KR101901827B1

KR101901827B1 - 무연탄 혼합 연소 특성이 개선된 석탄화력 발전소 보일러

Info

Publication number: KR101901827B1
Application number: KR1020160109390A
Authority: KR
Inventors: 남기배; 박익규
Original assignee: 한국중부발전(주)
Priority date: 2016-08-26
Filing date: 2016-08-26
Publication date: 2018-09-27
Also published as: KR20180023671A

Abstract

본 발명은 설계탄에 혼합되는 무연탄 특성 및 보일러의 개선을 통해 설계탄의 연소특성을 개선할 수 있는 무연탄 혼합 연소 특성이 개선된 석탄화력 발전소 보일러에 관한 것이다.
본 발명의 특징은, 연소특성이 개선된 ASTM D388-12 조건의 무연탄이 혼합된 설계탄이 미분화된 후 외부로부터 공급되는 산화제에 의해 연소로(100)로 이송되어서 산화제와 함께 연소되는 석탄 화력발전소 보일러에 있어서, 설계탄에 포함된 무연탄의 평균 입도(Dp50)이 75μm 미만이며, 평균 입도의 무연탄 분율은 50% 내지 99%이고, 연소로(100)에는 설계탄을 분사하는 분사기(300)가 장착되고, 분사기(300)는 복수로 구성되어 연소로(100)에 상하로 이격되게 구비되어, 연소로(100)의 상부에 위치되는 분사기(300)에서는 유연탄이 분사되고, 연소로(100)의 하부에 위치되는 분사기(300)에서는 유연탄과 무연탄이 혼합된 설계탄이 분사된다.

Description

무연탄 혼합 연소 특성이 개선된 석탄화력 발전소 보일러{Pulverized Power Plant Boiler for design coal having improved anthracite mixing combustion characteristics}

본 발명은 석탄화력 발전소 보일러에 관한 것으로, 보다 상세하게는 설계탄에 혼합되는 무연탄 특성 및 보일러 구성 유닛의 개선을 통해 설계탄의 연소 효율을 향상시킬 수 있는 무연탄 혼합 연소 특성이 개선된 석탄화력 발전소 보일러에 관한 것이다.

정부의 제 6차 전력 수급기본계획에 따르면 우리나라의 전력 소비는 계획 기간(2013~2027년) 동안 연평균 2.2%씩 증가하여 2027년에 65만5,305GWh에 이를 것으로 예측되었다. 또 신규설비 및 건설 중인 설비를 포함하면 2013~2027년 기간 동안 5만 923MW(원전 11기, 석탄 25기, LNG 21기) 건설에 약 70조원이 소요될 전망이다. 이 중 석탄화력 발전소에 투자되는 투자비는 28조원 가량이며, 신규 반영된 물량만 12조원 규모이다.

또한, 제 5~6차 전력수급기본계획상 발전소 투자계획에 따라 민간 발전사업자들이 추진하는 프로젝트는 LNG 복합화력 5개, 석탄화력 발전소 6개로 이들 11개 프로젝트의 총 투자 예상 금액은 약 23조 원에 달하며, 발전소 프로젝트 파이낸싱 형태의 자금 조달은 약 16조원에 이를 것으로 예상된다.

이처럼 지속적인 수요 증가가 예상되는 석탄은 토탄(peat)에서부터 brown coal, 갈탄(lignite), 아역청탄(sub-bituminous coal), 역청탄(bituminouscoal), 무연탄(anthracite) 등급으로 나누어지고 역청탄은 다시 저휘발분, 중휘발분, 고휘발분 역청탄으로, 그리고 무연탄은 반무연탄, 무연탄, Meta-무연탄과 흑연계 무연탄으로 나누어진다. 이 중에서 brown coal부터 아역청탄까지는 저등급석탄(LRC, Low Rank Coal)으로, 역청탄부터는 고등급석탄(HRC, High Rank Coal)로 분류된다.

이와 같은 기존 석탄 분류체계를 토대로 정부에서는 석탄 사용에 대한 개별소비세 부과 기준으로 휘발분이 14% 이상이고 발열량 5,833kcal/kg 이상을 유연탄으로 분류하며, 휘발분이 14% 이하는 무연탄으로 분류하고 있다.

위와 같은 석탄 분류를 기준으로 2014.7월부터 적용된 발전소용 유연탄(반무연탄 포함)에 대한 개별소비세 부과를 시작으로 2016부터 (표 1)와 같이 현행 2단계인 개별소비세를 3단계로 차등하여 부과할 예정이다.

개별소비세 변경(안)

변경전(2단계, '16년 이전)		변경후(3단계, '16년 이후)
열량 구간 (kcal/kg, NAR)	적용세액	열량 구간 (kcal/kg, NAR)	적용세액
5,000이상	24,000원/톤	5,500이상	27,000원/톤
5,000미만	22,000원/톤	5,000이상~5,500미만	24,000원/톤
5,000미만	22,000원/톤	5,000미만	21,000원/톤

개별소비세 차등 부과 정책에 따라 각 발전소는 이러한 세분화된 개별소비세 변경(안)에 따른 발전소 연료비 추가 발생으로 인한 발전소 원가 상승이 (표. 2)와 같이 2016년 기준 보령화력 #1~8호기의 경우 연료가 전년도 대비 약 200억원 상승한 3,596억원 예상되며, 이러한 차별 부과에 따른 개별소비세 경감 및 고가의 유연탄 대체 연료 발굴 등 연료비 절감 및 연료수급 안정화 방안 마련이 절실한 상황이다.

개별소비세 개정에 따른 연료비 변화 (보령화력 #1~8호기 기준)

변경 전(2단계, '16년 이전)		변경 후(3단계, '16년 이후)
열량 구간 (kcal/kg, NAR)	부과세액	열량 구간 (kcal/kg, NAR)	부과세액
5,000이상	2,170억원	5,500이상	2,302억원
5,000미만	1,226억원	5,000이상~5,500미만	124억원
5,000미만	1,226억원	5,000미만	1,170원
합 계	3,396억원	합 계	3,596억원

따라서, 동일열량 기준 적용 세액이 낮아진 저열량탄과 중열량탄의 경쟁력을 강화하여야 하며, 향후 2016년 이후 선적 물량에 대해 개별소비세 변경(안)을 반영하여 유연탄을 구매하는 연료 구매정책 수립이 필요하다. 아울러, 기술적 개선을 통해 중열량탄과 저열량탄 사용량 증가 방안을 모색하여야 하며, 특히 발전소에서 개별소비세가 면제되는 휘발분 14% 이하 무연탄의 혼소 및 운영기술 정립이 절실한 상황이다.

또한, 표. 3에서 확인할 수 있듯이 서천화력 #1~2호기의 경우 2016년 이후 국내탄 배정물량 대폭 감축에 따른 대체 수입 무연탄 발굴, 사용이 요구된다. 이러한 현황은 후술하는 세계 석탄 시장의 상황변화에 기인하는 것으로 국제 원자재가격 변동 및 경영환경 변화 대비와 경영수지 개선을 통한 수익성 증대 필요하다고 판단된다.

연도별 석탄 사용량 및 국내탄 배정물량(서천화력 #1.2호기 기준)

연도	'03년	'06년	'08년	'10년	'13년	'15년	'16년
국내탄배정량	85만톤	68만톤	55만톤	25만톤	11만톤	8만톤	8만톤
석탄 사용량	-	-	87만톤	130만톤	120만톤	103톤	107만톤

그러나, 기존 유연탄 발전소에서 무연탄 혼소시 유연탄 대비 무연탄의 낮은 휘발분과 반응성으로 인해 보일러 노내에서 무연탄은 완전히 연소되지 못하고 남은 탄소성분인 미연탄소분이 증가하게 되어 무연탄 혼소를 위한 기술적 운영 방안 마련이 필요하다. 실제 예로서 보령 #1~8호기 시험결과('10. 4월) 무연탄 10% 혼소시 미연탄소분이 약 3.0%에서 13.0%로 10%정도 증가하였다. 상기 기술된 문제의 해결을 위해 무연탄 혼소를 위한 보일러 연소특성에 관한 수치해석 등 관련 기술 확보와 유ㅇ무연탄의 구분 저탄, 혼소율 제어 및 석탄 취급설비(미분기 등)에 대한 운영기술 확보가 필요하다. 이와 같은 석탄 화력발전소에서의 무연탄 연소 특성 개선을 통해 '16년 1분기 구매단가가 유연탄 50불/톤, 무연탄 45불/톤(동일열량 기준)인 것을 고려하여 유연탄 대비 저가의 무연탄 구매로 연료비 원가 절감이 가능할 것이다.

두 번째로, 앞서 기술한 무연탄 연소 특성 개선을 통한 석탄화력 발전소에서의 무연탄 혼소율 향상기술 개발에 대한 필요성은 비단 개별소비세 면제에 따른 연료비 절감뿐만 아니라, 최근의 유가 하락에 따른 전 세계, 특히 중국 경제의 성장률 둔화와 더불어 조선, 철강 산업의 몰락에 대응하여 대부분의 석탄을 수입하고 있는 우리나라의 경우 세계 석탄 시장의 급격한 변화에 대응하여 석탄 수급의 다양화 및 안정화를 위한 대응책 마련에 있다. 지난 수년간 중국의 급격한 경제성장과 함께 조선, 철강 산업이 동반 성장하면서 지속적으로 제철용 석탄(coking coal, cokes)에 대한 수요 증가 및 높은 가격이 유지된 바 있다.

이에 따라, 발전소용 석탄(thermal coal)과 제철용 석탄(coking coal, cokes)의 중간 단계 등급의 석탄인 고발열량, 저휘발분(14% 이하)의 무연탄에 대한 수요와 가격은 꾸준히 유지되어 전 세계 석탄 가격의 안정화에 기여한 바 있다. 그러나, 최근의 전 세계적 불경기, 특히 중국 경제 성장의 둔화는 조선, 철강 산업에 직접적인 영향을 끼치게 되어 발전소용 석탄(thermal coal)과 제철용 석탄(coking coal, cokes) 수요는 급격하게 감소하는 추세를 보이고 있다. 결과적으로, 그 동안 안정적인 가격 경쟁력을 가지고 있던 무연탄은 수요 감소로 인한 급격한 가격 하락 추세로 전환되면서 우리나라와 같은 다양한 석탄 수요처를 가지고 있어 매년 석탄 수요가 증가하고 있는 나라에서는 석탄 수급 안정화를 위한 큰 기회를 갖게 되었다. 이러한 국제 석탄 시장의 추이를 감안하여 국내 석탄화력 발전소에서 가격이 발열량 대비 저렴하고 수급이 원활한 무연탄의 기존 석탄 화력발전소에서 혼소율 향상을 위한 기술 개발은 국내 전력생산 및 에너지 수급 안정화에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

세 번째로, 국내 석탄화력 발전소에서의 무연탄 혼소 기술 개발의 필요성은 정부에서 제시하고 있는 한반도에 평화적으로 자유민주주의 질서를 구현하기 위한 통일을 유인하는 방향인 통일 대북 정책인 한반도 차원의 "그린 데탕트" 를 구현하기 위한 통일 대비 기술개발이다. 통일 후 북한의 개혁, 개방에 대비하여 한국의 에너지자원 부문이 우선적으로 구상할 수 있는 협력사업 프로젝트가 검토되어야 하며 남북관계가 개선되어 다양한 협력 사업들이 전개되는 시기를 예상할 수는 없으나, 이를 대비하기 위한 사전적 대응전략 설계에 활용 가능할 것이다.

주요 남북 에너지자원 협력 프로젝트에 대한 사전적 검토를 통해 시의 적절한 활용여건을 확보하여야 하며 주요 협력 프로젝트에 대한 추진여건 및 기술적, 경제적 검토를 사전적으로 수행함으로써 대북제안, 남북 간 협의 등의 과정에서 합리적이고 과학적인 접근이 가능하도록 대비하여야 한다. 북한 개방 시, 한국이 주도적으로 북한 에너지 자원분야의 개발을 주도하기 위한 선제적 추진기반을 구축하고 통일 후 남북통합 에너지자원시스템 구축을 위해서도 북한 에너지자원부분에 대한 전략적 개발계획도 준비되어야 할 것이다. 또한, 남북관계가 경색되어 있는 동안에도 중국을 비롯한 외국의 북한 에너지자원 개발이 확대되고 있어 한국의 선제적 대비가 요청되는 시점이다.

북한의 석탄 매장량은 210억톤, 3조7천억 달러이며, 세계 5위권으로 추정되며 평균열량 6,150kcal/kg인 무연탄 매장량은 41억톤, 열량 3,480~6,000kcal/kg인 갈탄은 179억톤으로 추정된다(출처 북한자원연구소 발표자료, 2013년). 이러한 북한의 석탄은 휘발분 14%이하의 무연탄 계열 고열량탄으로 발전소용으로 적합할 것으로 사료되며 이러한 북한의 풍부한 무연탄 개발 전략 및 해외 사업 시 다양한 탄종을 적용한 연소 및 운영기술은 미흡한 것으로 파악된다.

따라서, 앞서 검토한 석탄화력 발전소의 운영에 있어서, 우리 정부의 무연탄 혼소로 인한 연소효율 하락에 따른 미연탄소분 증가 문제의 기술적 해결, 또한 석탄 사용에 대한 개별소비세 부과기준체계 변경의 대응, 현재 발전소용 및 제철용 석탄의 전 세계적 수요 감소에 따른 반무연탄 활용을 통한 국내 석탄 수급 안정화 유도 및 남북한 통일 대비를 위한 북한 무연탄 활용 기술의 확보를 위한 기술개발의 필요성이 있다고 판단된다.

한편, 상기와 같은 문제점들에 대응하기 위한 다수의 공지된 문헌들을 살펴보면 아래와 같다.

한국공개특허 제2013-0002576호(2013.01.08)에서는 기존의 보일러에 화석연료를 공급하는 연료공급시스템을 생활폐기물, 산업폐기물, 하수슬러지, 음식물쓰레기, 각종 축분, 해양폐기물 및 유기물들을 고형화한 고형화연료와, 저렴한 유연탄, 무연탄 및 가스연료를 혼소할 수 있는 고형화연료 혼소 연료공급시스템으로 전환함으로써, 고가의 중유사용에 대한 연료비용을 절약하고, 고형화연료 및 저렴한 유연탄 사용량을 증대하여, 에너지비용 절감 및 시스템의 소요전력을 절약하고 지구 온난화 현상을 방지할 수 있는 고형화연료 혼소 시스템이 개시되어 있다.

한국공개특허 특2003-0030800호(2003.04.18)에서는 열효율을 저하시키는 금속물질 및 흙과 돌을 선별 제거하기 위하여 마그네틱과 스크린을 이용한 선별과 염소(cl)성분적출을 위해 염소(cl)성분이 다량 함유된 비철, 전선(구리), 고무를 수작업으로 선별하는 것과 원료의 투입과 압측을 효율적으로 하기 위하여 100mm이하로 파쇄하는 파쇄시설을 거치는 것과 파쇄물의 열효률 상승과 압축을 원활하게 하기 위하여 믹서기에 부원료(무연탄,유연탄,코크스)를 투입 혼합하는 과정과 압출시 절단시켜 규격화하여 대체연료로 제조하는 것을 특징으로하는 산업폐기물을 이용한 대체연료을 개시하고 있다.

미국공개특허 제2014/0065561호(2014.03.06)에서는 무연탄 연소를 위한 보일러 형상, 버너 위치, 노즐 형태에 대한 기술이 개시되어 있다.

일본공개특허 제1998-153302호(1998.06.09)에서는 보일러에 다단에 설치된 버너 중 최하단의 버너에 고연료비탄을 미분쇄하는 미분탄기를 접속한 것을 특징으로 하는 석탄분보일러가 개시되어 있다.

따라서, 유연탄 발전소의 무연탄 혼소 기술을 해결하기 위한 문제를 근원적으로 해결하기 위한 설계탄에 혼합되는 무연탄 특성 및 보일러 구성 유닛의 개선을 통해 설계탄의 연소특성을 개선할 수 있는 석탄화력 발전소 보일러 개발이 절실히 요구되고 있다.

한국공개특허 제2013-0002576호(2013.01.08) 한국공개특허 특2003-0030800호(2003.04.18)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 설계탄에 혼합되는 무연탄 특성 및 보일러의 개선을 통해 설계탄의 연소특성을 개선할 수 있는 무연탄 혼합 연소 특성이 개선된 석탄화력 발전소 보일러를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 무연탄 혼합 연소 특성이 개선된 석탄화력 발전소 보일러는, 연소특성이 개선된 ASTM D388-12 조건의 무연탄이 혼합된 설계탄이 미분화된 후 외부로부터 공급되는 산화제에 의해 연소로(100)로 이송되어서 산화제와 함께 연소되는 석탄 화력발전소 보일러에 있어서, 설계탄에 포함된 무연탄의 평균 입도(Dp50)이 75μm 미만이며, 평균 입도의 무연탄 분율은 50% 내지 99%이고, 연소로(100)에는 설계탄을 분사하는 분사기(300)가 장착되고, 분사기(300)는 복수로 구성되어 연소로(100)에 상하로 이격되게 구비되어, 연소로(100)의 상부에 위치되는 분사기(300)에서는 유연탄이 분사되고, 연소로(100)의 하부에 위치되는 분사기(300)에서는 유연탄과 무연탄이 혼합된 설계탄이 분사되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 무연탄은 ASTM D3172-13에서의 휘발분이 14% 미만인 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 무연탄의 평균입도는 15~60μm인 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 설계탄은 유연탄, 역청탄, 아역청탄 중 어느 하나 또는 선택된 2이상이 혼합되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 설계탄은 시안화물, 탄산염, 옥살산염, 아세트산염, 사염화탄소, 다중산, 금속산화물, 탄산칼슘 중 어느 하나가 포함되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 산화제는 산소 또는 산소가 혼합된 공기로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

삭제

본 발명은 설계탄에 혼합되는 무연탄 특성 및 보일러의 개선을 통해 설계탄의 연소특성 및 미연탄소분 및 NOx 저감을 통한 연소효율이 개선될 수 있는 효과가 있다.

또한, 설계탄의 평균입도를 45μm 크기로 분쇄하여 단일 유연탄에 비해 상대적으로 양호한 NOx 배출 특성을 보이는 효과가 있다.

또한, 연소로의 상부에 유연탄을 공급하고, 연소로의 하부에 유연탄과 무연탄을 함께 공급하여 연소특성을 개선할 수 있는 효과가 있다.

또한, 2016년 이후 석탄 탄종에 따라 현행 2단계인 개별소비세를 3단계로 차등 적용하는 방안이 추진되면서 세금 부담에 따른 연료비 상승이 예상됨에 따라 개별소비세 면제 대상인 저휘발분 무연탄을 기존 유연탄과 혼소하여 연료비 저감을 통한 발전소 원가 저감 효과가 있다.

또한, 설계탄의 연소특성을 개선할 수 있는 석탄 화력발전소 보일러 기술로 남북 통일대비 및 해외 사업시 경쟁우위를 확보할 수 있는 효과가 있다.

그리고, '14년 7월 발전용 유연탄(반무연탄 포함)에 대한 개별소비세 부과(19원/kg) 이후 정부는 향후 개별소비세를 열량 구간별 3단계로 차등 인상할 예정으로 이에 따른 발전원가 상승이 예상되고 있어 발전사 입장에서는 무엇보다도 개별소비세 경감 및 고가의 유연탄 대체연료 발굴 등 연료비 절감 및 연료수급 안정화 방안 마련이 절실한 상황이다.

따라서 본 발명에서는 발전원가 절감을 위해 다음과 같이 혼소기술을 적용함으로써 그 목적을 달성하고자 한다. ① 무연탄 입자 크기 조절 ② 보일러 버너 개선을 통한 노내 체류시간 증진 ③ 고온조건 및 공기량 조절 등을 통한 연소효율을 개선이다. 이 혼소기술로 말미암는 유형적 효과로 중부발전(주)의 경우 저휘발분 무연탄을 기존 유연탄과 10% 혼합 연소시 2019년 기준으로 매년 총 772억원의 발전원가 저감(개별소비세 515억원, 연료비 257억원)을 가져오고 이는 향후 20년간 약 1조 5천억원의 수익성 향상을 기할 수 있다.

특히, 이를 국내외 석탄화력에 적용할 경우 그 수치는 가히 상당한 수치에 이를 것으로 전망된다. 무형적 효과로는 석탄가격에 가격 경쟁력을 갖는 주요 석탄 수출국의 반무연탄의 활용 효과, 설계탄의 열량을 회수하는 보일러 기술로 무연탄의 수요가 급격히 증가하여 현재 무연탄 매장량이 세계 5위권인 저렴한 북한 무연탄을 확보함으로써 남북통일 기반 구축은 물론 해외 사업에서도 경쟁우위의 확보를 기할 수 있어 정부의 국정기조인 경제부흥과 평화통일 기반을 구축하는 기폭제가 될 것으로 전망된다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무연탄 혼합 연소 특성이 개선된 석탄화력 발전소 보일러를 개략적으로 보인 개념도.
도 2는 본 발명에 적용되는 보일러의 내부를 보인 도면.
도 3은 본 발명의 ASTM D388-12(ASTM 법에 의한 석탄 분류 방법)의 석탄의 등급을 보인 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 무연탄 혼소 조건에 따른 미연탄소분 변화 그래프.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 무연탄 혼소 조건에 따른 미연탄소분 에 따른 연소성 변화 그래프.
도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 무연탄 혼소 조건에 따른 NOx 변화 그래프.
7은 본 발명의 일실시예에 따른 무연탄 혼소 조건에 따른 NOx 증가율 변화 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 자세히 살펴본다.

도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 연소특성이 개선된 ASTM D388-12 조건의 무연탄이 혼합된 설계탄이 미분화된 후 외부로부터 공급되는 산화제에 의해 연소로(100)로 이송되어서 산화제와 함께 연소되는 석탄 화력발전소 보일러에 있어서, 설계탄에 포함된 무연탄의 평균 입도(Dp50)이 75μm 미만이며, 평균 입도의 무연탄 분율은 50% 내지 99%인 특징이 있다.

이러한, 석탄 화력발전소 보일러는 물 또는 증기가 관류되는 전열관에 연소되는 설계탄에서 발생되는 연소가스가 접촉되게 하여 물 또는 증기의 열교한을 통해 설계탄의 에너지를 회수하여 발전에 사용한다.

연소로(100)는 미분버너(200)에서 발생되는 화력으로 설계탄을 연소시킨다.

연소로(100)에는 미분버너(200)가 설치된다. 이러한, 미분버너(200)는 연소로(100)의 사면에 각각 설치되어 분사기(300)에서 분사되는 설계탄에 화력을 제공한다.

미분버너(200)에는 설계탄을 분사하는 분사기(300)가 연결된다. 분사기(300)는 노즐 형태로 구성되어 미분버너(200)를 통해 연소로(100)에 설계탄을 분사하여 비산되게 한다.

이러한, 분사기(300)는 복수로 구성되어 연소로(100)에 상하로 이격되게 구비될 수 있다. 이때, 연소로(100)의 상부에 위치되는 분사기(300)에서는 유연탄이 분사되고, 연소로(100)의 하부에 위치되는 분사기(300)에서는 유연탄과 무연탄이 혼합된 설계탄이 분사되므로, 무연탄과 유연탄이 혼소될 수 있다.

또한, 연소로(100)에는 미분버너(200)가 구비되어 분사기(300)에서 분사되는 설계탄이 점화되어서 연소될 수 있다.

분사기(300)에는 설계탄을 공급하는 설계탄 공급기(400)가 연결된다. 설계탄 공급기(400)는 설계탄이 유입되어서 관류된 후에 배출되는 덕트 및 덕트에 설치되어 설계탄과 함께 산화제인 공기를 강제로 이송시키는 송풍기를 포함할 수 있다. 이때, 덕트에는 공기를 50~70도(℃)로 가열하는 히터가 구비될 수도 있어서 설계탄이 건조되어서 공급될 수 있다.

설계탄 공급기(400)에는 설계탄을 미분쇄하여서 배출하는 설계탄 분쇄기(500)가 연결된다. 설계탄 분쇄기(500)는 조 크러셔(jaw crusher), 자이러토리 크러셔(gyratory crusher), 해머 밀, 콘 밀, 롤 크러셔, 스크류 증쇄기, 에지 러너, 링롤밀, 스탬프밀, 볼 밀, 로드밀, 롤러밀, 튜브밀 중 어느 하나 일 수 있다. 이러한, 설계탄 분쇄기(500)에 의해 분쇄되는 설계탄은 평균입도가 45μm일 수 있다.

설계탄 분쇄기(500)에는 분쇄되어 평균입도 45μm 이하의 미분화된 설계탄만 선별하여서 배출하는 세퍼레이터(600)가 연결될 수 있다. 세퍼레이터(600)에 의해 45μm 이하의 크기로 미분화된 설계탄만 설계탄 공급기(400)로 공급될 수 있다.

여기서, 도 3에서는 ASTM D388-12(ASTM 법에 의한 석탄 분류 방법)의 석탄의 등급을 확인할 수 있다.

도 3을 살펴보면, 무연탄은 안트라사이트(Antracite)로, 역청탄은 비츄미노스(Bituminous)로, 아역청탄은 서브비츄미노스(Subbituminous)로, 갈탄은 리그나이트(Lignite)인 것을 알 수 있다.

그리고, 설계탄은 유연탄, 역청탄, 아역청탄 중 어느 하나 또는 선택된 2이상이 혼합되어서 이루어질 수 있다. 이때, 설계탄과 유연탄은 분리된 상태에서 각각 저장되어 있다가 연소로(100)에 각각 공급되어 동시에 연소될 수 있다. 물론, 혼합된 상태로 저장된 후에 함께 공급될 수도 있다.

여기서, 무연탄은 ASTM D3172-13에서의 휘발분이 14% 미만인 것이 바람직하다.

무연탄의 평균입도는 15~60μm인 것이 바람직하지만, 45μm인 것이 더욱 바람직하다. 무연탄의 평균입도가 75μm 이상인 경우에는 연소특성이 저하되어 미연탄소분이 다량 발생될 뿐만 아니라 발전소의 운전에 심각한 악영향을 끼칠 수 있다. 그러나, 무연탄의 평균입도가 45μm 인 경우 연소특성이 증대되어 미연탄소분이 최소화될 수 있다.

평균 입경의 무연탄 분율은 50% 내지 99%일 수 있으며, 바람직하게는 60% 내지 80%일수 있고, 더욱 바람직하게는 75%일 수 있다. 무연탄 분율의 범위를 벗어나면, 미연탄소분이 증가하여 연소 효율이 낮아질 수 있지만, 무연탄 분율의 범위를 벗어나지 않으면 미연탄소분이 최소화되어 연소 효율이 증대될 수 있다.

설계탄은 시안화물, 탄산염(탄산나트륨 Na₂CO₃ㅇ10H₂O 등), 옥살산염(옥살산나트륨 Na₂C₂O₄등), 아세트산염(아세트산나트륨 CH₃COONa 등), 사염화탄소, CS₂, 다중산, 금속산화물(Al₂O₃, SiO₂, CaO, K₂O₃등), 탄산칼슘 중 선택된 하나이상이 포함될 수 있다. 이러한, 무기물들은 연소에 영향을 주지 않고, 노내에 저회(Bottom ash)로 침강한다.

산화제는 산소 또는 산소가 혼합된 공기로 이루어질 수 있어서, 고압으로 설계탄을 이송시킬 뿐만 아니라, 설계탄과 함께 연소되므로 설계탄의 연소효율이 증대될 수 있다. 설계탄과 공급되는 산화제는 연소시 이론당량비, 산소희박, 산소과잉조건 중 어느 한 가지에 적합한 조건으로 공급될 수 있다.

(실시예 1)

무연탄의 설계탄 혼소 특성을 파악하기 위하여 PC 보일러 미연탄소분 발생량을 실험하였다. 무연탄, 유연탄, 무연탄대 유연탄의 중량 혼합 변화(1:1, 1:3, 1:9)에 따라서 미연탄소분 발생량을 비교하였다.

도 4에서와 같이, 무연탄과 유연탄 각각의 입도에 의한 Un-burned carbon(UBC) 값은 일반적으로 반응성이 좋은 유연탄의 UBC가 무연탄보다 낮게 나타났으며 입도에 의한 영향은 무연탄이 크게 작용하였다. 무연탄과 유연탄의 혼소비를 변경하여 측정한 결과 유연탄의 함량이 증가함에 따라 전체적인 UBC의 감소효과를 보였으며 under 45um 이하의 조건에서 75-90 um의 조건보다 낮은 UBC 결과를 얻을 수 있었다. 이와 같은 결과를 토대로 적절한 유연탄의 혼소와 입도조절로서 발전소의 UBC 감소에 영향을 줄 수 있게 된다.

도 4의 Un-burned carbon(UBC)값에 영향을 미치는 요인은 각 시료의 입도(75-90um, under 45um) 차이와 혼소율에 의하여 결정되며, 무연탄(C1)과 유연탄(C2)의 각각의 입도 차이에 의한 conversion ratio(입도 차이에 의한 연소율)는 무연탄이 유연탄보다 크게 작용하는 것을 도 5를 보면 확인할 수 있다. 또한, 무연탄과 유연탄을 혼소하게 될 경우 입도 차이에 의한 영향은 유연탄의 혼소가 증가하게 됨에 따라 더욱 크게 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 입도 감소에 의한 영향은 유연탄보다는 무연탄에서 더욱 크게 작용하며, 입도 조절을 통한 보일러 내에서의 연소성 향상 효과를 얻을 수 있다.

따라서, 무연탄의 PC 보일러의 적용방안을 검토하면 미분탄의 입도가 보다 작을수록 혼소에 적용특성이 좋아지는 경향을 나타낸다.

(실시예 2)

무연탄의 설계탄 혼소 특성을 파악하기 위하여 PC 보일러 NOx 발생량을 실험하였다. 무연탄, 유연탄, 무연탄대 유연탄의 중량 혼합량 변화(1:1, 1:3, 1:9)에 따라서 NOx 발생량을 비교하였다.

도 6은 무연탄과 유연탄 각각의 샘플과 혼소에 따른 NOx 발생수치를 나타낸 것이다. 일반적으로 NOx는 UBC 데이터와 반대되는 경향을 보이며, 연소성이 향상될 수록 상대적인 NOx의 수치는 증가하게 된다. 그림에서 보듯이 반응성이 좋은 유연탄의 NOx가 무연탄보다 높게 나타났으며, 낮은 입도의 영역(under 45um)에서 더욱 높은 NOx 수치를 얻을 수 있었다. 하지만, 유연탄에 비해 무연탄의 경우 입도에 의한 NOx 수치는 크게 변하지 않기 때문에 무연탄의 혼소율이 증가함에 따라 오히려 NOx 수치는 감소하는 결과를 얻을 수 있었다. 이를 통해 무연탄의 적절한 사용은 NOx 수치를 경감시키는데 크게 작용을 하게 된다.

도 7의 NOx 증가율을 보면, 앞선 도 4 및 도 6의 결과를 토대로 무연탄보다 연소성이 상대적으로 좋은 유연탄의 NOx가 높게 나타나는 것을 확인하였으며, 입도에 의한 전환율도 높게 나타났다. 무연탄의 NOx의 경우 입도에 의한 영향은 크게 변하지 않으며, 오히려 유연탄의 NOx 수치가 under 45um 이하에서 크게 작용하는 것을 확인하였다. 이는 앞선 UBC의 결과를 보듯이 under 45um 이하에서 연소성이 크게 증가한 결과를 뒷받침해주는 수치로서, 도 7의 무연탄 혼소율을 증가함에 따라 NOx 배출을 감소시키는 특성을 보여준다.

이와 같은 결과로 발전소 내 무연탄 혼소를 통한 NOx 발생량 감소 효과를 얻는데 용이하다. 따라서, 무연탄의 PC 보일러의 적용방안을 검토하면 미분탄의 혼소시 NOx 배출 특성이 감소함을 알 수 있으며, 45 μm 이하의 입도에서도 단일 유연탄에 비하여 양호한 NOx배출 특성을 보인다. 즉, 무연탄의 입도가 작을수록 유연탄과의 최적 혼소율을 도출하기 용이하다.

이와 같이, 본 발명은 상기와 같이 구성되는 설계탄이 사용되는 경우 연소특성이 증대되면서 NOx 발생량이 감소될 수 있어서, 발전소의 석탄보일러에 적용되어서 널리 사용될 수 있는 매우 유용한 발명이라 할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의의 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 연소로
200 : 미분버너
300 : 분사기
400 : 설계탄 공급기
500 : 설계탄 분쇄기
600 : 세퍼레이터

Claims

연소특성이 개선된 ASTM D388-12 조건의 무연탄이 혼합된 설계탄이 미분화된 후 외부로부터 공급되는 산화제에 의해 연소로(100)로 이송되어서 산화제와 함께 연소되는 석탄 화력발전소 보일러에 있어서,
설계탄에 포함된 무연탄의 평균 입도(Dp50)이 75μm 미만이며, 평균 입도의 무연탄 분율은 50% 내지 99%이고,
연소로(100)에는 설계탄을 분사하는 분사기(300)가 장착되고,
분사기(300)는 복수로 구성되어 연소로(100)에 상하로 이격되게 구비되어, 연소로(100)의 상부에 위치되는 분사기(300)에서는 유연탄이 분사되고, 연소로(100)의 하부에 위치되는 분사기(300)에서는 유연탄과 무연탄이 혼합된 설계탄이 분사되는 것을 특징으로 하는 무연탄 혼합 연소 특성이 개선된 석탄화력 발전소 보일러.
청구항 1에 있어서, 무연탄은 ASTM D3172-13에서의 휘발분이 14% 미만인 것을 특징으로 하는 무연탄 혼합 연소 특성이 개선된 석탄화력 발전소 보일러.
청구항 1에 있어서, 무연탄의 평균입도는 15~60μm인 것을 특징으로 하는 무연탄 혼합 연소 특성이 개선된 석탄화력 발전소 보일러.
청구항 1에 있어서, 설계탄은 유연탄, 역청탄, 아역청탄 중 어느 하나 또는 선택된 2이상이 혼합되는 것을 특징으로 하는 무연탄 혼합 연소 특성이 개선된 석탄화력 발전소 보일러.
청구항 1에 있어서, 설계탄은 시안화물, 탄산염, 옥살산염, 아세트산염, 사염화탄소, 다중산, 금속산화물, 탄산칼슘 중 어느 하나가 포함되는 것을 특징으로 하는 무연탄 혼합 연소 특성이 개선된 석탄화력 발전소 보일러.
청구항 1에 있어서, 산화제는 산소 또는 산소가 혼합된 공기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무연탄 혼합 연소 특성이 개선된 석탄화력 발전소 보일러.
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