KR101609962B1 - 바이오매스 단독 연소 버너, 바이오매스 혼합 연소 보일러, 및 바이오매스 연료 연소방법 - Google Patents

Abstract

미분탄을 태우는 보일러에 적용해서 바이오매스 연소시키는 바이오매스 단독 연소 버너와, 화석 연료 기원의 CO2 양을 삭감하는 바이오매스 혼합 연소 보일러와, 이들을 이용한 바이오매스 연료 연소방법을 제공한다. 1차 공기에 반송된 바이오매스 연료를 분출하는 연료 분출구(19)를 구비한 바이오매스 연료 분출 노즐(10)과, 연료 분출구를 둘러싸는 2차 공기 분출구(23)를 구비한 2차 공기 노즐(20)과, 2차 공기 노즐 분출구를 둘러싸는 3차 공기 분출구(27)를 구비한 3차 공기 노즐(25)을 설치하고, 바이오매스 연료 분출 노즐에 바이오매스 연료류를 선회류로 교환해서 연료 농도를 외주부측에 짙게 분포시키는 연료 농도 조정부(15)와, 분출하는 연료류의 선회를 억제하는 선회도 조정판(17)을 구비하고, 2차 공기량을 억제해서 연료류와 3차 공기류 사이에 완충류를 형성시켜 착화성과 보염성을 향상시키는 바이오매스 단독 연소 버너를 구비한다.

Description

바이오매스 단독 연소 버너, 바이오매스 혼합 연소 보일러, 및 바이오매스 연료 연소방법{BIOMASS-ONLY COMBUSTION BURNER, BIOMASS-MIXED COMBUSTION BOILER, AND BIOMASS FUEL COMBUSTION METHOD}

본 발명은 바이오매스 연료를 보조 연료로 해서 석탄을 태우는 보일러에 사용하는 바이오매스 단독 연소 버너 및 바이오매스 단독 연소 버너를 설비한 바이오매스 혼합 연소 보일러, 및 바이오매스 연료의 연소방법에 관한 것이다.

최근, 지구 온난화 대책의 계획적인 추진 실행이 요구되고 있다. 일본에서 배출되는 온실 효과 가스 중, 최근에는 에너지 기원의 CO2가 약 90%를 차지한다. 또한 전체 발전 중 석탄 화력 발전이 50%의 CO2를 배출하는 상황에 있다. 따라서, 석탄을 태우는 화력 발전 설비에 관해서 환경 부하가 적은 신에너지의 이용 촉진이 요구된다.

이러한 상황 하, 일본에서는 "전기 사업자에 의한 신에너지 등의 이용에 관한 특별 조치법"(이하, "RPS법"이라 함)이 제정되어 전기 사업자에 대해서 매년 그 판매 전력량에 따른 일정 비율 이상의 신 에너지 등을 이용해서 얻어지는 전기를 이용하는 것을 의무화함으로써 신에너지 등의 이용을 추진하는 시책이 채용되고 있다.

RPS법에 의해, 전기 사업자는 바이오매스를 보조 연료로 해서 이용한 혼합 연소 방식이 아니면 석탄을 태우는 화력 발전 설비를 신설할 수 없다. 기설의 설비에 있어서도 바이오매스 혼합 연소 방식의 도입이 요구되고 있다.

유기물은 지구 상에서 자연으로 분해·흡수·방출을 반복해서 순환하고 있기 때문에 바이오매스 에너지에 의해서 배출되는 CO2는 같은 양의 CO2 흡수원을 확보함으로써 수지를 균형시킬 수 있다. 따라서, 순환 자원인 목질 바이오매스를 연료로 한 바이오매스 발전은 대기 중의 CO2 부하를 실질적으로 증대시키는 것이 아니라 신에너지로서 큰 기대를 담당하고 있다. 수집이 용이한 목질 바이오매스로서 목질 펠릿, 목질 칩 등이 있다.

또한, 석탄을 태우는 보일러에 있어서 바이오매스 연료를 보조 연료로 해서 이용하면 화석 연료의 절약과 CO2 배출량의 삭감뿐 아니라 바이오매스 연료는 질소 성분의 함유량이 적기 때문에 연소 배기 가스의 저 NOx화를 도모할 수 있다.

종래에서 사용되고 있는 혼합 연소식의 석탄을 태우는 보일러로서 종래의 미분탄 버너, 또는 석탄과 바이오매스 연료를 동시에 공급하는 혼합 연소 버너를 이용해서 미분탄과 바이오매스 연료를 혼합한 분체 연료를 연소시키는 혼합 연소 보일러가 있다. 대표적인 방식은 종래의 미분탄을 태우는 보일러를 이용해서, 예를 들면 롤러 밀 등 석탄을 미분쇄하는 밀에 목질 바이오매스 원료를 첨가해서 미분탄과 바이오매스의 혼합 연료를 제조하고, 이것을 반송 공기에 실어서 미분탄 버너에서 연소시키는 것이다.

롤러 밀에서는 버너의 연소 효율을 높이기 위해서 석탄을 통상 200 ㎛ 이하, 바람직하게는 70 ㎛ 정도의 미분탄으로 한다. 이때, 바이오매스 연료도 함께 극미세하게 분쇄한다. 한편, 롤러 밀에 석탄과 목질 바이오매스를 동시에 투입해서 처리하면 제품 입도가 악화해서 100 ㎛ 이상의 굵은 성분이 증가한다. 도 7은 롤러 밀에 대해서 목질 바이오매스를 5% 혼입했을 때의 분쇄 입도 분포를 석탄만을 처리했을 때와 비교한 것이다. 그래프는 제품 연료의 입도에 대해서 횡축에 체눈을 로그 눈금으로 나타내고, 종축에 체의 통과 중량 백분율을 나타내고 있다. 목질 바이오매스의 혼입에 의해 제품 연료의 입도 분포가 굵은 쪽과 잘은 쪽 모두로 확대되고 있다는 것을 알 수 있다.

또한, 목질 바이오매스 연료와 미분탄은 연소 특성이 다르다. 예를 들면 휘발분은 석탄의 2배이다. 발열량은 목질 펠릿인 경우은 석탄의 2/3, 목질 칩인 경우는 1/2이다. 또한 회분은 목질 펠릿이나 목질 칩인 경우는 석탄의 1/10 이하이다. 따라서, 미분탄 버너로서 설계된 버너에서 바이오매스 연료를 혼합 연소하는 것은 혼합비의 한계가 존재한다.

미분탄 보일러 바이오매스 연료 혼합비의 공업적 실제 값은 3%이고, 한계는 5% 정도로 추정된다.

향후의 추세를 감안하면, 미분탄에 목질 바이오매스 연료를 보조 연료로서 첨가하여 혼합 연소하는 혼합 연소 보일러에 있어서 혼합 연소율이 중량비로 30% 정도로 이루어지면 활용 가능성이 크게 증가할 것으로 기대된다. 미분탄 버너를 이용할 경우는 바이오매스 연료가 높은 혼합 연소율을 얻을 수 없으므로 바이오매스 단독 연소 버너를 도입하는 것이 고려된다.

목질 바이오매스 연료는 잘게 분쇄할수록 분쇄에 필요한 동력이 증대하여 원단위를 증가시킨다. 한편, 목질 바이오매스 연료는 같은 입경이면 석탄보다 타기 쉽기 때문에 분쇄 입자를 작게 할 필요가 없다. 목질 바이오매스 연료의 연소 특성이 미분탄과 다르기 때문에 목질 바이오매스 연료를 효율적으로 연소시키기 위해서는 목질 바이오매스 연료에 특화된 바이오매스 단독 연소 버너를 사용하는 것이 바람직하다.

바이오매스 단독 연소 버너를 사용할 경우, 미분탄과 독립적으로 목질 바이오매스 연료에 적합한 조건에서 미분쇄기를 운전하고, 미분탄 버너를 사용할 석탄에 대해서 적절한 혼합 연소 비율을 선택하여 혼합 연소 보일러를 운전할 수 있다.

보일러로서의 혼합 연소율은 미분탄 연소 버너 및 바이오매스 단독 연소 버너의 설치수, 및 연소 효율에 따라서 결정된다.

특허문헌 1에는 미분탄과 바이오매스 연료를 다른 계통으로 각각 화로에 투입해서 연소시키는 혼합 연소 보일러에 적용되는 바이오매스 단독 연소 버너가 개시되어 있다. 개시된 바이오매스 단독 연소 버너의 바이오매스 연료 분출 노즐은 노즐 내의 중심부 중앙에 바이오매스 연료의 편류를 방지하는 분산 장치를 설치하고, 노즐 내의 상류부에 연료의 유속을 상승시켜 분산 장치에 바이오매스 연료 입자를 충돌시키기 위한 벤투리를 구비히며, 노즐의 선단에 바이오매스 연료의 흐름을 급확대시키는 계단 형상 확대 구조의 보염기를 설치하고, 노즐의 외측에 2차 공기의 선회류를 공급하는 연소용 공기 노즐을 설치한 것이다.

바이오매스 단독 연소 버너는 소정량의 바이오매스 연료를 연소시키기 위해서 최적화된 것이고, 적용되는 화로에 있어서 요구되는 바이오매스 연료 처리량에 따라서 설치수를 결정할 수 있다. 특허문헌 1에는 혼합 연소율 15%의 실시예가 기재되어 있다.

또한, 바이오매스 단독 연소 버너는 미분탄 단독 연소 버너와 2단 연소용 공기 분출구 사이에 설치하는 것이 바람직하다.

또한, 특허문헌 2에는 미분탄과 바이오매스 연료의 혼합 연소 버너가 설치된 보일러, 및 바이오매스 연료를 간헐 공급해서 연소시키는 바이오매스 연료 연소용 버너로서 유용되는 기동용 또는 보조용 버너가 설치된 보일러가 개시되어 있다. 그러나, 특허문헌 2에는 바이오매스 단독 연소 버너의 구체적 형태, 사용상의 문제점, 해결방법 등이 기재되어 있지 않다.

특허문헌 3은 미분탄 단독 연소 버너를 개시한 것이다. 개시된 버너는 바이오매스 연료와 비교해서 발열량이 크고, 연소에 필요한 공기량이 커서 비중이 크며, 따라서 최적인 입도가 작은 미분탄이 적합한 것이다. 목질 바이오매스 연료를 높은 효율로 연소시키기 위해서는 목질 바이오매스 연료에 대응해서 최적화할 필요가 있다.

일본 특허공개 2005-291534호 공보 일본 특허공개 2005-291524호 공보 일본 특허공개 평9-26112호 공보

미분탄을 태우는 보일러에서 바이오매스 연료를 혼합 연소해서 대량의 목질 바이오매스 연소를 가능하게 하는 바이오매스 단독 연소 버너, 화석 연료 기원의 C02 양을 삭감할 수 있는 바이오매스 혼합 연소 보일러, 및 바이오매스 단독 연소 버너를 이용한 바이오매스 연료 연소방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 바이오매스 단독 연소 버너는 벤트부를 갖고, 1차 공기에 반송된 바이오매스 연료를 분출하는 연료 분출구를 구비한 바이오매스 연료 분출 노즐과 연료 분출구의 개구를 둘러싸는 2차 공기 분출구를 구비하며, 2차 공기를 분출하는 2차 공기 노즐과 2차 공기 노즐 분출구의 개구를 둘러싸는 3차 공기 분출구를 구비하고, 3차 공기의 선회류를 분출하는 3차 공기 노즐을 갖는 바이오매스 연소 버너이다.

본 발명의 바이오매스 연소 버너는 벤트부에서 편류한 바이오매스 연료류를 축 주위에 선회하는 선회류로 변환해서 연료 농도를 관축측에 옅게 외주부측에 짙게 분포시키는 선회 날개를 바이오매스 연료 분출 노즐의 내부 중앙에 설치하고, 또한 연료 분출구로부터 분출하는 연료류의 선회를 억제하는 정류판을 연료 분출구의 바로 상류측의 내벽에 구비함으로써 연료 농도 분포를 적정화하며, 또한 2차 공기 분출구의 개구와 3차 공기 분출구의 개구를 조정해서 2차 공기량을 억제함으로써 연료류와 3차 공기류 사이에 완충류를 형성시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바이오매스 단독 연소 버너는 바이오매스 연료 분출 노즈의 벤트부 하류의 직관부에 관축을 관통시켜서 액체 연료를 공급하는 오일 공급 배관을 구비해도 좋다.

본 발명의 바이오매스 단독 연소 버너는 미분탄과 독립적으로 충격식 파쇄기(예를 들면, EARTHTECHNICA Co, Ltd. 제품의 TSX형 슈레더(shredder)) 등의 2차 분쇄기를 사용해서 목질 바이오매스 원료를 2 ㎜ 미만의 입자로 형성한 바이오매스 연료를 1차 공기에 실린 연료류가 공급되어 로 내에서 연소시킨다.

바이오매스 단독 연소 버너를 설치한 화로에서의 연소 가스의 NOx를 감소시키기 위해서 바이오매스 연료를 환원 분위기 중에서 연소시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 바이오매스 단독 연소 버너는 바이오매스 연료 반송을 위해 15~25 ㎧ 정도의 유속이 필요하기 때문에 1차 공기량에 일정한 제약이 있다. 또한, 바이오매스 연료를 환원 분위기 중에서 효율적으로 연소시키기 위해서 1차 공기량이 바이오매스 연료의 중량에 대한 A/C값(Nm³/㎏)에서 0.8 이상 2.5 이하가 되도록 해서 운전하는 것이 바람직하다.

본 발명의 바이오매스 단독 연소 버너는 정격 연료량에 있어서는 A/C값이 2.5 이하, 정격에 대해서 60% 부하 상태에서는 A/C값이 1.5 이하에서 운전될 수 있다.

연료량이 60% 이상인 경우는 버너 정격의 연료량에 있어서의 A/C 2.5와 버너 정격에 대해서 60%의 연료량에 있어서의 A/C 1.5 사이를 비례 배분한 A/C값 이하가 되도록 해서 운전될 수 있다.

본 발명의 바이오매스 단독 연소 버너에서는 3차 공기류보다 작은 2차 공기류가 로 내에 방출된 바이오매스 연료를 노즐축 방향으로 다시 권취되어서 분출구 주변에 소용돌이를 형성함으로써 보염성을 향상시킴과 아울러 환원 분위기 중의 연소를 보다 장시간 지속시켜서 NOx 억제 효과를 높이는 작용을 갖는다.

또한, 본 발명의 바이오매스 혼합 연소 보일러는 본 발명의 바이오매스 단독 연소 버너를 미분탄을 태우는 보일러에 설비하고, 미분탄과 다른 미분쇄기에서 처리한 바이오매스 연료를 바이오매스 단독 연소 버너에 공급하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 바이오매스 단독 연소 버너는 미분탄을 태우는 보일러의 로 후에서 높은 위치에 설치한 미분탄 버너와 같거나 더 높은 위치에 설치될 수 있다. 또한, 바이오매스 단독 연소 버너는 미분탄 보일러의 로 전에 설치되어도 좋다.

본 발명의 바이오매스 혼합 연소 보일러는 바이오매스 연료를 대량으로 연소시켜서 석탄의 절약과 CO2의 방출 억제와 NOx 저감을 행할 수 있다.

또한, 본 발명의 바이오매스 연료 연소방법은 본 발명의 바이오매스 단독 연소 너버에 대해서 입자 분포가 2 ㎜ 미만으로 된 목질 바이오매스 연료를 1차 공기에 반송시켜서 유속이 15 ㎧~25 ㎧가 되는 연료류를 공급하고, 연소용 공기가 A/C 0.8 이상, 또한 버너 정격의 연료량에 있어서의 A/C 2.5와 버너 정격의 60%의 연료량에 있어서의 A/C 1.5 사이를 비례 배분한 A/C값 이하가 되도록 2차 공기와 3차 공기를 더 공급해서 바이오매스 연료를 연소시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바이오매스 연료 연소방법에 의해, 본 발명의 바이오매스 단독 연소 버너를 적절하게 가동시켜서 효과적으로 대량의 바이오매스 연료를 연소시킬 수 있다.

본 발명의 바이오매스 단독 연소 버너는 미분탄과 독립적으로 바이오매스 연료를 대량으로 연소시킬 수 있다.

또한, 신설 및 기설의 미분탄을 태우는 보일러에 대해서 바이오매스 단독 연소 버너를 적당수 설치해서 바이오매스 혼합 연소 보일러로서 바이오매스 연료를 연소시킨 석탄 연소량을 삭감하여 배기 가스 중의 NOx를 저감하고 화석 연료 기원의 CO2 배출량을 삭감하는 효과가 크다.

도 1은 본 발명의 1실시예에 관련된 바이오매스 단독 연소 버너의 개략 단면도이다.
도 2는 본 실시예의 바이오매스 단독 연소 버너에 사용되는 선회 날개의 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 실시예에 있어서의 바이오매스 연소 프로세스를 설명하는 플랜트 계통도이다.
도 4는 본 실시예의 바이오매스 단독 연소 버너의 보일러에의 설치예를 나타낸 개념도이다.
도 5는 본 실시예의 바이오매스 단독 연소 버너에 공급되는 바이오매스 연료의 입도 분포도이다.
도 6은 본 실시예의 바이오매스 단독 연소 버너의 운전 범위를 나타낸 버너 부하·A/C 관계도이다.
도 7은 종래의 미분탄 버너에서 연소되는 석탄과 바이오매스의 혼합 연료의 입도 분포도이다.

이하, 도면을 참조해서 본 발명의 실시형태에 대해서 설명한다.

도 1은 본 발명의 1실시예에 관련된 바이오매스 단독 연소 버너의 개략 단면도, 도 2는 바이오매스 단독 연소 버너에 사용되는 선회 날개의 예를 나타낸 도면이다. 도 2(a) 도는 선회 날개를 관축의 방향에서 본 정면도, 도 2(b) 도는 관축에 수직의 방향에서 본 측면도이다.

본 실시예의 바이오매스 단독 연소 버너(100)는 도 1에 나타낸 바와 같이, 바이오매스 연료 분출 노즐(10)과 2차 공기 노즐(20)과 3차 공기 노즐(25)을 구비한다. 바이오매스 연료 분출 노즐(10)의 관축에 보조 연료 공급관(31)을 설치해도 좋다.

바이오매스 연료 분출 노즐(10)은 1차 공기에 반송된 바이오매스 연료를 로 내에 공급하는 것이고, 바이오매스 연료가 배관 중에 체류하지 않는 15~25 ㎧ 정도의 풍속이 되는 양의 1차 공기가 사용된다. 바이오매스 연료 분출 노즐(10)에 있어서는 수평 방향으로 배치된 바이오매스 연료 공급관(11)에 대해서 도입관(12)을 벤드부(14)의 위치에서 거의 수직 방향으로 회합하고 있다. 바이오매스 연료 분출 노즐(10)은 도입관(12)으로부터 유입되는 연료류를 벤드부(14)에 설치한 반전판(13)에 충돌시켜서 거의 90° 굽어 있다. 벤드부(14)에서 연료류를 곡관에 의해서 매끄럽게 굽히면 원심력으로 흐르는 도중의 연료 입자가 곡관의 외주측에 편재해서 곡관 출구에서는 배관 내의 원주 방향의 원료 분포가 불균등하게 된다. 여기서 본 발명의 노즐에서는 평판의 반전판(13)에 연료류를 충돌시킴으로써 흐름을 어지럽혀서 배관 내의 연료 분포를 원주 방향으로 균등하게 하도록 하고 있다.

1차 공기에서 반송된 바이오매스 연료류는 벤드부(14)를 통과함으로써 흐름의 단면에 있어서의 바이오매스 연료의 농도 분포가 치우치므로, 그 하류인 바이오매스 연료 분출 노즐(11)의 내부 중앙에 연료 농도 조정부(15)를 설치해서 바이오매스 연료류에 있어서의 연료 농도를 조정한다.

연료 농도 조정부(15)는 도 2에 나타낸 바와 같이, 바이오매스 연료 분출 노즐(11)의 유로 중에 선회 날개(16)를 복수 설치함으로써 구성된다. 선회 날개(16)는 날개가 관축에 대해서 기울어져 있다. 선회 날개(16)는 유입되는 바이오매스 연료류를 축 주위에 선회하는 선회류로 함으로써 연료 농도를 중심에 옅게 외주부에 짙게 분포시킴과 아울러 농도 분포가 원주 방향에 거의 동일하게 되도록 조정한다.

또한, 로 내에 연료를 분출시키는 연료 분출구(19) 바로 상류의 관 내벽에 선회도 조정판(17)을 구비하고 있다. 이것에 의해서, 선회 날개(16)에 주어진 연료류의 선회력을 꺽어 분출 후의 연료류의 확산을 억제하도록 하고 있다. 선회도 조정판(17)은 원주 방향으로 복수 배치된 관축에 거의 평행한 평판으로 구성된다. 선회도 조정판(17)의 크기나 방향은 연료류의 선회력과 분출 후의 확대 각에 따라서 적절하게 결정될 수 있다.

바이오매스 연료 분출 노즐(10)을 둘러싸도록 2차 노즐(20)이 설치되고, 2차 공기 노즐(20)을 둘러싸도록 3차 공기 노즐(25)이 더 설치된다.

2차 공기 노즐(20)은 선회기(21)를 통해서 바람 상자로부터 2차 공기를 빨아 들이고, 연료 분출구(19) 주위에 형성된 2차 공기 분출구(23)로부터 로 내에 2차 공기를 공급한다. 또한, 3차 공기 노즐(25)은 선회기(26)를 통해서 바람 상자로부터 3차 공기를 빨아 들이고, 2차 공기 분출구(23) 주위에 형성된 3차 공기 분출구(27)로부터 로 내에 3차 공기를 공급한다.

2차 공기와 3차 공기는 연소용 공기의 일부로서 연료 분출구(19)로부터 로 내에 확산되는 바이오매스 연료류에 섞여서 바이오매스 연료를 연소시킨다.

2차 공기는 3차 공기의 내측에 있어서, 바이오매스 연료류와 처음 접촉해서 이것을 내측으로 굴곡시켜서 연료류가 3차 공기류와 회합하는 것을 지연시키고, 연료 농도가 높은 상태를 지속시킴으로써 안정한 착화 성능을 확보하여 보염성을 향상시키는 작용을 갖는다. 또한, 저산소에서의 연소 시간을 확보해서 보다 효과적으로 NOx를 저감시킬 수 있다.

도 1에 나타낸 바이오매스 단독 연소 버너(100)에 있어서는 연료 분출구(19) 주위를 선회하는 연소용 공기의 선회류를 형성하기 위해서 선회기(21)와 선회기(26)가 바람 상자로부터 거두어 들인 입구 근방에 설치되어 있다. 이들 선회기(21, 26)를 각각 2차 공기 분출구(23)와 3차 공기 분출구(27) 바로 상류에 설치해도 좋다. 또한, 2차 공기는 선회를 강하게 하면, 그 작용이 강해지므로 2차 공기용의 선회기(21)를 설비하지 않은 경우도 있다.

보조 연료 공급관(31)은 바이오매스 연료가 부족할 경우 등에 대처해서 사용되는 보조용 또는 기동용의 액체 연료나 가스 연료를 공급하는 연료 공급관이다. 안정한 운전에는 유효하지만, 필수는 아니다.

또한, 도시하지 않지만, 본 실시예의 바이오매스 단독 연소 버너(100)에도 파일럿 버너나 화염 검지기가 설치되어 있다.

도 3은 본 실시예의 바이오매스 단독 연소 버너(100)를 적용한 미분탄 보일러에 있어서의 바이오매스 연료 공급 계통의 예를 설명하는 플랜트 계통도이다.

종래형의 미분탄 보일러(61)의 측벽에 바이오매스 단독 연소 버너(100)가 설치되어 있다. 바이오매스 단독 연소 버너(100)는 기설의 미분탄 버너 또는 2단 연소 공기 공급 노즐의 일부를 바꿔 넣어서 설치해도 좋다.

바이오매스 연료는 미분탄을 제조하는 미분쇄기와는 다른 전용의 미분쇄기를 사용해서 미분탄과 다른 입도를 가진 입체로 가공시켜서 미분탄과 독립한 공기류에 반송시켜서 바이오매스 단독 연소 버너(100)에 공급시킨다.

바이오매스 연료 공급 계통은 목질 바이오매스 원료를 받아들이는 수용 호퍼(51), 수용 호퍼(51)의 바닥으로부터 소정량의 원료를 반출하는 벨트 컨베이어(52), 컨베이어(52)로부터 원료를 받아들여서 소정 크기의 입자로 하는 미분쇄기(53), 미분쇄기(53)로부터 바이오매스 연료를 반송하기 위한 공기를 공급하는 송풍팬(54), 바이오매스 입자로부터 극미세한 입자를 제거하는 사이클론(55), 사이클론(55)으로부터 배출되는 공기로부터 미분체를 제거해서 청결한 공기를 대기에 방출하는 버그 필터(57), 사이클론(55)의 바닥으로부터 목질 바이오매스 연료를 소정량씩 꺼내서 공급하는 계량 공급기(56), 소정 유량으로 공급되는 바이오매스 연료를 반송하기 위한 1차 공기를 공급하는 반송팬(59)을 구비한다.

1차 분쇄 후에 수용 호퍼(51)에 공급된 목질 바이오매스 원료는 미분쇄기(53)에서 소정의 입도 분포를 가질 때까지 2차 분쇄되어서 사이클론(55)에 바람으로 운반되어 극미세한 성분을 제거한 상태로 사이클론(55) 바닥에 쌓이고, 계량 공급기(56)에서 소정량씩 바이오매스 연료 공급관(63)에 공급된다.

계량 공급기(56)로부터 바이오매스 연료 공급관(63)에 공급된 바이오매스 연료는 반송팬(59)으로부터 압송되는 1차 공기에 의해서 반송되어 연료 반송류 공급관(65)을 통해서 바이오매스 단독 연소 버너(100)에 공급된다.

반송 급기량은 연료 반송류 공급관(65)과 바이오매스 단독 연소 버너(100) 중에서 연료 입자의 정체나 극도한 고속류가 생기지 않도록 15 ㎧~25 ㎧ 정도의 유속을 유지하도록 결정한다.

도 4는 기설의 미분탄을 태우는 보일러에 본 실시예의 바이오매스 단독 연소 버너를 설치했을 때의 배치예를 나타낸 도면이다.

도 4의 배치예는 로 전 하방(연소 가스류의 상류측)에 4개씩 4열 맞춰서 16개의 미분탄 버너, 로 전 상방(연소 가스류의 하류측)에 4개씩 2열 맞춰서 8개의 TS 포트가 설치되어진 기설의 미분탄을 태우는 보일러에 대해서 배면측의 로 후에 있어서의 최상 열의 미분탄 버너의 높이에 거의 대응하는 위치에 1열 4개의 바이오매스 단독 연소 버너를 부설한 것이다. 바이오매스 단독 연소 버너의 수는 바이오매스 단독 연소 버너의 용량과 보일러에서 처리한 바이오매스 연료의 양에 따라서 결정될 수 있다.

바이오매스 연료 중의 입경이 크고 무거운 연료 입자를 연소 가스의 상승 기류에 보다 적당 시간 부유시켜서 연소시키기 위해서 바이오매스 단독 연소 버너의 아래에 미분탄 버너가 위치하도록 배치하는 것이 바람직하다. 이것에 의해서, 바이오매스 연료 중의 입경이 크고 무거운 연료 입자가 미연소 상태로 로 바닥에 낙하하는 것을 방해할 수 있다.

또한, 기설의 보일러를 개장할 때에는 기설의 미분탄 버너 또는 TS 보트의 적절한 일부를 바이오매스 단독 연소 버너에 교환시켜도 좋은 것은 말할 필요도 없다.

종래의 미분탄 버너에서는, 통상 연소 효율을 높이기 위해 석탄을 미분쇄할 필요가 있고, 통상 200 ㎛ 이하, 바람직하게는 70 ㎛ 정도의 미분체로 해서 사용되고 있다. 본 실시예의 미분탄 버너에 있어서는 연료의 입자 지름이 74 ㎛ 이하에서 80%를 차지하도록 처리시킨 미분탄 연료가 사용되고, A/C(연료(㎏/h)에 대한 연료 반송 공기량(Nm³/h))이 0.8~3.0의 범위로 조정됨으로써 정격값에 대한 부하율이 35%~100%의 범위로 미분탄을 연소시킬 수 있다.

그런데, 목질 바이오매스 연료에서는 원료를 분쇄할 경우, 입도가 작아지면서 분쇄 전력이 급격하게 증대하여 경제성이 악화된다. 또한, 목질 바이오매스 연료는 같은 입경이면 석탄보다 타기 쉬우므로 분쇄 입자를 크게할 수 있다. 이 때문에, 목질 바이오매스 연료는 약 2 ㎜ 미만의 입도 분포를 가질 때까지 분쇄해서 사용하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 최적인 연소 조건이 다르기 때문에, 본 실시예에 있어서는 미분탄과 다른 바이오매스 단독 연소 버너(100)를 사용해서 바이오매스 연료를 미분탄과 다른 조건에서 연소시키므로 미분탄용의 분쇄기와는 독립적으로 선택된, 예를 들면 EARTHTECHNICA Co., Ltd. 제품의 TSX형 슈레더(shredder) 등, 적절한 미분쇄기(53)를 사용해서 1차 분쇄된 상태에서 공급되는 목질 바이오매스 원료를 2차 분쇄해서 단독 연소에 가장 적합한 사이즈의 입자로 형성한다. 또한, 반송용의 1차 공기에 대해서도 별도 독립된 반송팬(59)을 사용해서 바이오매스 단독 연소 버너(100)에 적화한 풍량이나 풍압을 구비하도록 하는 것이 바람직하다.

도 5는 목질 펠릿, 목질 칩의 각종 목질 바이오매스 원료에 대해서 미분쇄기에서 처리하기 전과 후의 입도 분포를 나타낸 그래프이다. 예를 들면, 미분쇄기(53)에서 2 ㎜ 미만으로 된 분쇄된 목질 펠릿은 700 ㎛ 이하가 80%를 차지하는 입자 분포를 나타내고, 본 실시예의 바이오매스 단독 연소 버너(100)에 의해 용이하게 환원 연소시킬 수 있다.

또한, 상기 입자 분포를 나타낸 바이오매스 연료는 바이오매스 연료 분출 노즐(10)의 연료 분출구(19)로부터 로 내에 방출되었을 때에 모든 입자가 로 내의 연소 가스 상승 기류에 실려서 부유 연소하고, 미연 성분이 로 바닥에 침강하지 않는 것이 실제 기기 보일러에 적용된 경우에 있어서의 목질 바이오매스 열 유동 해석에 의해 확인되고 있다.

도 6은 본 실시예의 바이오매스 단독 연소 버너(100)에 관련된 버너 부하·A/C 관계도이다. 도면은 횡축에 정격에 대한 비율(%)에서 연료량을 나타내고, 종축에 A/C(Nm³/h)를 나타낸다. 도면에 나타낸 해칭을 넣은 영역은 운전 권장 영역이다.

본 실시예의 바이오매스 단독 연소 버너(100)는 도 6에 나타낸 바와 같이, 부하율 100%에서 A/C 0.8에서 2.5까지 부하율 60%에서 A/C 0.8~1.5까지 공업적으로 사용이 가능하다.

부하율 100%일 때에 높은 A/C까지 사용할 수 있는데 부하율 60%에서는 비교적 작은 A/C에서 사용되지 않는 것은 연료류 중의 연료 성분이 작아져 착화성이나 보염성이 저하할 때, 연료가 감소해서 연소용 공기량이 감소함에도 불구하고 연료의 반송에 필요한 1차 공기량은 크게 다르지 않기 때문에 2차 공기와 3차 공기가 부족해서 본 버너의 기구에 특유의 보염 작용을 감퇴시키기 위해서라고 생각된다.

또한, 부하율 60% 이하에서는 바이오매스 연료류 중의 연료 성분의 비율이 작아질 수 있어 양호한 착화나 보염이 어려워지므로 권하지 않는다.

도 6에는 정격값 300 ㎏/h의 연료를 연소시키는 바이오매스 단독 연소 버너를 사용해서 운전 가능한 범위를 확인한 결과가 기입되어 있다. 도면 중의 검은 동그라미는 착화성과 보염성이 양호하고 화염이 안정한 경우를 나타내고, x 표시는 보염성 등이 나빠 연소가 불량해진 경우를 나타낸다. 도면으로부터 운전 권장 영역 내에서의 운전 가능성이 확인 가능하다.

본 실시예의 바이오매스 단독 연소 버너를 적용한 바이오매스 혼합 연소 보일러에서는 대량의 목질 바이오매스 연료를 연소시킴으로써 석탄 소비량의 절감이 가능하고, 화석 연료 기원의 CO2 방산을 억제시킬 수 있다. 바이오매스 단독 연소 버너는 미분탄과 독립적으로 바이오매스 연료를 연소시키므로 설치수에 따라 연소량을 조정할 수 있어 소정의 용량을 갖는 버너를 적당수 설치함으로써 대량의 바이오매스 연료를 안정적으로 혼합 연소시킬 수 있다.

또한, 바이오매스 혼합 연소 보일러에서는 바이오매스 연료에 질소 성분이 적기 때문에 연소 배출 가스의 저 NOx화를 도모할 수 있다.

(산업상의 이용 가능성)

본 발명의 바이오매스 단독 연소 버너를 신설 또는 기존의 미분탄을 태우는 보일러에 적용함으로써 높은 바이오매스 혼합 연소율에서 연소시키는 바이오매스 혼합 연소 보일러를 얻을 수 있다.

10: 바이오매스 연료 분출 노즐 11: 바이오매스 연료 공급관
12: 도입관 13: 반전판
15: 연료 농도 조정부 16: 선회 날개
17: 선회도 조정판 19: 연료 분출구
20: 2차 공기 노즐 21: 선회기
23: 2차 공기 분출구 25: 3차 공기 노즐
26: 선회기 27: 3차 공기 분출구
31: 보조 연료 공급관 51: 수용 호퍼
52: 벤트 컨베이어 53: 미분쇄기
54: 송풍팬 55: 사이클론
56: 정량 공급기 57: 버그 필터
59: 반송팬 61: 미분탄 보일러
63: 바이오매스 연료 공급관 65: 연료 반송류 공급관
100: 바이오매스 단독 연소 버너

Claims (9)

1. 벤트부를 갖고, 1차 공기에 반송된 바이오매스 연료를 분출하는 연료 분출구를 구비한 바이오매스 연료 분출 노즐과,
   상기 연료 분출구의 개구를 둘러싸는 2차 공기 분출구를 구비하고, 2차 공기를 분출하는 2차 공기 노즐과,
   상기 2차 공기 분출구를 둘러싸는 3차 공기 분출구를 구비하고, 3차 공기의 선회류를 분출하는 3차 공기 노즐을 갖고,
   바이오매스 연료를 포함하는, 상기 벤트부에서 편류한 바이오매스 연료류를 축 주위에 선회하는 선회류로 변환해서 연료 농도를 관축측에 옅게 외주부에 짙게 분포시키는 선회 날개를 상기 바이오매스 연료 분출 노즐의 내부 중앙에 구비하고, 또한
   상기 연료 분출구로부터 분출되는 연료류의 선회를 억제하는 선회도 조정판을 상기 연료 분출구 바로 상류의 관 내벽에 구비함으로써 연료 농도 분포를 적정화하고,
   상기 2차 공기 분출구의 개구와 상기 3차 공기 분출구의 개구를 조정해서 2차 공기량을 억제함으로써 연료류와 3차 공기류 사이에 완충류를 형성시키는 것을 특징으로 하는 바이오매스 단독 연소 버너를 사용해서 바이오매스 연료를 연소시키는 것을 특징으로 하는 바이오매스 연료 연소방법으로서,
   상기 바이오매스 단독 연소 버너에 입자 분포가 2 ㎜ 미만으로 된 목질 바이오매스 연료를 1차 공기에 반송시켜서 유속 15 ㎧~25 ㎧가 되도록 연료류를 공급하여 1차 공기와 2차 공기와 3차 공기를 첨가한 연소용 공기가, 1차 공기 유량(연료 반송 공기량)의 바이오매스 연료투입량에 대한 비율을 A/C(Nm³/kg)로 하고,
   A/C 0.8 이상이고, 또한
   버너 정격의 연료량에 있어서의 A/C 2.5와 버너 정격의 60%의 연료량에 있어서의 A/C 1.5 사이를 비례 배분한 A/C값 이하가 되도록 2차 공기와 3차 공기를 공급해서 바이오매스 연료를 연소시키는 것을 특징으로 하는 바이오매스 연료 연소방법.
   
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