KR101428452B1

KR101428452B1 - 순환유동층연소로를 이용한 폐자원 연소방법

Info

Publication number: KR101428452B1
Application number: KR20140046528A
Authority: KR
Inventors: 성현제; 김종일; 조윤탁
Original assignee: 한솔이엠이(주)
Priority date: 2014-04-18
Filing date: 2014-04-18
Publication date: 2014-08-08

Abstract

본 발명은 저급연료인 슬러지 및 바이오매스를 연소시켜 공해물질을 저감시키고, 발생한 배출가스를 재순환하여 순산소와 혼합하여 유동기체로 공급함으로써 연소로의 유동성을 향상시키는 순환유동층연소로를 이용한 폐자원 연소방법에 관한 것으로서, 슬러지 및 바이오매스로 이루어지는 연료를 일정 크기 이하로 분쇄부를 통해 분쇄하여 연료저장부에 저장하고, 상기 연료저장부에서 일정량을 연소부로 주입하고, 공기주입부에서 주입되는 산소와 배출가스가 혼합된 혼합가스를 상기 연소부에 주입하여 상기 연료를 연소시키는 단계와, 상기 연소시키는 단계를 통해 상기 연소부 내에서 순환하는 유동매체를 분리기를 통해 분리한뒤 상기 연소부로 재순환시키고, 배출되는 배출가스 내의 비산재를 집진장치로 포집한 후, 통과한 배출가스의 열을 열회수부를 통해 회수하여 열매체를 가열함으로서 열에너지를 생산하는 단계와, 상기 열회수부를 통과한 배출가스 내의 잔여 비산재 및 미세먼지를 필터를 통해 분리하여 외부로 배출하고, 분리된 가스를 순환장치를 통해 상기 공기주입부로 순환시켜 상기 공기주입부에서 산소와 혼합시켜 상기 연소부로 재순환시키는 단계와, 상기 재순환시키는 단계를 통해 상기 연소부에서 상기 연료를 연소시킨 뒤 배출되는 배출가스에서 열을 회수하고, 유해가스 제거장치를 통해 배출가스 내에 포함된 유해가스를 분리 제거한 뒤, 상기 배출가스에 포함된 수분을 수분 제거장치로 제거하며, 상기 유해가스가 제거된 배출가스를 저장탱크에 저장하는 단계를 포함한다.

Description

순환유동층연소로를 이용한 폐자원 연소방법{Method for combusting waste resources using fluidized bed combustor}

본 발명은 순환유동층연소로를 이용한 폐자원 연소방법에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 저급연료인 슬러지 및 바이오매스를 순산소로 연소시켜 공해물질을 저감시키고, 발생한 배출가스를 재순환하여 순산소와 혼합하여 유동기체로 공급함으로써 연소로의 유동성을 향상시키며, 90% 이상의 고순도 이산화탄소를 생산하여 이산화탄소 저감기술에 활용할 수 있는 순환유동층연소로를 이용한 폐자원 연소방법에 관한 것이다.

종래에 하수 처리 후, 발생하는 슬러지는 매립 또는 해양 투기로 처리되어 왔으나, 환경 법규의 제정으로 인해 매립과 해양 투기가 금지되면서, 현재 해양 투기를 대체하는 슬러지 처리 방법으로서 소각 기술이 가장 흔하게 사용되고 있다. 소각 방식으로는 로터리 킬른 소각, 기포유동층 소각, 순환유동층 소각 방식 등이 있다.

순환 유동층 연소는 유동매체에 의한 직접 열전달로 열전달 효율이 매우 높고 연료의 선택범위가 넓으며, 비교적 낮은 온도(900 이하)로 운전되기 때문에 고온에 의한 질소산화물 생성을 원천적으로 저감할 수 있는 장점이 있다.

현재 전 세계적으로 고효율 에너지 생산을 위한 순환유동층 소각기술을 다양하게 적용하고 있는데, 기존에는 국내외적으로 석탄 등과 같은 화석 연료에 국한하여 사용하였지만, 점점 화석연료가 고갈됨에 따라 최근 들어서 기존에 단순 소각 대상이었던 폐자원을 고효율 에너지원으로 활용하기 위한 기술개발에 대한 관심이 높아지고 있다. 폐자원의 에너지화 가용 대상으로는 하폐수 슬러지 또는 바이오매스 등과 같은 저급 연료를 예로 들 수 있다.

그러나 아직까지는 이런 저급연료의 연소 방식으로 주로 기포유동층 연소 등에 한해 적용되고 있고, 순환유동층 연소는 실용화 사례가 없다. 그 이유는 저급연료 각각의 물리적 또는 화학적 특성이 다양하여 기존 공정에 적용하기 어렵고, 전처리시설 또는 공정의 추가 등으로 인한 투자비용 증가가 불가피하기 때문인 것으로 풀이된다. 특히 하수슬러지의 경우 30% 이상 함유된 회분은 후단 시설 내 스케일링을 발생시켜, 연소 배가스가 원활히 배출되거나 순환되지 못하도록 하여 장시간 운전이 불가능하게 한다.

한편 최근에는 기후 변화 등으로 인해 폐자원 처리 시 배출되는 온실 가스 및 질산화물 등과 같은 공해 물질의 저감이 요구되고 있다. 따라서 연료 소각 시 발생하는 이산화탄소의 저감 방안에 대한 기술 수요가 급증하고 있다. 소각로에서 배출되는 이산화탄소의 저감 방안으로는 연소 후 배가스 내의 이산화탄소를 고농도로 농축하여 캡처하는 방법이 있다.

통상적으로 소각로는 폐자원을 연소시키기 위한 산화제로써 공기를 과잉으로 공급하여 완전 연소가 되도록 운영한다. 그러나 연소반응에 관여하지 않는 79%의 질소와 연소 과정에서 다량으로 혼입되는 오염물질 등으로 인해, 배가스 내 이산화탄소의 순도가 낮아져 이를 분리하여 포집하기 위한 방해요소로 작용하게 되고, 오염물질 처리를 위한 대기오염 방지시설을 가중시킨다.

관련선행기술로는 한국등록특허공보 제0510877호와 한국공개특허공보 제2001-0105393호가 있다.

본 발명은 저급연료인 슬러지 및 바이오매스를 연소시켜 공해물질을 저감시키고, 발생한 배출가스를 재순환하여 순산소와 혼합하여 유동기체로 공급함으로써 연소로의 유동성을 향상시키는 순환유동층연소로를 이용한 폐자원 연소방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 순환유동층연소로를 이용한 폐자원 연소방법은, 슬러지 및 바이오매스로 이루어지는 연료를 일정 크기 이하로 분쇄부를 통해 분쇄하여 연료저장부에 저장하고, 상기 연료저장부에서 일정량을 연소부로 주입하고, 공기주입부에서 주입되는 산소와 배출가스가 혼합된 혼합가스를 상기 연소부에 주입하여 상기 연료를 연소시키는 단계와, 상기 연소시키는 단계를 통해 상기 연소부 내에서 순환하는 유동매체를 분리기를 통해 분리한뒤 상기 연소부로 재순환시키고, 배출되는 배출가스 내의 비산재를 집진장치로 포집한 후, 통과한 배출가스의 열을 열회수부를 통해 회수하여 열매체를 가열함으로서 열에너지를 생산하는 단계와, 상기 열회수부를 통과한 배출가스 내의 잔여 비산재 및 미세먼지를 필터를 통해 분리하여 외부로 배출하고, 분리된 가스를 순환장치를 통해 상기 공기주입부로 순환시켜 상기 공기주입부에서 산소와 혼합시켜 상기 연소부로 재순환시키는 단계와, 상기 재순환시키는 단계를 통해 상기 연소부에서 상기 연료를 연소시킨 뒤 배출되는 배출가스에서 열을 회수하고, 유해가스 제거장치를 통해 배출가스 내에 포함된 유해가스를 분리하여 제거한 뒤, 상기 배출가스에 포함된 수분을 수분 제거장치로 제거하며, 상기 유해가스가 제거된 배출가스를 저장탱크에 저장하는 단계를 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 연료를 연소시키는 단계는 상기 연소부의 유동층연소로에 주입기에서 상기 연료저장부에서 연료를 공급하고, 상기 유동층연소로를 가열기를 통해 미리 예열시키며, 상기 공기주입부에서 주입되는 공기를 예열기에서 예열하여 상기 유동층연소로로 주입시키고, 상기 유동층연소로에서 주입되는 연료를 공기주입부에서 공급되는 혼합가스를 통해 연소시키며, 상기 유동층연소로에서 연소 후 발생되는 바닥재는 유동매체와 함께 분리기를 통하여 유동층연소로로 순환시키며, 상기 유동층연소로에 적재되는 바닥재가 일정 이상 적재되면 배출부를 통해 일부 배출할 수 있다.

상기 연료를 연소시키는 단계와 열매체를 가열시키는 단계 및 연소부로 재순환시키는 단계를 통해 상기 연소로에서 배출되는 배출가스인 이산화탄소를 고농도로 농축하여 유해가스가 제거된 상태로 저장탱크에 저장할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 슬러지 및 바이오매스로 이루어지는 연료를 순환유동층 연소로에서 연소시킴으로 연소효율을 극대화할 수 있고, 주요 배출가스인 이산화탄소를 재순환하여 고농도를 농축시켜, 이를 저감하기 위한 캡처 기술에 적용할 수 있어, 화력발전소에서 적용되고 있는 사례처럼 온실가스 감축에 기여할 수 있다.

그리고, 산화제로 공기 대신 순산소를 사용하여 열전달률을 극대화할 수 있고, 일반 공기의 배제와 저온에서 연소되는 순환유동층 방식의 접목을 통해 고온에서 질소로부터 생성되는 질소산화물을 원천적으로 저감할 수 있는 이점이 있다.

또한, 슬러지를 질소와 황의 함량이 적고 고발열량을 가지며 회분함량이 적은 바이오매스와 혼합하여 연소함으로써 질소산화물과 황산화물의 발생량을 저감할 수 있고, 고열량의 열회수, 후단 공정의 안정성을 도모할 수 있다. 발생한 배출가스는 재순환하여 순산소와 혼합하여 유동기체로 공급함으로써 연소로의 유동성을 향상시키고 국부적인 가열을 방지할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 순환유동층연소로를 이용한 폐자원 연소방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 순환유동층연소로를 이용한 폐자원 연소방법에 사용되는 연소시스템을 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 순환유동층연소로를 이용한 폐자원 연소방법을 나타낸 도면으로서, 연소부(30)에 슬러지 및 바이오매스로 이루어지는 연료와 산소 및 배출가스가 혼합된 혼합가스를 연소로에 주입하여 연료를 연소시키는 단계(S10)와, 유동층 연소로(31)에서 배출되는 바닥재를 분리하고, 배출가스의 열을 열회수부(40)를 통해 회수하는 단계(S20)와, 배출가스를 순환장치(80)를 통해 연소부(30)로 재순환시키는 단계(S30)와, 배출가스의 수분과 유해가스를 제거한 뒤 배출가스를 저장탱크(80)에 저장하는 단계(S40)를 포함한다.

이러한 본 발명의 상기 연료는 하수처리장 또는 공장 등 폐수처리장에서 발생하는 슬러지와 폐목재, 우드칩 등을 포함하는 바이오매스를 사용한다.

도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이 상기 연료를 연소시키는 단계(S10)는 외부에서 공급되는 슬러지 및 바이오매스로 이루어지는 연료를 분쇄부(10)에서 분쇄하여 일정 크기 이하로 형성한 뒤 연료저장부(20)에 저장한다.

상기 분쇄부(10)는 공급되는 슬러지 및 바이오매스로 이루어지는 연료를 5mm 미만의 입도로 균일하게 파쇄하여 연료공급부에 저장한다.

상기 연료저장부(20) 내부에는 분쇄되어 유입되는 슬러지 및 바이오매스를 혼합시키는 교반기(22)를 통해 슬러지와 바이오매스를 균일하게 혼합시켜 주입기(21)를 통해 유동층 연소로(31)로 원활히 주입되도록 한다.

상기 연료저장부(20)에 저장된 연료는 주입기(21)를 통해 일정량이 연소부(30)로 주입되며, 이 때 연소부(30)로부터 역류하는 열로 인해 주입기(21) 내부에서 연료의 연소가 일어나지 않도록 주입기(21)의 외측에 냉각기(23)를 설치하여, 주입기(21)를 저온 상태로 유지한다.

이렇게 상기 연료저장부(20)에서 연료가 연소부(30)로 주입되면, 연소부(30)의 유동층연소로(31)에 연료가 주입되고, 연소부(30)에서 배출되는 배출가스와 외부의 산소발생기에서 유입되는 산소를 공기주입부(90)에서 혼합하여 유동층연소로(31)로 주입하며, 유동층연소로(31)의 하측에서 가열기(33)를 통해 가열하여 유동층연소로(31)가 예열되도록 한다.

이와 동시에 상기 공기주입부(90)에서 유동층연소로(31)로 공기를 주입할때 연소 효율을 증가시키기 위하여 혼합가스를 예열기(91)에서 예열하여 유동층연소로(31)로 주입시키게 된다.

상기 공기주입부(90)에서 산소와 혼합되는 배출가스의 비율은 75 ~ 80%의 혼합비를 갖는다. 이는 산소비율을 20 ~ 25%로 적절히 유지하여 최종적으로 이산화탄소가 90% 이상의 고농도로 배출되도록 하고, 과잉산소로 인하여 연료 중 질소성분으로부터 질산화물이 다량 생성되는 것을 억제하기 위해서이다(S10).

이처럼 혼합가스와 연료가 유동층연소로(31)로 주입되면 유동층연소로(31)에서 연료가 연소된 후, 배출가스 내에서 연료가 연소된뒤 발생되는 바닥재를 포함한 유동매체는 분리기(32)를 통해 분리되어 다시 연소로로 순환되어 유동상태가 지속적으로 유지된다.

상기 유동층연소로(31)에서 연소 후 발생하는 바닥재는 그 양이 과다해질 경우, 배출부(50)를 통해 배출된다.

상기 연소부(30)에서 연소되어 비산되는 비산재는 배출가스에 포함된 상태로 집진장치(34)로 유입되어 집진장치(34)에서 분리된다(S20).

상기 분리기(32)를 통해 바닥재와 유동매체가 분리된 배출가스는 열회수부(40)를 통해 배출가스의 열을 이용하여 스팀 등의 열에너지를 생산할 수 있다.

이때, 열회수부(40)를 거친 후의 고온의 배출가스로 인한 후단의 필터 및 유해가스 제거장치 등의 손상 방지를 위해, 추가로 열교환기를 설치하여 배출가스의 온도를 낮출 수 있다(S30).

상기 열회수부(40)에서 열이 회수된 배출가스를 필터(60)를 통해 잔여 비산재 및 미세먼지를 제거하고 가스를 순환장치(80)를 통해 공기주입부(90)로 재순환시킨다.

이러한 과정을 거쳐 유해가스 제거장치(70)에서 유해가스를 처리하고 수분 제거장치(71)로 유입되어, 수분이 제거된 후 최종적으로 저장탱크(80)에 저장된다.

이때 상기 저장탱크(80)에 저장되는 배출가스는 이산화탄소로서 고농도로 농축된 상태로 저장된다.

상기 유해가스 제거장치(70)에서 제거되는 유해가스로는 대기오염물질인 중금속, 질소산화물, 황산화물 등이 있다.

이와 같은 상기 연료를 연소시키는 단계(S10)와 열에너지를 생산하는 단계(S20) 및 연소부(30)로 재순환시키는 단계(S30)를 통해 연소로에서 배출되는 배출가스 농도를 농축하여 유해가스가 제거된 상태로 저장탱크(80)에 저장되어 배출가스인 순도가 높은 이산화탄소가 농축되어 저장된다.

이와 같은 본 발명을 다시 설명하면 다음과 같다.

먼저 연료를 주입하기 전 연소 가능한 온도 조건을 만들기 위해 가열기(33)를 통해 유동층연소로(31)를 예열시킨 뒤 연료저장부(20)의 주입기(21)를 통해 연료와 공기주입기(21)를 통해 혼합가스를 유동층연소로(31) 내부로 주입하게 된다.

이때, 상기 공기주입기(21)에는 예열기(91)가 설치되어 유동층연소로(31)로 주입되는 혼합가스를 예열하여 유동층연소로(31)로 주입하게 된다. 상기 혼합가스를 예열시키는 이유는 하부에서의 연소효율을 높이고 급격한 온도 차이로 인한 연소로 내벽 등의 손상 방지를 위함이다.

이렇게 상기 연료와 혼합가스가 유동층연소로(31) 내부로 주입된 연료가 고르게 연소되도록 유동층연소로(31)를 800 ~ 900의 온도로 유지한다.

상기 유동층연소로(31)에서 연료가 연소되면서 상부로 상승한 유동매체는 분리기(32)를 통해 유동층연소로(31)로 재순환되어 지속적으로 유동되고, 유동매체가 분리된 배출가스 내 비산재는 집진장치에서 제거되고, 배출가스는 열회수부(40)를 통과하여 배출가스의 열을 회수하여 열에너지로써 사용할 수 있고, 열회수부(40)을 통과한 배출가스의 미세먼지는 필터(60)에서 제거된다.

상기 비산재 및 미세먼지가 분리된 배출가스는 순환장치(80)를 통해 공기주입부(90)로 재순환되어 산소와 혼합된 상태로 유동층연소로(31)로 재주입된다.

이러한 과정으로 배출가스 내의 비산재 및 미세먼지 등을 집진장치(34)와 필터(60)를 통해 분리하고, 유해가스 제거장치(70)에서 질산화물, 황산화물 등을 저감한 뒤, 수분을 제거하여 고순도의 이산화탄소를 저장탱크(80)에 별도로 저장하여 배출하게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명은 슬러지 및 바이오매스로 이루어지는 연료를 순환유동층 연소로에서 연소시킴으로 연소효율을 극대화할 수 있고, 배출가스의 재순환을 통해 주요 물질인 이산화탄소를 고농도로 농축시켜, 이를 저감하기 위한 캡처 기술에 적용할 수 있어, 화력발전소에서 적용되고 있는 사례처럼 온실가스 감축에 기여할 수 있다.

상기와 같은 순환유동층연소로를 이용한 폐자원 연소방법은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.

10 : 분쇄부
20 : 연료저장부 21 : 주입기
22 : 교반기 23 : 냉각기
30 : 연소부 31 : 유동층연소로
32 : 분리기 33 : 가열기
34 : 집진장치
40 : 열회수부 50 : 배출부
60 : 필터
70 : 유해가스 제거장치 71 : 수분 제거장치
80 : 저장탱크
90 : 공기주입부 91 : 예열기

Claims

슬러지 및 질소와 황의 함량이 적고 고발열량을 가지며 회분함량이 적은 바이오매스와 혼합하여 이루어지는 연료를 5mm 이하로 분쇄부를 통해 분쇄하여 연료저장부에 저장하고, 상기 연료저장부에서 일정량을 연소부로 주입기를 이용하여 주입하고, 상기 주입기 내부에서 연료의 연소가 일어나지 않도록 주입기의 외측에 냉각기를 설치하며, 공기주입부에서 주입되는 산소 20 ~25 %와 배출가스 75 ~ 80%가 혼합된 혼합가스를 상기 연소부에 주입하여 상기 연료를 연소시키는 단계;
상기 연소시키는 단계를 통해 상기 연소부 내에서 순환하는 유동매체를 분리기를 통해 분리한뒤 상기 연소부로 재순환시키고, 배출되는 배출가스 내의 비산재를 집진장치로 포집한 후, 통과한 배출가스의 열을 열회수부를 통해 회수하여 열매체를 가열함으로서 열에너지를 생산하는 단계;
상기 열회수부를 통과한 배출가스 내의 잔여 비산재 및 미세먼지를 필터를 통해 분리하여 제거하고, 분리된 가스를 순환장치를 통해 상기 공기주입부로 순환시켜 상기 공기주입부에서 산소와 혼합시켜 90% 이상의 고농도로 이산화탄소를 발생시키도록 상기 연소부로 재순환시키는 단계; 및
상기 재순환시키는 단계를 통해 상기 연소부에서 상기 연료를 연소시킨 뒤 배출되는 배출가스에서 열을 회수하고, 유해가스 제거장치에서 질산화물과 황산화물 및 중금속의 유해가스를 분리 제거한 뒤, 상기 배출가스에 포함된 수분을 고순도의 이산화탄소를 얻기 위하여 수분 제거장치로 제거하며, 상기 유해가스가 제거된 90% 이상의 고순도 이산화탄소로 이루어지는 배출가스를 저장탱크에 저장하는 단계;를 포함하고,
상기 연료를 연소시키는 단계는 상기 연소부의 유동층연소로에 주입기에서 상기 연료저장부에서 연료를 공급하고, 상기 유동층연소로를 가열기를 통해 미리 예열시키며, 상기 공기주입부에서 주입되는 공기를 예열기에서 예열하여 상기 유동층연소로로 주입시키고, 상기 유동층연소로에서 주입되는 연료를 공기주입부에서 공급되는 혼합가스를 통해 연소시키며, 상기 유동층연소로에서 연소 후 발생되는 바닥재는 유동매체와 함께 분리기를 통하여 유동층연소로로 순환시키며, 상기 유동층연소로에 적재되는 바닥재가 일정 이상 적재되면 배출부를 통해 일부 배출하며,
상기 연료를 연소시키는 단계와 열매체를 가열시키는 단계 및 연소부로 재순환시키는 단계를 통해 상기 연소로에서 배출되는 상기 배출가스인 이산화탄소를 고농도로 농축하여 유해가스가 제거된 상태로 저장탱크에 저장하는 순환유동층연소로를 이용한 폐자원 연소방법.
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