KR101460668B1 - 유동상식 보일러의 연소방법, 및 유동상식 보일러 - Google Patents

유동상식 보일러의 연소방법, 및 유동상식 보일러 Download PDF

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Abstract

바이오매스 연료를 이용한 CFB 보일러(1)의 연소방법에 있어서, 페로니켈 슬래그를 바이오매스 연료에 더하여 유동상식 보일러에서 연소시키는 것을 특징으로 한다. 페로니켈 슬래그 속에는 산화마그네슘이 함유되어 있기 때문에, 알칼리규산염의 생성을 억제할 수 있다. 따라서, 저융점 화합물의 생성에 따른 유동불량 발생의 우려가 저감되어, CFB 보일러의 고온에서의 운전이 가능하게 된다. 그 결과, 에너지 회수효율의 향상을 도모하기 쉬워진다.

Description

유동상식 보일러의 연소방법, 및 유동상식 보일러{Combustion method for fluidized bed boiler, and fluidized bed boiler}
본 발명은, 보일러 연료로서 알칼리성분 함유의 연료를 이용한 유동상(流動床)식 보일러의 연소방법, 및 유동상식 보일러에 관한 것이다.
유동상식 보일러(“CFB 보일러”라고도 함)에의 바이오매스(biomass) 연료의 적용이 요구되고 있다. 바이오매스 연료 중, 왕겨나 EFB(Empty Fruit Bunches) 등의 저품위의 바이오매스 연료는 알칼리성분을 많이 함유하고, 이 알칼리성분은 저융점의 화합물을 생성시킨다. 저융점의 화합물은 유동재(“베드재(bed材)”라고도 함)에 부착하여 유동불량을 일으킬 가능성이 있기 때문에, 노(爐)내 온도를 저융점의 화합물이 생기지 않을 정도, 구체적으로는 750℃ 이하로 유지하는 등의 제어가 필요하였다(특허문헌 1 참조).
한편, 유동상식 보일러의 유동재 속에 산화마그네슘(MgO)을 첨가하면, 저융점의 화합물의 생성을 억제할 수 있다. 그러나, 산화마그네슘을 직접 유동재 중에 첨가하는 것은 일반적이지 않기 때문에, 통상은, 탄산마그네슘(MgCO3)이나 수산화마그네슘(Mg(OH)2)을 공급하고 있었다.
일본 특허공개 2005-226930호 공보
그러나, 특허문헌 1에 기재된 방법에서는, 유동불량 회피를 위하여 노내 온도를 낮게 억제할 필요가 있어서 보일러의 운전온도를 낮게 하지 않을 수 없어서, 에너지 회수효율의 향상이 어려웠다. 또한, 탄산마그네슘이나 수산화마그네슘을 유동재 속에 첨가하는 방법에서는, 산화마그네슘으로 분해될 때에 흡열반응이 발생하거나, 물이 생성되거나 하여 에너지 회수효율을 저하시킬 우려가 있었다.
본 발명은, 이상의 과제를 해결하는 것을 목적으로 하고 있고, 알칼리성분 함유의 연료를 이용하는 경우에도, 에너지 회수효율의 향상과 유동불량의 방지를 양립할 수 있는 유동상식 보일러의 연소방법, 및 유동상식 보일러를 제공하는 것을 목적으로 한다.
광석의 제련(製鍊)에 의하여 생기는 제련슬래그, 예컨대, 페로니켈(Ferronickel) 슬래그는 노반(路盤)재로서 이용되는 정도의 용도밖에 없고, 통상은 폐기처분되고 있었다. 본 발명자는, 제련슬래그의 일종인 페로니켈 슬래그에 주목한 바, 산화마그네슘이 30%(중량퍼센트 농도) 정도 함유되어 있고, 제련슬래그의 유효 이용을 예의 검토한 결과, 유동상식 보일러에 첨가하면 유동불량을 효과적으로 방지할 수 있다는 지견을 얻어서, 본 발명을 생각하여 내기에 이르렀다.
즉, 본 발명은, 알칼리성분 함유의 연료를 이용한 유동상식 보일러의 연소방법에 있어서, 광석의 제련에 의하여 생기는 제련슬래그를 유동상식 보일러의 유동재로서 투입하고, 유동 중에 연료 속의 알카리성분과 반응시켜서 제련슬래그의 표면에 고융점의 코팅을 형성시키면서 연료를 연소시키는 것을 특징으로 한다.
유동상식 보일러의 연료로서, 바이오매스 연료 등의 알칼리성분 함유의 연료를 이용한 경우에는, 칼륨(K)이나 나트륨(Na) 등의 알칼리성분과, 유동재 성분으로서의 석영입자 사이의 화학반응에 의하여, 알칼리규산염이 형성된다. 이 알칼리규산염은, 700℃ 정도에서 용융되는 저융점 화합물로서, 유동재로서의 입자표면에 점착층을 형성하여, 유동재의 유동을 저해할 가능성이 있다. 그러나, 본 발명에서는, 알칼리성분 함유의 연료에 더하여 제련슬래그를 유동상식 보일러에 공급하고 있고, 제련슬래그 중에는 산화마그네슘이 함유되어 있기 때문에, 알칼리규산염의 생성을 억제할 수 있다. 따라서, 저융점 화합물의 생성에 따른 유동불량 발생의 우려가 저감되어, 유동상식 보일러의 고온에서의 운전이 가능하게 된다. 그 결과, 에너지 회수효율의 향상을 도모하기 쉬워진다. 또한, 제련슬래그 중에는 탄산마그네슘이나 수산화마그네슘이 아니라 산화마그네슘이 함유되어 있기 때문에, 그 산화마그네슘이 알칼리규산염의 생성억제에 직접 기여하므로, 탄산마그네슘이나 수산화마그네슘을 첨가하는 경우에 비하여 높은 에너지 회수효율을 기대할 수 있다.
또한, 광석의 제련에 의하여 생기는 제련슬래그를 유동상식 보일러의 유동재로서 투입하고 있으므로, 제련슬래그를 이용하여 유동상을 형성할 수 있어, 유동상의 유동불량을 치우침 없이 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 유동상식 보일러는 노 본체를 구비하고, 노 본체로부터 배출된 배기가스로부터 분리된 유동재에 제련슬래그를 공급하며, 연료의 공급되는 별도로, 제련슬래그가 공급된 유동재를 노 본체로 되돌려도 좋다.
또한, 본 발명은, 알칼리성분 함유의 연료를 이용한 유동상식 보일러로서, 연료를 연소하는 노 본체를 구비하고, 노 본체에는 광석의 제련에 의하여 생기는 제련슬래그가 유동재로서 투입되며, 유동 중에 연료 속의 알칼리성분과 반응시켜서 제련슬래그의 표면에 고융점의 코팅을 형성시키면서 연료를 연소시키는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 알칼리성분 함유의 연료를 이용하는 경우에도, 에너지 회수효율의 향상과 유동불량의 방지를 양립할 수 있다. 그리고, 광석의 제련에 의하여 생기는 제련슬래그가 유동재로서 투입되고 있으므로, 제련슬래그를 이용하여 유동상을 형성할 수 있어, 유동상의 유동불량을 치우침 없이 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 노 본체로부터 배출된 배기가스로부터 분리된 유동재에는 제련슬래그가 공급되고, 연료의 공급과는 별도로, 제련슬래그가 공급된 유동재가 노 본체로 되돌아가도 좋다.
또한, 노 본체로부터 배출된 배기가스 속의 유동재를 배기가스로부터 분리하는 분리부와, 분리부에서 분리된 유동재를 노 본체로부터의 역류를 방지하면서 노 본체의 내부로 되돌리는 순환 씰부를 더욱 구비하고, 제련슬래그는 순환 씰부에 공급되면 적합하다. 이 구성에 의하면, 순환 씰부에서의 유동불량을 효과적으로 억제할 수 있다.
본 발명에 의하면, 유동상식 보일러의 연료로서 알칼리성분 함유의 연료를 이용하는 경우에, 에너지 회수효율의 향상과 유동불량의 방지를 양립할 수 있다.
도 1은, 유동상식 보일러를 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 2는, 어글로머레이션(agglomeration)의 생성메카니즘을 나타내는 설명도로서, (a)는 코팅유발 메카니즘을 나타내는 도면이고, (b)는, 용융유발 메카니즘을 나타내는 도면이다.
도 3은, K2O-SiO2 상태도이다.
도 4는, MgO-SiO2 상태도이다.
도 5는, MgO-K2O-SiO2 상태도이다.
도 6은, 공정(共晶)코팅(C)에 MgO가 작용하는 상태를 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 7은, 페로니켈 슬래그인 3개 시료의 물성을 나타내는 도면이다.
도 8은, 페로니켈 슬래그를 첨가한 경우에 있어서의 운전시간과, 베드온도 및 베드차압(差壓)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는, 페로니켈 슬래그를 첨가하지 않은(불첨가) 경우에 있어서의 운전시간과, 베드온도 및 베드차압의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명에 관한 유동상식 보일러, 및 유동상식 보일러의 연소방법의 적합한 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 유동상식 보일러(이하 “CFB 보일러”라 함)(1)는, 연료를 연소하여, 밀폐용기 내의 물을 가열하여 증기를 생성하는 연소탑(노 본체)(3)과, 연소탑(3)에서 생긴 연소가스(이하, “배기가스”라 함)(G)로부터 고형물을 분리하는 사이클론분리기(분리부)(5)와, 배기가스(G)의 열을 열회수하는 열회수부(7)와, 사이클론분리기(5)에서 배기가스(G)로부터 분리된 비회(飛灰), 즉 배기가스(G)로부터 분리된 유동재(Fa)(도 2 참조)를 연소탑(3)의 하부로 되돌리는 순환라인(9) 등을 구비하고 있다. 다만, 열회수부(7)에는, 과열기 등의 열교환튜브 등이 배치되어 있다.
연소탑(3)에는, 왕겨나 EFB(Empty Fruit Bunches) 등의 바이오매스 연료가 투입된다. 이런 종류의 바이오매스 연료는, 칼륨이나 나트륨 등의 알칼리성분을 많이 함유하는 저품위 연료이다. 또한, 연소탑(3)에는, 제련슬래그의 일종인 페로니켈 슬래그가 투입된다. 연소탑(3)에는, 석영입자를 주성분으로 하는 유동재(Fa)가 투입되어 있고, 이 유동재(Fa) 속에 하부로부터 공기가 공급되어, 유동재(Fa)가 유동하여 유동상(이하 “베드(bed)”라 함)(F)이 형성된다. 베드(F)의 형성에 의하여, 연료의 연소가 촉진된다. 연소의 결과로서 생기는 배기가스(G)는, 유동재(Fa)의 일부를 수반하면서 연소탑(3) 내를 상승한다. 다만, 본 실시형태에서는, 페로니켈 슬래그를 유동재(Fa) 속에 첨가하는 태양을 설명하지만, 페로니켈 슬래그 그 자체를 유동재(Fa)로서 이용하는 것도 가능하다.
사이클론분리기(5)는, 연소탑(3)에 인접하여 배치되어 있고, 연소탑(3)으로부터 배출된 배기가스(G) 및 배기가스(G)에 수반된 유동재(Fa)를 받아들여서, 원심분리작용에 의하여 배기가스(G)와 유동재(Fa)를 분리하고, 유동재(Fa)는 연소탑(3)으로 되돌리고, 배기가스(G)는 열회수부(7)로 들여보낸다.
*사이클론분리기(5)에는, 순환라인(9)이 접속되어 있다. 순환라인(9)은, 연소탑(3)의 하부에 접속된 관로로 이루어지고, 순환라인(9) 상에는 루프 씰(순환 씰부)(9a)이 설치되어 있다. 루프 씰(9a)은, 연소탑(3)으로부터의 배기가스(G)의 역류를 방지하는 설비로서, 루프 씰(9a) 내에는, 사이클론분리기(5)로부터 이송된 유동재(Fa)가 축적되고, 유동재(Fa)는 루프 씰(9a)의 출구의 리턴슈트부(9b)로부터 연소탑(3) 내에 투입된다.
또한, CFB 보일러(1)는, 루프 씰(9a) 내에 제련슬래그의 일종인 페로니켈 슬래그를 공급하기 위한 제련슬래그 공급부(11)를 구비하고 있다. 루프 씰(9a) 내에 페로니켈 슬래그를 공급함으로써, 루프 씰(9a) 내에서의 유동불량을 효과적으로 억제할 수 있다.
다음으로, 바이오매스 연료를 CFB 보일러(1)에 투입하여 연소시켰을 때에 생기는 현상을 설명한다.
바이오매스 연료의 연소에 있어서의 보텀애쉬(Bottom Ash)와 플라이애쉬(Fly Ash)의 생성개념에 대하여 설명한다. 보텀애쉬는, 유동재(Fa)인 모래(砂)를 씨앗(種)으로 하여 바이오매스 연료 속의 성분이 응축, 융체(融體), 응집하여 부착되거나, 모래표면에서 화학반응하거나 하여 입자형성된다. 또한, 플라이애쉬는, 입자형성된 보텀애쉬의 일부가 미세하여진 것을 제외하면, 바이오매스 연료 속의 성분 그 자체의 응축, 융체, 응집에 의하여 형성된다.
바이오매스 연료의 연소에 있어서의 유동재(“유동모래”, “베드재”라고도 함)(Fa) 속에서의 유동저해의 주된 원인은 어글로머레이션(X)(도 2 참조)이다. 어글로머레이션(X)은, 거의가 저융점 화합물의 융체(바이오매스 연료 속의 성분에 의하여 형성되는 물질의 융체)가 유동재(Fa) 표면에 부착되거나, 유동재(Fa)의 표면에서 공정(共晶)형성(바이오매스 연료 속의 성분이 유동재(Fa)의 표면에서 화학반응)되거나 하여 일어나고, 용융유발 및 코팅유발로서 알려져 있는 2가지의 메카니즘에 기인하여 생긴다고 생각되고 있다.
구체적으로는, 바이오매스 연료를 연소하였을 때의 어글로머레이션(X)의 생성의 주요한 원인은, 바이오매스 연료로부터의 알칼리성분, 예컨대 칼륨(K)이나 나트륨(Na) 등과 유동재(Fa)의 주성분인 석영입자 사이에서 화학반응이 생겨서, 유동재(Fa)의 표면에서의 점착성 있는 알칼리규산염층이 형성되는 것에 기인한다고 특정되고 있다. 다만, 알칼리성분에 더하여 인(燐)도 어글로머레이션(X)에 있어서의 중요인자인 것이 확인되고 있다.
(용융유발 메카니즘)
도 2 (b)에 나타내는 바와 같이, 용융유발 메카니즘의 어글로머레이션(X)은, 저융점 화합물(알칼리규산염)의 융체(M)가 유동재(Fa)의 표면에 부착된 보텀애쉬 입자군이 서로 모여 일어나고, 이 메카니즘의 제어인자는, 국부온도와 연료회(灰)조성이며, 고농도의 알칼리성분과 염소가 함유된 연소회에서는, 용융유발 메카니즘을 통하여 어글로머레이션(X)이 형성되는 경향이 있다.
(코팅유발 메카니즘)
도 2 (a)에 나타내는 바와 같이, 코팅유발 메카니즘의 어글로머레이션(X)은, 유동재(Fa)의 표면에서의 공정(共晶)코팅(알칼리규산염상(相))(C)이 형성된 보텀애쉬 입자군이, 그 공정코팅(C)에 의하여 접합과 이산을 반복하고, 그 결과, 입자응집이 개시되어, 서서히 넥(neck, 유동저해요인)이 되는 어글로머레이션(X)의 형성에 이르며, 이 메카니즘의 주요한 제어인자는, 공정코팅 두께(접합 이산의 용이성), 공정코팅 조성(접합강도) 및 국부온도이다.
다만, 유동재(Fa)의 표면에 실제로 코팅된 부분의 상세한 분석결과로부터, 이 코팅층은, 공정코팅(K2O-SiO2: 알칼리규산염층)(C)인 것이 확인되고 있다. 이 공정코팅(C)은, 도 3에 나타내는 바와 같이, 700℃에서 용융하기 시작한다. CFB 보일러(1)의 유동재(Fa) 내의 온도, 구체적으로는, 800℃~900℃에 있어서는, 유동재(Fa)인 입자끼리를 용이하게 부착, 응집시킨다는 것을 확인할 수 있다. 다만, 도 3은, K2O-SiO2 상태도이다.
다음으로, 어글로머레이션(X)의 형성과 산화마그네슘(MgO)의 관계에 대하여 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한다. 도 4는, MgO-SiO2 상태도이고, 도 5는, MgO-K2O-SiO2 상태도이다. 다만, 도 3에 나타내는 바와 같이, K2O-4SiO2 상태로부터 MgO가 되는 과정을 도 5의 직선 La로 나타내고, 또한, MgO의 비율이 증가하는 방향을 화살표 Da로 나타내는다.
가장 최초의 반응상태(제1 반응상태)는 도 3에 나타내는 바와 같이, 700℃ 정도의 낮은 온도에서 생기고, 이 제1 반응상태에서는, K2O-4SiO2의 형태로 코팅 등이 형성된다(도 3 참조). 다음으로, 제2 반응상태에서는, 도 5의 화살표(Da)의 방향으로 반응이 진행되어, 제1 반응상태에서 형성된 K2O-4SiO2에 대하여, 조금씩 MgO가 반응하여 간다. MgO의 반응이 진행된 상태를 직선(La)(도 5 참조) 상에서 보면, MgO의 비율이 수 %(4% 정도)에서 742℃의 제1 포인트(Pb)가 되어 융점이 올라가고(제3 반응상태), 다음으로, MgO의 비율이 8% 정도에서 1000℃의 제2 포인트(Pa)가 되어 융점이 올라가서, 부착성이 적은 층이 된다(제4 반응상태).
제2 포인트(Pa) 이상에는, MgO는 반응하기 어렵다. 융점이 1000℃ 이상이 되어 고체가 되므로, MgO(고체)와의 반응이 일어나기 어려워지기 때문이다. 여기서, 또 K2O가 부착되면, 예컨대, 제2 포인트(Pa)로부터 제1 포인트(Pb)로 되돌아와서, 742℃가 융점이 되어 부착이 일어나기 쉬워진다. 다음으로, 제2 반응상태로 되돌아와서 MgO가 반응하고, 다시, 제3 반응상태 및 제4 반응상태가 반복된다.
도 4에 나타내는 바와 같이, MgO와 SiO2의 반응에서는, 1543℃까지 융체를 형성하지 않는 것이 용이하게 추측되고, 또한, 도 5에 나타내는 바와 같이, MgO와 K2O-SiO2의 반응에 있어서도, 1000℃ 정도까지 융체를 형성하지 않는 것이 추측된다. 따라서, 알칼리성분을 많이 함유하는 바이오매스 연료를 연소할 때에, 유동재(Fa) 속에 산화마그네슘을 첨가함으로써 저융점의 공정코팅(K2O-SiO2: 알칼리규산염상(相))(C)의 형성을 억제할 수 있다.
여기서, 도 6을 참조하여, 저융점의 공정코팅(C)의 형성을 억제하는 것에 대하여 구조적으로 설명한다. 도 6은, 공정코팅(C)에 MgO가 작용하는 상태를 모식적으로 나타내는 설명도이다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 유동재(Fa)의 표면에 공정코팅(C)이 형성되면, 그 표면에 융점이 높은 MgO-K2O-SiO2의 층(S)이 형성되어 고화되어, 융점이 올라간다. 또한, 그 표면에 공정코팅(C)이 형성되더라도, 더욱 융점이 높은 MgO-K2O-SiO2의 층(S)이 형성되어 고화되어, 융점이 올라간다. 그 결과 저융점인 공정코팅(C)이 형성되었다고 하더라도, 그 공정코팅(C)의 표면에 융점이 높은 MgO-K2O-SiO2의 층(S)이 형성되게 되어, 저융점화가 억제된다.
다음으로, 페로니켈 슬래그 등의 제련슬래그에 대하여 설명한다. 제련슬래그는, 예컨대, 페로알로이 원료광석을 제련하여 페로알로이를 생성할 때에 생기는 슬래그로서, 제련방법으로는, 전기로법이나 테르미트법 등의 각종 방법을 적용할 수 있다. 예컨대, 전기로법에서는, 원료광석의 전처리 후에 전기로에서의 정제처리가 실행되고, 그 정제처리에 있어서 원하는 금속을 추출한 나머지 잔여물이 제련슬래그가 된다. 본 실시형태에서는, 제련슬래그로서 페로니켈 슬래그를 예시하고 있다.
도 7은, 페로니켈 슬래그인 3개의 시료의 물성을 나타내는 도면으로서, 예컨대, 시료 A 속에는, 중량퍼센트 농도로서 28.1%의 산화마그네슘(MgO)이 함유되어 있고, 시료 B 속에는, 35.5%의 산화마그네슘(MgO)이 함유되어 있으며, 시료 C 속에는, 50.0%~55% 정도의 산화마그네슘(MgO)이 함유되어 있다. 이와 같이, 페로니켈 슬래그 속에는, 적어도 30% 이상의 산화마그네슘이 함유되어 있다. 따라서, CFB 보일러(1)의 연소탑(3) 내에 페로니켈 슬래그를 공급함으로써, 어글로머레이션(X)의 형성을 억제할 수 있어서, 유동불량을 효과적으로 억제할 수 있는 것이 추측된다.
다음으로, 보일러 연료로서 저품위의 바이오매스 연료를 이용한 경우의 CFB 보일러(1)의 연소방법에 대하여 설명한다. CFB 보일러(1)의 연소탑(3) 내에는, 베드(F)를 형성하는 유동재(Fa)가 이미 투입되어 있다. 연소탑(3) 속에 바이오매스 연료에 더하여 페로니켈 슬래그를 공급하고, 유동재(Fa)의 하부로부터 공기를 공급하여 베드(F)를 형성하면서, 도시하지 않은 버너에 의하여 연소한다. 연소탑(3) 내의 유동재(Fa) 속에 페로니켈 슬래그를 첨가함으로써, 페로니켈 슬래그 중의 산화마그네슘이 기여하여 어글로머레이션(X)의 형성을 억제하여, 베드(F)의 유동불량을 효과적으로 억제할 수 있다.
여기서, 도 8 및 도 9를 참조하여 페로니켈 슬래그를 첨가한 경우의 효과에 대하여, 불(不)첨가의 경우와 비교하여 설명한다. 다만, 도 8은, 페로니켈 슬래그를 첨가한 경우에 있어서의 운전시간과, 베드온도 및 베드차압의 관계를 나타내는 그래프이고, 도 9는, 페로니켈 슬래그를 첨가하지 않은(불첨가) 경우에 있어서의 운전시간과, 베드온도 및 베드차압의 관계를 나타내는 그래프이다. 다만, 베드차압이란, 유동화되어 있는 베드(F) 내에 있어서의 상하의 위치에서의 압력차를 나타내고, 유동불량이 발생하면 베드차압이 급격히 저하되어 최종적으로 “0”이 된다. 또한, 도 8 및 도 9에서 나타내는 실험조건에서는, 페로니켈 슬래그를 첨가하지 않은 경우의 베드(F) 중에 함유되는 칼륨농도는 0.6wt%(회분 베이스)인데 대하여, 페로니켈 슬래그를 첨가하는 경우는, 베드(F) 중에 함유되는 칼륨(K)의 농도는 2.6wt%(회분 베이스)로 높다. 따라서, 페로니켈 슬래그를 첨가하는 경우가, 어글로머레이션(X)을 형성하기 쉬운 환경으로 되어 있다.
도 8에 나타내는 바와 같이, 페로니켈 슬래그를 첨가한 경우에는, 베드온도가 800℃를 넘어도 베드차압에 큰 변화는 없어서, 유동양호라고 판단할 수 있다. 한편, 도 9에 나타내는 바와 같이, 페로니켈 슬래그를 첨가하지 않은 경우에는, 베드온도가 800℃를 넘어서 일정한 시간이 경과한 후에 베드차압이 급격히 저하되고 있으며, 이 시점에서의 어글로머레이션(X)의 성장을 추측할 수 있고, 또한, 베드차압이 약 “0”이 되어 있으므로, 유동불량이라고 판단할 수 있으며, 결과적으로 긴급정지가 필요하게 되어 있다. 이들 실험결과로부터도, 페로니켈 슬래그를 첨가한 경우에는, 베드(F)의 유동불량을 효과적으로 억제할 수 있는 것을 확인할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 관한 CFB 보일러(1)의 연소방법에서는, 순환라인(9)의 루프 씰(9a) 내에도 페로니켈 슬래그를 첨가하고 있다. 루프 씰(9a)에서의 유동재(Fa)의 유동력은, 연소탑(3) 내에 형성된 베드(F)에서의 유동력에 비하여, 현저히 약하다. 따라서, 루프 씰(9a) 내에 적극적으로 페로니켈 슬래그를 첨가함으로써, 효과적으로 유동불량을 방지할 수 있다. 또한, 루프 씰(9a) 내에 공급한 페로니켈 슬래그는 연소탑(3) 내에도 순환되기 때문에, 베드(F)의 유동불량의 방지효과도 얻을 수 있다.
상기의 CFB 보일러(1)의 연소방법의 효과에 대하여 설명한다. CFB 보일러의 연료로서, 알칼리 함유 바이오매스 연료를 이용한 경우에는, 칼륨(K)이나 나트륨(Na) 등의 알칼리성분과, 유동재(Fa)의 주성분인 석영입자 사이에 화학반응이 생겨서, 알칼리규산염이 형성된다. 이 알칼리규산염은, 700℃ 정도에서 용융되는 저융점 화합물로서, 유동재(Fa)로서의 입자표면에 점착층(Fa)을 형성하여, 유동재(Fa)의 유동을 저해할 가능성이 있다.
따라서, 종래의 CFB 보일러에 있어서 알칼리 함유 바이오매스 연료의 적응을 가능하게 하기 위해서는, 유동불량(어글로머레이션 생성)을 억제하기 위하여 운전온도를 낮게 억제할 필요가 있고, 또는 유동불량을 일으키기 어려운 노내 환경을 형성하기 위하여, 석탄과의 혼소(混燒), 첨가제의 투입 혹은 유동재의 교체 등의 처리나 복잡한 제어관리가 필요하여, CO2 삭감효과를 그다지 기대할 수 없었거나, 첨가제 자원의 쓸데없는 낭비나 운전코스트의 증가로까지 이어지거나, 나아가서는 다량 폐기물(유동재의 교체에 따라 발생하는 인발 폐기 유동재)을 발생시키거나 하여 현실적이지 않았다. 따라서, 알칼리 함유 바이오매스 연료를 CFB 보일러의 연료로서 이용한 경우에는, 에너지 회수효율의 향상과 유동불량의 방지를 양립시키는 것은 극히 어려웠다.
그러나, 상기의 CFB 보일러(1)의 연소방법에서는, 알칼리 함유 바이오매스 연료에 더하여 페로니켈 슬래그를 CFB 보일러(1)의 연소탑(3)에 공급하고 있고, 페로니켈 슬래그 속에는 산화마그네슘이 함유되어 있기 때문에, 알칼리규산염의 생성을 억제할 수 있다. 따라서, 저융점 화합물의 생성에 따른 유동불량 발생의 우려가 저감되어, CFB 보일러(1)의 고온에서의 운전이 가능하게 된다. 그 결과, 에너지 회수효율의 향상과 유동불량의 방지를 용이하게 양립시키는 것이 가능하게 되었다.
또한, 종래, 페로니켈 슬래그는 노반(路盤)재로서 이용되는 정도의 용도밖에 없고, 통상은 폐기처분되고 있던 것이지만, 본 실시형태에 의하면, 이 페로니켈 슬래그의 유효이용이라는 관점에서도 유리하다. 또한, 페로니켈 슬래그 속에는 탄산마그네슘이나 수산화마그네슘이 아니라 산화마그네슘이 함유되어 있기 때문에, 그 산화마그네슘이 알칼리규산염의 생성억제에 직접 기여하므로, 탄산마그네슘이나 수산화마그네슘을 첨가하는 경우에 비하여 높은 에너지 회수효율을 기대할 수 있다.
더욱이, 페로니켈 슬래그 중에는 탄산마그네슘이나 수산화마그네슘이 아니라 산화마그네슘이 함유되어 있기 때문에, 그 산화마그네슘이 알칼리규산염의 생성 억제에 직접 기여하므로, 탄산마그네슘이나 수산화마그네슘을 첨가하는 경우에 비하여 높은 에너지 회수효율을 기대할 수 있다.
이상, 본 발명을 그 실시형태에 근거하여 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은, 상기 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 상기 실시형태에서는, 제련슬래그로서 페로니켈 슬래그를 예시하였지만, 광석의 제련에 의하여 생기는 다른 제련슬래그를 이용하는 것도 가능하다.
또한, 알칼리성분을 함유하는 품질이 나쁜 유동재를 사용하고 있는 유동상식 보일러의 유동재에의 혼합사용 혹은 대체로서 제련슬래그를 이용하는 것도 가능하고, 이 경우에는, 제련슬래그를 이용한 유동상을 형성할 수 있기 때문에, 유동상의 유동불량을 치우침 없이 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 보일러 증기과열기(蒸氣過熱器) 전열(傳熱)튜브에의 강고한 파울링(fouling) 및 데포지션(deposition) 부착에 대하여, 그들의 제거효과 및 보일러 증기과열기 전열튜브 부식억제효과를 기대할 수 있다.
1…CFB 보일러(유동상(流動床)식 보일러), 3…연소탑(노 본체), 9a…루프 씰(순환 씰부), F…베드(bed; 유동상), Fa…유동재, G…배기가스.

Claims (6)

  1. 알칼리성분 함유의 연료를 이용한 유동상(流動床)식 보일러의 연소방법에 있어서,
    광석의 제련에 의하여 생기는 제련슬래그를 상기 유동상식 보일러의 유동재로서 투입하고,
    상기 연료 속의 알칼리 성분과 반응시켜서 상기 제련슬래그의 표면에 고융점의 코팅을 형성시키면서 상기 연료를 연소시키는 것을 특징으로 하는 유동상식 보일러의 연소방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유동상식 보일러는 노(爐) 본체를 구비하고,
    상기 노 본체로부터 배출된 배기가스로부터 분리된 유동재에 상기 제련슬래그를 공급하며, 상기 연료의 공급과는 별도로, 상기 제련슬래그가 공급된 상기 유동재를 상기 노 본체로 되돌리는 것을 특징으로 하는 유동상식 보일러의 연소방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유동상식 보일러는,
    노(爐) 본체와,
    상기 노 본체로부터 배출된 배기가스 속의 유동재를 상기 배기가스로부터 분리하는 분리부와,
    상기 분리부에서 분리된 상기 유동재를 상기 노 본체로부터의 역류를 방지하면서 상기 노 본체의 내부로 되돌리는 순환 씰부를 구비하고,
    상기 제련슬래그를 상기 순환 씰부에 공급하는 것을 특징으로 하는 유동상식 보일러의 연소방법.
  4. 알칼리성분 함유의 연료를 이용한 유동상식 보일러로서,
    상기 연료를 연소하는 노 본체를 구비하고,
    상기 노 본체에는, 광석의 제련에 의하여 생기는 제련슬래그가 유동재로서 투입되며,
    상기 연료 속의 알칼리 성분과 반응시켜서 상기 제련슬래그의 표면에 고융점의 코팅을 형성시키면서 상기 연료를 연소시키는 것을 특징으로 하는 유동상식 보일러.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 노 본체로부터 배출된 배기가스로부터 분리된 유동재에는 상기 제련슬래그가 공급되고, 상기 연료의 공급과는 별도로, 상기 제련슬래그가 공급된 상기 유동재가 상기 노 본체로 되돌려지는 것을 특징으로 하는 유동상식 보일러.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 노 본체로부터 배출된 배기가스 속의 유동재를 상기 배기가스로부터 분리하는 분리부와,
    상기 분리부에서 분리된 상기 유동재를 상기 노 본체로부터의 역류를 방지하면서 상기 노 본체의 내부로 되돌리는 순환 씰부를 더욱 구비하고,
    상기 제련슬래그는 상기 순환 씰부에 공급되는 것을 특징으로 하는 유동상식 보일러.
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