KR100244645B1 - 연소효율이 향상되는 유도층 연소로에서의 가연성 고체연료의 연소방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연소효율이 향상되는 유동층 연소로에서의 가연성 고체 연료의 연소방법을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명은 유동층 연소로에서의 가연성 고체연료 연소방법에 있어서, 상기 연소로의 유동층내에 원형관을 설치하고; 상기 원형관의 내측과 외측의 기체 유속을 달리하는 연소효율이 향상되는 유동층 연소로에서의 가연성 고체 연료 연소방법에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

Description

연소효율이 향상되는 유동층 연소로에서의 가연성 고체연료의 연소방법

제1도는 종래의 전형적인 유동층 연소로의 개략 구성도.

제2도는 본 발명에 부합되는 유동층 연소로의 개략 구성도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10,20 : 유동층 연소로 12,22 : 공기챔버

13,23 : 분산판 15,25a : 유동층

16,26 : 전열관 17,18,27,28 : 연료공급관

19,29 : 싸이클론 24 : 원형관

25b : 이동층

본 발명은 유동층 연소로에서의 가연성 고체연료의 연소방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연소효율이 향상되는 유동층 연소로에서의 가연성 고체연료의 연소방법에 관한 것이다.

석탄 폐기물등의 가연성 고체연료의 연소를 위해 전형적인 유동층 연소로가 많이 사용되어져 왔다. 제1도에 도시된 바와같이, 종래의 전형적인 유동층 연소로(10)에서는 원형층이나 사각층의 내부에 열 매체로 층 물질(모래, 알루미나)을 채우고, 이들을 유동층(15)내로 공급되는 공기에 의해 유동화시키게 된다. 이들 유동화 되는 층 물질은 유체와 같은 특성을 가지며 열 매체로서 층내의 온도를 균일하게 한다. 보통 전형적인 유동층 연소로(10)에서는 공급되는 공기가 연소로 내에서 기포층을 형성하도록 공급된다. 석탄은 연소로의 층표면이나 층 내로 공급되며 연소후의 회재는 분산판(13) 위의 드레인을 통해 배출되며 층으로 부터 공기와 함께 비산된 입자는 싸이클론(19)에서 포집된다. 석탄의 연소열은 층내에 전열관(16)을 설치하여 회수된 열을 사용한다.

제1도에서 미설명부호 '11'은 유량계이고, '12'는 공기챔버이며, '17', '18'은 각각 측부 및 상부 연료공급관을 나타낸다.

이러한 전형적인 유동층 연소로는 층 물질과 공급된 석탄이 공기에 의해 유동화되어 석탄의 연소가 일어나는 연소로이다. 유동층 연소로는 연소로 내에서 층 물질과 석탄이 유체와 같은 유동특성으로 인해 연소로 내의 온도조절이 용이하고, 비교적 넓은 범위의 입자크기를 갖는 석탄의 처리가 가능하며, 시동과 턴 다운이 용이하다는 장점 때문에 많이 사용되어 왔다.

그러나, 유동층 연소로는 층내의 온도가 회재의 용융온도 이상으로 올라가면 층내에서 유동특성의 상실로 조업이 안되므로 층내의 온도범위를 회재의 용융온도 이하로 제한해야 하며, 공급된 석탄중의 미분입자나 연소중 석탄입자의 째짐으로 인한 미세입자들이 공급되는 공기에 의해 연소로 밖으로 비산 유출되므로 탄소손실이 크며, 점결성을 갖는 석탄은 층내에서 클링커를 형성하기 때문에 처리가 어렵고, 층내로 공급되는 석탄의 공급점에서 석탄의 덩어리 형성으로 인한 공급의 어려움이 있다는 문제점을 가지고 있다.

이에, 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 전형적인 유동층 연소로 내에 원형관을 삽입하는 한편 연소로의 유동층내의 흐름을 적절히 제어하므로서, 난연성의 점결탄까지도 연소시킬 수 있을 만큼 연소효율이 향상되는 유동층 연소로에서의 가연성 고체연료의 연소방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명은 유동층 연소로에서의 가연성 고체 연료 연소방법에 있어서, 상기 연소로의 유동층내에 원형관을 설치하고; 상기 원형관의 내측과 외측의 기체 유속을 달리하는 연소효율이 향상되는 유동층 연소로에서의 가연성 고체 연료 연소방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

우선, 본 발명은 제2도에 도시된 바와같이, 제1도와 같은 전형적인 유동층 연소로(10)내에 원형관(24)을 삽입하고, 상기 원형관(24)의 내외측면의 기체유속을 달리하여 종래의 유동층 연소로와 같은 유동층의 장점을 유지하면서 동시에 종래의 연소로의 단점을 극복함에 특징이 있다.

즉, 종래의 연소로의 유동층(15)내에 원형관(24)을 삽입하면 본 발명의 연소로(20)는 두개의 지역으로 나뉘게 되며 이때, 원형관(24)의 내측의 기체 유속을 외측보다 크게 하면 원형관(24)의 내측은 유동층(25a)이, 그 외측에는 이동층(25b)이 형성된다.

예를들어 상온 유동층의 경우 유동층(25a)으로 10-60ft/s의 기체를 공급하고 이동층(25b)으로는 최소 유동화속도 근처의 유속으로 공기를 공급하면 유동층(25a)과 이동층(25b) 사이에 층 밀도차가 생겨 내부적으로 입자순환이 화살표방향과 같이 원형관(24) 위로부터 이동층 아래로의 순환패턴을 형성하게 된다. 본 발명의 경우 입자순환은 이동층으로 공급된 공기에 의해 도움을 받게 되며, 입자순환을 원활히 하고 초킹(choking)을 방지하기 위해 유량계(21)을 거쳐 공기챔버(22a)로 유입되는 이동층으로 기체유속을 최소유동화 속도의 1-1.5배 사이로 공급함이 바람직하다.

즉, 상기 이동층(25b)에 유입되는 기체유속은 최소 유동화 속도에 가깝도록 유지함이 바람직한데, 최소 유동화속도미만으로 되면 갑자기 한순간 압력이 상승되는 초킹현상이 일어나 입자순환이 원활하지 못하게 된다. 또한, 이동층(25b)의 기체속도를 최소유동화속도의 1.5배를 넘게 하면 유동층이 형성되어 층물질의 순환이 곤란하게 될 수 있다.

여기서, 최소 유동화속도란 유동층내에 충진된 층 물질이 기체 유입에 의해 움직이기 시작하는 속도를 의미함은 물론이다.

또한, 원형관(24)의 내측의 유동층(25a)의 기체속도는 최소유동화 속도의 3-6배가 적당한데, 6배를 넘어 버리면 장입되는 연소물질이 부상되어 손실되는 정도가 크게 되며, 3배 미만으로 되면 층물질의 순환패턴이 원활하지 않게 될 수 있다.

한편, 이러한 유동층의 순환패턴을 얻기 위해, 본 발명에서는 별개의 공기챔버(22a)(22b)를 사용하여 원형관(24)의 내외측으로 유입되는 기체공급을 상기와 같은 적정 범위로 조절할 수 있는데, 본 발명은 이렇게 연소로의 유동층 내로 기체유속을 다르게 조정함을 또하나의 특징으로 한다.

이와같이, 본 발명의 원형관이 있는 유동층 연소로는 내부에서 층 물질이 강제로 순환되므로 전형적인 유동층 연소로에서 연소하기 어려운 점결탄을 연소시킬 수 있다. 연소로 내로 공급된 점결탄을 원형관에서 마치 스파우티드 베드에서 처럼 석탄 입자들을 위쪽으로 분출시켜 주므로 점결성을 가진 석탄이 층내에서 덩어리를 형성하는 것을 방지하게 된다. 또한, 연료 공급관(27)(28)중 이동층의 층면위에 설치된 측면 연료 공급관(27)에 의해 공급되면 순환되는 입자들로 인해 석탄 공급관(27)에서 석탄의 클링커 형성을 방지할 수 있으며, 공급되는 석탄중에 포함된 미세입자들이 이동층(25b)의 표면으로 공급되었을 때 순환되는 입자들에 의해 이동층 아래로 내려가게 되므로 공급즉시 층으로 부터 비산되는 것을 크게 줄일 수 있다. 순환되는 층내 입자들로 인해 연소로 내에서 석탄 입자들의 혼합특성이 향상되어 석탄 연소효율의 향상을 기대할 수 있으며, 이동층 내에서 전열관(26)을 설치하면 종래의 유동층 연소로 내에 설치된 전열관(16)에서 보다 높은 열전달 효율을 얻을 수 있을 것이다.

제2도에서 미설명 부호 '23'은 분산판, '29'는 싸이클론이며, 이들은 제1도의 전형적인 유동층 연소로(10)의 경우와 같다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

[실시예]

제2도와 같은 연소로(20)의 상온 유동층 실험에서 원형관(24)의 유동층(25a)와 이동층(25b)으로 각각 독립적으로 공급되는 기체유속에 따른 층물질의 순환속도 측정은 연소로에 대한 수력학적 특성으로 매우 중요하다.

우선, 층 물질로는 0.3mm의 모래입자를 사용하였고, 입자순환 속도를 측정하기 위해 축적자로 고온의 층 물질을 사용하였다.

이동층(25b)으로의 기체유속은 초킹 방지를 위해 최소유동화속도의 1.3배로 고정된 상태에서 원형관(24)으로의 기체 유속을 최소유동화 속도의 3-9배로 증가시킴에 따라 입자순환 속도는 10-40kg/m²s으로 증가하였다.

원형관으로의 기체유속이 최소 유도화속도의 6배로 일정한 상태에서 이동층의 유속을 최소유동화속도의 0.5에서 1.55배로 증가시키면 입자순환 속도는 5에서 35kg/m²s으로 증가하였다.

또한, 원형관과 이동층으로의 일정유속에서 층높이에 대한 영향은 층높이가 원형관의 높이와 같을 때 가장 큰 입자순환 속도가 얻어졌다.

석탄의 연소실험에서는 층 높이를 원형관 높이로 하였으며, 연소에 사용된 석탄은 역청탄으로 입도분포는 0.3-5mm이고, 평균입경은 1.4mm이다. 층 물질로는 입도분포 0.25-0.46mm, 평균입경 0.3mm의 모래를 사용하였다. 우선 연소로 내에서 석탄의 착화를 위해 연소로 외벽에 열선을 설치하였다. 연소로 외벽에 설치된 열선을 사용하여 층내의 온도가 석탄의 착화온도(450-500℃)에 도달하면 상부의 석탄공급점(28)으로 부터 석탄을 연소로 내로 공급하였다. 연소로 내로 공급된 석탄의 연소효율, 입자비산 특성 및 이동층에서의 열전달 계수를 측정하기 위해 이동층으로 공급되는 공기유속을 최소 유동화속도의 1.3배로 일정하게 하고 원형관으로의 공기유속을 최소 유동화속도의 3-6배, 층 온도를 750-900℃ 및 과잉 공기비를 30%까지 변화시켰다. 800℃에서 입자비산속도에 대한 영향에서 원형관으로의 기체유속이 증가함에 따라 입자비산속도는 0.226-0.4kg/h로 증가하였으며, 이것은 공급된 석탄량의 대략 10% 정도이다. 일반적으로 전형적인 유도용 연소로(10)에서 입자비산량은 공급된 석탄의 10-17% 정도임을 고려할 때 원형관이 있는 유동층 연소로(20)에서 입자 비산량을 줄일 수 있음을 알 수 있다. 만약 석탄 공급을 석탄 공급점(27)에서 하면 공급되는 석탄중에포함된 미분탄이 순환되는 층물질에 의해 이동층 아래로 내려가므로 입자비산량을 크게 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 800℃에서 석탄 연소효율에 대한 과잉공기비의 영향에 대해 석탄 연소효율은 과잉공기비가 30%까지 증가함에 따라 87%에서 91%까지 증가하였으며, 같은 조건의 전형적인 유동층에서는 석탄 연소효율이 87%에서 89%로 원형관이 있는 유동층 연소로가 보다 높은 연소효율을 얻을 수 있다. 이동층에 설치된 전열관(26)에서 열전달 계수에 대한 원형관으로의 공기유속의 영향을 보면 공기 유속이 최소 유동화 속도의 3-6배로 증가함에 따라 전열관에서의 열전달 계수는 350에서 420W/m²K로 증가하였다. 일반적인 유동층 연소로에서는 층내의 절연관에서 열전달 계수는 유동화속도에 따라 최대값을 가지며 대략 250-350W/m²K 범위의 값을 갖는다. 이처럼 원형관을 갖는 유동층 연소로는 원형관으로의 공기유속의 증가에 따라 입자순환 속도가 증가하게 되어 이동층에서 열전달 계수가 증가하게 되며 전형적인 유동층보다 높은 열전달 계수를 얻을수 있다. 또한, 전형적인 유동층 연소로에서는 점결탄의 사용은 층내에서 이들의 응집으로 인해 사용하기 어려운데, 원형관을 갖는 유동층에서는 입자들이 원형관 위로 이동층 아래로 강제 순환되므로 응집의 형성이 이를 순환되는 입자들에 의해 방해된다. 그래서 어느 정도의 점결성을 가진 석탄을 사용할 수 있다 하겠다.

상술한 바와같이, 본 발명은 전형적인 유동층 연소로내에 원형관을 삽입하고 유동층내의 기체 유속을 적절히 제어하므로서 기존의 유동층 연소로의 특성을 가지면서 유동층이 가지는 몇가지 문제점을 해결할 수 있는 것으로 점결탄의 처리가 가능, 비산되는 입자의 저감으로 인한 연소효율의 증대 및 높은 열회수를 할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 이와같은 입자순환특성을 이용하여 부착성이 있는 물질의 건조와 원형관으로 인한 두 층의 구별로 두개의 독립된 반응을 수행할 수 있는 반응기로 사용할 수 있겠다.

Claims (3)

1. 유동층 연소로에서의 가연성 고체연료 연소방법에 있어서, 상기 연소로의 유동층 내에 원형관을 설치하고; 상기 원형관의 내측과 외측의 기체 유속을 달리함을 특징으로 하는 연소효율이 향상되는 유동층 연소로에서의 가연성 고체 연료 연소방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 가연성 고체 연료는 석탄 또는 폐기물임을 특징으로 하는 연소방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 원형관의 내측의 기체 유속은 최소 유동화 속도의 3-6배로 하고; 외측의 기체 유속은 최소 유동화 속도의 1-1.5배로 함을 특징으로 하는 연소방법.