KR100469583B1

KR100469583B1 - 회전 유도날개 장착 연속 운전식 반응로를 이용한 석탄회정제 방법 및 장치

Info

Publication number: KR100469583B1
Application number: KR10-2002-0065927A
Authority: KR
Inventors: 김종진; 김태형; 김재관; 조성덕
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 2002-10-28
Filing date: 2002-10-28
Publication date: 2005-02-02
Also published as: KR20040037444A

Abstract

본 발명은 석탄화력의 배가스중 질소 산화물 제거장치인 배연탈질 장치를 가동중인 석탄화력 발전소 등에서 발생하는 배연탈질 석탄회에 포함된 암모늄염 및 미연탄소 등을 분해하여 회수된 가스를 재활용하고 정제된 석탄회를 콘크리트 혼화재로서 대량 재활용하기 위한 석탄회 정제방법 및 장치를 제공하기 위한 것이다.

Description

회전 유도날개 장착 연속 운전식 반응로를 이용한 석탄회 정제 방법 및 장치{Apparatus and Process for purifying fly ash by using a continuous operating reactor with rotary guide blades}

본 발명은 회전 유도날개 장착 연속운전식 반응로를 이용한 석탄회 정제 방법 및 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 배연 탈질 설비가 가동중인 석탄 화력 발전소에서 발생하는 석탄회에 포함된 암모늄염과 미연탄소 등을 동시에 효과적으로 열 분해시킬 수 있도록 하기 위한 회전 유도날개 장착 연속운전식 반응로를 이용한 석탄회 정제 방법 및 그 장치에 관한 것이다. 본 발명에서의 분리원리는 석탄회에 혼재되어 있는 암모늄염 및 미연탄소 성분의 열분해 특성에 기초한 것이다.

질소산화물 제거를 위한 배연탈질 설비의 경우 SCR/SNCR(Selective Catalytic Reduction/Selective Non-catalytic reduction)을 사용하고 있으나, 모든 경우 첨가제로 암모니아(NH₃) 및 요소(H₂NCONH₂→4NH₃+ HNCO)를 사용하고 있어 설치ㆍ운전시 암모니아 슬립(Slip)이 불가피하다. 배연탈질 설비(SCR/SNCR)의 가동시 미반응된 암모니아(슬립 암모니아)는 NH₃형태로 흡착한 것과 SO₂, SO₃와의 화학반응을 거처 아래와 같은 암모늄염이 생성된다.

2NH₃+ S0₃+ H₂0 →(NH₄)₂S0₄

NH₃+ S0₃+ H₂0 →NH₄HS0₄

현재, 호남화력, 남제주 내연력, 구미 열병합 발전소 등에 가동 중에 있고, 2004년 영흥화력, 2006년부터 대부분의 석탄화력에서 가동 예정인 배연탈질 설비(SCR/SNCR)의 성능보증(Guarantee) 조건인 암모니아 슬립 5 ppm 을 준수한다 하여도 전기 집진기에서는 분체농도가 농축ㆍ포집되기 때문에 배연탈질 석탄회중암모니아 농도는 2009ppm(현재 슬립 암모니아의 80 내지 90％ 집진)에 이른다.

국내ㆍ외의 경우 배연탈질 석탄회를 재활용시 암모니아 농도를 100ppm으로 제한하고 있으나 미국, 독일, 일본 등 선진국들은 2004년부터 바다에 매립하는 매 립용 배연탈질 석탄회중 암모니아 농도도 100ppm 이하로 배출규제를 법제화 중에 있다. 암모니아 농도 100ppm 이상의 배연탈질 석탄회를 콘크리트 혼화재로 재활용시에는 아래와 같은 반응식에 의해 콘크리트 양생중 암모니아 악취가 발생하여 대기오염문제를 일으키며, 실내용으로 타설시 내부 공간에 발생된 암모니아 악취가 배출되지 않고 정체되기 때문에 사람의 호흡기 계통에 치명적인 위험으로 작용한다.

또한, 현재와 같이 바다에 염기성인 배연탈질 석탄회를 그대로 매립시에도 아래와 같은 암모니아 용출에 의해 주변지역에 암모니아 악취가 발생하며, 암모니아성 질소를 함유한 침출수에 의한 어류폐사 및 부영양화가 발생하기 때문에 암모니아 농도 100ppm 이하로 규제하는 것이다.

플라이애쉬 + (NH₄)₂SO₄→ 2NH₄+ + SO₄ ^2-

2NH₄ ⁺+ 2OH^-→ 2NH₃+ 2H₂O

한편, 석탄의 연소 후 발생되는 석탄회는 시멘트 크링커 재료, 콘크리트 혼화재, 건축물 경량제, 성토제 등으로 이용가치가 매우 높다. 현재 우리나라는 99％ 이상을 시멘트 크링커 원료 및 콘크리트 혼화재로 재활용하고 있으며, 특히 콘크리트 혼화재(톤당 35,000원)로서 부가가치가 매우 높은 편이다. 그러나, 일반적으로 배연탈질 설비가 가동중인 석탄화력발전소에서 발생하는 석탄회중에는 암모늄이온 농도 15 내지 6,000 ppm 및 미연탄소 함량 5 내지 20％가 함유되어 있어 재활용시 장애요소가 된다. 따라서, 이를 산업목적에 이용하고 환경오염을 방지하기 위해서는 석탄회중 암모늄 이온농도 100 ppm 이하로의 정제 뿐만 아니라 미연탄소 5％ 이하(KS규격)로 정제가 꼭 필요한 실정이다.

기존에 이용되고 있는 배연탈질 석탄회 중 암모늄 정제 기술은 열분해법이 있으며, 석탄회 중 미연탄소 분리방법의 경우 원심분리(입도분리)법, 마찰대전에 의한 정진분리법이 있으나, 석탄회 중 암모늄염 및 미연탄소를 동시에 정제하는 기술은 최근에와서 시도되고 있는 실정이다.

원심분리(입도분리)법은 석탄회 중 큰 입자들이 미연탄소를 다량 함유하고 있다는 사실에 기초한 기술로서 분리 장치로는 공기 분급기를 이용하고 있으나, 석탄회중 미연탄소 함량이 7％ 이상시 입도분급이 완전하지 못하고 또한 조립자의 충격에 의한 파쇄로 인해 미립분으로 전환되어 석탄회 미립분과 함께 배출되므로 미연탄소 함량 5％ 이하의 석탄회를 회수할 수 없는 단점이 있으며, 석탄회 표면에 흡착되어 있는 암모늄염은 분리가 전혀 이루어지지 않는 단점이 있다.

마찰대전에 의한 정전분리법은 분체 혼합물과 대전기 내부 표면과의 접촉에의해 분체를 하전시킨 후 전기장내에서 분체를 각각의 극성에 따라 분리한다. 그러나 마찰대전에 의한 정전분리법의 경우도 마찬가지로 암모늄염이 함유된 석탄회의 경우 석탄회에 흡착된 암모늄염과 미연탄소에 흡착된 암모늄염이 별도로 분리되기때문에 암모늄염 분리효과는 전혀 없는 것으로 알려져 있다.

상기와 같이 국내를 포함한 대부분 국가의 경우 몇 년전까지 석탄회 재활용을 위해 싸이클론 공기분급장치 및 정전분리장치에 의한 석탄회 중 미연탄소분 제거기술을 개발하여 정제된 석탄회를 레미콘 업체에 공급(톤당 35,000원에 판매)하는데 집중하였으나 최근에는 향후 급속하게 발생량이 증가할 것으로 예상되는 배연탈질 석탄회의 지속적인 재활용 추진 및 환경문제 해결을 위해 석탄회 중 암모니아및 미연탄소 동시 제거기술에 집중하고 있는 실정이다.

미국의 경우 PMI(Progress Materials lncorporation)사 및 켄터키대학을 중심으로 연소에 의한 2차 오염을 방지하기 위해 보조연료를 사용치 않는 유동층 전기로를 이용한 배연탈질 석탄회 중 암모니아 및 미연탄소 동시 제거공정을 개발하고 있다. 그러나, 유동층 보일러의 특성상 유동화를 위해서는 분체의 비중이 낮고입도가 2mm 이상 되어야 하나, 배연탈질 석탄회는 대부분 20㎛ 이하의 입도로 구성되어 있어 유동화가 잘 되지 않고 분산판 홀에 동공현상(Channeling)이 일어나며, 유동화를 위해 비열이 낮은 공기를 사용하므로 공기를 가열하기 위한 전기로의 용량이 매우 커져 전력 소비량이 많고,석탄회와의 접촉시간을 충분하게 유지하기 위해서는 유동층 반응로의 길이가 매우 길어야 하는 설비상의 문제점이 드러나고 있으며, 유동층 반응기를 통과한 많은 양의 가열공기를 배출하는 단점이 있어 열손실이 많았다.

특히, 가열 공기를 유동화 공기로 재순환시 분해, 회수된 암모니아가 재순환배관에 응축되어 배관부식을 일으키고 재순환가스 중 회수가스가 농축되어 재순환이 불가능하다는 단점이 있다.

또한, 일본의 가와사키 중공업 및 전원개발 주식회사도 배연탈질 석탄회 중 암모니아 및 미연탄소 정제를 위해 산업폐기물 소각용 전기로를 응용하고 있다. 그러나, 산업폐기물 소각용 전기로의 경우 배연탈질 석탄회를 세라믹 밸트층 위에 올려 놓은 상태로 세라믹 밸트를 전기로 내부로 회전시키므로 기계적 문제와 충분한 접촉시간 및 체류시간을 위해서는 전기로의 길이를 매우 길게 구성해야 하는 단점이 있다.

이와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 안출된 본 발명은 석탄회에 함유되어 있는 암모늄염은 500℃ 이상에서 완전히 열분해되고 미연탄소는 800℃ 이상에서 완전연소가 이루어지는 TGA(Thermogravitimetric Analysis)를 이용한 기초 실험 결과를 토대로 배연탈질 석탄회 중 암모늄염 및 미연탄소를 동시에 열분해를 통해 정제할 수 있는 회전 유도날개형 전기로를 안출하게 되었다.

기초 실험을 통해 석탄회 중 암모늄염의 경우 아래의 열분해 반응과 같은 메카니즘에 따라 황산 암모늄은 330℃에서 열분해가 이루어져 중아황산 암모늄으로 1차 분해된 후 500℃ 이상에서 가스상으로 완전분해가 이루어지는 것으로 밝혀졌다.

석탄회 중 미연탄소는 활성탄소 상태이기 때문에 700℃ 이상에서는 완전연소가 이루어지는 특성을 가지고 있다. 따라서, 본 발명에서는 석탄회 중 암모늄염 및 미연탄소의 동시 제거를 위해 연속식으로 석탄회의 열 온도와 체류 시간을 조절할 수 있고, 보조연료주입에 의한 2차 오염 발생을 없애기 위해 보조연료를 넣지 않으며, 폐열을 회수하여 최대한 동력소비를 줄일 수 있는 연속 운전식 전기로의 고안이 필요하다.

또한, 설비 구성상 기존의 유동층 전기로 및 산업폐기물 소각용 전기로의 단점을 보완하기 위해 열전달을 위한 매체로 열손실이 매우 많고 비열이 낮은 유동화 공기를 배제하고 정제된 석탄회 배출구에서 자연대류에 의해 유입되는 소량의 공기만을 이용하여 연소용 공기로 이용토록 구성하였고 최대한 단열시켜 외부로 손실되는 열을 차단하였다.

전기로 내부에 여러층이 되도록 구성하고 각층별 체류시간 조절도 가능하고 최대한 체류시간을 증가시킬수 있도록 구성하였다. 전기로내 온도가 일정한 수준을도달하면 단전되도록 하는 온-오프(On-off) 방식으로 전력소비량을 최대한 줄이고고온 정제회의 배출에 의해 손실되는 열량에 해당되는 최소의 전력만 소비되는 시스템으로 구성되어 있으며, 고온 정제회 열량의 80% 이상 회수하기 위한 폐열 교환기를 설치해 회수한 열로 원료 배연탈질 석탄회를 사전에 가열하도록 구성하여 원료회 중 수분을 완전히 제거하고 일정수준 온도로 가열된 배연탈질 원료회를 정제장치에 유입시켜 수분의 증발잠열에 의한 열손실을 없애도록 구성하였다.

도 1은 회전 유도 날개 장착 연속 운전식 반응로를 이용한 석탄회 정제 공정을 보여주는 계통도이다.

도 2a는 본 발명의 한 구성 요소인 회전 유도날개 장착 연속운전식 반응로의 A-A선 단면도이다.

도 2b는 본 발명의 한 구성 요소인 회전 유도날개 장착 연속운전식 반응로의 B-B선 단면도이다.

도 3은 본 발명의 한 구성 요소인 회전 유도날개 장착 연속운전식 반응로 주물판의 평면도이다.

도 4a 내지 4c는 본 발명의 한 구성 요소인 회전 유도날개 장착 연속운전식 반응로에서의 회전유도 날개의 평면도 및 측면도이다.

도 5a와 5b는 탈질 석탄회 중 암모늄염 및 미연탄소 열분해 감량곡선을 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 원료 석탄회 공급부 2 : 석탄회 정제장치부

3 : 고온 정제회 폐열교환부 4 : 비산회 포집부

11 : 원료 석탄회 저장 호퍼 12 : 로터리 피더

13 : 석탄회 진동공급장치 21 : 원료회 투입구

22 : 전기로 가열선부 23 : 회전 유도 날개

23a : 브러쉬형 유도날개 23b : 평판형 유도날개

24 : 주물판 25 : 유도 날개 회전용 모터

25-1,25-3 : 회전베어링 25-2 : 회전축

26 : 비산회 포집구 27 : 정제회 배출구

28 : 가열회 하강용 배출구 28-1 : 최상단 주물판 배출구

28-2 : 2단 주물판 배출구 28-3 : 3단 주물판 배출구

28-4 : 4단 주물판 배출구 28-5 : 5단 주물판 배출구

28-6 : 6단 주물판 배출구 28-7 : 7단 주물판 배출구

28-8 : 8단 주물판 배출구 28-9 : 9단 주물판 배출구

28-10 : 최하부 주물판 배출구 29a,29b : 스크린용 유도날개

31 : 고온 정제회 폐열교환기 32 : 로터리피터

33 : 저온 정제회 저장호퍼 34 : 열교환 매체 이송펌프

35 : 열교환매체 이송관 41 : 싸이클론 포집기

42 : 백필터 43 : 배연탄질 설비(SCR)

상기의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 회전 유도날개 장착 연속운전식 반응로를 이용한 석탄회 정제 장치는 석탄회에 포함된 암모늄염 및 미연탄소를 건식 열분해하는 장치로서,

원료 석탄회 저장호퍼와 석탄회 이송용 진동공급장치에 석탄회를 일정량씩 떨어뜨리는 로터리 피더로 구성되어 있는 원료 석탄회 공급부;

상기 원료 석탄회 공급부에 의해 공급된 석탄회를 석탄회 정제장치에 주입하는 원료회 투입구, 해당 원료회 투입구를 통해 들어온 석탄회중 암모늄염 및 미연탄소를 가열하여 정제하기 위한 전기로 가열선부, 유입된 석탄회의 체류 시간 조절을 위한 회전 유도날개, 해당 회전 유도날개에 회전력을 전달하는 유도날개 회전용모터, 석탄회 체류를 위한 주물판, 최상단에서 최하단 주물판으로 이동하면서 정제된 고온 석탄회를 배출하는 정제회 배출구, 비산된 초미립 석탄회 및 분해된 암모니아 가스, 이산화탄소를 배출하는 비산회 포집구로 구성되어 있는 석탄회 정제장치부;

상기 석탄회 정제장치부에서 가열 및 열분해 정제된 고온 석탄회의 폐열을 회수하기 위한 고온 정제회 폐열교환기, 해당 폐열교환기에서 열교환을 통해 온도가 떨어진 저온 정제회를 저장하기 위한 저온 정제회 저장호퍼, 열교환기에서 회수된 폐열을 원료회로 전달하기 위한 열교환 매체 이송펌프, 열교환 매체가 이송되는 열교환매체 이송관으로 구성되어 있는 고온 정제회 폐열교환부; 및

상기 석탄회 정제장치부에서 석탄회중 암모늄염 및 미연탄소가 각각 열분해 및 연소되어 발생한 암모니아가스 및 이산화탄소, 비산되는 초미립 석탄회를 흡입하여 그 중 석탄회를 포집하는 싸이클론 포집기, 해당 싸이클론 포집기에서 포집된 석탄회는 상기한 고온 정제회 폐열교환기로 보내지고 암모니아가스 및 이산화탄소를 함유하는 공기는 백필터로 보내져 분체를 완전제거하고, 순수한 암모니아 가스 및 이산화탄소만 배연탈질 설비로 보내져 재활용되도록 구성되어 있는 비산회 포집부로 이루어져 있다.

또한, 본 발명의 회전 유도날개 장착 연속운전식 반응로를 이용한 석탄회 정제 방법은 석탄회에 포함된 암모늄염 및 미연탄소를 건식 열분해하는 방법으로서,

상기 석탄회 투입구로부터 유입된 석탄회를 주물판상 석탄회 투입구 하부위치에 쌓이게 하는 단계;

쌓여진 석탄회에 대해 회전이나 브러쉬형 유도날개들을 반시계 방향으로 회전시켜서 스크린 유도날개에 의해 1차로 균일한 층으로 펼쳐지게 하는 단계;

상기 석탄회를 부유시키고 2차로 주물판에서 약간 뜬 상태인 브러쉬형 유도날개에 위해 고른층 두께로 펼쳐지게 하는 단계;

3차로 스크린 유도날개에 의해 석탄회를 균일한 층으로 부유하도록 하여 주물판에서의 고른 열접촉 및 열전달을 유도하는 단계;

마지막으로 평판형 유도날개에 의해 주물판에 쌓여 있는 석탄회를 이동시켜 가열된 석탄회 하강용 배출구로 배출하는 단계; 및

상기 과정에서 발생되는 이산화탄소는 각 주물판의 가열회 하강용 배출구를 통해 최상단까지 이동하여 대기로 배출됨과 동시에 싸이클론과 백필터에서 포집된 초미립 석탄회는 정제회 호퍼로 보내지고 회수된 암모니아 가스는 배연탈질 설비로보내져 재활용되는 단계; 및

상기 정제장치부에서 개질된 고온 정제회는 폐열교환기을 통해 열을 회수하여 원료회 저장호퍼에 열전달을 통해 원료회중 수분을 제거하고 원료회를 200℃ 이상으로 가열시켜서 고순도의 정제 석탄회를 얻는 단계로 이루어진다.

본 발명에 의하면 원통형 전기로 내부에 일정 간격식 주물판을 설치하고, 주물판 상부에 회전 유도 날개를 설치하여 유도 날개를 회전시켜 석탄회가 주물판 위를 한바퀴 원형으로 회전하면서 가열 및 연소된 후 석탄회 투입구와 회전 방향 뒤쪽 방향의 석탄회 하강용 배출구를 통해 바로 다음 단계의 하부 주물판으로 이동하도록 하고, 유도날개의 회전속도(rpm)에 따라 석탄회의 체류시간을 조절할 수 있다.

한편, 주물판에 유입된 석탄회가 뭉치는 것을 방지하고 고른층 두께를 유지하기 위한 스크린 유도날개와 주물판 하부에 석탄회가 쌓이는 것을 최대한 방지하기 위한 브러쉬 유도날개 및 브러쉬 유도날개의 반대편에 모든 석탄회를 배출구로 완전 이송시키는 평판 유도날개가 설치되어 있고, 주물판의 배출구 위치는 석탄회가 유입되는 부분의 뒷부분에 설치하여 석탄회가 한바퀴 회전하면서 가열된 후 바로 하단의 주물판으로 이동하도록 되어 있다.

전기로의 체적은 작아도 전기로 내에서의 체류 시간을 최대한 크게 하기 위해 주물판을 일정 간격씩 하단 방향으로 설치되어 있으며, 상하단의 주물판에서의 석탄회 배출구 위치를 달리하여 1단에서 배출되는 석탄회가 2단에서 회전치 않고, 3단으로 배출되는 것을 방지하도록 되어 있다.

한편, 석탄회에서 암모늄염이 분해되어 생성된 암모니아가스 및 미연탄소가 연소되어 발생되는 이산화탄소는 각 주물판의 가열회 하강용 배출구를 통해 최상단까지 이동하여 비산되는 소량의 초미립 석탄회와 함께 대기로 배출됨과 동시에 싸이클론과 백필터에서 포집되어 초미립 석탄회는 정제회 호퍼로 보내지고 회수된 암모니아 가스는 배연탈질 설비로 보내져 재활용될 수 있게 된다.

한편, 완전 정제가 된 고온의 정제 석탄회 중 폐열을 회수하기 위해 고온 정제회 폐열 교환기를 정제 장치 하부에 설치하였고 열교환기의 폐열은 열매체 오일로 열교환하여 정제장치로 유입되는 원료 배연탈질 석탄회를 300℃ 이상 가열시킨 후 정제 장치로 공급하도록 구성하여 원료회내 수분 및 수화물(Hydrate)에 의한 정제 장치내 증발잠열을 최대한 줄이도록 되어 있다.

석탄회는 석탄회 저장용 호퍼와 석탄회 이송용 진동기에 의해 정량조절되어 정제장치로 유입되며, 정제장치에서 회전 유도날개의 회전에 따라 최상단에서 최하단까지 장기기간의 체류시간 동안 전기로의 가열을 통해 석탄회중 암모늄염 및 미연탄소는 완전 열분해가 되고 정제된 석탄회는 고온 석탄회 저장호퍼 겸 폐열교환기를 통해 저온 정제회 호퍼로 이송된다.

한편 폐열 교환기에서 가열된 열매체오일은 펌핑되어 원료회 저장조로 이송되어 원료회 예열을 전달하고 열교환기로 되돌아오며, 이때, 원료회는 300℃ 이상으로 가열되어 수분이 완전히 제거된 상태로 정제장치로 유입된다.

또한, 정제장치내에서 분해된 암모늄염 및 미연탄소의 열분해 및 연소에 의해 생성된 암모니아 가스 및 이산화탄소는 비산되는 소량의 초미립 석탄회와 함께주물판의 배출구를 통해 최상부단으로 이동하여 배출됨과 동시에 싸이클론에서 초미립 석탄회는 포집되고 암모니아가스 및 이산화탄소는 백필터를 통해 완전 정제되어 배연탈질 설비로 이송되어 재활용된다.

이하 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

첨부 도면 중 도 1은 회전 유도날개 장착 유동형 연속 운전식 반응로를 이용한 석탄회 정제공정을 보여주는 계통도로서, 석탄회에 포함된 암모늄염 및 미연탄소를 건식 열분해하는 장치이다. 이 장치는 크게 분리하여 원료 석탄회 공급부(1), 석탄회 정제장치부(2), 고온 정제회 폐열교환부(3) 및 비산회 포집부(4)로 이루어져 있다.

여기서, 원료 석탄회 공급부(1)는 원료 석탄회 저장호퍼(11)와 석탄회 이송용 진동공급장치(13)에 석탄회를 일정량씩 떨어뜨리는 로터리 피더(12)로 구성되어 있다.

석탄회 정제장치부(2)는 상기 원료 석탄회 공급부(1)에 의해 공급된 석탄회를 석탄회 정제장치에 주입하는 원료회 투입구(21), 해당 원료회 투입구(21)를 통해 들어온 석탄회중 암모늄염 및 미연탄소를 가열하여 정제하기 위한 전기로 가열선부(22), 유입된 석탄회의 체류 시간 조절을 위한 회전 유도날개(23), 해당 회전 유도날개(23)에 회전력을 전달하는 유도날개 회전용모터(25), 석탄회 체류를 위한 주물판(24), 최상단에서 최하단 주물판(24)으로 이동하면서 정제된 고온 석탄회를 배출하는 정제회 배출구(27), 비산된 초미립 석탄회 및 분해된 암모니아 가스, 이산화탄소를 배출하는 비산회 포집구(26)로 구성되어 있다.

고온 정제회 폐열교환부(3)는 상기 석탄회 정제장치부(2)에서 가열 및 열분해 정제된 고온 석탄회의 폐열을 회수하기 위한 고온 정제회 폐열교환기(31), 해당 폐열교환기(31)에서 열교환을 통해 온도가 떨어진 저온 정제회를 저장하기 위한 저온 정제회 저장호퍼(33), 열교환기에서 회수된 폐열을 원료회로 전달하기 위한 열교환 매체 이송펌프(34), 열교환 매체가 이송되는 열교환매체 이송관(35)으로 구성되어 있다. 여기서, 미설명 부호 32는 로터리 피더이다.

비산회 포집부(4)는 상기 석탄회 정제장치부(2)에서 석탄회중 암모늄염 및 미연탄소가 각각 열분해 및 연소되어 발생한 암모니아가스 및 이산화탄소, 비산되는 초미립 석탄회를 흡입하여 그 중 석탄회를 포집하는 싸이클론 포집기(41), 해당 싸이클론 포집기(41)에서 포집된 석탄회는 상기한 고온 정제회 폐열교환기(31)로 보내지고 암모니아가스 및 이산화탄소를 함유하는 공기는 백필터(42)로 보내져 분체를 완전제거하고, 순수한 암모니아 가스 및 이산화탄소만 배연탈질 설비(43)로 보내져 재활용되도록 구성되어 있다.

첨부 도면 중 도 2는 본 발명의 구성 요소인 회전 유도 날개 장착 유동형 연속운전식 반응로를 도시한 것으로 도 1의 A-A선 단면도, B-B선 측단면도이다. 원료회 투입구(21)에서 공급된 석탄회를 가열하기 위한 전기로 가열선부(22)가 단열재료 내부에 설치되어 있으며, 주물판(24) 상부에 놓여진 석탄회를 일정한 두께로 회전시키고 이동시켜 하부로 배출하기 위한 회전유도날개(23)가 있고, 각 단별로 주물판(24)과 회전유도날개(23) 및 가열회 하강용 배출구(28)는 동일한 규격으로 설치되어 있으며, B-B선 측단면도에 나타낸 바와 같이 가열회 하강용 배출구(28)의위치에 따라 회전평판형 유도날개(23b) 및 브러쉬형 유도날개(23a), 스크린형 유도날개(29a, 29b)의 위치는 동일한 위치로 배치되어 있다.

원료회 투입구(21)는 주물판(24)의 가열회 하강용 배출구(28)와 회전 평판형 유도날개(23b)의 사이에 위치한다. 석탄회 정제장치부(2)내에서 가열된 회전축(25-2)의 고열을 냉각하기 위해 상하부 유도날개 회전용 모터(25)에 연결된 회전베어링(25-1,25-3)내에는 워터 자켓을 설치해 외부열 노출을 방지하도록 되어 있다.

첨부 도면 중 도 3은 본 발명의 한 구성요소인 회전 유도날개 장착 유동형 연속운전식 반응로내의 주물판(24)의 평면도를 나타낸 것이다. 이 주물판(24)은 각기 회전 유도날개 축 및 주물판 가열회 하강용 배출구(28)를 제외한 나머지는 일정두께의 평판으로 구성되어 있다. 각 단계별 주물판에서 가열된 가열회 하강용 배출구(28)의 위치에 따라 최상단과 동일한 위치로 배치되어 있다.

회전 유도날개(23)가 반시계 방향으로 회전하므로 주물판(24)의 가열회 하강용 배출구(28)는 시계방향으로 다르게 배치되어 있어 최상단에서 하강하는 석탄회가 2단을 거치지 않고 3단으로 하강하는 것을 방지하게 된다. 최상단부 배출구(28-1)의 시계방향으로 각 단계별 배출구는 2단 배출구(28-2), 3단 배출구(28-3), 4단 배출구(28-4), 5단 배출구(28-5), 6단 배출구(28-6), 7단 배출구(28-7), 8단 배출구(28-8), 9단 배출구(28-9), 최하단부 배출구(28-10)로 배치되어 있다. 원료회 투입구(21)는 가열회 하강용 배출구(28)의 반시계 방향 앞쪽 부분에 설치되어 있어 석탄회가 유입되어 회전하면서 가열되는 체류시간을 최대한 길게 한다.

첨부 도면중 도 4a는 본 발명의 한 구성 요소인 회전 유도날개 장착 유동형 연속운전식 반응로의 회전 유도날개의 평면도이고, 도 4b는 도 4a의 C-C선 단면도이고, 도 4c는 도 4a의 D-D 단면도이다. 도 4b에 의하면, 회전 평판형 유도날개(23b)와 브러쉬형 유도날개(23a)가 한 축을 이루며, 스크린 유도날개(29a, 29b)가 다른 한축을 이루도록 구성되어 있다. 주물판(24)에서 가열된 석탄회 하강용 배출구(28)는 스크린 유도날개(29a)의 반시계 방향 앞쪽에 배치되며, 상부에서 공급되어 주물판(24)에 석탄회가 쌓이게 하는 역할을 하는 원료회 투입구(21)는 가열회 하강용 배출구(28)의 반시계 방향 앞쪽에 설치된다.

한편, 원료회 투입구(21)로부터 유입된 석탄회는 주물판(24)의 원료회 투입구 하부의 주물판 위치에 쌓임과 동시에 반시계 방향으로 유도날개들이 회전하므로 스크린 유도날개(29a)에 의해 1차로 균일한층으로 펼침과 동시에 석탄회를 부유시키고 2차로 주물판에서 약간 뜬 상태인 브러쉬형 유도날개(23a)에 위해 고른층 두께로 펴지며, 3차로 스크린 유도날개(29b)에 의해 석탄회를 부유하도록 하여 주물판에서의 고른 열접촉 및 열전달을 유도한 다음 마지막으로 평판형 유도날개(23b)에 의해 주물판에 쌓인 모든 석탄회를 이동시켜 가열된 석탄회 하강용 배출구(28)를 통해 하부 주물판으로 배출시킨다.

본 발명의 요부인 유도날개들은 800℃ 이상의 온도에서 견딜 수 있도록 고온에서의 내산화성과 고온강도가 높고 내열성을 가진 스텐인레스 310S으로 구성된다.

실시예

본 발명에 의한 회전 유도날개 장착 연속운전식 반응로를 이용한 석탄회 정제 방법 및 장치의 크기 처리용량을 실시예를 들어 설명하면 다음과 같다.

회전 유도날개 유동형 전기로의 형태는 제 1, 2, 3, 4와 같으며, 전기로의 외경은 300mm, 내경 250mm, 주물판 직경 255mm, 전기로 길이 500mm, 주물판 간격 50mm 크기로 제작하였으며, 회전 평판형 유도날개 및 스크린 유도날개의 재질은 스테인레스강 310S를 사용하였으며, 주물판의 두께는 10mm로 제작하였다.

그리고, 실험조건은 다음과 같다.

- 실험 변수 : 탈질 석탄회 종류(석탄회 중 미연 탄소 및 암모늄이온농도)

유도날개 회전속도에 따른 체류시간

- 석탄회 투입량 : 10kg/hr

- 가열온도 : 700℃

- 석탄회 조건 : 폐열 교환기를 통해 수분을 제거한 300℃ 석탄회 3종

배연탈질 석탄회의 암모늄염 및 미연탄소 분해를 위한 열분해 및 연소온도 측정을 위해 실시한 열감량 곡선 실험결과는 도 5a 및 5b에 나타낸 바와 같다. 도 5a에서와 같이, 암모늄염은 270℃ 부근에서 열분해가 개시되어 500℃ 정도에서 분해가 종료됨을 볼 수 있으며, 황산 암모늄의 경우 적어도 2단계에 걸쳐 분해가 진행됨을 볼 수 있는데 270 내지 380℃에서 1차로 급격한 무게감량을 나타낸다. 이는 황산 암모늄이 NH₃, H₂O, 중황산 암모늄, SO₃로 분해되는 과정에 해당하며, 380 내지 500℃ 부근에서 2차 무게감소는 중황산 암모늄, 피로황산 암모늄이 NH₃, H₂O, SO₃등으로 분해되는 단계를 보여주는 것이다.

DTA 분석결과, 황산 암모늄은 2단계의 흡열 반응 피크를 보여주고 있으며, 2단계에 걸쳐 분해가 일어나는 것으로 예상할 수 있다. 한편, 미연탄소의 경우 400℃ 부근에서 착화가 시작되어 700℃ 부근에서 완전연소가 이루어지는 단계로 나타났다. 그러므로, 반응로의 가열온도를 700℃로 고정하여 실험을 실시하였다.

정제 석탄회 회수율은 89% 이상으로 하였으며, 암모늄이온 농도는 Orion-93-18-Ammonium Specific Electrode 및 WATERS제 이온 크로마토그라피를 이용해 폐기물 용출 실험법에 의한 검액을 사용해 분석하였고, 미연탄소함량은 열중량분석기를 이용하여 측정하였다. 실험 결과를 다음 표 1에 나타내었다.

표 1

시료종류	체류시간[분]
시료종류	2	4	6	8	10
1종	미연탄소 함량 7％	6.5	6	5	4	3
	암모늄이온 농도 560 ppm	0	0	0	0	0
2종	미연탄소 함량 9％	8	7.5	6	5	4
	암모늄이온 농도 6,000 ppm	0	0	0	0	0
3종	미연탄소 함량 11％	10	9	8	6	5
	암모늄이온 농도 2,000 ppm	0	0	0	0	0

상기 표1과 같이 석탄회중 암모늄염의 분해속도는 매우 빨라 2분 이하의 체류 시간에서 완전히 분해되는 것을 알 수 있으며, 미연탄소 함량이 높을수록 체류시간별 연소후 미연탄소 함량도 증가함을 볼 수 있었다.

한편, 체류시간을 10분에서는 모든 시료의 암모늄염이 완전히 제거되었고 미연탄소 함량도 한국공업규격 기준치인 5%이하로 정제할 수 있었다.

본 발명은 배연탈질 석탄회에 함유되어 있는 암모늄염은 500℃ 이상에서 완전히 열분해되고, 미연탄소는 800℃ 이상에서 완전 연소가 이루어지는 기초 실험을토대로 배연탈질 석탄회중 암모늄염 및 미연탄소를 동시에 열분해를 통해 90％ 이상 정제할 수 있으며, 고온 석탄회의 폐열을 열교환매체로 열교환하여 원료회를 300℃ 이상으로 가열하여 전기로에서의 원료회의 수분증발잠열에 의한 열손실을 최소화할 수 잇는 장점이 있다.

또한, 건식으로 탈질 석탄회 중 미연탄소 및 암모늄염을 동시에 제거하므로 고순도의 정제회에 대한 활용가치가 높고 재활용량을 증가시킬 수 있으며, 정제회의 폐열을 열교환하여 재활용하는 한편 발전소 폐열을 이용할 수 있는 효과가 있다.

Claims

원료 석탄회 저장호퍼(11)와 석탄회 이송용 진동공급장치(13)에 석탄회를 일정량씩 떨어뜨리는 로터리 피더(12)로 구성되어 있는 원료 석탄회 공급부(1);

상기 원료 석탄회 공급부(1)에 의해 공급된 석탄회를 석탄회 정제장치에 주입하는 원료회 투입구(21), 해당 원료회 투입구(21)를 통해 들어온 석탄회중 암모늄염 및 미연탄소를 가열하여 정제하기 위한 전기로 가열선부(22), 유입된 석탄회의 체류 시간 조절을 위한 회전 유도날개(23), 해당 회전 유도날개(23)에 회전력을 전달하는 유도날개 회전용모터(25), 석탄회 체류를 위한 주물판(24), 최상단에서 최하단 주물판(24)으로 이동하면서 정제된 고온 석탄회를 배출하는 정제회 배출구(27), 비산된 초미립 석탄회 및 분해된 암모니아 가스, 이산화탄소를 배출하는 비산회 포집구(26)로 구성되어 있는 석탄회 정제장치부(2);

상기 석탄회 정제장치부(2)에서 가열 및 열분해 정제된 고온 석탄회의 폐열을 회수하기 위한 고온 정제회 폐열교환기(31), 해당 폐열교환기(31)에서 열교환을 통해 온도가 떨어진 저온 정제회를 저장하기 위한 저온 정제회 저장호퍼(33), 열교환기에서 회수된 폐열을 원료회로 전달하기 위한 열교환 매체 이송펌프(34), 열교환 매체가 이송되는 열교환매체 이송관(35)으로 구성되어 있는 고온 정제회 폐열교환부(3); 및

상기 석탄회 정제장치부(2)에서 석탄회중 암모늄염 및 미연탄소가 각각 열분해 및 연소되어 발생한 암모니아가스 및 이산화탄소, 비산되는 초미립 석탄회를 흡입하여 그 중 석탄회를 포집하는 싸이클론 포집기(41), 해당 싸이클론 포집기(41)에서 포집된 석탄회는 상기한 고온 정제회 폐열교환기(31)로 보내지고 암모니아가스 및 이산화탄소를 함유하는 공기는 백필터(42)로 보내져 분체를 완전제거하고, 순수한 암모니아 가스 및 이산화탄소만 배연탈질 설비(43)로 보내져 재활용되도록 구성되어 있는 비산회 포집부(4)로 이루어진 것을 특징으로 하는 회전 유도날개 장착 연속운전식 반응로를 이용한 석탄회 정제장치.
제 1항에 있어서, 상기 정제장치부(2)에서 회전 브러쉬형 유도날개(23a)와 평판형 유도날개(23b)가 한축을 이루고 있으며, 스크린 유도날개(29a)와 스크린 유도날개(29b)가 한축을 이루도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 정제 장치부(2)에서 가열된 석탄회 하강용 배출구(28)는 스크린 유도날개(29a)의 반시계 방향 앞쪽이 배치되며, 상부에서 공급되어 주물판에 석탄회가 쌓이도록 역할을 하는 원료회 투입구(21)는 가열회 하강용 배출구 (28)의 반시계 방향 앞쪽에 설치되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 정제장치부(2)내에서 가열된 회전축(25-2)의 고열을 냉각하기 위해 상하부 회전모터(25)에 연결된 회전베어링(25-1,25-3)내에는 워터 자켓을 설치해 외부 열노출을 방지하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 정제장치부(2)내의 유도날개들은 800℃ 이상의 온도에서 견딜 수 있도록 고온에서의 내산화성과 고온강도가 높고 내열성을 가진 스텐인레스 310S를 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
석탄회 투입구로부터 유입된 석탄회를 주물판상 석탄회 투입구 하부위치에 쌓이게 하는 단계;

쌓여진 석탄회에 대해 회전이나 브러쉬형 유도날개들을 반시계 방향으로 회전시켜서 스크린 유도날개에 의해 1차로 균일한 층으로 펼쳐지게 하는 단계;

상기 석탄회를 부유시키고 2차로 주물판에서 약간 뜬 상태인 브러쉬형 유도날개에 위해 고른층 두께로 펼쳐지게 하는 단계;

3차로 스크린 유도날개에 의해 석탄회를 균일한 층으로 부유하도록 하여 주물판에서의 고른 열접촉 및 열전달을 유도하는 단계;

마지막으로 평판형 유도날개에 의해 주물판에 쌓여 있는 석탄회를 이동시켜 가열된 석탄회 하강용 배출구로 배출하는 단계; 및

상기 과정에서 발생되는 이산화탄소는 각 주물판의 가열회 하강용 배출구를 통해 최상단까지 이동하여 대기로 배출됨과 동시에 싸이클론과 백필터에서 포집된 초미립 석탄회는 정제회 호퍼로 보내지고 회수된 암모니아 가스는 배연탈질 설비로 보내져 재활용되는 단계; 및

상기 정제장치부에서 개질된 고온 정제회는 폐열교환기을 통해 열을 회수하여 원료회 저장호퍼에 열전달을 통해 원료회중 수분을 제거하고 원료회를 200℃ 이상으로 가열시켜서 고순도의 정제 석탄회를 얻는 단계로 이루어지는 회전 유도날개 장착 연속운전식 반응로를 이용한 석탄회 정제 방법.
제 6항에 있어서, 상기 정제장치부에서 개질된 고온 정제회는 고온 정제회 폐열교환기을 통해 80%의 열을 회수해 원료회 저장호퍼에 열전달을 통해 원료회 중 수분을 제거하고 원료회를 200℃ 이상으로 가열시켜 정제장치내 수분 증발잠열에 의한 열손실을 최소화하는 것을 특징으로 하는 방법.