KR101178894B1 - 고수분탄 처리용 유동층 반응기를 구비한 유동층 보일러와 고수분탄의 처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유동화 현상을 이용하여 다량의 수분을 함유한 고수분탄의 분쇄와 건조 및 입도 선별을 수행하는 고수분탄 처리용 유동층 반응기를 구비한 유동층 보일러와 이에 사용될 고수분탄의 처리방법에 관한 것으로, 특히 이 유동층 반응기는 유동층 보일러를 사용하는 발전소 등에 적용할 수 있다.

본 발명에 따른 유동층 보일러에서 고수분탄의 분쇄와 건조 및 입도 선별을 수행하는 유동층 반응기는 큰(굵은) 입도로 인해 유동화되지 않아 건조가 불가능했던 고수분탄을 유동기체의 제트를 통해 입자를 잘게 분쇄하고, 이를 건조영역으로 이송하여 건조시킨 후, 유동조건의 변화를 통해 굵은 입자와 가는 입자를 선별하도록 한다. 이렇게 선별된 가는 입자는 별도의 스크린과 크러셔(crusher)를 거치지 않고서 직접 보일러의 상탄 호퍼로 이송되도록 설계되어져 있다. 즉, 본 발명은 스크린과 크러셔를 통한 추가적인 분쇄공정을 없애거나 처리용량을 줄여 공정의 단순화 및 에너지 소비를 현저하게 줄일 수 있다.

Description

고수분탄 처리용 유동층 반응기를 구비한 유동층 보일러와 고수분탄의 처리방법 {Fluidized bed boiler with fluidized reactor and method of processing coal in fluidized reactor}

본 발명은 고수분탄 처리용 유동층 반응기를 구비한 유동층 보일러와 고수분탄의 처리방법에 관한 것으로, 특히 유동화 현상을 이용하여 고수분탄의 분쇄와 건조 및 입도 선별을 수행하는 유동층 반응기를 구비한 유동층 보일러와 이에 사용되는 고수분탄의 처리방법에 관한 것이다.

일반적으로, 유동층 반응기는 유동층 보일러를 사용하는 발전소 등에 적용된다. 특정한 건조기를 이용하여 고수분탄을 처리하는 공정이 도 3에 도시되어 있다.

고수분탄의 건조단계(1000)는 고수분탄을 저장조에서 특정 건조기로 이송하고서, 이 고수분탄을 충분히 건조한다.

이렇게 건조된 건조탄은 유동층 보일러로 공급되기 전에, 입자크기별로 선별한다. 선별단계(2000)는 통상적으로 유동화를 위한 적당한 크기로 구분하여 유동화가능한 입자(＜6mm)는 별도의 공정을 거치지 않고 직접 호퍼로 상탄이송되는(3000) 반면에, 유동화될 수 없는 입자(＞6mm)는 별도의 분쇄공정(4000)를 통해 적당한 입자 크기로 분쇄한다. 분쇄공정(4000)은 스크린 및/또는 크러셔를 매개로 유동화될 수 있는 입자 크기까지 분쇄하여 다시 이송단계(3000)로 보내진다.

이러한 종래의 공정은 고수분탄 저장조에서 고수분탄의 직접적인 상탄 및 연소를 위해 스크린 등으로 바로 이송되는 경우에는, 수분으로 인하여 스크린의 작동불능을 야기하므로 고수분탄을 충분히 건조시켜야 한다. 이러한 건조단계(1000)를 포함하는 유동화 공정에서는 건조기 내에서의 적절한 유동을 위해 고수분탄의 입도가 미리 일정한 입자크기로 분쇄 혹은 선별되어야 하는 단점을 갖는다.

덧붙여서 고수분탄을 사전에 분쇄 및 입도 선별하게 되면, 고수분탄이 다량의 수분을 함유하고 있어 분쇄 및 입도 선별을 위한 각 공정들의 구현이 용이하지 않고 동력 소모도 많아 유동층 보일러의 전반적인 공정에 에너지 소비를 증가시키는 요인으로 작용하는 문제점으로 노출된다.

이에 본 발명은 고수분탄의 분쇄 및 입도 선별과 같은 공정을 효과적으로 해결하기 위해서 창출된 것으로, 고수분탄의 분쇄, 건조 및, 입도 선별이 가능한 유동층 반응기를 갖춘 유동층 보일러를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유동층 반응기는, 건조 후 선별된 입도가 작은 석탄(＜6mm)은 바로 상탄 호퍼로 이송되어 유동층 보일러로 투입하는 반면에, 입도가 큰 석탄(＞6mm)은 종래에 사용된 스크린 및/또는 크러셔보다 처리용량이 작은 소형의 스크린 및/또는 크러셔를 통해 유동화 가능한 크기까지 분쇄시켜 상탄될 수 있도록 구성된다.
본 발명에 따른 유동층 반응기는 동력 소모 및 장치 규격의 축소 효과를 가져온다.

이와 더불어서, 굵은 입자는 스크린 및 크러셔의 분쇄공정을 거치지 않고 유동층 반응기로 재순환되어 분쇄와 건조 및 입도 선별의 공정을 다시 거치게 하여 공정의 단순화 및 집약화를 도모할 수 있다.

또한, 본 발명은 유동층 반응기를 구비한 유동층 반응기에 사용될 고수분탄의 처리방법을 포함한다.

본 발명에 따른 유동층 보일러에서 고수분탄 처리용 유동층 반응기는, 우선적으로 유동층 건조를 위한 사전(事前) 분쇄공정 및 사후(事後) 입도 선별 영역을 본 발명에 따른 유동층 반응기에 통합시켜 공정을 단순화시키고 에너지 소비를 절감시키도록 제공된다.

또한, 유동화가 불가한 굵은 입도의 고수분탄 분쇄영역을 구비하여 별도의 유동층 영역을 위한 층물질의 주입이나 사용 입도의 제한을 없애어 건조 조건의 범주탄 영역을 확대하였다.

입도 선별공정을 거친 건조된 석탄은 직접 보일러 호퍼로 상탄될 수 있어 유동층 보일러에 필요한 스크린 및 크러셔를 구비하지 않아도 될 뿐만 아니라, 기존에 설치된 유동층 보일러에 본 발명에 따른 기술을 적용하게 되면 스크린과 크러셔의 운전 부하를 낮추면서 고수분탄의 스크린 막힘 현상을 현저하게 줄여 보일러 호퍼로의 상탄량을 증가시킬 수 있다.

본 발명의 유동층 반응기를 통해 연료비가 저렴함 고수분탄의 활용을 통해 경제서 제고와 다양한 연료의 사용 가능성의 수급원 확대를 기대할 수 있어 에너지 경제 및 에너지 안보 향상을 기대할 수 있다.

이제, 본 발명의 유동층 반응기는 유동층 보일러와의 공정 구성이 가능하며 비교적 굵은 입도의 전처리 선별이 필요로 하지 않고, 건조 후 자동적으로 선별과정을 거쳐 직접 상탄이 가능한 유동층 통합 반응기를 개발하였다. 이러한 유동화 반응기는 첨부도면을 참조로 하여 더욱 구체적으로 설명될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 유동층 반응기의 개략적인 단면도이다.

본 발명에 따른 유동층 반응기(1)는 그 내부에 분쇄영역(2)과 건조영역(3) 및 선별영역(4)으로 구획되어 있다. 즉, 수분이 다량으로 함유된 석탄, 고수분탄은 유동층 보일러에서 직접 연소할 수 없기 때문에, 건조가 필요한 굵은 입도의 석탄을 분쇄영역(2)에서 유동기체의 제트 분사로 분쇄하고, 건조영역(3)에서 유동 건조하며, 유동 건조된 건조탄은 선별영역(4)에서 유동화 속도의 조절을 통해 입도 선별될 수 있도록 되어 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 유동층 반응기(1)는 전술되었듯이 격벽(8)을 매개로 하여 그 내부를 분쇄영역(2)과 건조영역(3) 및 선별영역(4)으로 구획된다. 또한, 유동층 반응기(1)는 일 단부에 투입구(5)가 구비되어, 저장소에서 수용되어 있던 고수분탄을 유동층 반응기(1) 내부로 공급받을 수 있는 한편, 반대쪽 단부에는 배출구(6)가 구비되어, 선별영역(4)에서 입도 선별된 건조탄을 크기별로 후처리 단계로 배출한다.

각 영역(2,3,4)은 그 하부에 헤더부(21,31,41)를 구비한다. 각 헤더부(21,31,41)는 각 영역(2,3,4)에 적합한 유속의 유동 기체를 노즐(22,32,42)을 매개로 하여 각 영역(2,3,4)으로 공급한다.

유동 기체는 각 영역에 접합한 유속을 갖는 고온, 고압의 공기 혹은 수증기로 구성되어 있다. 바람직하기로, 유동 기체는 200~300℃의 고온 상태이다.

각 노즐(22,32,42)을 수단으로 하여 각 영역(2,3,4)에 주입된 유동 기체는 각 영역 상부에 구비된 배가스 배출구(7)로 건조된 수증기와 함께 배출된다. 선택가능하기로, 배가스 배출구(7)로 배출될 고온 가스는 별도의 설비를 통해 열회수될 수 있다.

우선적으로, 투입구(5)로 공급될 고수분탄은 분쇄영역(2)으로 유입된다. 이 고수분탄은, 분쇄영역(2) 하부에 설치된 하나 이상의 노즐(22)로 주입된 유동 기체에 의하여 입자간 상호 마찰작용이 유발되어 작은 입자크기로 분쇄된다.

바람직하게, 분쇄영역(2)의 노즐(22)은 비교적 노즐 간의 배열 간격을 크게 구성하고, 노즐의 갯수를 줄인 스파우트 베드(spout bed)형식을 갖는다. 또한, 노즐에 배출될 유동 기체의 제트가 입자의 분쇄작용을 돕는다.

노즐(22)에서의 분사될 제트 길이는 적절히 조절되어 입자의 분쇄가 이루어지도록 하는바, 이 유동 제트의 길이는 당해 분야의 숙련자들에게 알려져 있듯이 미국의 Merry, J. M. D 교수가 제안한 다음의 식으로 산출될 수 있다.

여기서, I_j는 제트의 길이, U_o는 노즐 구멍(hole)에서의 유속, d_o는 구멍 크기, d_p는 입자의 크기, ρ_g는 유동 기체의 밀도, ρ_p는 입자의 밀도를 나타낸다.

상기 수학식 1을 통해, 헤더부(21)의 유량과 노즐(22) 구멍 크기를 조절하여서 노즐의 유동 제트의 길이를 제어할 수 있다.

이렇게 수학식 1의 유동 제트로 분쇄된 고수분탄은 격벽(8)을 오버플로우(overflow)하여 건조영역(3)으로 이송된다.

이 건조영역(3)은 분쇄영역(2)에 비해 입자의 고른 유동화가 이루어질 수 있게 하는바, 건조를 하기 위해서 고온(200~300℃) 및 고압의 공기 혹은 수증기를 3~15 U_mf로 주입시켜 유동화 조건을 구현한다.

여기서, 최소 유동화속도를 나타내는 U_mf는 아래의 수학식 2로 정의된다. 여기서, μ는 기체 점도이다.

최소 유동화속도(U_mf)에 따른 입자 혼합 및 유동상태는 아래의 표에 기재되어 있다.

구분	특징
1 Umf 이하	입자의 움직임이 없음(비유동 고정층 상태).
1 ~ 3 Umf	기포가 간헐적으로 발생하는 유동화 영역이긴 하지만, 층물질의 입도 차이가 어느 정도 존재하는 유동층에 있어서는 고체입자의 혼합(mixing)이 원활하지 못해 큰 입자와 작은 입사 자이에 분리(segregation, 편석)가 생기는 유동화 영역. 비교적 크고 무거운 입자는 유동층 하단부에, 작고 가벼운 입자는 상단부에 쌓이게 되는 현상이 일어나며 심화된 경우 하단부 유동상태가 원활하게 진행되지 못하는 경우가 발생(2~3Umf 유지가 바람직하다).
3 Umf 이상	입자의 움직임이 충분하여 비교적 혼합이 잘 이루어짐. 입자의 종말속도 이상으로 넘어가면 기포 동층에서 난류 및 고속 유동층으로의 흐름전이가 나타남.

노즐(32)에서 분사되는 유동 기체는, 위의 수학식 2로 산출된 최소 유동화속도(U_mf)로 건조영역(3)에서 제어되어 유출된다. 한편, 고수분탄의 건조를 위해서 건조영역(3) 내에 열교환기(33)를 구비한다. 이 열교환기(33)는 수분 건조에 필요한 열량을 공급할 뿐만 아니라 수분의 건조를 더욱 활발하게 한다. 건조 공정중에 석탄에서 발생되는 수증기는 앞서 기술되었듯이 후처리를 통해 응축열을 회수하여 응축수로 처리하며, 이때 회복된 에너지는 건조 공정의 열로 재활용될 수도 있다.

충분히 고수분탄을 건조된 건조탄은 격벽(8)을 오버플로우하여 다음 단계인 선별영역(4)으로 유입된다.

선별영역(4)은 위에 표에 기술되었듯이 노즐(41)을 통해 2~3 U_mf 사이로 분사될 공기 혹은 수증기로 이루어진 유동 기체를 매개로 하여 입자 크기에 따라 입도 선별로서 분리된다.

이렇게 분리된 건조탄은 배출구(6)의 하부를 통해서는 굵은 입자가 배출되고, 비교적 가는 입자의 건조탄은 배출구(6) 상부를 통해 배출된다.

가는 입자의 경우, 배출구(6)의 상부로 배출되어 보일러 호퍼로 직접 상탄된다.

하지만 굵은 입자의 경우, 배출구(6)의 하부로 배출되어 이에 연결설치된 소형 스크린(도시 안 됨) 및/또는 소형 크러셔(도시 안 됨)로 분쇄 및 입도선별 처리된 다음에 보일러 호퍼로 상탄되거나, 또는 본 발명의 유동층 반응기(1)의 투입구(5)로 재투입시켜 분쇄와 건조 및 입도 선별 공정으로 다시 재처리하여 유동층 보일러의 연료로 사용될 수 있을 정도의 입도로 양산될 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 유동층 반응기를 적용한 유동층 보일러에서 고수분탄의 처리공정을 도시한 플로우차트이다.

본 발명에 따른 유동층 보일러는 다음과 같은 단계를 포함하여, 유동층 보일러에서 사용될 입자크기가 작은 석탄을 지속적으로 공급받게 된다.

우선적으로, 고수분탄 저장조에 수용되어 있던 고수분탄은 본 발명의 유동층 반응기(1)로 제공된다(단계 100). 그런 다음에, 유동층 반응기(1)에서는 도 1에 참조로 기술되었듯이 고수분탄을 분쇄와 건조 및 입도 선별처리하고, 입자의 크기에 따라 후처리공정을 달리한다(단계 200)). 다시 말하면, 건조탄의 입자크기가 6mm 이하일 경우는 보일러 호퍼로 직접 상탄(단계 300)되어 유동층 보일러로 공급된다.

하지만, 건조탄의 입자크기가 6mm 이상일 경우는 다시 재분쇄하기 위해서 조건에 따라 다시 유동층 반응기로 재순환(단계 400)시키거나, 또는 배출구(6)에 연결설치된 소형의 크러셔(도시 안 됨)로 재분쇄시킨 후에 보일러 호퍼로 상탄(단계 500)시킨다.

단계 500은 기 구축되어 있던 유동층 보일러에 본 발명에 따른 유동층 반응기(도 1 참조)를 적용시킬 경우에 포함되되, 이는 이미 설치된 유동층 보일러 시스 템에 간단히 유동층 반응기만을 추가로 장착시켜 구현될 수 있다.

또한, 본 발명은 전술된 상세한 설명과 첨부도면에 국한되지 않고 다음의 청구범위의 범주와 범위 내에서 변경가능함을 미리 밝혀둔다.

도 1은 본 발명에 따른 유동층 보일러에 구비될 유동층 반응기의 개략적인 단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 유동층 보일러에서 고수분탄의 처리공정을 보여주는 플로우차트이다.

도 3은 종래기술에 따른 유동층 보일러에서 고수분탄의 처리공정을 보여주는 플로우차트이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1 ----- 유동층 반응기,

5 ----- 투입구,

6 ----- 배출구,

7 ----- 배가스 배출구,

8 ----- 격벽,

21,31,41 ----- 헤드부,

22,32,42 ----- 노즐

33 ----- 열교환기.

Claims (6)

1. 고수분탄을 저장하는 고수분탄 저장조와, 이 고수분탄 저장조로부터 이송되는 석탄을 분쇄하도록된 분쇄용 크러셔, 크러셔에 의하여 분쇄된 석탄을 입자크기별로 분리하는 스크린 및, 스크린에 의하여 일정크기로 분리된 석탄을 저장하여 보일러로 공급하는 보일러 호퍼로 이루어진 유동층 보일러에 있어서,

   상기 고수분탄 저장조와 분쇄용 크러셔 사이에 고수분탄의 전처리를 위해 유동화 현상을 이용한 유동층 반응기(1)를 구비하되,

   상기 유동층 반응기(1)는 그 내부가 격벽(8)을 매개하여 분쇄영역(2)과 건조영역(3) 및 선별영역(4)으로 구획되고,

   상기 유동층 반응기(1)는 상기 분쇄영역(2)으로 고수분탄을 공급하는 투입구(5)와 선별영역(4)에서 입자크기에 따라 건조탄을 배출하는 배출구(6) 및 기체를 배출하는 배가스 배출구(7)를 구비하며,

   상기 각 영역(2,3,4)의 하부에는 고온, 고압의 유동 기체를 분사하는 노즐(22,32,42)이 각각 구비되고,

   상기 건조영역(3)에는 고수분탄의 수분 건조를 촉진하도록 유동기체가 공급되는 열교환기(33)가 구비된 것을 특징으로 하는 고수분탄 처리용 유동층 반응기를 구비한 유동층 보일러.
2. 제1항에 있어서, 상기 분쇄영역(2)의 노즐(22)은 제트상태로 유동기체를 분사하고, 상기 건조영역(3)의 노즐(32)은 최소유동화 속도(U_mf)가 3~15 U_mf로 유동기체를 분사하며, 상기 선별영역(4)의 노즐(42)은 2~3 U_mf로 유동기체를 분사하는 것을 특징으로 하는 고수분탄 처리용 유동층 반응기를 구비한 유동층 보일러.
3. 제1항에 있어서, 상기 배출구(6)로 배출된 건조탄은, 입자크기가 6mm 이하이면 보일러 호퍼로 직접 상탄되고, 입자크기가 6mm 이상이면 상기 배출구(6)에 연결 설치된 소형의 분쇄장치에 의하여 재분쇄되어 보일러 호퍼로 상탄되는 것을 특징으로 하는 고수분탄 처리용 유동층 반응기를 구비한 유동층 보일러.
4. 고수분탄 저장조에 수용되어 있던 고수분탄을 유동층 반응기(1)로 공급하는 단계(100)와;

   상기 유동층 반응기(1)로 투입된 고수분탄에 유동 기체의 제트를 주입하여 고수분탄 입자간 상호 마찰작용을 유발하여 작은 입자크기로 분쇄하고, 이렇게 분쇄된 고수분탄에 고온(200~300℃)의 유동 기체를 주입하여 건조하며, 또 건조된 고수분탄에 유동 기체를 주입하여 입자 크기에 따라 건조탄을 입도 선별하는 단계(200); 및

   상기 단계(200)에서 배출된 건조탄을 보일러 호퍼로 직접 상탄하는 단계(300);를 포함하는 유동층 반응기를 구비한 유동층 보일러에서의 고수분탄의 처리방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 단계(200)에서 입도선별된 건조탄의 입자크기가 6mm이상인 경우, 이를 상기 유동층 반응기(1)로 재순환시켜 고수분탄을 처리하는 단계(400)를 추가로 포함하는 유동층 반응기를 구비한 유동층 보일러에서의 고수분탄의 처리방법.
6. 제4항에 있어서, 상기 단계(200)에서 입도선별된 건조탄의 입자크기가 6mm이상인 경우, 이를 소형의 크러셔로 재분쇄하는 단계(500)를 추가로 포함하는 유동층 반응기를 구비한 유동층 보일러에서의 고수분탄의 처리방법.

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