KR101464112B1 - 순환 유동상 보일러의 황함유 연료 연소방법 및 장치 - Google Patents

순환 유동상 보일러의 황함유 연료 연소방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 순환 유동상 보일러(10)에서 황함유 연료를 연소시키는 장치와 방법에 관한 것으로, 상기 장치는, 노(furnace)(12)와, 황 함유 연료(14)와 탄산칼슘-함유 흡수제(16)를 상기 노에 황 함유 연료를 공급하는 수단; 배기가스의 이산화황을 아황산칼슘과 황산칼슘으로 변환하도록 물과 수산화칼슘을 공급하는 수단을 구비한 반응기(28)와, 상기 반응기와 가스가 유동하게 연결된 더스트 분리기(30)를 포함하는 건식 순환 유동상 스크러버(22); 상기 노로부터 산화칼슘-함유 바닥 애시를 제거하는 수단, 상기 제거된 산화칼슘-함유 바닥 애시의 적어도 일부분을 조대한 바닥 애시 부분과 그 보다 더 미세한 바닥 애시 부분으로 선별하는 선별기(42); 상기 선별기로 부터의 미세한 바닥 애시 부분의 적어도 일부분을 연마기(50)로 전달하는 미세 애시 채널(48); 상기 연마된 바닥 애시 부분의 산화칼슘을 수산화칼슘으로 수화시키도록 연마기(50)로 부터의 연마된 바닥 애시 부분의 적어도 일부분을 수화기(54)로 전달하는 연마된 애시 채널(52), 및 수화기(54)로 부터의 수산화칼슘의 적어도 일부분을 흡수제로서 건식 순환 유동상 스크러버로 전달하는 수화된 애시 채널(58)을 포함한다.

Description

순환 유동상 보일러의 황함유 연료 연소방법 및 장치{METHOD OF AND APPARATUS FOR COMBUSTING SULFUROUS FUEL IN A CIRCULATING FLUIDIZED BED BOILER}
본 발명은 순환 유동상(circulating fluidized bed) 보일러에서 황 함유 연료를 연소시키는 방법과 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 건식 순환 유동상 (CFB) 스크러버(scrubber)를 사용하여 순환 유동상 (CFB) 보일러로부터 나오는 배기가스에서의 이산화황 (SO2) 함량을 감소시키는 것에 관한 것이다.
황-함유 연료를 연소시킬 때, 연료의 황은 대기에 대량 방출되면 해로울 수 있는 황산화물, 주로 이산화황으로 변환된다. 순환 유동상 스크러버에서 건식 연소가스의 세정은 발전 보일러, 시멘트 킬른로, 유리 노 및 폐기물 소각로와 같은 여러 종류의 플랜트로부터 나오는 연소 가스에서 SO2 함량을 감소시키기 위해 통상적으로 사용하는 방법이다. 순환 유동상 (CFB) 보일러를 사용할 때, 배기가스의 SO2 함량은 통상적으로 보일러의 노에 석회석을 공급함으로써 감소된다. CFB 보일러 노의 750 ℃에서 950 ℃ 까지의 온도에서, 석회석의 탄산칼슘(CaCO3)을 태워서 산화칼슘(CaO)을 형성하고, 그 산화칼슘은 황산화물과 반응하여 황산칼슘(CaSO4)을 생산하여, 황산칼슘은 연소에서 나온 애시(ash)와 함께 노에서 제거될 수 있다.
노에 직접 석회석을 공급하는 것만으로도 비교적 좋은 황-감소 효율이 CFB 보일러에서 얻어질 수 있다. 그러나, CaO 입자의 표면에 형성되는 CaSO4 층이 입자의 중심부(core)가 SO2 와 반응하는 것을 방해하기 때문에, 요구되는 SO2 제거 수준을 얻기 위해 과도한 석회석이 노에 공급되어야 한다. 예를 들어, 노에서 98 %의 황 감소 효율을 얻기 위해서는 4 내지 5의 높은 Ca/S 몰비가 요구된다.
연소 과정에서 형성된 애시는 노에서 배출되는 배기가스와 함께 실려 나가는 플라이 애시(fly ash)와 노의 바닥에서 수집되는 바닥 애시(bottom ash)로 분할된다. 연소되는 동안에, 바닥애시는 그 조성과 함께 보일러의 작동 조건, 특히 노에 공급되는 연료, 흡수제 및 불활성 베드 재료 등의 특성에 따라 다른 속도로 형성된다. 통상적으로 순환 유동상 보일러에서 형성되는 애시의 10 % 내지 50 %가 바닥애시로서 노에서 제거된다. 바닥애시는 일반적으로 플라이 애시 보다 더 조대하다.
4 내지 5 의 높은 Ca/S 비율을 사용하는 경우, 노에서 배출되는 바닥애시와 플라이 애시는 언제나 통상 약 10%에서 50% 이상의 많은 량의 산화칼슘을 포함하며, 이것은 애시의 사용 또는 폐기를 어렵게 한다.
종래의 CFB 노에서의 황-감소 방법과 관련된 다른 문제는, 탄산칼슘의 하소(calcination)가 178.4 kJ/kmol의 반응 에너지를 갖는 흡열반응인 점이다. 따라서 과도한 양의 석회석의 하소는 보일러의 열 효율을 감소시키게 된다. 예를 들어, 2%의 황을 함유하는 석탄을 연소시킬 때 98%의 황 감소를 얻기 위해 석회석은 약 5의 Ca/S 비율을 제공하는 속도로 석회석이 도입되고, 하소를 위해 필요한 에너지는 약 2% 포인트 만큼 보일러 열효율을 감소시킨다.
그와 같이 높은 Ca/S 비율의 필요성을 제거하기 위해 미국특허 제 4,185,080 호는 유동상으로부터 애시, 산화칼슘 및 황산칼슘을 제거하는 것과, 산화칼슘으로부터 예컨대 체질에 의해 미세 등급의 애시를 그리고 예를 들어 드럼에서 황산 칼슘을 분리하는 것을 제시한다. 그런 다음 상기 산화칼슘은 극히 미세한 수산화칼슘으로 건식 소화되고, 그 수산화칼슘은 유동상에 또는 유동상 위의 자유 보드에 블라스팅되어 연소가스의 황 산화물과 반응한다. 미국특허 제 5,345,883 호는, 사용된 흡수제 입자들의 중심부의 미반응 흡수제 물질을 노출시키기 위해 사용된 흡수제 입자들을 기계적으로 분쇄하도록 고압수를 액체 또는 스팀으로서 분사하여 순환 유동상 보일러의 재순환 흡수제 물질을 재활성화시키는 것을 제시한다. 또한, 특허 제 5,551,357 호와 제 6,912,962 호는 바닥 애시를 노에 다시 분사하기 전에 바닥애시의 산화칼슘의 일부를 예를 들어 수화시킴으로써 연도가스 탈황을 향상시키는 다른 방법을 보여준다.
유동상 보일러에서 황의 감소를 향상시키는 대안은, 노에서의 요구되는 이산화황 감소의 일부만을 수행하고, 제 2 의 이산화황 감소장치를 노의 하류측에 배치하는 것이다. 미국특허 제 7,427,384 호는 최대 약 1.0의 Ca/S 몰 비를 제공하도록 순환 유동상 보일러의 노에 탄산칼슘을 공급하고, 또한 노의 하류측에 건식 황 감소장치와 같은 황 저감 단계에서 연도가스의 황 함량을 저감시키는 것을 제안한다. 이에 상응하여, 미국특허 제 7,862,789 호는 순환 유동상 보일러로 부터의 연도가스를 플래시 건식 흡수제에 전달하고 그 플래시 건식 흡수제에 석회를 공급하는 것을 제안한다.
미국특허 제 4,309,393 호는, 노에서 30 - 60%의 황의 감소를 제공하도록 1 ~ 1.5 범위의 Ca/S 몰비로 노에 석회석을 첨가하는, 유동상 보일러용 황 저감 방법을 개시하고 있다. CaO-함유 애시는 노로부터 수집되고, 노의 하류측의 연도가스 덕트에 배치되는 스프레이 건조기와 같은 이산화황 스트립핑 유닛에서 이용하기 위한 석회 슬러리를 형성하도록 소화된다 (slaked). 미국특허 제 6,290,921 호는 순환 유동상 보일러의 체질된 CaO-함유 바닥애시를 황 저감장치의 접촉 반응기와 더스트 분리기 사이에서 가습장치에 공급하는 것을 제시한다.
본 발명의 목적은 향상된 탈황으로 순환 유동상 보일러에서 황 함유 연료를 연소시키는 방법과 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일면에 따르면, 본 발명은, 순환 유동상 보일러에서 황함유 연료를 연소시키는 방법을 제공하며, 본 방법은, 보일러의 노에 황 함유 연료를 공급하고, 연료를 연소시키고, SO2-함유 배기가스를 발생시키는 단계; CaCO3 를 CaO 로 변환시키도록 상기 노에 CaCO3-함유 흡수제를 공급하고, 상기 노에서 상기 CaO 의 일부를 이용하여 상기 SO2 의 일부분을 CaSO4 로 변환시키는 단계; c) 상기 노에서부터, 상기 배기가스의 SO2 를 CaSO3 와 CaSO4 로 변환시키도록 물과 Ca(OH)2 를 공급하는 수단을 구비한 반응기와, 상기 배기가스로부터 입상 물질(particulate matter)을 분리하도록 상기 반응기와 가스 유동 연결된 더스트 분리기를 포함하는 건식 순환 유동상 스크러버로, 배기가스 채널을 따라 상기 배기가스를 전달하는 단계; 상기 노에서 CaO-함유 바닥 애시를 제거하는 단계; 제거된 상기 CaO-함유 바닥 애시의 적어도 일부분을, 제 1 단계 선별기에서, 미리 설정된 제 1 한계보다 더 큰 입자 크기를 갖는 입자들로 구성된 조대한 바닥 애시 부분과 미세한 바닥 애시 부분으로 선별하는 단계; 상기 보일러로부터 상기 조대한 바닥 애시 부분을 제 1 연소 생성물로서 제거하는 단계; 미세한 바닥 애시 부분을 미리 설정된 제 2 한계보다 더 작은 중앙 입자 크기를 갖도록 연마하기 위해 미세한 바닥 애시 부분의 적어도 일부를 연마기로 전달하는 단계; 연마된 바닥 애시 부분을 상기 연마기로부터 수화기로 전달하여, 연마된 미세한 바닥 애시 부분의 CaO 를 제어된 양의 물 또는 스팀으로 Ca(OH)2 로 수화시키는 단계; 및 Ca(OH)2 의 적어도 일부분을, 흡수제로서, 상기 수화기로부터 건식 순환 유동상 스크러버로 전달하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 면에 따르면, 본 발명은, 순환 유동상 보일러에서 황함유 연료를 연소시키는 장치를 제공하고, 본 장치는, 노와, 황 함유 연료를 연소시키고 SO2-함유 배기가스를 발생시키도록 상기 노에 상기 황 함유 연료를 공급하는 수단; CaCO3 를 CaO 로 변환시키도록 상기 노에 CaCO3-함유 흡수제를 공급하고, 상기 노에서 상기 CaO 의 일부를 이용하여 상기 SO2 의 일부분을 CaSO4 로 변환시키는 수단; 상기 노에서부터, 상기 배기가스의 SO2 를 CaSO3 와 CaSO4 로 변환시키도록 물과 Ca(OH)2 를 공급하는 수단을 구비한 반응기와, 상기 배기가스로부터 입상 물질을 분리하도록 상기 반응기와 가스 유동 연결된 더스트 분리기를 포함하는 건식 순환 유동상 스크러버로 상기 배기가스를 전달하기 위한 배기가스 채널; 상기 노로부터 CaO-함유 바닥 애시를 제거하는 수단; 제거된 상기 CaO-함유 바닥 애시의 적어도 일부분을, 미리 설정된 제 1 한계보다 더 큰 입자 크기를 갖는 입자들로 구성된 조대한 바닥 애시 부분과 미세한 바닥 애시 부분으로 선별하기 위한 제 1 단계 선별기; 상기 제 1 단계 선별기로부터 상기 조대한 바닥 애시 부분을 호퍼로 제거하기 위한 배출 채널; 상기한 미세한 바닥 애시 부분을 미리 설정된 제 2 한계 보다 더 작은 중앙 입자 크기를 갖도록 연마하기 위하여 상기 미세한 바닥 애시 부분의 적어도 일부를 제 1 단계 선별기로부터 연마기로 전달하기 위한 미세한 애시 채널; 연마된 바닥 애시 부분의 CaO 를 제어된 양의 물 또는 스팀으로 Ca(OH)2 로 수화시키기 위해 상기 연마기로부터 연마된 상기 바닥 애시 부분을 수화기로 전달하기 위한 연마된 애시 채널; 및 상기 수화기로부터 상기 Ca(OH)2 의 적어도 일부분을 흡수제로서 상기 건식 순환 유동상 스크러버로 전달하기 위한 수화된 애시 채널을 포함한다.
건식 순환 유동상(CFB) 스크러버는 예를 들어 유럽특허 0　211　458 B2에서 알려져 있다. 보통 건식 CFB 스크러버는 흡수제로서 수화된 생석회를 사용하지만, 어떤 경우에는 특히 CFB 보일러로부터의 연도가스를 탈황시킬 때, 연도 가스에 실린 산화칼슘-함유 애시 입자들로부터 흡수제의 적어도 일부를 형성할 수 있다. 독일특허 41 04　180 C1는 연도가스로부터 분리된 플라이 애시가 어떻게 흡수제로서 사용되도록 준비될 수 있는지를 가르쳐 준다.
통상적으로 CFB 보일러의 바닥 애시의 입자 크기 분포는 바닥 애시 입자들의 90% 초과가 예를 들어 중앙 직경이 0.35 mm 로 0.1 mm 와 20 mm 사이의 직경을 갖도록 되어 있다. 본 발명은 특히, 상기한 입자 크기와 함께 바닥 애시는 그 조성에서 플라이 애시와 다르다는 발견에 기초한다. 이로써, 바닥 애시는 적절하게 처리된 후에 건식 순환 유동상 스크러버에서 효율적인 흡수제로서 이용될 수 있다.
선별 단계, 즉 CaO-함유 바닥 애시의 선택적 분류 또는 분리는 바닥 애시fmf 소위 조대한 바닥 애시 부분인 제 1 부분과 소위 미세한 바닥 애시 부분인 제 2 부분으로 나눈다. 상기 미세한 바닥 애시 부분은 더 작은 입자 크기에 더하여 더 낮은 밀도와, 더 높은 석회 함량 및 더 낮은 마모와 부식 가능성을 갖는다. 따라서, 조대한 바닥 애시 부분은 더 큰 입자 크기와 함께, 더 높은 밀도, 더 낮은 석회 함량 및 더 높은 마모와 부식 가능성을 갖는다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 미세한 바닥 애시 부분과 조대한 바닥 애시 부분은 10 % - 90 %, 보다 더 바람직하게는 20 % ~ 80 %의 바닥 애시를 포함한다. 유리하게는 조대한 바닥 애시 부분은 미리 설정된 제 1 한계보다 더 큰 입자 크기를 갖는 입자들로 구성된다. 입자 크기란 용어는 본 명세서에서 체 분석에 기초한 입자 크기를 의미한다. 미리 설정된 제 1 한계는 연소 조건에 의존한다. 통상적인 조건에서, 미리 설정된 제 1 한계는 바람직하게는 최대 2 mm, 보다 바람직게는 최대 1mm이다. 실제로, 입자 크기 분포를 계속적으로 결정해야 하는 것은 아니며, 입자 크기 분포는 예를 들어 샘플링에 기초하여 알 수 있고, 선별은 여러 물질 흐름들의 비를 제어하도록 분리 변수를 제어함으로써 제어될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 제 1 단계 선별기와 연마기 사이에는 미세한 바닥 애시 부분을 분리하기 위한 제 2 단계 선별기가 배치되며, 가장 미세한 바닥 애시 부분은 보일러에서 제 2 연소 생성물로서 제거된다. 가장 미세한 바닥 애시 부분은 미리 설정된 제 3 한계보다 더 작은 중앙 입자 크기를 갖고, 비교적 높은 CaSO4 농도를 갖는다. 제 2 단계 선별기를 사용할 때, 미세한 바닥 애시 부분은 가장 미세한 바닥 애시 부분과 중간 크기의 바닥 애시 부분으로 나뉘어진다. 이로써, 중간 크기의 바닥 애시 부분만이 연마기로 전달되고, 가장 미세한 바닥 애시 부분은 조대한 바닥 애시 부분과 마찬가지로 장치로부터 배출된다.
제 1 단계 선별기와 제 2 단계 선별기에서의 바닥 애시의 선별은 원심분리기, 에어 선별기, 또는 체와 같은 임의의 적당한 장치로 수행된다. 제 1 단계 선별 중에, 즉 제 1 단계 선별기에서의 선별 동안에, 임의의 하류측 장치의 마모와 부식을 야기할 가능성이 높은 가장 큰 입자들은 미세한 바닥 애시 부분으로부터 분리된다. 제 1 선별의 특별한 이점은, 가장 큰 입자들을 제거함으로써 미세한 바닥 애시 부분의 예를 들어 모래나 SiO2 와 같은 규산염과 Fe2O3 의 상대적인 량이 감소된다는 것이다. 제 2 단계의 선별의 특별한 이점은, 가장 작은 입자들을 제거함으로써, 미세한 바닥 애시에서 부산물, 예를 들어 CaSO4 의 상대적인 양이 감소된다는 것이다. 따라서, 상기한 선별은 SO2 제거에 불활성인 물질의 상대적인 양을 감소시키기 때문에 특히 유리하다.
다른 한편으로, 바닥 애시의 선별 중에, 조대한 바닥 애시 부분과 가장 미세한 바닥 애시 부분의 석회 함량이 감소된다. 이로써, 안정화된 매립을 위한 조대한 바닥 애시 부분과 가장 미세한 바닥 애시 부분의 사용가능성이 향상된다. 이러한 이유 때문에, 조대한 바닥 애시 부분과 가장 미세한 바닥 애시 부분들은 CFB 보일러의 제 1 및 제 2 연소 생성물로서 고려되어야 한다.
본 발명에 따르면, 미세한 또는 중간 크기의 바닥 애시 부분은 선별 단계로부터 연마 단계를 거치게 된다. 선별 단계는 바닥 애시의 가장 큰 그리고 대부분의 부식성 물질의 양을 제거하거나 적어도 감소시키기 때문에, 연마 장비는 단순하고 저비용의 설계로 될 수 있다. 연마 장치는 예를 들어, 해머 밀(hammer mill)일 수 있다. 본 발명에 따르면, 선별 단계 다음에만 연마 단계를 수행하는 것이 중요하며, 그것은 순서를 반대로 하게 되면 전술한 선별의 이점을 잃게 되기 때문이다.
미세한 또는 중간 크기의 바닥 애시 부분을 연마하는 것은 각각의 바닥 애시 부분의 CaO 함량에 의존하는 입자 크기 분포로 수행되는 것이 유리하다. 이로써, 미리 설정된 제 2 한계는 각각의 바닥 애시 부분의 CaO 함량에 의존한다. 산화칼슘의 함량이 높을수록 바닥 애시를 연마할 필요성이 적어진다는 것이 발견되었다. 따라서, 예를 들어, CaO 함량이 10%일 때, 입자들의 50%가 약 5 ~ 10㎛ 보다 작은 입자 크기를 가질 때까지 연마를 수행하는 것이 바람직하다. 즉, 미리 설정된 제 2 한계가 5 ~ 10 ㎛이거나, 연마된 바닥 애시의 입자 크기 분포가 5 ~ 10 ㎛의 중앙 크기를 갖는다. 다른 한편, 바닥 애시 부분의 CaO 함량이 예를 들어, 40%, 90% 및 95%로 더 커질 때, 그렇게 많은 연마가 필요치 않으며, 각각 15-20 ㎛, 30-40 ㎛ 및 60-70 ㎛ 의 중앙 입자 크기를 가지면 충분하다.
최적 연마로 단순히 맞춘 결과는 10 % ~ 90 % 의 CaO 함량에 대해, 입자들은 0.43*M ±3 ㎛ 의 중앙 입자 크기를 갖도록 연마되는 것이 바람직하며, 여기서 M은 백분율로 표시되는 CaO 함량이다. 전술한 최적 연마에 대한 이유는, 높은 CaO 함량을 갖는 입자들은 후속 단계, 즉 입자들의 수화 동안에 효율적으로 파쇄되므로, 기계적인 연마가 덜 필요하다는 것이다. 입자들의 CaO 함량이 작으면, 입자들은 건식 CFB 스크러버를 위한 효율적인 흡수제를 얻기 위해 비교적 낮은 중앙값을 갖는 입자 크기 분포로 유리하게 연마된다. CaO 함량이 더 높으면, 연마를 덜 함으로써 연마 에너지를 절감할 수 있다.
중앙값 대신에 더 큰 입자들의 입자 크기 분포를 고려하면, 10%의 산화칼슘 함량을 갖는 바닥 애시는 입자들의 90%가 20-30 ㎛ 미만의 입자 크기를 갖게 될 때까지 연마하는 것이 바람직하다. 이에 상응하여, 40 %, 90 % 및 95 %의 산화칼슘 함량에 대하여, 바닥 애시 부분은 70-80 ㎛, 300-400 ㎛ 및 1000-2000 ㎛의 한계 미만의 입자들을 90% 갖는 입자 크기 분포로 연마되는 것이 바람직하다.
미세한 또는 중간 크기의 바닥 애시 부분의 적어도 일부분은 연마 단계로부터 다음의 물 및/또는 스팀으로 수행하는 수화 단계로 전달된다. 수화는 수화된 생성물이 기본적으로 건조하도록 적은 량에 의해 수행되는 것이 바람직하다. 바닥 애시의 수화된 부분은 수화장치로부터 CFB 건식 스크러버로 직접 전달되거나 사일로(silo)로 전달되며, 상기 사일로에서 필요할 때 스크러버로 주입된다.
수화에 사용된 장치는 CFB 수화장치인 것이 바람직하지만, 대안적으로 다른 적당한 종류의 수화장치일 수도 있다. 수화 파라미터, 즉 물 함량, 온도와 반응 시간들을 조절함으로써, 활성화된 바닥 애시의 품질은 표준 품질의 시약에서 고품질의 시약으로 변화될 수 있다; 후자는 예를 들어 증가된 습도 함량 및/또는 증가된 표면적을 갖는 수화된 석회로 구성된다.
배기가스의 상기한 탈황 과정은 어떤 경우에는 선택적으로 다른 물질 흐름에 의해 보완될 수 있다. 예를 들어, 생석회 및/또는 CFB 스크러버의 하류측에 배치된 더스트 분리기에 의해 수집된 물질의 일부분을 수화기로 전달하여, CFB에 다른 활성화된 흡수제를 생성한다. 다른 가능성은 연마 단계로부터 미세한 또는 중간 크기의 바닥 애시를 노에 전달하여 황 흡수제로서 사용하도록 한다. 일부 실시예들에서, CFB 스크러버의 하류측에 배치된 더스트 분리기에 의해 수집된 물질의 일부를 CFB 보일러의 노에 전달하여 CaSO3 또는 CaSO4 를 산화시키도록 하는 것도 유리하다.
상기한 간략한 설명과 함께 본 발명의 다른 목적과, 특징 및 장점들은 첨부한 도면을 참고하여 아래의 예시적인, 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명을 참고하면 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 산화황의 방출을 감소시키기 위한 장치의 순환 유동상 보일러의 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따라 산화황 방출을 감소시키기 위한 장치의 순환 유동상 보일러의 개략적인 도면이다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따라 산화황 방출을 감소시키기 위한 장치의 순환 유동상 보일러의 개략적인 도면이다.
도 4는 제 4 실시예에 따라 산화황 방출을 감소시키기 위한 장치의 순환 유동상 보일러의 개략적인 도면이다.
도 1의 개략도는 순환 유동상 보일러로부터의 산화황 방출을 감소시키기 위한 건식 순환 유동상(CFB) 스크러버(scrubber)(22)를 구비한 순환 유동상(CFB) 보일러(10)를 보여준다. 보일러의 노(12)는 석탄, 펫코크(petcoke) 또는 바이오연료와 같은 황-함유 연료(14), 석회석과 같은 CaCO3-함유 황 흡수제(16), 및 모래와 같은 불활성 베드(bed) 물질(18)을 노에 도입하는 수단을 포함한다. 연료는 노 속에서 도 1에 도시되지 않은 공기와 같은 연소가스와 함께 연소되어, 도 1에 도시되지 않은 스팀을 발생시킨다. 연소 동안에, 연료에 함유된 황은 황산화물, 주로 SO2 로 산화된다. CFB 보일러의 노 내부의, 통상 750 ℃ - 950 ℃의 온도에서, 흡수제의 탄산칼슘은 산화칼슘(CaO)으로 하소되며, 그 산화칼슘은 이산화황과 결합하여 아황산칼슘으로 되고, 다시 황산칼슘으로 산화된다. 산화칼슘 입자들의 황산화는 입자들의 외측 표면에서 주로 일어나며, 산화칼슘의 이용이 완전하지 않다. 따라서, 연소 과정은 일반적으로 이산화황-함유 연도가스와 애시를 생성하고, 애시는 황산칼슘 층으로 덮힌 산화칼슘 입자들을 포함한다.
예를 들어, 미국특허 제 7,427,384 호의 가르침에 따라, 노(12)에서 발생하는 황 감소 과정은 보일러의 배기가스 채널(20)에 배치된 건식 순환 유동상(CFB) 스크러버(22)에서의 추가 황 감소에 의해 보완된다. CFB 스크러버의 주요 요소들은 반응기(28), 더스트 분리기(30) 및 상기 더스트 분리기에 의해 분리된 애시의 일부를 반응기로 순환시키기 위한 재순환 채널(34)을 포함한다. 반응기(28)는, 이산화황-함유 연도가스를 수산화칼슘과 반응하게 하여 아황산칼슘과 황산칼슘을 형성하도록, 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 물을 각각 반응기(28)에서 형성되는 유동상에 분사하는 수단(24,26)을 포함한다. 배기가스와 그에 실린 입자들은 반응기로부터 섬유질 필터와 같은 더스트 분리기(30)로 전달되어, 입상 물질(32)을 배기가스로부터 분리한다. 더스트 분리기로부터 전달된 세정된 배기가스는 대기로 방출된다. 더스트 분리기(30)에서 분리된 입상 물질의 일부는 재순환 채널(34)을 따라 반응기로 다시 재활용되며, 입상 물질 중 다른 부분은 배출 채널(36)을 따라 스크러버의 최종 생산물로서 호퍼(38)로 전달된다.
본 발명에 따르면, 산화칼슘-함유 바닥 애시(40)는 노(12)로부터 제 1 단계 선별기(42)로 전달되며, 거기서 CFB 보일러로부터 제 1 연소 생성물로서 다른 호퍼(46)로 제거되도록, 미리 설정한 한계보다 더 큰 입자 크기를 갖는 바닥 애시(44)의 일부분, 소위 조대한 바닥 애시 부분을 분리한다. 상기 제 1 단계 선별기(42)는 체(sieve)인 것이 유리하지만, 저효율의 사이클론 또는 원심분리기와 같은 다른 적당한 유형의 것일 수도 있다. 상기 선별기의 종류를 선택할 때, 체는 입자들을 거의 완전히 그 크기에 기초하여 선별하는 반면, 사이클론에 의한 선별의 경우 그 결과가 입자들의 밀도 또는 질량에 의존한다. 따라서, 저효율 사이클론은 바닥 애시로부터 규산염과 같은 비교적 높은 밀도를 갖는 입자들을 선별하는데 특히 유용하다. 선별 한게를 적절히 선택함으로써, 조대한 바닥 애시 부분의 산화칼슘 함량은 잔류하는 미세한 바닥 애시 부분의 산화칼슘 함량보다 분명히 더 작을 수 있다. 비교적 낮은 산화칼슘 함량 때문에, 제 1 연소 생성물은 추가 처리 없이 예를 들어 매립용으로 사용될 수 있다.
도 1은 또한, 제 1 단계 선별기(42)와 연마기(50) 사이에 배치된, 사이클론과 같은 선택적인 제 2 단계 선별기(42')를 보여준다. 제 2 단계 선별기에서, 미세한 바닥 애시 부분은 가장 미세한 바닥 애시 부분과 중간 크기의 바닥 애시 부분으로 더 선별된다. 황산칼슘이 풍부한 가장 미세한 바닥 애시 부분은 보일러로부터 제 1 연소 생성물과 함께 또는 제 2 연소 생성물로서 별개로 배출된다. 통상적으로, 조대한 분획과 미세한 분획 쌍방은 바닥 애시 전체 양의 10 ~ 60%이다. 장치가 제 2 단계 선별기(42')를 포함할 때, 통상적으로 중간 크기의 분획은 바닥 애시 전체 양의 10 ~ 60 %이고, 가장 미세한 것의 분획은 10 ~ 40 % 이다.
미세한 또는 중간 크기의 바닥 애시 부분은 제 1 또는 제 2 단계 선별기(42, 42')로부터 미세한 애시 채널(48)을 따라 연마기(50)로 전달된다. 연마기는 해머 밀인 것이 유리하지만, 대신에 다른 적당한 유형일 수도 있다. 연마기의 상류측에서의 애시 입자들의 선별 때문에, 연마기에 공급될 물질은 부식성이 크지 않으며, 연마기는 단순하고 저비용의 디자인일 수 있다.
칼슘 입자들은 연마중에 부서지며, 황산칼슘 층 뒤로부터 생석회가 노출된다. 산화칼슘-함유 바닥 애시의 미세한 또는 중간 크기의 부분이 미리 설정된 입자 크기 분포를 갖도록 연마기에서 연마된다. 바닥 애시 부분의 산화칼슘 함량이 클수록 연마에 대한 필요성이 덜해진다. 요구되는 입자 크기 분포는 미세한 또는 중간 입자 크기 부분의 산화칼슘 함량에 의존하기 때문에, 장치는 바닥 애시 부분의 측정된 산화칼슘 함량에 기초하여 연마기를 제어하는 수단(74)을 포함하는 것이 유리하다. 산화칼슘 함량의 측정은 온-라인 분석기에 의해 수행될 수 있지만, 많은 경우에는 흔히, 미세한 또는 중간 크기의 바닥 애시 부분으로부터 취한 샘플의 산화칼슘 함량 또는 칼슘 함량의 분석으로도 충분하다. 그리고 나서, 연마기의 파라미터는 바닥 애시 부분의 산화칼슘 함량을 고려하여 미세한 또는 중간 크기의 바닥 애시 부분의 질량 흐름에 기초하여 조정된다.
연마된 바닥 애시는 연마된 애시 채널(52)을 통해 연마기로부터 수화기(54)로 전달되고, 그곳에서 산화칼슘은 미리 설정된 량의 물이나 스팀(56)에 의해 수화되거나 또는 건식 소화되어 수산화칼슘을 형성한다. 수화기는 CGB 수화기인 것이 유리하지만, 대신에 다른 적당한 유형일 수도 있다. 생성된 수산화칼슘 입자들의 표면적과 수분 함유량은 수화기의 공정 파라미터들을 변화시키는 알려진 방식으로 변화될 수 있다. 칼슘 함유 애시 입자들, 특히 높은 산화칼슘 함유량을 갖는 입자들은 수화 중에, 수화와 관련한 체적 변화 때문에 매우 작은 입자로 파쇄된다. 수화석회는 수화기로부터 수화된 애시 채널(58)을 따라 CFB 스크러버(22)의 반응기(28)로 전달되어 흡수제로서 사용된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 생석회(60)의 흐름이 건식 소화되도록 수화기에 도입되어, 수산화칼슘 공급수단(24)으로 공급되는 흡수제 대신에 또는 추가로 CFB 스크러버에 전달될 흡수제를 형성한다.
배기가스를 탈황하는 전술한 방법은 어떤 경우에는 다른 물질의 흐름들에 의해 선택적으로 보완될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 본 발명의 실시예에서, 더스트 분리기(30)에 의해 수집된 물질의 일부가 채널(62)을 따라 수화기(54)로 전달된다. 이로써, 배기가스에 실린 산화칼슘 입자들은 활성화되어 물을 추가함으로써 수산화칼슘으로 변환된다. 그리고 나서, 활성화된 입자들은 채널(58)을 따라 흡수제로서 CFB 스크러버(22)의 반응기로 안내된다. 이러한 특징은 배기가스에 실리는 플라이 애시의 양과 산화칼슘의 함량이 클 때 특히 유리하다.
도 3에 도시된 본 발명의 실시예에서는, 활성화된 미세한 또는 중간 크기의 바닥 애시 부분의 일부분이 연마기(50)로부터 직접 노(12)로 다시 전달된다. 연마기에서의 활성화 동안에 황산칼슘 뒤로부터 생석회가 노출되기 때문에, 연마된 바닥 애시 부분은 노에서 효율적인 흡수제로서 작용할 수 있다. 이것은 석회석 또는 탄산칼슘을 노에 공급할 필요성을 감소시킬 것이다.
도 4에 도시된 본 발명의 실시예에서, 반응기(28)의 하류측에 배치된 더스트 분리기(30)에 의해 수집된 물질의 일부분이 채널(70)을 따라 CFB 보일러의 노(12)에로 전달된다. 이 물질의 흐름은, 추가적인 처리 없이 다른 용도를 위해 운송될 수 있는 안정된 연소 생성물을 생성하도록, 더스트 분리기(30)에 의해 수집된 애시의 탄산칼슘을 황산칼슘으로 산화시키는데 특히 유용하다.
본 발명의 주요 개념은 CFB 보일러의 바닥 애시로부터 건식 CFB 스크러버로의 흡수제를 형성하는 것이다. 이것은 CFB 보일러의 효율을 증가시키고 처리에서의 석회석과 석회 소비를 절감하며, 유용한 최종 생산물을 얻을 수 있도록 한다.
본 발명은 현재 가장 바람직한 실시예로 고려되는 것과 관련한 예를 들어 설명되었지만, 본 발명은 기술된 실시예에 제한되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에서 한정된 본 발명의 범위내에 포함된 특징들 및 여러 다른 이용에 대한 여러 조합 또는 변경을 포함하도록 의도된 것이다. 예를 들어, 연마된 또는 수화된 칼슘 함유 애시의 흐름은 도 1 내지 4에서 CFB 스크러버의 반응기에 또는 노 또는 수화기에 직접 주입되는 것으로 도시되어 있지만, 대응하는 사일로를 통한 선택적으로 간접적인 흐름일 수도 있다. 또한, 예를 들어, 도 2에서와 같이 더스트 분리기(30)로부터의 물질 활성화와 도 3에 도시된 바와 같은 연마기로부터 노로의 활성화된 애시의 전달을 결합함으로써, 단일 장치에서 도 2 내지 4에 도시된 다른 물질 흐름들을 사용하는 것도 가능하다. 또한, 도 1에 도시된 제 2 단계 선별기(42')를 도 2 내지 4의 실시예에 구비하는 것도 가능하다.

Claims (11)

  1. 순환 유동상 보일러에서 황함유 연료를 연소시키는 방법으로서,
    a) 보일러의 노 (furnace) (12) 에 황 함유 연료(14)를 공급하고, 상기 연료를 연소시키고, SO2-함유 배기가스를 발생시키는 단계;
    b) CaCO3 를 CaO 로 변환시키도록 상기 노에 CaCO3-함유 흡수제(16)를 공급하고, 상기 노에서 상기 CaO 의 일부를 이용하여 상기 SO2 의 일부분을 CaSO4 로 변환시키는 단계;
    c) 상기 노에서부터,
    상기 배기가스의 SO2 를 CaSO3 와 CaSO4 로 변환시키도록 물과 Ca(OH)2 를 공급하는 수단을 구비한 반응기(28)와, 상기 배기가스로부터 입상 물질(particulate matter)을 분리하도록 상기 반응기와 가스 유동 연결된 더스트 분리기(30)를 포함하는 건식 순환 유동상 스크러버(22)로,
    배기가스 채널(20)을 따라 상기 배기가스를 전달하는 단계;
    d) 상기 노에서 CaO-함유 바닥 애시(bottom ash)(40)를 제거하는 단계;
    e) 제거된 상기 CaO-함유 바닥 애시의 적어도 일부분을, 제 1 단계 선별기(42)에서, 미리 설정된 제 1 한계보다 더 큰 입자 크기를 갖는 입자들로 구성된 조대한(coarse) 바닥 애시 부분과 미세한 바닥 애시 부분으로 선별(classify)하는 단계;
    f) 상기 보일러로부터 상기 조대한 바닥 애시 부분을 제 1 연소 생성물(46)로서 제거하는 단계;
    g) 상기 제 1 단계 선별기(42)로부터 상기 미세한 바닥 애시 부분을 제 2 단계 선별기(42')로 전달하여, 상기 미세한 바닥 애시 부분을 가장 미세한 바닥 애시 부분과 중간 크기의 바닥 애시 부분으로 선별하는 단계;
    h) 상기 가장 미세한 바닥 애시 부분을 제 2 연소 생성물로서 제거하는 단계;
    i) 상기 중간 크기의 바닥 애시 부분을 연마기로 전달하여, 상기 중간 크기의 바닥 애시 부분을 미리 설정된 제 2 한계의 중앙 입자 크기를 갖도록 연마하는 단계;
    j) 연마된 상기 바닥 애시 부분의 적어도 일부분을 상기 연마기로부터 수화기(54)로 전달하여, 상기 연마된 바닥 애시 부분의 CaO 를 제어된 양의 물 또는 스팀(56)으로 Ca(OH)2 로 수화시키는 단계; 및
    k) Ca(OH)2 의 적어도 일부분을, 흡수제로서, 상기 수화기(54)로부터 건식 순환 유동상 스크러버(22)로 전달하는 단계
    를 포함하는, 순환 유동상 보일러에서 황함유 연료를 연소시키는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 미리 설정된 제 2 한계는 상기 연마기로 전달된 상기 바닥 애시 부분의 CaO 함량에 의존하는 것을 특징으로 하는, 순환 유동상 보일러에서 황함유 연료를 연소시키는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 미리 설정된 제 2 한계는 상기 연마기로 전달된 상기 바닥 애시 부분의 CaO 함량이 낮을수록 더 작은 것을 특징으로 하는 순환 유동상 보일러에서 황함유 연료를 연소시키는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 미리 설정된 제 2 한계는, 식 0.43*M ±3 ㎛ 에 의해, 상기 연마기로 전달된 상기 바닥 애시 부분의 CaO 함량에 의존하며, 상기 식에서 M은 백분율로 표시되는 CaO 함량인 것을 특징으로 하는, 순환 유동상 보일러에서 황함유 연료를 연소시키는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 수화기(54)에 생석회(fresh CaO; 60)를 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 순환 유동상 보일러에서 황함유 연료를 연소시키는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 더스트 분리기(30)로부터 분리된 상기 입상 물질을 수화기(54)로 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 순환 유동상 보일러에서 황함유 연료를 연소시키는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 연마기로부터 연마된 상기 미세한 애시 부분의 일부분을 상기 노(12)에 직접 전달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 순환 유동상 보일러에서 황함유 연료를 연소시키는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 더스트 분리기(30)로부터 분리된 상기 입상 물질의 일부분을 상기 노(12)에 직접 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 순환 유동상 보일러에서 황함유 연료를 연소시키는 방법.
  9. 순환 유동상 보일러(10)에서 황함유 연료를 연소시키는 장치(apparatus)로서,
    - 노 (furnace) (12) 와, 황 함유 연료(14)를 연소시키고 SO2-함유 배기가스를 발생시키도록 상기 노에 상기 황 함유 연료를 공급하는 수단;
    - CaCO3 를 CaO 로 변환시키도록 상기 노에 CaCO3-함유 흡수제(16)를 공급하고, 상기 노에서 상기 CaO 의 일부를 이용하여 상기 SO2 의 일부분을 CaSO4 로 변환시키는 수단;
    - 상기 노에서부터, 상기 배기가스의 SO2 를 CaSO3 와 CaSO4 로 변환시키도록 물과 Ca(OH)2 를 공급하는 수단을 구비한 반응기(28)와, 상기 배기가스로부터 입상 물질을 분리하도록 상기 반응기와 가스 유동 연결된 더스트 분리기(30)를 포함하는 건식 순환 유동상 스크러버(22)로 상기 배기가스를 전달하기 위한 배기가스 채널(20);
    - 상기 노로부터 CaO-함유 바닥 애시(40)를 제거하는 수단;
    - 제거된 상기 CaO-함유 바닥 애시의 적어도 일부분을, 미리 설정된 제 1 한계보다 더 큰 입자 크기를 갖는 입자들로 구성된 조대한 바닥 애시 부분과 미세한 바닥 애시 부분으로 선별하기 위한 제 1 단계 선별기(42);
    - 상기 제 1 단계 선별기로부터 상기 조대한 바닥 애시 부분을 호퍼(46)로 제거하기 위한 배출 채널(44);
    - 상기 미세한 바닥 애시 부분을 중간 크기의 바닥 애시 부분과 미리 설정된 제 3 한계보다 더 작은 입자 크기를 갖는 입자들로 이루어진 가장 미세한 바닥 애시 부분으로 선별하기 위한 제 2 단계 선별기(42');
    - 상기 가장 미세한 바닥 애시 부분을 제거하기 위한 배출 채널;
    - 상기 중간 크기의 바닥 애시 부분을 미리 설정된 제 2 한계의 중앙 입자 크기를 갖도록 연마하기 위하여 상기 중간 크기의 바닥 애시 부분을 연마기(50)로 전달하도록 상기 중간 크기의 바닥 애시 부분을 미세한 애시 채널(48)로 전달하는 수단;
    - 상기 연마된 바닥 애시 부분의 CaO 를 제어된 양의 물 또는 스팀(56)으로 Ca(OH)2 로 수화시키기 위해 상기 연마기(50)로부터 연마된 상기 바닥 애시 부분의 적어도 일부분을 수화기(54)로 전달하기 위한 연마된 애시 채널(52), 및
    - 상기 수화기(54)로부터 상기 Ca(OH)2 의 적어도 일부분을 흡수제로서 상기 건식 순환 유동상 스크러버(22)로 전달하기 위한 수화된 애시 채널(58)
    을 포함하는 것을 특징으로 하는, 순환 유동상 보일러에서 황함유 연료를 연소시키는 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 장치는, 상기 연마기로 전달되는 상기 바닥 애시 부분의 CaO 함량에 기초하여 상기 연마기(50)를 제어하는 수단(74)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 순환 유동상 보일러에서 황함유 연료를 연소시키는 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 장치는, 상기 연마기로부터 연마된 바닥 애시 부분의 일부분을 상기 노(12)에 전달하는 수단(66)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 순환 유동상 보일러에서 황함유 연료를 연소시키는 장치.
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