KR101153930B1 - 석유코크스 연소 시스템 및 그 연소방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 석유코크스 미분탄과 같은 연소가 어려운 고체연료를 용이하게 연소시키기 위한 것이며, 특히, 석유코크스와 같은 낮은 연소특성을 갖지만 단가가 낮은 연료를 연소시켜 생산비의 절감을 가져오도록 하기 위해서, 석유코크스 미분탄과 함께 바이오가스를 투입하여 고체연료를 연소를 시켜 완전연소에 도달할 만큼 열효율을 향상시킴과 동시에, 발생되는 연소가스나 연소 폐기물질은 집진, 탈질, 탈황 등의 별도의 배가스 처리기관에서 처리를 하여 대기의 오염을 차단한 것이다.
또한, 본 발명은 고체연료 특성상, 연소 시 발생하는 미연분은 음파를 이용하여 짧은 시간에 주기적으로 소제하여 계에서 제거, 연소로로 회송하여 재 연소를 반복하고, 바이오가스를 투입하여 온실가스 저감과 동시에 연소성 개선을 특징으로 하는 석유코크스 연소 시스템 및 그 연소방법에 관한 것이다.

Description

석유코크스 연소 시스템 및 그 연소방법 {The method and system to burn petroleum coke}

본 발명은 석유코크스 미분탄과 같은 연소가 어려운 고체연료를 용이하게 연소시키기 위한 석유 코크스 연소 시스템 및 그 연소방법에 관한 것이다.

특히, 석유코크스와 같은 낮은 연소특성을 갖지만 단가가 낮은 연료를 연소시켜 생산비의 절감을 가져오도록 하기 위해서, 석유코크스 미분탄과 함께 바이오가스를 투입하여 고체연료를 연소를 시켜 완전연소에 도달할 만큼 열효율을 향상시킴과 동시에, 발생되는 연소가스나 연소 폐기물질은 집진, 탈질, 탈황 등의 별도의 배가스 처리기관에서 처리를 하여 대기의 오염을 차단한 석유코크스 연소 시스템 및 그 연소방법에 관한 것이다.

또한 본 발명은 석유코크스와 바이오가스를 이용하여 버너에서 연소를 시키고 증기를 생산하며, 연소로에서 미 연소된 연료를 다시 회기시켜 버너를 통해서 거듭 연소과정을 반복하여 연료의 완전연소화에 근접시킬 수 있도록 하는 석유코크스 연소 시스템 및 그 연소방법에 관한 것이다.

일반적으로 석유 코크스는 정유공장에서 150~250℃와 250~350℃에서 상압증류에 의해 등유와 경유를 생산하고 난 후, 상압증류 잔유물은 감압증류 설비를 통해서 중질유분을 정제한 다음 최종으로 처리가 어려운 유분을 코킹 공정을 통해서 정제하는 방법으로 생산한다.

이 연료의 특성은 높은 열량을 갖고 있으나 석탄보다도 저렴하다는 큰 장점이 있는 반면에, 높은 황 성분의 함량에 의해서 연소시 환경에 미치는 악영향이 커서 이용하기에 어려움이 많다.

그럼 본 발명의 설명을 위해서 종래의 일반적인 연료의 이용방안을 설명한다.

종래 연료를 이용하여 에너지를 얻는 방법은 많이 있으나, 화력발전소와 열병합발전소는 다음과 같이 운영된다. 화력발전소, 열병합발전소 등에 이용되는 보일러는 대부분 벙커시유와 같은 중질유나 석탄 등이 사용되고 있는데, 벙커시유는 석탄에 비해 열량이 높으나, 가격이 비싸다는 단점이 있으며, 석탄은 벙커시유에 비해 열량이 낮으나 가격이 싸다는 장점이 있다.

따라서 근래 들어 석탄과 벙커시유를 혼합하여 연소하는 방식에 대한 연구가 이루어지고 있으나, 최근 유가 상승과 함께 벙커시유 가격도 많이 상승하여 좀 더 가격적으로 메리트가 있는 경제적인 연료 선택의 필요성이 다가오고 있다.

최근의 보도 자료에 의하면, 전 세계적으로 전력시장은 연간 2.5% 이상의 증가율을 보일 것으로 예측된다. 이러한 전망은 주로 중국, 인도, 남미의 급속한 경제성장에 따른 것으로 연료 가격과 수송비 증가로 석탄발전의 경우에 전력비에 연료비가 차지하는 비중이 35% 수준에 달할 것으로 분석된다.

따라서 석탄발전의 경우 폐기물이나 저급연료를 혼합하여 이용하는 방안에 대한 관심이 집중되고 있는데, 이것은 만약 환경 친화적으로 저렴한 저급 연료를 이용할 수 있다면 연료비 측면에서 상당한 인센티브를 얻을 수 있기 때문이다.

바로 이러한 관점에서 우리가 주의 깊게 살펴보고 있는 연료가 저가이면서 높은 열량을 갖고 있는 석유 코크스이다. 석유코크스는 정유공장에서 150～250℃와 250～350℃에서 상압증류에 의해 등유와 경유를 얻게 되고 상압증류 잔유물은 감압증류 설비로 공급하여 중질유분을 정제한 다음 최종적으로 처리가 어려운 유분을 코킹 공정을 거쳐 생산되어 진다.

석유코크스는 높은 열량을 갖고 있으며, 석탄보다 저렴하다는 장점을 갖고 있으나, 단지 높은 황 함량 때문에 연료로 이용하기 위해서는 환경적으로 석탄보다 사용여부가 불리하다.

또한 석유코크스의 경우, 연료특성상 표면연소로 진행되어 외부 열원 없이는 연소가 이루어지지 않으므로 착화온도 이상의 별도의 축열을 위한 연소공간이 필요하며, 통상 1,000℃ 이상의 축열 공간이 필요하다.

이때, 높은 발열량으로 연소 시 연소공간의 내부온도가 2,000℃이상 상승하게 되면 연소로 벽의 붕괴 등의 우려가 있으며, 1,500℃이상에서는 질소산화물이 다량 발생하게 되고, 1,100℃이하에서는 미연소분이 다량 발생하게 되어, 석유코크스의 연소특성의 개선이 필요한 실정이다.

종래 기술인 일본특허 제2789988호 공보에 개시되어 있는 열분해 처리방법은 적열 코크스의 현열을 이용하여, 프리챔버 내에서 하수오물 덩어리의 유기 성분을 열분해함과 동시에, 하수 오물 덩어리 중의 수분과 적열 코크스를 수성 가스화 반응시켜 CO, H2 등의 가연가스를 생성하고, 그 가스를 연도로 안내하며, 연도로 연소용 공기를 도입하여 연소시키는 것이다.

코크스 건식 소화장치의 연도에는 집진기(dust catcher)라 불리는 중력 침강식 고체기체 분리기구가 보일러를 보호하기 위하여 마련되어 있다. 중력 침강식의 고체기체 분리기구는 고체의 관성력을 이용하여 침강시키는 것으로, 가스의 흐름을 난류로 하면 고체의 관성력이 저해되어 고체기체 분리 효율이 현저하게 저하되기 때문에, 코크스 건식 소화 설비 연도에서는 가스 유속을 최대한 저하시켜, 가스를 층류상태로 유지하고 있다.

그 때문에, 고체기체 분리 성능을 유지한 채로 연도에서 가연 가스와 연소용 공기를 혼합하여 연소시키는 것은 대단히 곤란하고, 또한 체류 시간도 짧기 때문에, 그 연소량에는 한계가 있었다.

또한 가연 가스가 완전 연소되지 않고 가연가스가 잔류하면, H2S 등의 부식 성분이 생성되어 보일러 및 냉각탑 하부 등에서 금속이 부식되어 심각한 설비 불량을 일으키는 문제점이 대두되고 있는 실정이다.

또한, 고체연료의 특성상 연소효율의 저하로 다량의 미연분이 발생하게 되는데, 이러한 미연분이 시스템 특히 증기를 생산하는 수관에 오염 시는 보일러의 전체적인 열효율을 저하시키게 된다. 따라서 통상적으로 고압의 증기를 이용한 Soot Blower를 통해 소제를 실시하게 되는데, 증기를 이용하는 관계로 간헐적으로 실시하게 되며, 이때 많은 미연분이 일시에 다량으로 발생하게 되어, 일부는 시스템 하단부에 고착되거나 리사이클라인에 급격한 부하증대를 초래하여 리싸이클 시스템의 트러블을 일으키며, 연소조건에도 영향을 미치게 되어 불완전 연소에 따른 미연분이 확대 재생산되는 악순환을 초래한다.

본 발명은 석유코크스 미분탄과 같은 연소가 어려운 고체연료를 용이하게 연소시키기 위한 석유 코크스 연소 시스템 및 그 연소방법을 제공하고자 한다.

특히, 석유코크스와 같은 낮은 연소특성을 갖지만 단가가 낮은 연료를 연소시켜 생산비의 절감을 가져오도록 하기 위해서, 석유코크스 미분탄과 함께 바이오가스를 투입하여 고체연료를 연소를 시켜 완전연소에 도달할 만큼 열효율을 향상시킴과 동시에, 발생되는 연소가스나 연소 폐기물질은 집진, 탈질, 탈황 등의 별도의 배가스 처리기관에서 처리함으로서 대기의 오염을 완전차단한 석유코크스 연소 시스템 및 그 연소방법을 제공하고자 한다.

또한 본 발명은 석유코크스와 바이오가스를 이용하여 버너에서 연소를 시켜 증기를 생산하며, 연소로에서 미연소된 연료를 다시 회기시켜 버너를 통해서 거듭 재연소과정을 반복하여 연료의 완전연소화에 근접시킬 수 있도록 하는 석유코크스 연소 시스템 및 그 연소방법을 제공하고자 한다.

본 발명에 따른 석유코크스 연소 시스템은, 버너(15)의 내측으로 석유코크스 미분탄을 공급하는 미분탄공급부(11)와, 바이오 가스를 공급하는 바이오가스공급부(12)를 가진 선회식 버너(15); 버너(15)의 화염이 분출되는 연소로(16)의 끝단에 형성되어 증기를 생산하는 보일러(17); 연소된 연소가스를 처리하는 후처리시설; 및 연료의 연소 중 미연소된 미연분의 경우 연소로로 다시 회기시키는 리싸이클관(20);으로 구성된다.

또한 본 발명 석유코크스 연소 시스템에 따른, 버너(15)는, 연소공기공급부(10)를 통해서 고압의 연소공기와 석유 코크스 미분탄을 버너(15)에 공급하고, 별도의 투입관(14)을 통해서 연소로(16) 내부에 2차공기를 투입하여 2단 연소를 실시하며 : 연소공기공급부(10)는, 별도의 분기된 공급관(13)을 형성하여 바이오가스 공급부(12)에 연통시켜 바이오가스와 함께 연소공기도 공급시킬 수 있도록 하며: 후처리시설은, 배출되는 연소가스의 통로가 되는 연소배출관(18)의 끝단에 설치되어 플라이애쉬를 제거하기 위한 싸이클론(19); 싸이클론(19)의 배출관과 연통되어 분진을 걸러주는 탈진설비(23); 탈진설비(23)에 연통되어 질소산화물을 분해하는 탈질설비(22); 탈질설비(22)와 연통된 아이디팬(25)을 통해 배가스를 공급받고, 배가스의 황산화물을 제거하는 탈황설비(26)를 구비한다.

또한 본 발명 석유코크스 연소 시스템에 따른, 연소배출관(18)과 탈질설비(22)에는, 배가스를 통해서 폐열을 회수하기 위한 공기예열기나 또는 절탄기(24)를 설치하고 : 미연소된 미연분의 배가스를 회기시키는 리싸이클관(20)은, 미연분을 음파를 이용하여 계에서 주기적으로 제거하거나, 회기되도록 하는 소닉슈트(미도시)를 이용하여 회기시키도록 하고, 보일러(17) 가동 후 발생된 미연소된 미연분의 이동통로인 주리싸이클관(21)과 연소로(16)까지 연통된 리싸이클관(20)을 포함하며: 미연소된 미연분의 배가스를 회기시키는 리싸이클관(20)은, 탈진설비를 거친 후의 배가스를 회기시키도록 하여 2차적인 리싸이클관(20)을 형성한다.

또한 본 발명의 다른 특징으로 석유코크스 연소방법은, 선회식 버너(15)에 석유코크스 미분탄과 바이오가스를 동시에 공급하여 연소율이 낮은 고체 연료인 석유코크스 미분탄을 연소시키는 제1단계; 상기 1단계를 통해서 1차 연소된 석유코크스의 미연분은 다시 회기시켜 재차 연소시키고 배가스를 배출시키는 제2단계; 및 연소열을 이용하여 증기를 생산하는 제3단계를 포함하며, 상기 선회식 버너는 단독으로도 석유코크스를 연소할 수 있고, 바이오가스와 혼합하여서도 연소가 가능하다.

또한 본 발명 석유코크스 연소방법에 따른, 제1단계에서 사용하는 버너(15)는, 미분탄과 연소공기를 동시에 공급하고, 연소로로 분출시 선회를 시키는 선회 버너(15)를 사용하고: 제1단계에서 공급되는 석유코크스 미분탄과 바이오가스는, 중량비로 미분탄 50-95%와 바이오가스를 5-50%로 공급하며: 연료의 연소를 통해서 연소된 배가스는, 탈진설비(23), 탈질설비(22), 탈황설비(26)를 거치며 재처리되며 : 배가스에 포함된 미연소된 연료인 미연분은, 탈진설비(23)를 거친 미연분을 회기시켜 버너(15)에서 재 연소시키거나 또는 계외부로 배출시킨다.

또한, 고체 연료 특성상 연소 시 발생하는 미연분의 시스템 오염은 보일러의 급격한 열효율 저하를 초래하는데, 종래의 증기를 이용한 소제방식은 고가의 증기를 이용함으로서 간헐소제 (1일 1회 혹은 2-3회)에 적합하다. 그러나 미연분이 다량으로 발생하는 고체연료를 사용하는 경우 간헐소제 방식으로는 소제 후 시스템에 누적된 미연분이 일시에 배출됨으로서 리싸이클 시스템에 급격한 부하증가로 리사이클 시스템의 가동이 중단되거나 연소조건의 급격한 변동을 초래하여 불완전연소에 따른 미연분을 확대 재생산하는 결과를 초래함으로서 열효율 개선에 한계가 있으며, 또한 안정적으로 연속운전을 실시할 수 없게 되는 문제가 있다.

따라서 이러한 문제점을 개선하기 위해, 주기적이며 자동적으로 손쉽게 청소가 가능한 음파를 이용한 Sonic Cleaning System을 채택함으로서, 보일러의 열효율이 저하되지 않고 연속운전을 실시할 수 있는 발명이다.

본 발명은, 저가인 석유코크스를 이용하되, 그의 단점인 열효율이 낮은 점을 해결하여 고효율의 연료로 변환시켜 연소하는 점에서 장점이 있다.

또한 본 발명은, 폐기물인 고체 상태의 석유코크스를 보일러 연료로 사용함에 있어, 낮은 연소특성으로 인한 미연분 발생에 따른 2차적인 처리문제와 낮은 연소효율 문제를 해결하기 위해, 미연소된 석유 코크스 미연분을 리사이클 시키는 구조적인 시스템을 구축했다는 점에서 장점이 있다.

또한 본 발명은, 폐수처리장에서 발생하는 바이오가스를 5퍼센트 이상 50 중량퍼센트 미만을 사용하여 연소하기에, 연소효율의 개선과 미연분의 발생에 따른 2차적인 처리문제를 동시에 해결했다는 장점이 있다.

또한 본 발명은, 이때 발생되는 미연분의 시스템 오염에 의한 열효율 저하를 배제하기 위해 음파를 이용한 소제 주기를 단축한 소제방식을 채택함으로써 소제시 일시적으로 미연분이 과다하게 배출되어 리싸이클 시스템이 정지되거나 연소조건의 변동으로 인한 불완전연소에 따른 미연분의 확대 재생산되어 열효율이 저하하는 문제점을 해결하였다.

도 1은 본 발명의 석유 코크스와 바이오가스를 이용하여 선회 버너로 연소를 시키는 시스템도이다.

본 발명은 석유코크스와 같은 고체연료를 연소시키기 위한 연소시스템과 그 연소방법에 관한 것이다. 따라서 본 발명의 구성과 그 작용을 도시된 도 1과 함께 상세히 설명한다.

도시된 도 1에서처럼, 본 발명은 석유코크스 연소 시스템에 있어서, 버너(15)의 내측으로 석유코크스 미분탄을 공급하는 미분탄공급부(11)와, 바이오 가스를 공급하는 바이오가스공급부(12)를 가진 버너(15)가 있고, 버너(15)의 화염이 분출되는 연소로(16)의 끝단에 형성되어 증기를 생산하는 보일러(17)가 있으며, 연소된 연소가스를 처리하는 후처리시설이 있다. 또한 연료의 연소 중 미연소된 미연분의 경우 연소로로 다시 회기시키는 리싸이클관(20)을 포함하여 구성된다.

즉, 본 발명의 주요한 점은 고체 연료 중 석유코크스 미분탄의 장점만을 살리고 그 단점을 철저히 해소 또는 제거하기 위한 발명이다.

석유코크스 미분탄의 경우 그 가격이 저렴하고, 높은 열량을 가지고 있는데 반하여, 이를 연소시키기가 어렵고 또 연소되어도 완전연소가 어려우며, 연소시 발생되는 유황의 배출률이 높아 환경오염에 많은 문제점을 가져온다는 단점이 있었다.

따라서, 본 발명은 연소하기가 어려운 문제점은 바이오가스를 혼합하여 연소하여 해결하였고, 완전연소가 어려운 미연분을 연소로로 리싸이클시켜 반복적인 연소를 통해 해결하였다. 이때 시스템의 소제방식은 종전의 증기를 사용하던 방식에서 시스템에 충격이 없는 음파를 이용한 소제방식을 채택함으로써 본 발명을 완성하였다.

그럼 본 발명의 구성에 따른 작동의 설명을 한다.

도시된 도 1에서처럼 본 발명은 기본적으로 버너(15), 보일러(17) 및 후처리시설을 갖추고 있다. 버너(15)는 연료인 석유코크스 미분탄을 연소시키기 위한 것이고, 보일러(17)는 2단으로 구성되어 있으며, 연소로에서 발생한 연소열을 이용하여 증기를 생산한다.

이러한 연소의 과정에서, 특히 고체연료의 경우 미연분이 다량 발생하게 되는데, 발생된 미연분이 시스템에 오염되지 않도록 수트 블로우(Soot Blow)는 간헐적 방식이 아닌 5-30분마다 연속적으로 실시하는 음파를 이용한 청소장치를 채택한다. 석유코크스의 경우 사실상 완전연소가 어려운 연료이다. 열량은 높지만 연소효율이 낮아 미연분이 다량 발생하는데, 본 발명의 경우, 바이오가스를 사용하여 연소효율 개선과 함께 최근 국제적인 이슈가 되고 있는 온실가스 발생을 최소화하기 위한 방법에 관한 것이다.

이때 발생된 미연분은 시스템에 축적되어 열효율을 저하시키지 않도록 연소로로 다시 회송하는데, 종래의 Steam Soot Blower의 경우, 치료적 개념에서 1일 1회 혹은 많게는 2~3회 실시하였으나 이로 인해 소제 후 누적된 미연분이 일시에 리싸이클 시스템으로 이송되어 연소로로 투입되는 관계로 과부하에 의한 리사이클 시스템의 정지 혹은 연소로에서 급격한 연소조건의 변화로 인한 불완전연소를 초래하여 미연분제거가 곧 미연분의 다량발생이라는 악순환과 함께 미연분의 일부는 시스템에서 제거되지 않고 하단부에 고착되는 현상으로 열효율이 저하되었다.

그러나 본 발명의 경우에는 미연분이 시스템에 누적되지 않도록 예방적 차원에서 짧은 시간에 반복적으로 소제를 실시함으로서 Soot Blow에 따른 급격한 부하변동 없이 미연분을 시스템에서 제거하여 다시 연소로로 투입하여 재 연소함으로서 열효율의 저하없이 연소효율을 제고할 수 있는 시스템이다.

그럼 본 발명의 보다 상세한 실시예를 도시된 도면과 함께 살펴본다.

본 발명에 따른 버너(15)는, 연소공기공급부(10)를 통해서 고압의 연소공기와 석유 코크스 미분탄을 버너(15)에 공급하고, 별도의 투입관(14)을 통해서 연소로(16) 내부에도 연소공기를 공급하는 선회식 버너(15)를 사용하는 것이 바람직하다.

선회식 버너(15)란 연료와 공기를 동시에 공급하되, 고압의 공기를 통해서 연료를 실어서 보내면서, 연소로 내부로 진입하면서 연료를 와류시켜 연소시키는 버너(15)를 칭한다. 이러한 버너(15)는 연소율이 높다는데 특징이 있다. 바로 본 발명의 석유코크스와 같은 연소율이 낮은 연료를 연소시키기 위한 버너(15)로서는 최적의 것이다.

결국 본 발명은, 이렇게 완전연소를 달성하기 위해서 상기 연소공기공급부(10)에서 연료와 석유코크스 미분탄을 동시에 공급하면서, 연소공기공급부(10)에서 분기된 투입관(14)을 통해서 연소로(16)의 내부에도 연소공기를 투입한다.

이때, 연소로 내부에 2차 공기를 투입하는 이유는, 질소산화물 생성을 억제하기 위해 2단 연소를 실시하기 위함이다.

이와 유사하게도 본 발명의 상기 연소공기공급부(10)는, 별도의 분기된 공급관(13)을 형성하여 바이오가스 공급부(12)에 연통시켜, 노즐 내부에는 바이오가스가 공급되며 바이오가스를 에워싸고 선회공기가 공급되도록 한다.

바이오가스란, 폐수처리장에서 발생되는 폐기물의 하나로서 처리를 요하는 가스이다.

본 발명은 이러한 바이오가스를 이용하여 열에너지를 생산하는 것이다.

전술된 설명에서 본 발명의 저가의 고체연료인 석유코크스를 바이오 가스와 함께 연소시키는 연소 방법을 설명하였고, 완전연소를 위해서 미연소된 미연분의 경우 다시 리싸이클 시켜서 재연소시키는 방법을 택했음을 간략하게 설명하였다.

그런데 본 발명의 석유코크스는 연소시 유황의 배출률이 높고, 환경오염이 심한 배기가스를 배출하는 단점이 있다. 본 발명은 바로 이러한 문제점을 후처리시설을 통해서 해결하였고, 이 후처리시설의 보다 상세한 구성과 작용을 도 1과 함께 설명한다.

본 발명에 따른 상기 후처리시설은, 배출되는 연소가스의 통로가 되는 연소배출관(18)의 끝단에 설치되어 플라이애쉬를 제거하기 위한 싸이클론(19)이 있고, 싸이클론(19)의 배출관과 연통되어 분진을 걸러주는 탈진설비(23)가 있으며, 탈진설비(23)에 연통되어 질소산화물을 분해하는 탈질설비(22)가 있다.

또한 탈질설비(22)와 연통된 아이디팬(25)을 통해 배가스를 공급받고, 배가스의 황산화물을 제거하는 탈황설비(26)를 구비한다.

전술된 모든 후처리시설들은 이미 공지된 상태이기는 하지만, 본 발명에 적용된 후처리시설은 그 단계와 사용의 방식에 특징이 있다. 공지된 시설물을 적재적소에 배치하고 이를 유기적으로 결합하여 사용함에 특징이 있는 것이다. 따라서 이미 공지된 내용이 많이 있지만, 일반적이면서도 본 발명만의 특징적인 후처리시설을 단계별로 설명한다.

연소되어 배기되는 배가스에는 미연소된 미연분의 석유코크스도 존재하고, 기타 연소되어 분해된 유해물질과 배가스 등이 존재한다. 이 모든 것을 포함하는 용어는 배가스가 될 것인데, 이러한 배가스가 보일러(17)를 가동시키고 도시된 연소배출관(18)을 통해서 싸이클론(19)으로 투입된다. 싸이클론(19)은 배가스에서 배출되는 플라이애쉬(Fly ash)를 제거하기 위해서 사용되는데, 원심력을 이용하여 걸러주는 방식을 택하고 있다. 원심력을 이용하여 비교적 큰 부피와 무게의 분진을 걸러주는 것이다.

이러한 과정을 거친 배가스는 다시 연통된 시설인 탈진설비(23)로 진입하고,

이 탈진설비(23)는 전기를 이용하여 보다 작은 분진을 걸러주는 시설이며, 이러한 시설은 집진설비와 같이 종래 공지된 부분이 많이 있다.

또한 탈진을 달성하고 나서는 본 발명에 따라 아이디팬(25)에 의해서 배가스는 탈질설비(22)로 전달된다. 이 탈질설비(22)는 배가스 내부의 질소산화물을 제거한다. 환경에 무해한 질소와 물로 환원시키는 방법을 투입하여 질소산화물을 제거하는 것이다. 탈질을 달성한 본 발명의 배가스는 다시 도시된 탈황설비(26)를 거치며 배기가스를 배출시킨다. 즉, 상기 탈황설비(26)는 본 발명에서 특히 유의하여 설치해야만 한다.

석유코크스의 경우 연소시 유황의 배출이 높아 환경오염을 야기할 소지가 있기 때문이다. 이러한 탈황설비(26)는 다양한 방식으로 유황을 분해하고 제거하고 있는데, 그 하나가 전해수를 이용하는 방법이다. 전해수도 해수를 이용하여 전해수로 변환시키고 이 전해수를 이용하여 탈황하는 방식이 주로 사용된다. 본 발명은 이러한 방식만을 적용하지 않고 공지된 다른 방식의 탈황의 방법을 사용하여 탈황설비(26)를 실시할 수 있다.

또한 상기 연소배출관(18)과 탈질설비(22)에는, 배가스를 통해서 폐열을 회수하기 위한 공기예열기나 또는 절탄기(24)를 설치한다. 도시된 도면에서는 연소배출관(18)에 설치된 절탄기(24)를 생략하고 있지만, 이 연소배출관(18)에도 절탄기(24)를 투입하여 실시가 가능하다.

본 발명에서 미연분의 연소로로 회송율은 최대 10%미만이며, 완전히 연소된 회분의 제거는 정기 보수 기간 중에 연소로(16)와 보일러(17) 하부에 쌓인 잔재물의 제거로 가능하며, 운전 중에는 후자의 집진설비 하단 호퍼(미도시)에서 제거될 수 있는데, 이때는 미연분의 색상을 통해 육안으로 판별(연소된 잿빛인지, 미연소된 흑색인지)하거나 발열량 측정을 통해 실시한다.

본 발명은 설명된 것처럼 그 연소시스템에만 특징이 있는 것은 아니다. 그 시스템을 활용하는 석유코크스 연소방법에도 특징이 있다.

따라서 본 발명의 석유코크스 연소방법을 상세히 설명한다.

본 발명의 연소방법은 먼저 제1단계; 선회식 버너(15)에 석유코크스 미분탄과 바이오가스를 동시에 공급하여 연소율이 낮은 고체 연료인 석유코크스 미분탄을 연소시키는 단계를 거치며 시작된다. 버너(15)의 내측에 석유코크스 미분탄과 바이오가스를 동시에 공급하여 연소시키는 것이다.

이 연소방법의 경우, 대다수의 방식이 앞에서 시스템을 설명하면서 이미 서술된 부분이 많기에 자세한 것을 생략하지만, 본 발명의 연소방법의 가장 특징적인 부분은 석유코크스가 연소하기 힘든 고체연료이기에 이를 연소시키기 위해서 바이오가스를 동시에 투입하여 연소시킨다는 점에 유의해야 한다.

다음으로 본 발명은 제2단계; 1단계를 통해서 1차 연소된 석유코크스의 미연분이 시스템에 누적되어 열효율이 저하되지 않도록 연속적(매 10분)으로 음파에 의한 소제를 통해 계외로 제거하여 다시 연소로로 회기시켜 재차 연소시키는 단계를 거친다.

본 발명에서 상기 제1단계에서 공급되는 석유코크스 미분탄과 바이오가스는, 중량비로 미분탄 50-95%와 바이오가스를 5-50%로 공급하는 것이 바람직하다.

바이오가스의 경우 폐수처리장에서 발생되는 가스로 폐기물류에 속한다. 이러한 후 처리과정이 필요한 가스를 연소가 힘든 석유코크스를 연소시키는 촉매연료로 사용한다면 가장 최적의 결합이다.

상기 수단은 열에너지의 생산 단가를 현저히 떨어트릴 수 있는 방법이 된다. 바이오가스의 경우 어느 정도의 비용이 발생되고, 생산량이 많지 않기에 투입될 수 있는 량을 확연하게 늘리기 어렵다. 바이오가스를 사용하게 되면 온실가스 배출량 삭감에도 큰 효과가 있다.

따라서 본 발명에서는 중량비로 미분탄 50-95%와 바이오가스를 5-50%로 동시에 투입하는 방식을 택한다. 더욱 효과적인 중량비는 석유코크스 70-85%와 바이오가스 15-30%가 가장 바람직하다.

바이오가스가 많다면, 전용 보일러를 설치할 수도 있겠으나, 폐기물 처리공정에서 발생되는 관계로 바이오가스 생산량의 제약이 있으며, 너무 소량투입하면 석유코크스의 연소 개선에 효과가 없기 때문이다.

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 개선할 수 있었다.

본 발명에서 장착된 음파를 이용한 청소장치의 사용 주파수는 60-120Hz 사이이며, 보일러의 용량, 연료의 종류, 온도조건 등에 따라 주파수대 영역은 달리 조정할 수 있다.

이상에서 본 발명의 구체적인 모든 시스템의 구성, 그 작동의 방식 및 본 발명의 시스템을 이용하여 석유코크스를 연료로서 연소시키는 방법을 설명하였다.

하기에는 본 발명의 출원인이 이 발명을 창안하면서, 확인한 다양한 정보와 본 발명의 시스템을 활용하여 많은 실험을 한 그 실시예 및 실험에 따른 결과치를 서술한다.

석유코크스는 통상적으로 200메쉬(mesh) 이하의 미분탄이 사용되며, 표면 연소가 이루어지는데 이때 연소로 온도가 낮으면 연소가 진행되지 않으며, 너무 높으면 질소산화물(NOx) 발생량이 급격히 증가하며, 연소로 내화물의 열적파손이 발생할 수 있으므로 연소온도 제어 기술이 필요하다.

이와 같은 연소로의 온도제약은 고체연료의 연소효율을 제한하는 요인으로 단가가 저렴한 석유코크스의 단독연소의 한계이기도 하다. 또한 바이오가스의 경우, 연소로 온도가 낮으면 소화현상이 발생하게 되어 바이오가스 단독 연소는 불가하며, 폐기물 처리과정에서 발생하는 것으로 생산량이 제한적이다.

따라서 고체연료의 연소효율 증대와 온실가스 삭감 차원에서, 석유코크스와 바이오가스의 혼소는 매우 상호 보완적이라 할 수 있다.

이때 바이오가스 투입비율은, 많을수록 좋겠으나 상기에서 언급한 바와 같이 생산량의 제한과 100% 전소 시는 노내 온도가 하강하여 더 이상 연소가 진행하지 않고 소화현상이 발생하게 되므로, 적게는 5% 많게는 50중량 퍼센트 이하, 바람직스럽게는 15퍼센트 이상 많게는 30중량 퍼센트 이하의 혼합비가 바람직하다.

너무 소량으로 투입하게 되면 연소성 개선이 미흡하고 온실가스 배출량 삭감이 미미하다. 또한 상기에서와 같이, 바이오가스 생산량은 매우 제한적이기 때문에 투입할 수 있는 양이 적을 뿐만 아니라 단가가 저렴한 고체연료의 사용이라는 본래의 취지에 맞지 않기 때문이다.

또한 노내 온도가 1,000℃ 바람직스럽게는 1,100℃이하로 내려가게 되면 미연분이 다량 발생하게 되어, 석유코크스 연소는 연소성 유지와 축열로 보호 및 질소산화물 발생의 공약수 범위 내의 온도에서 연소를 실시해야 하는데, 석유코크스의 바람직스러운 연소온도는 1,100℃에서 1,400℃정도 로 알려지고 있다.

그런데, 이러한 적정 연소범위에서 연소를 할 경우에도 고체 연료인 석유 코크스의 경우, 연소되지 못한 미연분이 다량 발생하게 된다. 등록특허 10-0762077(고형 연료용 보일러의 연소장치)에 따르면, 연소로에서 연소된 소각재를 Ash Box에 담아 폐기처리 하기 전에, 재처리 장치에 공기를 불어 넣어 재 연소하는 것으로 되어 있다.

이 시스템은 착화온도가 낮은 고형화 연료 RPF(Refuse Plastic Fuel)나 RDF(Refuse Derived Fuel)에 적용하는 것으로서, 석유코크스는 상기에서 언급한 바와 같이 최소한의 온도가 유지되지 않으면 연소하지 않으며 일반적으로 사용되는 고형연료 대비 많은 채류시간을 요하는 바, 재처리 장치로는 재연소가 어렵고, 완전연소는 불가하다.

왜냐하면, 재처리 장치를 통과한다 할지라도 완전연소에 있어서 삼티(3T) Temperature(연소 반응을 위한 최소온도), Time(연소 반응을 완결하기 위한 최소한의 반응시간),Turbulance(가연분과 산소의 충분한 혼합)를 유지할 수 없기 때문이다.

한편, 석유코크스의 경우, 완전연소 최적화 조건(1,100～1,400℃, 체류시간 3～5sec, 선회식 버너 사용)에서 연소를 실시해도 미연분 발생은 불가피하며, 연소조건에 따라 최대 5%에 이르고 있다(발생량의 확인은 당공장의 리싸이클라인에서 측정). 석유코크스는 착화온도가 높기 때문에, 인화성이 없어 보관이나 수송시 화재나 폭발로부터 안전하다는 큰 장점이 있지만, 이와 같이 최적 연소조건에서도 많은 미연분이 발생하는 점이 단점이라 할 수 있겠다.

따라서 본 발명은 이러한 연소효율 저하의 문제를 극복하기 위해, 최근 국제적으로 커다란 논점이 되고 있는 “온실가스 저감”과 저렴한 폐기물 연료 사용이라는 관점에서 바이오가스를 투입하여 연소효율 개선 연구를 거듭하였으며, 이를 실시하여 바이오가스 투입량 5퍼센트 바람직스럽게는 15퍼센트 이상 사용시 연소특성이 확연하게 개선됨을 육안으로 확인했다.

그러나 바이오가스 생산량이 상대적으로 많지 않은 환경에서 바이오가스 투입량을 많이 늘려 혼소할 경우, 연소효율 특성의 개선은 가능하지만, 경제적으로 메리트가 많은 석유코크스 자원의 유효활용이라는 관점에서, 바이오가스 투입량의 증대는 바람직하지 않으므로, 연소로에서 1차 연소된 석유코크스의 미연분을 다시 연소로로 회송하여 반복적으로 연소로에서 연소시키는 “미연분 리싸이클 시스템”을 구축함으로서 연소특성의 개선과 연소효율을 동시에 개선하였다.

본 발명을 구체적으로 다시 설명하면, 석유코크스를 연료로 하는 보일러의 경우, 석유코크스가 갖는 연소성의 한계로 일반 보일러보다는 연소로에서의 연소온도가 높고, 체류시간을 더 길게 하는 것이 하는 것이 바람직하다. 즉 석유코크스의 화염의 길이는 중유>경유>기체 연료보다도 훨씬 길다.

따라서 고체연료와 기체연료를 혼합 연소할 경우에는 이러한 화염의 길이 등의 관점에서 유의할 필요가 있으며, 선회식 버너가 바람직하며, 선회공기의 풍속은 25～35(m/s) 가 적합하다.

이때, 석유코크스와 바이오가스 각각의 전용버너를 설치할 수도 있으며, 일체로 할 수도 있지만, 모두 선회식 버너를 채택함을 특징으로 한다.

선회각도에 따라 연소온도와 연소성이 달라지는데, 선회를 많이 주면 불이 밝아지며, 화염이 도는 것을 느낄 수 있다. 그러나 선회가 과다하면 연소성은 개선되나, 버너 전단의 연소온도가 상승하여 질소산화물(NOx) 발생량이 증가할 수 있으므로 적정 범위 내에서 조절할 필요가 있다.

석유코크스와 바이오가스의 투입비율은 석유코크스 50～95 중량퍼센트이며, 바이오가스는 5～50 중량퍼센트이다. 바람직하게는 석유 코크스가 70～85 중량퍼센트이고, 바이오가스 15～30 중량 퍼센트이다. 이때, 바이오가스 투입량이 적으면 연소성 개선이 미미하며, 또한 온실가스 배출량 삭감 효과가 적다.

한편, 바이오가스 투입량이 과다할 경우에는 온실가스 배출량 삭감에는 기여가 크지만, 단가가 저렴한 폐기물 연료 사용의 취지에 맞지 않으며 또한 원천적으로 바이오가스 생산량이 적어 다량 투입에는 한계가 있으며, 또한 석유코크스 전용의 연소로에서 바이오가스 만을 전량 연소할 경우에는 바이오가스 중의 이산화탄소 함량이 높아 (통상 30% 정도), 연소로 온도가 일정온도 이하에서는 소화현상이 발생하게 된다.

따라서 석유코크스 보일러에서 연소특성을 개선하고 동시에 지구환경 문제와 관련하여 탄소배출량을 삭감하기 위해, 선회식 버너를 채택하여 선회공기 풍속 25～35(m/s)에서, 바이오가스를 15～30중량퍼센트를 투입하여, 혼소 함으로서 온실가스 사용량 저감과 연소특성 개선을 도모하며, 여기에서도 발생하는 미연분은 종전의 증기를 이용한 간헐적 Soot Blow 방식을 단시간, 반복적으로 소제 가능한 Sonic Cleaning System을 도입하여 다시 연소로로 회송하여 반복적으로 연소시키는 리사이클 시스템을 구축함으로서, 석유코크스 보일러 열효율 92퍼센트를 달성할 수 있는 발명을 완성하였다.

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

< 실시예 1>

석유코크스 미분탄 공급부(1)를 통해, 석유코크스를 투입하고, 바이오가스를 공급하는 공급부(16)를 통해 바이오가스를 시간당 400(Nm³/h)를 투입하고, 연소용 공기 투입구가 장착된 혼소버너, 바이오가스 버너 연소에 필요한 연소용 공기를 공급하는 공급부(4)를 통해 배출가스의 공기비가 평균 1.2가 되도록 연소용 공기를 투입하고, 연소로 온도 1,300(℃)에서 연소하여 평균 증기 생산량이 시간당 30톤이 되도록 하면서, 연료사용량과 보일러의 열효율과 화염의 상태를 관찰하였다. 이때 평균 연료사용량은 1,890(kg/h)이었으며, 보일러의 소제는 음파를 이용한 소제방식으로 매 10분마다 실시하였다.

< 실시예 2>

석유코크스 미분탄 공급부(1)를 통해, 석유코크스를 투입하고, 바이오가스를 공급하는 공급부(16)를 통해 바이오가스를 시간당 600(Nm³/h)를 투입하고, 연소용 공기 투입구가 장착된 혼소버너, 바이오가스 버너 연소에 필요한 연소용 공기를 공급하는 공급부(4)를 통해 배출가스의 공기비가 평균 1.2가 되도록 연소용 공기를 투입하고, 연소로 온도 1,300(℃)에서 연소하여 평균 증기 생산량이 시간당 30톤이 되도록 하면서, 연료사용량과 보일러의 열효율과 화염의 상태를 관찰하였다. 이때 평균 연료 사용량은 시간당 1,720 (kg/h)이었으며, 보일러의 소제는 음파를 이용한 소제방식으로 매 10분마다 실시하였다.

< 실시예 3>

실시예 2의 조건으로, 리싸이클 시스템을 가동하면서 증기 생산량이 얼마나 늘어나는지를 테스트하였다. 이때 시간당 평균 증기 생산량은 30,365 (kg/h)이었다.

< 실시예 4>

석유코크스 미분탄 공급부(1)를 통해, 석유코크스를 투입하면서 연소용 공기 투입구가 장착된 혼소버너 연소에 필요한 연소용 공기를 공급하는 공급부(4)를 통해 배출가스의 공기비가 평균 1.2가 되도록 연소용 공기를 투입하고, 연소로 온도 1,300(℃)에서 연소하여 증기를 시간당 30톤을 생산하고, 리싸이클 시스템을 가동하면서 보일러의 열효율과 화염의 상태를 관찰하였다. 이때, 시간당 연료 사용량은 2,190(kg/h) 이었으며, 보일러의 소제는 음파를 이용한 소제방식으로 매 10분마다 실시하였다.

< 비교예 1>

<실시예 4>의 조건으로, 리싸이클 시스템을 중단하고 증기 생산량 변화를 테스트 하였다. 이때 시간당 평균 증기 생산량은 28,900(kg/h) 이었다.

< 비교예 2>

<실시예 2>로 증기를 생산하면서, 석유코크스 연료 투입을 중단하였다.

연소로의 온도가 내려가면서 연소로의 온도가 500℃ 부근에서 자동으로 연소가 정지(소화)하였다.

< 비교예 3>

<실시예 3>의 조건에서, 음파를 이용한 소제방식을 증기를 이용하는 소제방식으로 전환하여 운전을 실시하였으며, 시스템 소제는 매 24시간 마다 실시하였으며, 소제 후 결과는 다음과 같다.

<테스트 결과>

참조 : 1) 리싸이클 이송압력은, 미연분을 회수하여 연소로로 이송하기 위한 블로워 토출압력을 말하며, 단위는 mmAq임.

2) 증기를 이용하는 소제 시스템의 경우, 소제 후 급격한 압력변동과 함께 이송라인이 막히거나, 선별장치의 용량을 초과하여 넘치는 현상이 발생하고 연소로에서는 갑작스럽게 연료과잉 상태가 되어 불완전연소가 실시됨.

본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하며 구체적으로 설명하였지만, 본 발명의 기술적 사상 범위 내에서 구성요소의 추가 삭제 변경이 가능할 것이다. 이러한 변형된 발명도 본 발명의 권리범위에 속함은 자명하다는 것을 밝혀둔다.

10; 연소공기 공급부 11; 석유코크스 미분탄 공급부
12; 바이오가스 공급부 13; 공급관
14; 투입관 15; 버너
16; 연소로 17; 보일러
18; 연소배출관 19; 싸이클론
20; 리싸이클관 21; 주리싸이클관
22; 탈질설비 23; 탈진설비
24; 절탄기 25; 아이디팬
26; 탈황설비

Claims (6)

1. 석유코크스 연소 시스템에 있어서,
   연소공기공급부(10)를 통해서 고압의 연소공기와 석유 코크스 미분탄을 버너(15)에 공급하고, 별도의 투입관(14)을 통해서 연소로(16) 내부에도 연소공기를 공급하는 선회식 버너(15)를 사용하고, 버너(15)의 내측으로 석유코크스 미분탄을 공급하는 미분탄공급부(11)와, 바이오 가스를 공급하는 바이오가스공급부(12)를 가진 버너(15)와;
   수트 블로우(Soot Blow)를 통해, 미연분을 계에서 주기적으로 제거하여, 연소로로 회기 되도록 하는 클리닝 장치(Cleaning System, 미도시)와;
   버너(15)의 화염이 분출되는 연소로(16)의 끝단에 형성되어 증기를 생산하는 보일러(17)와;
   별도의 분기된 공급관(13)을 형성하여 바이오가스 공급부(12)에 연통시켜 바이오가스와 함께 연소공기도 공급시킬 수 있도록 한 연소공기공급부(10)와;
   연소된 연소가스를 처리하는 후처리시설; 및
   보일러(17)의 가동 후 발생된 미연소된 미연분의 이동통로인 주리싸이클관(21)과 연소로(16)까지 연통된 미연소된 미연분의 배가스를 회기시키는 리싸이클관(20)으로 구성하되,
   상기 수트 블로우(Soot Blow)는 간헐적 방식이 아닌 5-30분마다 연속적으로 실시하는 음파를 이용한 청소장치를 채택하고, 온실가스 저감 및 페트로 코크스의 연소성 개선을 위해 부연료로 바이오가스를 혼소 또는 주연료, 부연료로 각각 연소시키는 것을 특징으로 한 석유코크스 연소 시스템.
   
2. 제 1항에 있어서,
   후처리시설은, 배출되는 연소가스의 통로가 되는 연소배출관(18)의 끝단에 설치되어 플라이애쉬를 제거하기 위한 싸이클론(19)과;
   싸이클론(19)의 배출관과 연통되어 분진을 걸러주는 탈진설비(23)와;
   탈진설비(23)에 연통되어 질소산화물을 분해하는 탈질설비(22)와;
   탈질설비(22)와 연통된 아이디팬(25)을 통해 배가스를 공급받고, 배가스의 황산화물을 제거하는 탈황설비(26);를 구비하고,
   연소배출관(18)과 탈질설비(22)에는, 배가스를 통해서 폐열을 회수하기 위한 공기예열기 또는 절탄기(24)를 설치하는 것을 특징으로 하는 석유코크스 연소 시스템.
   
3. 제 1항에 있어서,
   미연소된 미연분의 배가스를 회기시키는 리싸이클관(20)은, 탈진설비를 거친 후의 배가스를 회기시키도록 하여 2차적인 리싸이클관(20)을 형성하는 것을 특징으로 하는 석유코크스 연소 시스템.
   
4. 제 1항에 있어서,
   음파를 이용한 청소장치의 사용 주파수는 60-120Hz 사이인 것을 특징으로 하는 석유코크스 연소 시스템.
   
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6. 삭제

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