KR101911213B1 - 순환 유동층 보일러 플랜트로부터 나오는 연도 가스의 이산화황 함량을 감소시키는 방법 - Google Patents

순환 유동층 보일러 플랜트로부터 나오는 연도 가스의 이산화황 함량을 감소시키는 방법 Download PDF

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Abstract

순환 유동층 보일러 플랜트 (10) 의 이산화황 배출물을 감소시키는 방법으로서, 보일러의 노 (12) 에 황 함유 탄소질 연료를 공급하는 단계; 노에 미리 결정된 d50 입자 크기를 갖는 탄산칼슘 함유 흡착제를 공급하는 단계; 노에 산소 함유 가스를 공급하고 산소로 연료를 연소시켜서, 황을 이산화황으로 산화시키는 단계; 노에서 탄산칼슘을 산화칼슘으로 하소시키고, 산화칼슘의 일부를 활용하여 노에서 이산화황의 제 1 부분을 황산칼슘으로 황산화시키는 단계; 이산화황의 제 2 부분을 함유하는 연도 가스들, 및 연도 가스들과 동반된, 산화칼슘 입자들을 포함하는 입자들을 노로부터 배출하는 단계; 동반된 입자들의 제 1 부분을, 컷오프 크기를 갖는 입자 분리기 (14) 에서 연도 가스들로부터 분리하고, 분리된 입자들을 노 (12) 로 복귀시키는 단계; 동반된 입자들의 제 2 부분을, 연도 가스들로 노 (12) 로부터 노의 하류에 배치된 반건식 황 감소 스테이지 (38, 52) 로 운반하는 단계; 및 반건식 황 감소 스테이지 (38, 52) 에서 연도 가스들의 이산화황 함량을 감소시키는 단계를 포함하고, 탄산칼슘 함유 흡착제의 미리 결정된 d50 입자 크기는 입자 분리기의 컷오프 크기의 50% 보다 더 작은, 순환 유동층 보일러 플랜트 (10) 의 이산화황 배출물을 감소시키는 방법.

Description

순환 유동층 보일러 플랜트로부터 나오는 연도 가스의 이산화황 함량을 감소시키는 방법{METHOD OF REDUCING SULFUR DIOXIDE CONTENT IN FLUE GAS EMANATING FROM A CIRCULATING FLUIDIZED BED BOILER PLANT}
본 발명은 청구항 1 의 전제부에 따른 순환 유동층 보일러 플랜트로부터 나오는 연도 가스의 이산화황 함량을 감소시키는 방법에 관한 것이다. 더 상세하게는, 본 발명은 반건식 스크러버를 포함하는 순환 유동층 보일러 플랜트로부터 나오는 연도 가스의 이산화황 함량을 감소시키는 방법에 관한 것이다.
황 함유 연료를 연소시킬 때, 연료 중의 황은 황 산화물, 주로 이산화황 (SO2) 으로 변환되며, 이는 환경에 다량으로 방출되면 유해할 수 있다. 순환 유동층 (CFB) 보일러의 잘 알려진 장점은 CaCO3 함유 흡착제, 일반적으로 석회석을 노에 공급함으로써 보일러의 노에 이미 있는 SO2 를 효율적으로 포획할 수 있다는 것이다. CFB 보일러의 노에서 지배적인 온도, 보통 750 ℃ 내지 950 ℃ 에서, CaCO3 는 산화칼슘 (CaO) 으로 하소되고, 이는 황산화물과 반응하여 황산칼슘 (CaSO4) 을 생성하며, 이는 연소로 생성된 애시 (ash) 와 함께 노로부터 제거될 수 있다.
순환 유동층 보일러에서, 층은 비교적 높은 공칭 속도, 전형적으로 3 내지 10 m/s 에 의해 노의 바닥을 통해 유동화 가스 (fluidizing gas) 를 도입함으로써 유동화된다. 유동화 가스의 상향 유동이 층의 작은 크기 입자를 동반하기 때문에, CFB 보일러는 다시 노로 복귀되도록 노에서 나오는 연도 가스로부터 동반 입자의 일부 (일반적으로 입자 분리기의 컷오프 크기보다 큰 입자) 를 분리하는 입자 분리기를 포함한다. 노에서 석회석을 효율적으로 활용하기 위해, 석회석 입자는 충분한 체류 시간 동안 층에서 사용되어야 한다. 이는 일반적으로 입자 분리기의 컷오프 크기보다 큰 CaO 입자를 형성하기에 충분히 큰 입자 크기로 분쇄된 석회석을 노에 도입함으로써 달성된다. 이에 따라, 연도 가스로 동반된 CaO 입자는 입자 분리기에서 연도 가스로부터 여러 번 분리되고, 입자 분리기로부터 다시 노로 복귀된다.
SO2 가 CaO 입자와 반응할 때, 입자 표면에 조밀한 CaSO4 층이 형성되어, 입자의 코어가 SO2 와 반응하는 것을 방지한다. 따라서, CFB 보일러의 노에 공급되는 석회석 입자 (전형적으로 100-300 ㎛) 에 대해 최적의 크기가 존재한다고 일반적으로 생각된다. 본 명세서에서 입자 크기라는 용어는 보통 사용되는 방법에 의해, 전형적으로 레이저 회절에 기초한 방법에 의해 결정되는 입자 분포의 중간 (d50) 직경을 나타낸다. 심지어 최적의 입자 크기를 사용할 때에도, 원하는 수준의 SO2 제거를 획득하기 위해 일반적으로 과잉 석회석이 노에 공급되어야 한다. 예를 들어, 노에서 98% 황 감소 효율을 달성하기 위해, 전형적으로 3 내지 4 만큼 높은 Ca/S 몰 비가 요구된다.
3 내지 4 와 같은 높은 Ca/S 비를 사용하는 경우, 노에서 배출되는 바텀 애시 및 플라이 애시는 언제나 다량의 CaO (전형적으로 약 10% 내지 50% 이상) 을 함유하므로, 애시의 사용 또는 폐기가 어렵다. CaCO3 의 CaO 로의 하소는 흡열 반응이기 때문에, 과량의 CaCO3 의 하소는 보일러의 열효율을 또한 감소시킨다. 노 내로 매우 많은 양의 CaCO3 를 공급함이 없이 CFB 보일러의 황 감소를 향상시키기 위한 유리한 방법은, 노 내에서 필요한 SO2 감소의 단지 일부를 수행하고 노 하류의 연도 가스 채널에 배치된 반건식 이산화황 감소 장치 (건식 CFB 스크러버 또는 분무 건조기 등) 에서 SO2 감소를 보완하는 것에 기초한다.
미국 특허 제 7,427,384 호는, 최대 약 1.0 의 Ca/S 몰 비를 제공하기 위해 순환 유동층 보일러의 노에 탄산칼슘을 공급하고 노 하류에 배치된 황 감소 단계에서 예를 들어 수산화칼슘을 추가함으로써 연도 가스의 황 함량을 더 감소시키는 것을 제안한다. 그에 대응하여, 미국 특허 제 7,862,789 호는 순환 유동층 보일러로부터 소위 플래시 건식 흡수기로 연도 가스를 운반하고 석회를 플래시 건식 흡수기에 도입하는 것을 제안한다.
건식 CFB 스크러버는 일반적으로, 흡착제로서 프레시 소석회 (fresh hydrated lime) 를 사용함으로써 연소 프로세스로부터의 연도 가스의 탈황을 위해 사용된다. 독일 특허 제 41 04 180 C1 호는, 보일러의 연도 가스로부터 분리된 CaO-함유 플라이 애시 입자를 분쇄 및/또는 소화 (slaking) 시키고 그렇게 처리된 입자를 건식 CFB 스크러버에서 흡착제로서 사용함으로써 CFB 보일러의 연도 가스를 탈황시키는 방법을 교시하고 있다. 미국 특허 제 4,309,393 호에는, 유동층 보일러를 위한 황 감소 방법이 개시되어 있는데, 노로부터 CaO 함유 애시가 수집되고 소화되어, 노 하류의 연도 가스 덕트에 배치된, 분무 건조기와 같은 SO2 스트리핑 유닛에서 사용하기 위해 석회 슬러리를 형성한다. 이러한 방법들은 노의 하류에 있는 제 2 황 감소 단계에서 CaO 함유 플라이 애시를 이용함으로써 2 개의 탈황 단계의 통합을 향상시킨다. 이 방법들의 단점은 수집된 플라이를 제 2 황 감소 단계에서 사용하기에 적합한 형태로 처리하기 위한 추가적인 조치 및 특수 장비를 필요로 한다는 것이다.
본 발명의 목적은 전술한 종래의 방법의 단점의 적어도 일부를 최소화하기 위해 순환 유동층 보일러 플랜트로부터 나오는 연도 가스의 이산화황 함량을 감소시키는 개선된 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은, 순환 유동층 보일러 플랜트의 이산화황 배출물을 감소시키는 방법으로서, 보일러의 노에 제 1 공급율 (feeding rate) 로 황 함유 탄소질 연료의 제 1 스트림을 공급하는 단계; 노에 제 2 공급율로 미리 결정된 d50 입자 크기를 갖는 탄산칼슘 함유 흡착제의 제 2 스트림을 공급하는 단계; 노에서 형성되는 입자들의 층을 유동화하기 위해 노에 산소 함유 가스를 공급하는 단계; 산소로 연료를 연소시켜서, 연료 중의 황을 이산화황으로 산화시키는 단계; 노에서 탄산칼슘을 산화칼슘으로 하소시키고, 산화칼슘의 일부를 활용하여 노에서 이산화황의 제 1 부분을 황산칼슘으로 황산화시키는 단계; 이산화황의 제 2 부분을 함유하는 연도 가스들, 및 연도 가스들과 동반된, 산화칼슘 입자들을 포함하는 입자들을 노로부터 연도 가스 채널을 따라 배출하는 단계; 동반된 산화칼슘 입자들의 제 1 부분을 포함하는, 동반된 입자들의 제 1 부분을, 컷오프 크기를 갖는 입자 분리기에서 연도 가스들로부터 분리하고, 분리된 입자들의 적어도 일부를, 복귀 덕트를 통해 노로 복귀시키는 단계; 동반된 산화칼슘 입자들의 제 2 부분을 포함하는, 동반된 입자들의 제 2 부분을, 연도 가스들로 노로부터 노의 하류에 배치된 반건식 황 감소 스테이지로 운반하는 단계; 및 반건식 황 감소 스테이지에서 연도 가스들의 이산화황 함량을 감소시키는 단계를 포함하고, 탄산칼슘 함유 흡착제의 미리 결정된 d50 입자 크기는 입자 분리기의 컷오프 크기의 50% 보다 더 작은, 순환 유동층 보일러 플랜트의 이산화황 배출물을 감소시키는 방법을 제공한다.
본 발명의 유리한 실시형태에 따르면, 탄산칼슘 함유 흡착제의 스트림은 노에 공급되기 이전에 입자 분리기의 컷오프 크기의 30% 보다 작은 중간 입자 크기로 파쇄된다. 본 발명의 특히 유리한 실시형태에 따르면, 탄산칼슘 함유 흡착제는 10 내지 20 ㎛ 의 미리 결정된 d50 입자 크기로 분쇄된다. 매우 미세한 입자 크기는, 입자 분리기에 대한 연도 가스와 동반된 산화칼슘 입자의 대부분이 연도 가스와 함께 연도 가스 채널로 빠져나오고 단지 동반된 산화칼슘 입자의 더 작은 부분만이 입자 분리기에서 연도 가스로부터 분리되게 한다.
본 발명에 따르면, 노로 공급된 CaCO3 입자의 중간 또는 d50 입자 크기는 종래의 관행에 따른 것보다 상당히 더 작다. 이른바 초미세 탄산칼슘 입자, 예를 들어 약 10 내지 약 20 ㎛ 의 중간 입자 크기를 갖는 입자의 사용은, 순환 유동층 보일러의 노에 훨씬 더 큰 황 감소 입자, 입자 분리기의 컷오프 크기보다 더 큰 입자를 공급한다는 종래의 교시에 명백히 반한다. 종래의 교시에 따르면, 예를 들어 150 ㎛ 의 중간값을 갖는 충분히 큰 흡착제 입자의 사용은 입자 분리기로부터 다시 노로 여러 번 복귀됨으로써 최대 효율을 제공한다.
본 발명자는 놀랍게도, 본 발명이 다음의 이점들로 인해 특히 효율적이며 경제적인 전체적인 황 감소 방법을 제공한다는 것을 인지하였다:
- 매우 작은 입자 크기 때문에, 탄산칼슘 입자는 노에서 산화칼슘으로 매우 효율적으로 하소된다.
- 매우 작은 입자 크기 때문에, 산화칼슘 입자의 상당 부분은 입자 내에 산화칼슘의 유해한 비반응성 코어를 남김이 없이 노에서 SO2 와 신속하게 그리고 효율적으로 반응한다.
- 매우 작은 입자 크기 때문에, 산화칼슘 입자는 급속히 노로부터 빠져나오고, 따라서 노에서 형성되는 바텀 애시는 무시할만한 양의 산화칼슘만을 함유한다.
- 노로부터 빠져나오는 산화칼슘 입자는, 매우 작은 입자 크기 때문에, 노 하류의 반건식 황 감소 스테이지에서 흡착제로서 외부 수화기 (hydrator) 에서 분쇄 또는 소화 없이 용이하게 이용 가능하다.
매우 미세한 탄산칼슘 입자를 CFB 보일러의 노에 공급함으로써, 노 내의 흡착제 입자의 체류 시간은 전형적으로 약 10 배 큰 흡착제 입자 크기를 이용하는 종래의 방법에서보다 훨씬 짧다. 본 발명에 따르면, 연도 가스에 의해 노로부터 배출된 흡착제 입자의 바람직하게는 단지 최대 20%, 더 바람직하게는 단지 최대 10% 가 입자 분리기에서 연도 가스로부터 분리되고, 이에 따라 흡착제 입자의 바람직하게는 적어도 80%, 더 바람직하게는 적어도 90% 가 연도 가스로 입자 분리기로부터 나온다. 그러나, 노에서의 황 감소 반응의 빠른 속도 및 높은 효율, 적은 CaO 함유 바텀 애시의 형성, 및 후반부의 황 감소 스테이지에서 흡착제로서의 미처리 플라이 애시의 유용성이 노에서의 짧은 체류 시간의 부정적인 영향보다 중요하다. 종래의 바텀 애시보다 덜 해롭고 몇몇 경우에는 다른 적용을 위해 용이하게 이용될 수 있는 바텀 애시를 형성하는 것은, 황 함량이 높은 고 애시 연료를 연소시킬 때 특히 유리하다.
본 발명에 따라 1.5 - 2.5 의 Ca/S 비를 제공하는 비율로 초미세 석회석 입자를 노에 공급함으로써 노에서 80% 보다 더 높은 황 감소가 획득될 수 있다고 추정된다. 노에서 빠져나오는 CaO 입자가 노 하류의 반건식 황 감소 스테이지에서 이용될 때, 노에 공급된 탄산칼슘의 전체적인 황 감소 및 총 활용은 매우 높아질 수 있다. 전체적인 황 감소는 98% 보다 높을 수도 있고 노에 공급된 칼슘의 활용은 70% 보다 높을 수도 있다.
반건식 황 감소 스테이지는 전형적으로, 접촉 반응기 및 더스트 분리기, 전형적으로는 직물 필터를 포함하는 건식 CFB 스크러버이다. 황 감소는, 종래의 CFB 스크러버에서는, SO2 함유 연도 가스를 접촉 반응기에 도입된 흡착제 재료 (전형적으로 소석회 (Ca(OH)2)) 와 접촉시킴으로써 수행된다. 그리고, 세정된 연도 가스는 더스트 분리기로 전달되어, 연도 가스로부터 반응 생성물, 미반응 흡착제 및 플라이 애시를 분리한다. 분리된 입자들의 일부는 시스템으로부터 제거되고, 분리된 입자들의 다른 부분은 다시 접촉 반응기로 재순환되어, 접촉 반응기로 들어가는 연도 가스 스트림에 의해 유동화될 입자 층을 형성한다. 보통 층 입자들은 접촉 반응기 또는 재순환 루프에서 물을 공급함으로써 가습된다. 층의 가습에 의해, 층의 온도가 제어될 수 있고, 황 감소 반응이 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 건식 CFB 스크러버에 사용되는 흡착제 재료는, 오로지 노에서 형성되고 CFB 스크러버로 연도 가스에 의해 동반된 초미세 CaO 입자로 구성된다. 작은 입자 크기 때문에, 동반된 CaO 입자들은 층에서의 가습에 의해 또는 CFB 스크러버의 입자 순환에 의해 용이하게 소화될 수 있다. 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 추가적인 흡착제 재료, 전형적으로 Ca(OH)2 가 CFB 스크러버의 접촉 반응기에 공급된다. 이로써, 연도 가스에 의해 동반된 초미세 CaO 입자로 인해, 종래의 흡착제 재료를 접촉 반응기에 공급할 필요가 상당히 감소된다.
추가적인 흡착제가 CFB 스크러버에 공급되는 때, 노에 공급된 흡착제에 의해 제공되는 Ca/S 비는 바람직하게 1.0 내지 2.0 이다. 추가적인 흡착제가 CFB 스크러버에 공급되지 않을 때, 노에 공급된 흡착제의 Ca/S 비는 바람직하게는 2.0 내지 3.0, 더 바람직하게는 2.5 내지 3.5 이다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 노 하류의 반건식 황 감소 스테이지는 분무 건조기이다. 종래의 분무 건조기에서, 흡착제 입자 함유 슬러리가 접촉 반응기에 공급되고, 흡착제 입자는 신속하게 건조되고, 연도 가스 중의 이산화황과 결합한다. 본 발명을 사용하는 경우, 연도 가스에 의해 동반된 초미세 CaO 입자는 통상적으로 접촉 반응기에서 부가적인 흡착제로서 작용한다. 이로써, 접촉 반응기에 공급되는 슬러리의 양은 상당히 감소된다. 본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 제 2 황 감소 스테이지로서 분무 건조기를 사용하는 경우, 노에 공급되는 흡착제에 의해 제공되는 Ca/S 비는 바람직하게는 1.0 내지 2.0 이다. 본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 슬러리는 분무 건조기 하류의 더스트 분리기에 의해 수집된 입자들로 제조되며, 이로써 분무 건조기에 사용된 모든 흡착제가 노에 공급된 CaCO3 로부터 유래할 수 있다. 이 경우, 노에 공급되는 흡착제의 Ca/S 비는 바람직하게는 2.0 내지 3.0, 더 바람직하게는 2.5 내지 3.5 이다.
본 발명에 따른 현재 바람직한 (그렇지만 예시적인) 실시형태들에 대한 이하의 상세한 설명을 첨부된 도면과 함께 참조함으로써, 상기한 간단한 설명뿐만 아니라 본 발명의 추가의 목적, 특징 및 이점들은 더 명확하게 이해될 것이다.
이하에서, 첨부된 모범적인 개략적 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 황 산화물 배출물을 감소시키기 위한 장비를 갖는 순환 유동층 보일러의 개략도를 도시한다.
도 2 는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 황 산화물 배출물을 감소시키기 위한 장비를 갖는 순환 유동층 보일러의 개략도를 도시한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 방법을 사용하여 작동될 수 있는 CFB 보일러 시스템 (10) 을 개략적으로 도시한다. 보일러 시스템은 노 (12), 복귀 덕트 (16) 를 갖는 입자 분리기 (14), 및 노로부터 배출된 연도 가스를 스택 (20) 을 통해 환경으로 유도하기 위한 연도 가스 채널 (18) 을 포함한다. 보일러 시스템은 유동화 가스, 보통 일차 공기를 바텀 그리드 (24) 를 통해 노에 공급하기 위한 종래의 수단 (22), 및 노의 더 높은 레벨에서 이차 공기를 도입하기 위한 수단 (26) 을 포함한다. 보일러 시스템은 또한 석탄, 석유 코크스 또는 바이오연료와 같은 황 함유 연료, 및 필요하다면 모래와 같은 불활성 층 재료 (inert bed material) 를 노 (12) 에 공급하기 위한 종래의 수단 (28) 을 포함한다. 연료 및 불활성 층 재료의 공급 수단 (28) 은 예를 들어 피드 스크루 또는 공압식 공급 시스템과 같은 피드 호퍼 및 피드 컨베이어를 포함한다.
CFB 보일러 시스템 (10) 을 사용할 때, 연료는 연료 및 불활성 층 재료의 유동층에서 유동화 공기에 의해 연소된다. 이로써, 처분 또는 추가 사용을 위해 노로부터 바텀 애시를 배출하기 위한 종래의 수단 (30) (예를 들어 애시 컨베이어 및 애시 냉각 수단을 포함함) 을 통해 노로부터 배출되는 바텀 애시가 형성된다. 유동화 가스는 비교적 높은 공칭 속도, 전형적으로 3 - 10 m/s 로 노에서 상향 유동하여, 연소시 형성된 연도 가스에 의한 층 입자의 동반을 야기하고, 그러면 층 입자는 노에서 배출될 수 있다. 연도 가스 채널 (18) 에 배치된 입자 분리기 (14) 는 연도 가스로부터 컷오프 크기, 전형적으로 약 50 - 100 ㎛ 보다 큰 입자를 분리하여, 이를 복귀 채널 (16) 을 통해 다시 노로 복귀시킨다.
보일러 시스템 (10) 은 CaCO3 함유 흡착제, 예컨대 석회석을 노 내로 공급하기 위한 수단 (32) 을 또한 포함한다. 탄산칼슘 함유 흡착제를 공급하기 위한 수단 (32) 은 유리하게는 적어도 호퍼 또는 빈 (34), 및 탄산칼슘 함유 흡착제의 입자를 원하는 중간 입자 크기 (d50) 로 분쇄하기 위한 석회석 분쇄기 (36) 를 포함한다. 통상적으로, 석회석은 약 100 - 300 ㎛ 의 중간 입자 크기로 분쇄되지만, 본 발명에 따르면, 석회석은 본 명세서의 다른 곳에서 설명된 이유로 10 - 20 ㎛ 의 d50 입자 크기를 갖는 매우 미세한 입자로 분쇄된다. 탄산칼슘 함유 흡착제가 CFB 보일러 플랜트로 보내지기 전에, 탄산칼슘 함유 흡착제를 원하는 중간 입자 크기로 분쇄하는 것은 별개의 플랜트에서 대안적으로 수행될 수도 있다.
전형적인 CFB 보일러 플랜트는 일반적으로 예를 들어 증기 발생, 재료 취급 및 연도 가스 세정에 필요한 많은 다른 요소들을 또한 포함한다. 그러나, 이들은 본 발명에 특히 중요하지 않기 때문에, 도 1 에는 도시되어 있지 않다.
황 함유 연료가 노 (12) 에서 연소될 때, 연료 중의 황은 황산화물, 주로 SO2 로 산화된다. CFB 보일러의 노 내에서 지배적인 온도, 전형적으로 750 ℃ 내지 950 ℃ 의 온도에서, 탄산칼슘 함유 흡착제 중의 CaCO3 는 신속하게 CaO 로 하소되고, 이는 SO2 와 결합하여 CaSO3 를 형성하고 이는 다시 CaSO4 로 산화된다. CaSO4 에 대한 SO2 의 바인딩은 비교적 느린 프로세스이기 때문에, 종래 기술에 있어서, 석회석은 통상적으로 입자 분리기의 컷오프 크기보다 큰 입자 크기로 노에 공급된다. 이로써, 연도 가스와 동반된 CaO 입자는 입자 분리기에서 연도 가스로부터 여러 번 분리되고 다시 노로 복귀된다. 이에 비해, 본 방법은, 매우 미세한 입자 크기로 인해, 연도 가스와 동반된 CaO 입자의 바람직하게는 80% 이상이, 더 바람직하게는 90% 이상이 입자 분리기에서 연도 가스로부터 분리되지 않고, 이들은 연도 가스 채널을 따라 연도 가스로 계속된다는 점에서 종래의 방법과 상이하다.
수단 (30) 에 의해 노로부터 제거된 바텀 애시는 전형적으로 프로세스에서 형성된 Ca 함유 입자들의 제 1 부분을 포함한다. Ca 함유 입자들의 다른 부분은 입자들이 유동층에서 입자 분리기의 컷오프 크기보다 작은 크기로 분쇄될 때까지 노와 입자 분리기 사이에서 재순환되고, 그 후 입자들은 플라이 애시의 일부로서 노로부터 배출된다
CaSO4 입자의 CaSO4 로의 황산화는 주로 입자의 외부 표면에서 일어난다. 따라서, CFB 보일러의 노에서의 종래의 황 감소는 미반응 CaO 의 코어 주위에 조밀한 CaSO4 층을 갖는 입자를 형성하는 경향이 있다. 따라서, CaO 의 이용은 완전하지 않으며, 플라이 애시 및 바텀 애시는 미반응 CaO 를 함유한다. 반응성 CaO 는 제거된 애시에서 유해하기 때문에, 제거된 애시가 처분 또는 추가 사용의 준비가 되기 전에, CaO 를 Ca(OH)2 로 소화시키는 것이 종종 필요하다. 노에서의 CaO 의 비교적 낮은 이용으로 인해, 노에서의 높은 황 감소 레벨은 통상적으로, 3 - 4 와 같이 1 보다 훨씬 높은 Ca/S 비율로 단지 CaCO3 를 노에 풍부하게 공급함으로써 달성되었다.
높은 Ca/S 비의 사용에 관련된 어려움 때문에, 최근 일부 CFB 보일러에서 노의 황 감소는 노 하류의 연도 가스 채널에 배치된 분무 건조기 또는 건식 CFB 스크러버와 같은 제 2 황 감소 단계에서 추가의 황 감소에 의해 보완되었다. 대응하게, 도 1 은 연도 가스 채널 (18) 에 배치된 건식 CFB 스크러버 (38) 를 도시한다.
노의 황 감소가 제 2 황 감소 단계에 의해 보완되는 때, 노에 공급된 칼슘의 Ca/S 비는 1 - 2 와 같이 당연히 더 낮다. 그러나, 노에 비교적 큰 석회석 입자를 공급하는 종래의 방법은 미반응 CaO 코어 주위의 조밀한 CaSO4 층을 갖는 전술한 Ca-입자 및 전술한 문제를 항상 일으킨다.
본 발명의 방법은 노 내에서 반응하는 CaO 입자가 매우 미세한 입자 크기로 인해 거의 완전히 황산화될 수 있다는 점에서 전술한 종래의 관례와 다르다. 따라서, 바텀 애시에 대한 미반응 CaO 의 손실은 최소화되고, 상기한 문제점은 대체로 제거된다. 이는 칼슘 이용을 향상시킨다. 본 방법을 사용함으로써, 전체 석회석 소비를 적어도 10%, 어떤 경우에는 20% 또는 그 이상 감소시킬 수 있다고 추정된다.
연도 가스 채널 (18) 에 배치된 CFB 스크러버 (38) 는 접촉 반응기 (40), 직물 필터와 같은 더스트 분리기 (42), 및 더스트 분리기 (42) 의 저부로부터 다시 접촉 반응기 (40) 로의 재순환 채널 (44) 을 포함한다. CFB 스크러버 (38) 는 접촉 반응기 (40) 에서 형성되는 유동층에 물을 주입하여 유동층을 가습 및 냉각시키기 위한 수단 (46) 을 또한 포함한다. 종래의 SCB 스크러버는 접촉 반응기 (40) 에 제 2 황 환원 감소 첨가제, 통상적으로 Ca(OH)2 를 주입하기 위한 수단 (48) 을 또한 포함한다. 그러면, 연도 가스 내의 SO2 는 접촉 반응기 (40) 에서 Ca(OH)2 와 결합하여 CaSO3 및 CaSO4 를 형성한다. Ca(OH)2 및 물을 주입하기 위한 수단은 통상적으로 접촉 반응기 (40) 에 배치되지만, 경우에 따라서는 대안적으로 예를 들어 재순환 채널 (44) 에 배치될 수도 있다.
본 발명의 방법은, 노 내로 공급되는 탄산칼슘 함유 흡착제의 매우 작은 입자 크기로 인해, CFB 스크러버에 진입하는 연도 가스가 상당한 양의 매우 미세한 CaO 입자 (CFB 스크러버에서 흡착제로서 용이하게 사용될 수 있음) 를 운반한다는 점에서 보충 CFB 스크러버의 전술한 종래의 사용과 상이하다. CaO 입자의 작은 크기 때문에, 입자가 CFB 스크러버에서 사용되기 전에, CFB 스크러버 상류의 연도 가스 스트림으로부터 입자를 분리하고 그의 화학적 또는 물리적 특성을 변경, 즉 CaO 입자를 소화시키고 그리고/또는 그 입자 크기를 감소시킬 필요가 없다. CFB 스크러버에서 흡착제로서 노로부터 유래하는 매우 미세한 CaO 입자를 이용함으로써, CFB 스크러버에 별도의 탄산칼슘 함유 흡착제를 주입할 필요성을 제거하거나 적어도 상당히 감소시킬 수 있다.
플라이 애시를 포함하는 입자, 접촉 반응기 (40) 에서 형성된 반응 생성물 및 미반응 시약은 접촉 반응기 하류의 더스트 분리기 (42) 에서 연도 가스로부터 분리된다. 접촉 반응기 (40) 에서 충분한 입자 층을 유지하고 또한 시약의 이용을 향상시키기 위해, 더스트 분리기 (42) 에서 분리된 입자들의 일부는 재순환 채널 (44) 을 통해 다시 접촉 반응기 (40) 로 연속적으로 재순환된다. 입자 분리기 (42) 에서 분리된 미립자 물질의 다른 부분은 배출 채널 (50) 을 따라 CFB 스크러버로부터 배출된다. 세정된 연도 가스는 더스트 분리기로부터 스택 (20) 으로 운반되어 환경으로 방출된다.
도 2 는, 제 2 황 감소 단계가 CFB 스크러버 대신에 분무 건조기 (52) 를 포함한다는 점에서 도 1 에 도시된 실시형태와 상이한, 본 발명의 다른 바람직한 실시형태를 도시한다. 도 1 에 도시된 실시형태의 동일하거나 유사한 요소에 대응하는 도 2 의 모든 요소에는 도 1 에서 동일한 도면부호가 부여되어 있다.
도 2 의 실시형태에서, 연도 가스 덕트 (18) 는 분무 건조기 (52) 의 반응 챔버 (54) 의 상부로 이어진다. 반응 챔버 (54) 에서, 이산화황 함유 연도 가스는 가습된 탄산칼슘 함유 흡착제와 접촉한다. 미반응 흡착제, 반응 생성물 및 플라이 애시는 연도 가스로 분무 건조기 (52) 의 반응 챔버 (54) 로부터 더스트 분리기 (42), 바람직하게는 직물 필터로 운반된다. 세정된 연도 가스는 직물 필터 (42) 로부터 스택 (20) 을 통해 환경으로 배출되고, 플라이 애시, 반응 생성물 및 가능한 미반응 흡착제는 애시 분리기 (42) 의 저부로부터 배출 덕트 (60) 를 통해 수집된다.
가습된 흡착제는 경우에 따라서는 오로지 반응 챔버 (54) 의 상부에 물 공급부 (56) 로 주입된 물 및 연도 가스로 반응 챔버 (54) 에 동반된 CaO 입자로 구성될 수 있다. 그러나, 통상적으로 가습된 황 감소 흡착제는, 연도 가스로 동반된 CaO 입자 외에도, 슬러리 제조 용기 (64) 에서 형성되어 슬러리 공급부 (58) 를 통해 작은 액적으로서 반응 챔버 (54) 에 주입된 흡착제 슬러리를 포함한다. 슬러리는 보통, 슬러리 제조 용기 (64) 에서 CaO 를 Ca(OH)2 로 소화시키기 위해, 물 공급부 (66) 를 통해 Ca(OH)2 또는 CaO 에 물을 첨가함으로써 제조된다. Ca(OH)2 또는 CaO 는 더스트 분리기 (42) 의 저부로부터 배출 덕트 (60) 에 의해 그리고 또한 반응 용기 (54) 의 저부로부터 배출 덕트 (62) 에 의해 적어도 부분적으로 수집될 수도 있다.
전술한 바와 같이, 반건식 황 감소 단계에서 사용되는 황 감소 흡착제는, 경우에 따른 특정 이유에 기초하여, 도 1 에 도시된 실시형태 및 도 2 에 도시된 실시형태 쌍방에서, 오로지 보일러의 노에서 형성된 CaO 입자 또는 별도의 공급원으로부터 유래하는 추가의 흡착제와 함께 보일러의 노에서 형성된 CaO 입자에서 유래할 수도 있다. 그러나, 모든 경우에 있어서 노에 공급된 매우 미세한 석회석 입자는 연도 가스로 동반된 매우 미세한 CaO 입자를 초래하고, 이는 직접 반건식 황 감소 단계에 추가적인 흡착제를 공급할 필요성을 최소화, 즉 감소시키거나 완전히 제거한다.
본 발명은 현재 가장 바람직한 실시형태로 생각되는 것들과 관련하여 예로서 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시형태들로 한정되지 않고, 첨부된 청구항들에 규정된 것처럼, 그 특징들의 다양한 조합 또는 수정, 및 본 발명의 범위 내에 포함되는 여러 다른 적용을 포함하려는 것이라고 이해되어야 한다. 상기한 임의의 실시형태와 관련하여 언급된 세부 사항은 조합이 기술적으로 실현 가능한 경우에는 다른 실시형태와 관련하여 사용될 수도 있다.

Claims (11)

  1. 순환 유동층 보일러 플랜트 (10) 의 이산화황 배출물을 감소시키는 방법으로서,
    - 보일러의 노 (12) 에 제 1 공급율 (feeding rate) 로 황 함유 탄소질 연료의 제 1 스트림을 공급하는 단계;
    - 상기 노에 제 2 공급율로 미리 결정된 d50 입자 크기를 갖는 탄산칼슘 함유 흡착제의 제 2 스트림을 공급하는 단계;
    - 상기 노에서 형성되는 입자들의 층을 유동화하기 위해 상기 노에 산소 함유 가스를 공급하는 단계;
    - 상기 산소로 상기 황 함유 탄소질 연료를 연소시켜서, 상기 황 함유 탄소질 연료 중의 황을 이산화황으로 산화시키는 단계;
    - 상기 노에서 상기 탄산칼슘을 산화칼슘으로 하소시키고, 상기 산화칼슘의 일부를 활용하여 상기 노에서 상기 이산화황의 제 1 부분을 황산칼슘으로 황산화시키는 단계;
    - 상기 이산화황의 제 2 부분을 함유하는 연도 가스들, 및 산화칼슘 입자들을 포함하는, 상기 연도 가스들과 동반된 입자들을 상기 노로부터 연도 가스 채널 (18) 을 따라 배출하는 단계;
    - 상기 산화칼슘 입자들의 제 1 부분을 포함하는, 상기 동반된 입자들의 제 1 부분을, 컷오프 크기를 갖는 입자 분리기 (14) 에서 상기 연도 가스들로부터 분리하고, 분리된 입자들의 적어도 일부를, 복귀 덕트 (16) 를 통해 상기 노 (12) 로 복귀시키는 단계;
    - 상기 산화칼슘 입자들의 제 2 부분을 포함하는, 상기 동반된 입자들의 제 2 부분을, 상기 연도 가스들로 상기 노 (12) 로부터 상기 노의 하류에 배치된 반건식 황 감소 스테이지 (38, 52) 로 운반하는 단계; 및
    - 상기 반건식 황 감소 스테이지 (38, 52) 에서 상기 연도 가스들의 이산화황 함량을 감소시키는 단계를 포함하고,
    상기 탄산칼슘 함유 흡착제의 상기 미리 결정된 d50 입자 크기는 10 내지 20 ㎛ 이고 또한 상기 입자 분리기의 상기 컷오프 크기의 50% 보다 더 작은, 순환 유동층 보일러 플랜트 (10) 의 이산화황 배출물을 감소시키는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄산칼슘 함유 흡착제의 상기 미리 결정된 d50 입자 크기는 상기 입자 분리기의 상기 컷오프 크기의 30% 보다 더 작은 것을 특징으로 하는, 순환 유동층 보일러 플랜트 (10) 의 이산화황 배출물을 감소시키는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화칼슘 입자들의 80% 이상이 상기 동반된 입자들의 제 2 부분에 속하고, 상기 산화칼슘 입자들의 20% 이하가 상기 동반된 입자들의 제 1 부분에 속하는 것을 특징으로 하는, 순환 유동층 보일러 플랜트 (10) 의 이산화황 배출물을 감소시키는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 산화칼슘 입자들의 90% 이상이 상기 동반된 입자들의 제 2 부분에 속하고, 상기 산화칼슘 입자들의 10% 이하가 상기 동반된 입자들의 제 1 부분에 속하는 것을 특징으로 하는, 순환 유동층 보일러 플랜트 (10) 의 이산화황 배출물을 감소시키는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 운반하는 단계는 상기 산화칼슘 입자들의 입자 크기를 줄임이 없이 수행되는 것을 특징으로 하는, 순환 유동층 보일러 플랜트 (10) 의 이산화황 배출물을 감소시키는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 운반하는 단계는 상기 산화칼슘 입자들의 제 2 부분의 소화 (slaking) 없이 수행되는 것을 특징으로 하는, 순환 유동층 보일러 플랜트 (10) 의 이산화황 배출물을 감소시키는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 운반하는 단계는 상기 동반된 입자들의 물리적 또는 화학적 특성을 변경하는 임의의 외부 처리 없이 수행되는 것을 특징으로 하는, 순환 유동층 보일러 플랜트 (10) 의 이산화황 배출물을 감소시키는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 공급율에 대한 상기 제 1 공급율의 비는, 상기 제 1 스트림 중의 황에 대한 상기 제 2 스트림 중의 칼슘의 몰 비 (Ca/S 몰 비) 가 2.5 내지 3.5 이도록 하는 것이고, 상기 반건식 황 감소 스테이지에 추가적인 흡착제가 공급되지 않는 것을 특징으로 하는, 순환 유동층 보일러 플랜트 (10) 의 이산화황 배출물을 감소시키는 방법.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 공급율에 대한 상기 제 1 공급율의 비는, 상기 제 1 스트림 중의 황에 대한 상기 제 2 스트림 중의 칼슘의 몰 비 (Ca/S 몰 비) 가 1.5 내지 2.5 이도록 하는 것이고, 상기 반건식 황 감소 스테이지에 추가적인 흡착제가 공급되지 않는 것을 특징으로 하는, 순환 유동층 보일러 플랜트 (10) 의 이산화황 배출물을 감소시키는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 공급율에 대한 상기 제 1 공급율의 비는, 상기 제 1 스트림 중의 황에 대한 상기 제 2 스트림 중의 칼슘의 몰 비 (Ca/S 몰 비) 가 1.0 내지 2.0 이도록 하는 것이고, 상기 반건식 황 감소 스테이지에 추가적인 흡착제가 공급되지 않는 것을 특징으로 하는, 순환 유동층 보일러 플랜트 (10) 의 이산화황 배출물을 감소시키는 방법.
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