는 석탄에 대한 표준 화력 설계기준은 6,080Kcal/Kg, 10%이하의 저수분 역청탄을 사용하도록 설계되어있다. 몇몇 화력발전소에서는 수입된 석탄을 사용하고 있는데, 그 중 일부 아역청탄의 평균 수분 함수율이 17%이상 되는 것도 있어서 보일러의 연소효율을 저하시킨다.
표준화력 연소 한계가 5,400Kcal/Kg으로 사용하는 석탄의 발열량이 낮을 경우에는 연소효율의 저하로 발전량 감소와 연료소비량의 증가가 예상된다. 더욱이 고수분(수분 25% 이상)의 저열량탄인 갈탄을 사용할 때에 수분함량이 설계기준보다 높아 석탄을 운반하는 이송계통이 원활하지 않고, 미분기로 석탄을 분쇄할 때에 능률의 저하, 일부 불완전 연소에 따른 연소효율의 저하, 보일러 내에서 발생되는 열 분포의 편류와 비정상 상태로 운전되는 경우도 발생한다. 그러나 화력발전소에서 연료비용의 절감을 위하여 갈탄의 사용 비중이 대략 41~60%까지 차츰 증가하고 있는 실정이다.
즉, 일반적으로 스팀 건조 장치는 고압의 스팀을 자켓 또는 튜브 등에 보내어 간접적으로 고형 연료를 간접적으로 가열하게 되는 것이다.
본 발명은 본 출원인에 의해서 등록받은 대한민국 등록특허공보 제10-1860037호를 개량한 발명으로 이러한 종래의 석탄 등의 고형 연료는 고온 건조시 일정 온도 이상의 고온의 열풍을 이용할 경우 휘발분이 증발하여 휘발가스가 발생하고, 미분이 발생되어 휘발분과 미분분진이 발화온도에 도달하면 내부에서 착화되어 연소하게 된다.
즉, 일반적인 열교환된 고온의 건공기( 산소농도 21%)를 이용할때, 건조는 빠르게 진행되지만, 가연성 물질은 발화가 일어나게 된다.
가연성 물질의 발화를 막기 위하여 지금까지의 가연성 물질의 건조는 아주 낮은 온도( 60~80도)의 건공기를 이용하여 건조 하거나, 직접 고온의 열풍과 접촉하지 못하게 스팀튜브 등과 표면접촉을 간접적으로 하게 하여 건조 하였다.
저온의 공기 또는 간접 전달열에 의한 건조는 시간이 오래 걸리고 장치 또한 매우 커지게 되는데, 이때 고온의 직접적인 열풍을 이용하지 못하므로 저온으로 건조해야 하는데, 저온 건조 시스템의 규모가 커지게 되고, 에너지를 과다 소비해야 한다는 문제점을 개선하기 위한 발명이다.
한국등록특허공보 제10-1860037호
따라서 본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 고온 저압의 과열증기를 사용하여 피건조물에 직접 고온의 수증기를 분사하여 수증기에 포함된 열에너지를 직접 이용하여 고체연료를 효율적으로 열처리할 수 있는 고체연료 과열증기 처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 가연성 물질에 발화가 일어나지 않으며, 고온의 열을 접촉시켜 건조가 빠른시간에 이루어 지게 하기 위한 건조 장치를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 수증기가 포화된 순환공기에 접촉한 원료가 가열되며, 원료에 함유된 수분이 증기화되어 증발되어 건조되는 현상을 이용하는 건조 장치를 제공하는데 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 본 발명은 고체연료를 분쇄하는 분쇄유닛; 상기 분쇄유닛에서 분쇄된 고체연료를 소정의 입도조건에 따라 분리하는 분리유닛; 상기 고체연료를 저장하는 저장유닛; 상기 고체연료를 열처리유닛에 공급하는 1차피더; 상기 고체연료를 소정의 1차 온도조건까지 온열처리하는 열처리유닛; 및 상기 열처리유닛을 통과한 고체연료를 소정의 2차 온도조건까지 냉열처리하는 냉각유닛;을 포함하는 고체연료 열에너지 처리 장치일 수 있다.
또한, 상기 열처리유닛에 온열을 공급하는 온열공급유닛;을 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 냉각유닛에 냉열을 공급하는 냉열공급유닛;을 추가로 포함할 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 본 발명은 고체원료가 투입되는 본체; 온열을 발생시켜 유입된 증기를 과열증기로 변화시키고, 변화 후 잔열을 배출하는 증기 가열기; 상기 본체의 고체원료 배출구측에 설치되며 상기 과열증기를 상기 원료에 분사하는 과열증기분사부; 상기 킬른 본체의 외측에 설치되며 상기 잔열을 통과시켜 상기 킬른 본체의 표면을 가열하는 가열관;을 포함하며, 상기 고체원료는 상기 킬른 본체의 내부에서 분사된 과열증기 및 상기 가열관을 통과하는 잔열에 의해 이중으로 가열되는 것을 특징으로 하는 대향류 과열증기를 이용한 열처리유닛일 수 있다.
또한, 상기 과열증기분사부는 상기 본체의 끝단에 설치되며, 단면이 원형상으로 복수의 과열증기노즐이 형성될 수 있다.
또한, 상기 열처리유닛은 고체원료가 투입되는 본체; 온열을 발생시켜 유입된 증기를 과열증기로 변화시키고, 변화 후 잔열을 배출하는 증기 가열기; 상기 본체의 고체원료 배출구측에 설치되며 상기 과열증기를 상기 원료에 분사하는 과열증기분사부; 상기 킬른 본체의 외측에 설치되며 상기 잔열을 통과시켜 상기 킬른 본체의 표면을 가열하는 가열관;을 포함하며, 상기 고체원료는 상기 킬른 본체의 내부에서 분사된 과열증기 및 상기 가열관을 통과하는 잔열에 의해 이중으로 건조되는 것을 특징으로 하는 대향류 과열증기를 이용하는 것을 특징으로 하는 고체연료 열에너지 처리 장치일 수 있다.
또한, 상기 과열증기 분사부는, 일측 끝단에 과열증기노즐이 결합된 과열증기유로를 복수개 구비하는 과열증기공급부; 상기 과열증기노즐이 인입되어 형성된 과열증기분사판; 상기 과열증기유로와 결합되어 상기 과열증기분사판의 중심축에 형성된 메인 과열증기노즐을 포함할 수 있다.
또한, 상기 과열증기분사판의 끝단 둘레를 따라 과열증기가 상기 본체의 중심방향으로 분사되도록 유도하는 곡선형부재를 포함할 수 있다.
또한, 상기 곡선형부재 및 상기 과열증기분사판 끝단 사이에 형성되어 분사된 가열증기에 와류유동을 유도하는 와류성형부재;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 열처리유닛은 상기 본체에서 배출되는 증기에 포함된 불순물을 제거하기 위한 하나 또는 2 이상의 불순물제거유닛을 포함하며, 상기 불순물제거유닛을 통과한 증기유량 중 상기 고체연료의 온열처리 중 생성된 증기유량 만큼을 배출해주는 배출유닛을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 고체연료 과열증기 처리장치에 의하면, 원료가 투입되는 킬른 본체와, 열을 발생시켜 유입된 포화증기를 과열증기로 변화시키고, 변화 후 잔열을 배출하는 증기 가열기와, 상기 킬른 본체의 내측에 설치되며 상기 과열증기를 상기 원료에 분사하는 증기 분사부와, 상기 킬른 본체의 외측에 설치되며 상기 잔열을 통과시켜 상기 킬른 본체의 표면을 가열하는 가열관을 포함하며, 상기 원료는 상기 킬른 본체의 내부에서 분사된 과열증기 및 상기 가열관을 통과하는 잔열에 의해 이중으로 건조되는 것을 특징으로 하여, 원료를 이중으로 건조할 수 있어 건조 효율을 증대시킬 수 있고, 발생하는 에너지와 남은 에너지를 모두 활용할 수 있어 건조효율을 높일 수 있어 적은 에너지로 최대의 건조 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명을 통하여 상기 증기 분사부를 연료투입부분과 대향류로 형성함으로써 건조효율을 일정하게 유지할 수 있다.
또한, 상기 증기 분사부는 연료 투입구의 반대방향으로 과열증기가 분사됨으로써 피건조물과 과열증기 사이의 직접적인 접촉을 통해 건조가 이루어지는 효과가 있다.
또한, 상기 킬른 본체의 외주면 및 상기 가열관의 외주면에는 보온재가 더 설치된 것을 특징으로 하여, 킬른 본체 및 가열관 내부의 열 손실을 방지할 수 있다.
또한, 상기 킬른 본체의 내측면에는 상기 원료가 킬른 상부에서 자유낙하하도록 유동하도록 리프팅 낙하날개가 더 설치된 것을 특징으로 하여, 원료의 건조효과를 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 석탄을 건조할 경우, 건조된 석탄은 표면이 소수성으로 변하여 수분재흡착을 방지할 수 있는 효과가 있다.
이상과 같이 발명의 고체연료 과열증기 처리장치의 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고체연료 과열증기 처리장치의 유닛 플로우 다이아그램이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고체연료 과열증기 처리장치의 상세 도면이다.
도 3 은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 분쇄유닛, 분류유닛 및 성형유닛의 상세 도면이다.
도 4 는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 열처리 장치의 A-A 단면도이다.
도 5 는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 열처리 장치의 B-B 단면도이다.
도 6 은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 열처리 장치의 C-C 단면도이다.
도 7 은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고체연료 과열증기 처리장치의 조감도이다.
도 8 은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고체연료인 저등급탄 처리 전 저등급석탄의 공업분석, 원소분석, 고위발열량 및 저위발열량 값이다.
도 9 는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고체연료인 저등급탄 처리 후 하이브리드 석탄의 공업분석, 원소분석, 고위발열량 및 저위발열량 값이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고체연료 과열증기 처리장치의 유닛 플로우 다이아그램이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고체연료 과열증기 처리장치의 상세 도면이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고체연료 과열증기 처리장치는고체연료를 분쇄하는 분쇄유닛(100); 상기 분쇄유닛에서 분쇄된 고체연료를 소정의 입도조건에 따라 분리하는 분리유닛(200); 상기 고체연료를 저장하는 저장유닛(300); 상기 고체연료를 열처리유닛의 고체연료투입부(511);로 공급하는 1차피더(400); 상기 고체연료를 소정의 1차 온도조건까지 온열처리하는 열처리유닛(500); 및 상기 열처리유닛을 통과한 고체연료를 소정의 2차 온도조건까지 냉열처리하는 냉각유닛(600);을 포함하는 고체연료 열에너지 처리 장치이다.
본체는 원통 형태의 회전로이다.
상기 본체의 내측에는 원료가 투입된다. 상기 고체연료는 보일러 연료로 사용될 수 있다면 그 종류에 제한되지 않는다. 상기 고체연료는 석탄, 바이오매스, 가연성 폐기물 등 발열량을 갖는 고체연료의 특성을 가진다면 그 종류에 제한되지 않는다.
더 정확하게는, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 본체의 좌측에서 원료가 투입되고, 상기 본체 내부에서 원료가 건조된 후, 상기 본체의 우측에 설치된 배출구를 통해 외부로 배출된다.
상기 원료는 상기 본체의 내부에서 분사되는 과열증기 및 후술할 가열관을 통과하는 잔열에 의해 이중으로 건조된다. 이러한 원료는 건조 및 탄화 시 연료 성분에 의해 발화하게 되는데, 본 발명과 같이 고온의 증기를 이용하여 가열하면 연료의 발화를 방지할 수 있다는 이점이 있다. 즉, 고체 연료 건조 시, 고온의 열풍은 발화의 위험이 있으므로, 고온의 수증기를 사용하는 것이며, 본체 내부에서 유동하는 원료를 향해 고온의 수증기를 저압으로 직접 분사하는 형태인 것이다.
도 3 은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 분쇄유닛, 분류유닛 및 성형유닛의 상세 도면이다.
상기 분쇄유닛은 상기 공급되는 고체연료 피드스톡(Feedstock)을 분쇄하기 위한 분쇄기(110);을 포함할 수 있다. 상기 분쇄기 후단에서는 소정의 평균입도조건에 따라 상기 고체연료를 분리하기 위한 분리유닛(200);이 형성될 수 있다. 상기 입도조건은 상기 열에너지 처리장치에 공급되는 고체연료의 평균입도를 균일하게 조정하여 열처리 조건을 형성하기 위해서 반드시 필요하다. 상기 평균입도기준은 50mm이하 일 수 있으며, 바람직하게는 35mm이하 일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 25mm이하 일 수 있다. 상기 평균입도이상으로 분쇄된 고체연료는 상기 분쇄기로 재공급될 수 있다. 상기 입도조건에 따라 고체연료를 분류하지 않으면 균일한 열처리 효과를 얻기 힘들다. 일반적으로 평균입도 6mm이하의 고체연료와 6 내지 25mm의 고체연료로 구분하여 공급할 수 있다.
상기 분쇄된 고체연료를 분리하기 위한 소정의 입도조건은 고체연료의 평균입경이 2 내지 30mm 일 수 있다. 바람직하게는 6 내지 25mm일 수 있다. 더욱 바람직하게는 6mm 이하를 성형연료, 6 내지 25mm를 비성형연료로 분리 정의한다. 상기 평균입경 값은 정확히 지정된 수치는 아니고 공급되는 고체연료의 성상에 따라 상기 평균입경 값에 근접하여도 가능하다. 따라서 소정의 입도조건은 매우 바람직하게는 평균입경 6mm을 기준으로 상기 고체연료를 비성형연료와 성형연료로분리할 수 있다. 또한 평균입경이 25mm를 넘는다면 추가 분쇄를 위한 재분쇄단계 또는 분쇄유닛의 처리 조건을 변경할 필요가 있다.
상기 고체연료의 소정의 1차 온도조건은 상기 열처리유닛에 공급되는 시점에서의 상기 고체연료의 온도가 상기 소정의 1차 온도보다 낮은 것을 의미한다. 상기 소정의 1차 온도는 상기 열처리유닛에서 배출될 때의 고체연료의 온도를 의미한다. 상기 소정의 1차 온도는 상기 고체연료의 평균온도가 200 내지 400℃일 수 있으며, 바람직하게는 250 내지 350℃일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 상기 평균온도가 300℃일 수 있다. 상기 평균온도 값은 정확히 지정된 수치는 아니고 공급되는 고체연료의 성상에 따라 상기 평균온도 값에 근접하여도 가능하다.
상기 고체연료의 소정의 2차 온도조건은 상기 냉각유닛에 공급되는 시점에서의 상기 고체연료의 온도가 상기 소정의 2차 온도보다 높은 것을 의미한다. 상기 소정의 2차 온도는 상기 냉각유닛에서 배출될 때의 고체연료의 온도를 의미한다. 상기 소정의 2차 온도는 상기 고체연료의 평균온도가 50 내지 250℃일 수 있으며, 바람직하게는 100 내지 200℃일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 상기 평균온도가 150℃일 수 있다. 상기 평균온도 값은 정확히 지정된 수치는 아니고 공급되는 고체연료의 성상에 따라 상기 평균온도 값에 근접하여도 가능하다.
도 4 는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 열처리 장치의 A-A 단면도이다.
도 5 는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 열처리 장치의 B-B 단면도이다.
도 6 은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 열처리 장치의 C-C 단면도이다.
본체는, 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본체구동부에 의해 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하게 되어, 본체의 내벽을 타고 올라가는 원료가 안식각이 무너지면서 본체의 내부에서 수직 방향으로 낙하된다. 이러한 본체의 회전 방향은 후술할 가열관을 통과하는 배출가스의 이동방향과 동일한 것이 바람직하다. 또한, 이러한 본체는 경사지도록 설치되는 것이 바람직하다. 더 정확하게는 본체 내에 원료 투입구가 원료 배출구보다 높게 설치되는 것이다. 그리하여 본체의 회전에 의해 원료 투입구에서 투입된 원료가 본체 내에서 건조되면서 원료 배출구로 용이하게 배출되는 것이다.
이러한 본체구동부는 직접 연결된 감속기 방식인 것이 적당하지만, 원통 형태의 회전로를 회전시키기 위한 본체구동부라면 어느 것이든 무방하다.
상기 본체의 내측면에는 상기 원료의 유동을 원활히 하도록 낙하날개가 더 설치된다. 상기 낙하날개는 상기 본체의 내부에 투입된 원료의 유동을 원활하게 한다는 이점이 있다.
상기 본체의 내측에는 후술할 과열증기분사부가 설치되고, 상기 본체의 외측에는 후술할 가열관이 설치된다.
이러한 본체의 외주면에는 본체보온재가 더 설치된다. 그리하여, 상기 보온재에 의해 상기 본체 내부의 열이 외부로 방출되는 것을 방지할 수 있다는 이점이 있다.
상기 본체의 입구에는 상기 본체 내부로 유입되는 과열증기에 포함된 분진을 제거하도록 후술할 분술물처리유닛이 더 설치된다.
열교환후 배기되는 연소공기는 배기 온도에 따라 많은 열량(에너지)을 가지고 배기된다. 이때 배기되는 연소가스를 건조장치 외통을 감싸고 있는 히팅자켓에 공급하여, 건조기 외통을 가열하게되고, 가열된 건조기 외통의 연전달에 의하여 내부의 원료를 간접으로 가열하게 된다. 이는 버려지는 에너지를 다시 이용하게 되므로 많은 에너지를 절약하게 된다.
고체연료 열에너지 처리 장치는 내부에 원료를 담아서 건조기 동체의 회전에 따라 상부로 끌어 올렸다가 일정위치에서 낙하시키는 낙하날개(Lifting flight)를 가지고 있으며, 각 낙하날개는 서로 다른 형상을 가지고 있어 원료를 낙하시키는 위치가 달라지게 된다.
동체의 회전에 따라 위로 올려졌다가 낙하날개에 의해서 일정위치에서 낙하하는것을 반복하며 마치 폭포수가 떨어지는것과 비슷한 모양을 보이므로 이를 캐스캐이드(Cascade) 효과라고 한다. 원료는 상부에서 낙하되며, 각각의 입자표면이 노출되게 되며, 노출된 표면이 건조용 공기(가열증기)와 접촉하여 가열되어 건조가 이루어진다.
가열관은 상기 본체의 외측에 설치된다. 더 정확하게는, 상기 가열관은 상기 본체의 외주면에 설치되는 것이다. 상기 가열관은 후술할 온열공급유닛에서 배출된 열을 통과시켜 상기 본체의 표면을 가열하는 것이다.
이러한 열은 후술할 온열공급유닛에서 증기의 변화 이후의 잔열을 의미한다. 즉, 고온의 수증기 히팅을 위하여 포화증기를 과열증기로 변화시키기 위한 열원 사용 후의 잔열을 본체의 표면을 다시 가열하게 되므로 열원(에너지)을 재활용하여 에너지 효율을 증대시킬 수 있다는 이점이 있다.
상기 가열관은 열이 유입되는 잔열유입부와 열이 배출되는 잔열배출부를 포함한다.
상기 가열관의 외주면에는 보온재가 더 설치된다. 이러한 보온재는 본체에 설치된 보온재와 동일한 것이다. 온열공급유닛은 열을 발생시켜 유입된 포화증기를 과열증기로 변화시키고, 변화 후 잔열을 배출하도록 한다.
상기 잔열은 상기 포화증기를 상기 과열증기로 변환 후의 배기되는 배기잔열인 것이다. 상기 온열공급유닛은 가열기 본체와, 상기 가열기 본체에 설치되는 코일과, 상기 가열기 본체의 하부에 설치되는 온열버너를 포함한다. 상기 가열기 본체는 직육면체 형태이며, 상단에서 상부로 갈수록 좁아지는 형태이다. 상기 가열기 본체의 하부에는 온열버너가 설치된다. 상기 버너는 후술할 코일에 열을 가하도록 한다. 상기 가열기 본체의 내측에는 코일이 설치된다. 상기 코일의 내부에는 증기가 이동하며, 상기 버너에서 발생된 열에 의해 포화증기를 과열증기로 변화하도록 한다. 즉, 가열된 코일 내부에서 포화증기가 과열증기로 변화하면서 압력이 증가하게 되는데, 이는 압력조절을 통해 압력을 다시 낮추는 역할을 한다.
또한 과열증기의 압력이 일정하게 유지되면서 저압인 과열증기를 과열증기노즐을 통하여 일정한 압력으로 분사시켜, 건조 원료에 직접 접촉시키게 되는 것이다. 이러한 과열증기의 온도는 300℃에서 500℃사이인 것이 바람직하다.
상기 코일의 일측은 배관에 의해 후술할 과열증기분사부와 연결되고, 상기 코일의 타측은 배관에 의해 후술할 분술물제거유닛과 연결된다.
상기 배출유닛에는 릴리프 장치가 더 설치된다. 상기 릴리프 장치는 상기 본체 내의 압력 증가 시 과열증기를 자동으로 배출하도록 한다. 더 정확하게는, 상기 본체 내에서 원료건조 시 발생하는 수증기의 양이 증가하여 상기 본체 내부 압력이 일정 압력 이상으로 증가 시 과열증기를 자동으로 배출하는 것이다. 내부 압력은 상압일 수 있다. 바람직하게는 0.1bar 내지 30bar일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1bar 내지 5bar일 수 있다. 상기 압력조건을 벗어나면 건조 효율이 낮아질 수 있다.
상기 본체를 통과한 증기에는 분진 및 비산이 제거된 포화증기가 이동한다. 상기 불순물제거유닛 후단에는 팬이 더 설치된다. 상기 팬은 분진이 제거된 포화증기를 상기 코일로 보내도록 한다.
상기 가열기 본체의 상단에는 잔열배출부가 형성된다. 상기 배출부는 상기 코일에서 증기의 변화에 사용되고 난 이후 잔열을 배출하도록 한다. 상기 잔열배출부는 배관에 의해 상기 가열관과 연결된다. 더 정확하게는 상기 잔열배출부는 상기 배관에 의해 상기 가열관의 유입구와 연결되는 것이다.
과열증기분사부는 상기 본체의 일단에 설치된다. 바람직하게는 상기 본체의 연료배출구쪽에 설치될 수 있으며, 연료의 이동방향과 대향류를 형성하도록 설치될 수 있다.
과열증기분사부는 복수의 노즐을 포함한다.
상기 과열증기분사부는 상기 킬른 본체의 끝단에 설치되며, 단면이 원형상으로 복수의 과열증기노즐이 형성될 수 있다.
또한, 상기 과열증기 분사부는, 일측 끝단에 과열증기노즐이 결합된 과열증기유로를 복수개 구비하는 과열증기공급부; 상기 과열증기노즐이 인입되어 형성된 과열증기분사판; 상기 과열증기유로와 결합되어 상기 과열증기분사판의 중심축에 형성된 메인과열증기노즐을 포함할 수 있다. 이러한 노즐의 압력은 0.0005bar 이하인 것이 바람직하다. 그리하여 분말상태인 원료의 비산을 방지할 수 있다는 이점이 있다.
이러한 노즐의 분사 압력은 100mmH2O에서 500mmH2O 사이인 것이 바람직하다. 그 이유는, 투입된 원료에는 고압의 수증기를 원료에 직접 분사하게 되는데, 이때 발생하는 작은 알갱이 및 분진이 비산되어 후술할 불순물제거유닛으로 배출되므로 저압의 수증기로 바꾸어 사용해야만 하기 때문이다.
그리하여 노즐에서 분사되는 과열증기의 분사압력을 일정하게 유지할 수 있게 되는 것이다. 즉, 노즐에 의해 저하되는 압력을 보완하기 위해 압력조절장치를 통해 압력을 일정하게 하는 것이다.
상기 냉각유닛은 상기 열처리유닛을 통과한 상기 고체연료가 냉각되는 냉각본체(610); 상기 냉각본체의 전영역에 거쳐 냉열을 공급하는 냉각관(620);을 포함할 수 있다. 상기 냉각관의 상부에 설치되어 냉각수를 상기 고체연료에 분사하는 냉각수분사부(621);이 형성될 수 있다. 상기 고체연료에 냉열을 공급한 후 상기 냉각관에서 냉각수가 배출되는 냉각수배출구(622);가 형성될 수 있다. 상기 냉각수는 재순환되어 상기 냉열공급유닛으로 회수 공급될 수 있다.
상기 열처리유닛에 온열을 공급하는 온열공급유닛(700);을 추가로 포함할 수 있다. 상기 온열공급유닛은 온열을 발생시켜 유입된 증기를 과열증기로 변화시키고, 변화 후 잔열을 배출할 수 있다. 상기 본체로 공급되는 과열증기의 평균온도는 400 내지 700℃일 수 있으며, 바람직하게는 450 내지 600℃일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 상기 평균온도가 550℃일 수 있다. 상기 평균온도 값은 정확히 지정된 수치는 아니고 공급되는 고체연료의 성상에 따라 상기 평균온도 값에 근접하여도 가능하다.
상기 냉각유닛에 냉열을 공급하는 냉열공급유닛(800);을 추가로 포함하는 고체연료 열에너지 처리 장치.
고체원료가 투입되는 본체(510); 상기 본체의 고체원료배출구(512);측에 설치되며 상기 과열증기를 상기 고체원료에 분사하는 과열증기분사부(520); 상기 본체의 외측에 설치되며 상기 잔열을 통과시켜 상기 킬른 본체의 표면을 가열하는 가열관(530);을 포함하며, 상기 고체원료는 상기 킬른 본체의 내부에서 분사된 과열증기 및 상기 가열관을 통과하는 잔열에 의해 이중으로 가열되는 것을 특징으로 하는 대향류 과열증기를 이용한 열처리유닛 일 수 있다.
상기 공급되는 고체연료의 단위시간당 중량기준공급량에 대하여 공급되는 과열증기의 단위시간당 중량기준 공급량도 비례하여 조정될 수 있음은 자명하다. 상기 고체연료의 단위시간당 중량기준공급량을 Qmf 로 정의하고, 상기 과열증기의 단위시간당 중량기준 공급량을 Qms이라고 정의한다. 상기 Qms/ Qmf 의 평균비는 4 내지 10일 수 있으며, 바람직하게는 5 내지 8일 수 있고, 더욱 바람직하게는 6일 수 있다.
상기 잔열을 고온배가스 및/또는 과열증기일 수 있다. 상기 고온배가스는 별도의 본체버너(540);를 통해 공급될 수 있다. 상기 고온배가스는 온열공급유닛의 온열버너(710)을 통해 공급될 수 있다.
상기 과열증기분사부는 상기 본체의 끝단에 설치되며, 단면이 원형상으로 복수의 과열증기노즐(521);이 형성될 수 있다.
상기 열처리유닛은 고체원료가 투입되는 본체; 상기 본체의 고체원료배출구측에 설치되며 상기 과열증기를 상기 고체원료에 분사하는 과열증기분사부; 상기 본체의 외측에 설치되며 상기 잔열을 통과시켜 상기 본체의 표면을 가열하는 가열관;을 포함하며, 상기 고체원료는 상기 본체의 내부에서 분사된 과열증기 및 상기 가열관을 통과하는 잔열에 의해 이중으로 건조되는 것을 특징으로 하는 대향류 과열증기를 이용하는 것을 특징으로 하는 고체연료 열에너지 처리 장치일 수 있다.
상기 과열증기분사부는, 일측 끝단에 과열증기노즐(521);이 결합된 과열증기유로를 복수개 구비하는 과열증기공급부(522); 상기 과열증기노즐이 인입되어 형성된 과열증기분사판(523); 상기 과열증기유로와 결합되어 상기 과열증기분사판의 중심축에 형성된 과열증기메인노즐(524);을 포함할 수 있다.
상기 과열증기분사판의 끝단 둘레를 따라 과열증기가 상기 본체의 중심방향으로 분사되도록 유도하는 과열증기곡선형부재(525);를 포함할 수 있다.
상기 곡선형부재 및 상기 과열증기분사판 끝단 사이에 형성되어 분사된 가열증기에 와류유동을 유도하는 과열증기와류형성부재(526);를 포함할 수 있다.
상기 열처리유닛은 상기 본체에서 배출되는 증기에 포함된 불순물을 제거하기 위한 하나 또는 2 이상의 불순물제거유닛(900);을 포함하며, 상기 불순물제거유닛을 통과한 증기유량 중 상기 고체연료의 온열처리 중 생성된 증기유량 만큼을 배출해주는 배출유닛(1000);을 추가로 포함할 수 있다. 상기 분순물제거유닛은 하나 이상의 사이클론(910);을 포함할 수 있다. 상기 분술물제거유닛은 하나 이상의 백필터(920);를 포함할 수 있다. 상기 분순물제거유닛은 하나 이상의 상기 사이클론 및/또는 백필터를 포함할 수 있다. 상기 분순물제거유닛의 후단에는 상기 증기를 순환시키기위한 터보팬(930);이 형성될 수 있다.
상기 각 유닛을 연결하는 과열증기 및 증기 배관, 상기 냉각수 배관 및 상기 배가스 배관은 모두 보온재가 형성될 수 있다. 이러한 보온재는 상기 열에너지 처리장치의 운전시 상기 과열증기, 냉각수 및 배가스의 온도조건이 각 유닛별로 일정하게 유지되기 위하여 반드시 필요할 수 있다.
상기 열처리된 고체연료 중 평균입도가 10mm이하 일 수 있으며, 바람직하게는 8mm이하 일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 6mm이하인 고체연료는 성형유닛(1100);을 통해 브리케팅될 수 있다.
상기 성형유닛은 상기 고체연료를 공급하는 스크류피더(1110), 브리켓터(1120) 및 상기 스크류피더 및 상기 브리켓터에 동력을 공급하는 모터(1130)와 상기 성형조건을 조절하기 위한 제어부(1140)로 구성될 수 있다.
도 7 은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고체연료 과열증기 처리장치의 조감도이다.
분순물제거유닛은 상기 본체의 입구에 설치된다.
상기 분순물제거유닛은 상기 본체의 내부로 유입되는 과열증기에 포함된 분진을 제거하도록 한다.
더 정확하게는, 과열증기에 포함된 분진과 상기 본체내부에 투입된 원료에 함유된 수증기에 포함된 분진도 제거하게 되는 것이다.
이러한 분순물제거유닛은 2개 이상의 사이클론인 것이 바람직하다. 그리하여 과열증기에 포함된 분진 및 원료에 함유된 수증기에 포함된 분진을 효율적으로 제거할 수 있다는 이점이 있다.
자연발화는 공기중 산소가 있어야 가능하며, 산소가 없는 수증기 상태에서는 고온에서도 발화되지 않는 원리를 이용한다. 발화가 쉬운 가연성 원료는 건공기를 이용하여 건조시 아주 낮은 온도에서 건조가 가능하며, 건조 시간이 오래 걸린다. 고온건조가 가능하도록 산소농도를 희박하게 하기 위하여 가열된 고온의 수증기를 이용하여 건조한다. 수증기는 초기 예열시에 보일러 스팀을 공급하여 준다. 이때 순환되는 공기의 산소농도를 측정하여 5% 이하가 될때까지 스팀을 공급하며, 예열한다. 예열이 완료되고, 산소농도가 5% 이하가 되면 석탄등 가연성 원료를 공급한다. 가연성 원료내에 포함된 수분이 증발하며, 순환 공기중에는 수증기가 포화되게 되며, 이때 산소농도는 3% 이하로 유지된다. 즉 원료가 건조되며 배출된 수증기는 계속 순환되는 가열공기속에 남아있게 되어 포화상태의 수증기로 변환된다.
가열되는 수증기 온도는 300도 이상으로 유지하면, 원료에 열전달이 쉽게 되며, 원료에 포함된 수분은 증발하여, 증기배출구로 배출되는 증기에 포함된다.
원료에서 건조시 발생되는 수증기는 내부 압력등을 측정하여 배출유닛을 통하여 일부 외부로 배출시킨다.
이러한 고체연료 열에너지 처리 장치은 밀폐순환 사이클로 에너지를 재활용하여 에너지 효율성을 증대시킬 수 있다는 이점이 있다.
순환가열 수증기를 400~500도를 이용할 경우 건조용 석탄의 표면온도가 250~300도까지 가열되고 석탄의 표면이 개질되어 친수성(親水性)에서 소수성(疏水性)으로 변환되었다 이는 석탄을 대기중에 노출되도록 하여 비 등의 수분을 직접 접촉하여도 다시 흡습되지 않게 되어 외부 저장을 하여도 무방하다.
또한 고체연료가 소수성을 갖게되면, 대기중에서 자연발화가 일어나는 것도 방지된다.
건조전 원료를 여름철에 외부에 적치하면 내부온도가 69도까지 올라가며, 이때 자연발화가 일어난다.
본 고체연료 열에너지 처리 장치에 의하여 고온의 가열증기에 의하여 건조된 제품은 동일한 조건에 방치하여도 45도 이상 올라가지 않으며, 자연발화가 발생되지 않는다.
본 고체연료 열에너지 처리 장치를 이용하여 건조된 석탄은 한국에너지기술연구원의 하이브리드석탄(HCK)을 성형할 수 있다.
따라서, 석탄, 목재칩, 톱밥등 고온에서 자연발화가 일어나는 가연성 물질을 건조하기 위한 장치이다.
온열생성유닛은 버너등에서 연소된 연소 공기를 간접식 열교환 튜브를 이용하여 순환되는 수증기를 가열하게 된다. 가열된 수증기는 원료에 열전달이 이루어 지며, 일부는 냉각된다. 이때 수증기가 이슬점 이하로 냉각되면 응축되어 다시 물로 변환되게 되므로 순환되는 수증기는 이슬점 이상의 온도가 유지되도록 하여야 한다. 보통은 건조 후 재순환되는 증기의 온도를 100도 이상으로 유지하게 된다. 기존에 100도의 공기를 외부로 배출시키는 것과 비교하면, 100도의 수증기를 재가열하여 순환시키므로 인해서, 가열에너지를 그만큼 적게 사용하게 된다.
도 8 은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고체연료인 저등급탄 처리 전 저등급석탄의 공업분석, 원소분석, 고위발열량 및 저위발열량 값이다.
도 9 는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고체연료인 저등급탄 처리 후 하이브리드 석탄의 공업분석, 원소분석, 고위발열량 및 저위발열량 값이다.
(실시예1)
고체연료 과열증기 처리장치를 이용하여 건조 실험 결과 표면수분 20%, 결정수분 8%의 석탄을 건조한 결과 표면수분은 5%까지 건조 되었다.
(실시예2)
저등급석탄인 고체연료를 과열증기 처리장치를 이용하여 온열 및 냉열 처리한 결과를 비교한 것은 도8 및 도 9에 표시하였다.
실험에 사용한 저급탄으로는 인도네시아의 Adaro탄 및 Kideco탄을 사용했으며, 이 연료의 공업분석, 원소분석, 고위발열량 및 저위발열량은 도 8과 같다.
이하 실험방법에 의하여 과열증기 열처리 장치를 이용하여 상기 저급탄을 열처리한 후의 공업분석, 원소분석, 고위발열량 및 저위발열량은 도 9와 같다.
이하 전술한 구성을 갖는 본 실시 예의 작용을 설명한다.
(1) 본체에 원료를 투입한다.
(2) 온열공급유닛에서 열을 발생시켜 포화증기를 과열증기로 변화시키고, 변화 후 잔열은 상기 온열공급유닛에서 배출되어 잔열유입구를 통해 본체로 공급된다.
(3) 과열증기분사부로 유입된 과열증기는 낙하날개에 의해 본체 단면적을 가리면서 낙하하는 원료에 분사되어 원료를 건조시키고, 가열관을 이동하는 잔열에 의해 이중으로 건조된다.
(4) 과열증기분사부로 유입되는 과열증기 및 원료 건조 시 발생한 수증기 일부는 분술물처리유닛으로 이동하여 분진 등을 제거한다.
(5) 불순물 제거 후 포화증기는 팬에 의해 온열공급유닛으로 재 이동한다.
(6) 온열공급유닛에서 열을 발생시키고, 위와 같은 동작을 반복한다.
도 9를 살펴보면, 저급탄을 과열증기를 이용한 열처리를 통하여 고급탄의 열량특성을 갖도록 개질한 것을 확인할 수 있으며 추가적으로 고급탄의 단점인 회분, 질소, 유황분의 함량은 낮추면서 열량은 고급탄 수준을 유지하는 특성을 확인할 수 있다. 따라서 발전용 연료로 상기 개질된 하이브리드 석탄을 적용한다면 추가적으로 기존 발전설비에서 고급탄 활용 특성에 PM/온실가스 등의 환경 부하 저감 가능할 것으로 판단된다.
냉각유닛은 로타리 드럼 쿨러(Rotary Drum cooler)일 수 있다. 냉각유닛은 회전 드럼 내부에 고온의 원료를 통과시키면 내부에서 유동되는 원료는 냉각본체 내표면을 타고 위로 올라가고 안식각 높이까지 올라가면 미끄러지면서 원료의 표면을 타고 흘러내린다. 이때 회전하는 냉각본체 외부에 냉각수를 분사하여 냉각본체 드럼 외표면을 냉각하면 표면의 열전달에 의하여 내부의 제품이 냉각되는 원리를 이용한다.
냉각수가 분사되는 냉각관 표면에는 자켓 형태의 외판을 형성하여, 냉각수가 비산되거나, 온도에 의하여 증기화 된 수증기가 외부로 배출되는 것을 막아주고 냉각수는 냉각관의 아래쪽으로 모여져 배출되며, 수증기는 상부에 배기구 및 배구팬을 통하여 외부로 배기 시킨다.
냉각수는 냉열공급유닛을 통해 냉각 시킨후 순환시켜 이용된다.
앞서 명세서에서 언급된 온도조건은 섭씨조건(℃)이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.
100: 분쇄유닛
200: 분리유닛
300: 저장유닛
400: 1차피더
500: 열처리유닛
510: 본체
511: 고체연료투입구
512: 고체연료배출구
520: 과열증기분사부
521: 과열증기노즐
522: 과열증기공급부
523: 과열증기분사판
524: 과열증기메인노즐
525: 과열증기곡선형부재
526: 과열증기와류형성부재
530: 가열관
531: 잔열유입부
532: 잔열배출부
540: 본체버너
550: 본체보온재
560: 낙하날개
570: 본체본체구동부
580: 과열증기유입구
590: 증기배출구
600: 냉각유닛
610: 냉각본체
620: 냉각관
621: 냉각수분사부
700: 온열공급유닛
710: 온열버너
800: 냉열공급유닛
900: 분순물제거유닛
910: 사이클론
920: 백필터
930: 터보팬
1000: 배출유닛
1100: 성형유닛
1110: 스크류피더
1120: 브리케터
1130: 모터
1140: 제어부

Claims (10)

  1. 고체연료를 분쇄하는 분쇄유닛(100);
    상기 분쇄유닛에서 분쇄된 고체연료를 소정의 입도조건에 따라 분리하는 분리유닛(200);
    상기 고체연료를 저장하는 저장유닛(300);
    상기 고체연료를 열처리유닛의 고체연료투입부(511);로 공급하는 1차피더(400);
    상기 고체연료를 소정의 1차 온도조건까지 온열처리하는 열처리유닛(500); 및
    상기 열처리유닛을 통과한 고체연료를 소정의 2차 온도조건까지 냉열처리하는 냉각유닛(600);을 포함하며,
    상기 열처리유닛은 고체원료가 투입되는 본체;
    상기 본체의 고체원료배출구측에 설치되며 과열증기를 상기 고체원료에 분사하는 과열증기분사부;
    상기 본체의 외측에 설치되며 잔열을 통과시켜 상기 본체의 표면을 가열하는 가열관;을 포함하며,
    상기 고체원료는 상기 본체의 내부에서 분사된 과열증기 및 상기 가열관을 통과하는 잔열에 의해 이중으로 건조되는 것을 특징으로 하는 대향류 과열증기를 이용하고,
    상기 과열증기분사부는, 일측 끝단에 과열증기노즐(521);이 결합된 과열증기 유로를 복수개 구비하는 과열증기공급부(522);
    상기 과열증기노즐이 인입되어 형성된 과열증기분사판(523);
    상기 과열증기유로와 결합되어 상기 과열증기분사판의 중심축에 형성된 과열증기메인노즐(524);을 포함하고,
    상기 과열증기분사판의 끝단 둘레를 따라 과열증기가 상기 본체의 중심방향으로 분사되도록 유도하는 과열증기곡선형부재(525);를 포함하는 고체연료 열에너지 처리 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 열처리유닛에 온열을 공급하는 온열공급유닛(700);을 추가로 포함하는 고체연료 열에너지 처리 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각유닛에 냉열을 공급하는 냉열공급유닛(800);을 추가로 포함하는 고체연료 열에너지 처리 장치.
  4. 고체원료가 투입되는 본체(510);
    상기 본체의 고체원료배출구(512);측에 설치되며 과열증기를 상기 고체원료에 분사하는 과열증기분사부(520);
    상기 본체의 외측에 설치되며 잔열을 통과시켜 킬른 본체의 표면을 가열하는 가열관(530);을 포함하며,
    상기 고체원료는 상기 킬른 본체의 내부에서 분사된 과열증기 및 상기 가열관을 통과하는 잔열에 의해 이중으로 가열되며,
    상기 과열증기분사부는 상기 본체의 끝단에 설치되며, 단면이 원형상으로 복수의 과열증기노즐(521);이 형성되고,
    상기 과열증기분사부는, 일측 끝단에 과열증기노즐(521);이 결합된 과열증기 유로를 복수개 구비하는 과열증기공급부(522);
    상기 과열증기노즐이 인입되어 형성된 과열증기분사판(523);
    상기 과열증기유로와 결합되어 상기 과열증기분사판의 중심축에 형성된 과열증기메인노즐(524);을 포함하고,
    상기 과열증기분사판의 끝단 둘레를 따라 과열증기가 상기 본체의 중심방향으로 분사되도록 유도하는 과열증기곡선형부재(525);를 포함하는 것을 특징으로 하는 대향류 과열증기를 이용한 열처리유닛.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 청구항 4에 있어서,
    상기 과열증기곡선형부재 및 상기 과열증기분사판 끝단 사이에 형성되어 분사된 가열증기에 와류유동을 유도하는 과열증기와류형성부재(526);를 포함하는 것을 특징으로 하는 대향류 과열증기를 이용한 열처리유닛.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 열처리유닛은 상기 본체에서 배출되는 증기에 포함된 불순물을 제거하기 위한 하나 또는 2 이상의 불순물제거유닛(900);을 포함하며,
    상기 불순물제거유닛을 통과한 증기유량 중 상기 고체연료의 온열처리 중 생성된 증기유량 만큼을 배출해주는 배출유닛(1000);을 추가로 포함하는 고체연료 열에너지 처리 장치.
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