KR102067484B1 - 고체 연료 사용시 발생하는 회 점착을 저감하기 위한 첨가제 선정 방법 - Google Patents

고체 연료 사용시 발생하는 회 점착을 저감하기 위한 첨가제 선정 방법 Download PDF

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Abstract

첨가제 제공 방법이 개시된다. 구체적으로, (a) 연료 분석 모듈(100)이 고체 연료의 물성 정보를 입력받는 단계; (b) 회 용융 비율값 연산 모듈(200)이 입력된 상기 고체 연료의 물성 정보 및 추가 입력된 산화제 정보를 이용하여 연소 온도에 따른 회 용융 비율값을 연산하는 단계; (c) 회 용융 비율 저감율값 연산 모듈(300)이 연산된 상기 회 용융 비율값을 이용하여 기 설정된 다수의 첨가제에 대하여 첨가제 적용 여부에 따른 회 용융 비율 저감율값을 연산하는 단계; 및 (d) 첨가제 선정 모듈(400)이 연산된 상기 회 용융 비율 저감율값에 따라 상기 다수의 첨가제 중 어느 하나의 첨가제를 선정하는 단계를 포함하는 첨가제 선정 방법이 개시된다.

Description

고체 연료 사용시 발생하는 회 점착을 저감하기 위한 첨가제 선정 방법{Selection method of additive to reduce ash sticking occurred when using solid fuel}
본 발명은 고체 연료 연소 보일러 내에 발생하는 회 점착 저감을 위한 첨가제 선정 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 사용되는 고체 연료의 회 용융 온도를 파악하여, 고체 연료 사용시 연소기의 운전 온도보다 높은 온도에서 회가 용융될 수 있도록 회 용융 온도를 상승시킴으로써 연소기 내에 발생하는 회의 점착을 저감하기 위한 첨가제를 선정하기 위한 방법에 관한 것이다.
연소를 위한 연료로서 석탄 등의 고체 연료를 사용할 경우, 그 성분으로 인해 연소기 내에 회가 용융되어 내벽 및 열교환 배관 등에 점착되는 현상이 발생할 수 있다.
구체적으로, 고체 연료는 기본적으로 수분, 유기물로 구성된 휘발분, 고정탄소와 회분(또는 무기물)으로 구성되어 있다. 고체 연료를 연소기에 투입시 휘발분과 고정탄소는 산소와의 반응을 통해 열에너지를 발생시켜 고온의 스팀 또는 전기 생산에 활용하게 된다.
그러나 반응 과정에 참여하지 않는 회분이 고온에 노출될 경우 고체에서 액체(또는 포함되어 있는 성분에 따라 기체)로 상변화가 일어나게 된다. 액체가 된 회분이 가스 흐름을 따라 이동하는 중 온도 구배가 있는 연소기 벽면 또는 열교환기에 부딪히게 되면 점착되면서 응고된다.
이 때, 고온의 복사부에서는 슬래깅(slagging)이, 대류영역에서는 파울링(foulding)이 발생하게 되어, 가스 흐름과 열교환기의 열전달을 방해함으로써 열효율이 저하된다.
뿐만 아니라, 액체화된 회의 점착은 보일러 벽면 또는 열교환기 표면의 부식을 일으키며, 경우에 따라 점착된 회가 거대화되어 점착면으로부터 탈락되어 연소기가 파손될 우려도 있어, 불가피하게 연소기의 운전 정지라는 결과가 발생할 수 있다.
따라서, 이러한 회 점착을 감소시키거나 사전에 방지하기 위한 다양한 기술들이 개시된 바 있다.
한국등록특허문헌 제10-1793972호는 2종 이상의 탄을 연료로 하는 보일러 장치에 있어서, 탄별 비선형적 용융점을 파악함으로써 2종 이상의 탄의 혼소 시 비선형적 용융점을 예측하는 방법을 개시한다.
그런데, 이러한 유형의 예측 방법은 첨가제를 이용하여 회의 용융점을 직접 제어하는 방법에 대한 고찰은 없다는 한계가 있다.
한국등록특허문헌 제10-1447032호는 연소실에 투입되는 석탄 또는 첨가제를 혼합 전후에 형광 X선 분석장치를 이용하여 실시간으로 조성을 측정하고, 측정 결과를 이용하여 가스화기의 최소 운전온도 및 최대 운전온도를 예측하여 이에 따라 석탄 또는 첨가제의 양을 조절할 수 있는 석탄 및 첨가제 공급 장치 및 공급 방법을 개시한다.
그러나, 이러한 유형의 공급 장치 및 방법은 가스화기의 운전온도에 의존하여 석탄 또는 첨가제의 양을 조절하므로, 첨가제를 이용하여 회의 용융점을 직접 제어하는 방법 및 고가의 첨가제를 어떤 식으로 선정하여 경제성을 평가할지에 관한 고찰이 없다는 한계가 있다.
한국등록특허문헌 제10-1793972호 (2017.11.06.) 한국등록특허문헌 제10-1447032호 (2014.09.26.)
본 발명의 목적은, 연소 보일러 내에 발생하는 회 점착 저감을 위해 회 용융 온도를 상승시킬 수 있는 첨가제를 이용하되 고가의 첨가제 투입에 따른 경제성 평가를 병행하여, 연소기 내의 회 점착을 저감함과 동시에 연소기 운용의 경제성까지 향상시킬 수 있는 첨가제 선정 방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, (a) 연료 분석 모듈(100)이 고체 연료의 물성 정보를 입력받는 단계; (b) 회 용융 비율값 연산 모듈(200)이 입력된 상기 고체 연료의 물성 정보 및 추가 입력된 산화제 정보를 이용하여 연소 온도에 따른 회 용융 비율값을 연산하는 단계; (c) 회 용융 비율 저감율값 연산 모듈(300)이 연산된 상기 회 용융 비율값을 이용하여 기 설정된 다수의 첨가제에 대하여 첨가제 적용 여부에 따른 회 용융 비율 저감율값을 연산하는 단계; 및 (d) 첨가제 선정 모듈(400)이 연산된 상기 회 용융 비율 저감율값에 따라 상기 다수의 첨가제 중 어느 하나의 첨가제를 선정하는 단계를 포함하는 첨가제 선정 방법을 제공한다.
또한, 상기 (a) 단계는, (a1) 공업 분석부(110)가 상기 연료 내의 수분, 휘발분, 고정 탄소 및 회분의 질량 비율값을 입력받는 단계; (a2) 원소 분석부(120)가 상기 연료 내의 탄소, 수소, 산소, 질소, 황 및 염소의 질량 비율값을 입력받는 단계; 및 (a3) 회 성분 분석부(130)가 상기 연료 내의 이산화규소(SiO2), 산화 알루미늄(Al2O3), 산화나트륨(Na2O), 산화철(III)(Fe2O3), 산화칼륨(K2O), 산화칼슘(CaO), 산화마그네슘(MgO), 이산화타이타늄(TiO2) 및 삼산화황(SO3)의 질량 비율값을 입력받는 단계를 포함하며, 상기 고체 연료의 물성 정보에는, 상기 공업 분석부(110), 상기 원소 분석부(120) 및 상기 회 성분 분석부(130)가 각각 입력 받은 상기 질량 비율값이 포함될 수 있다.
또한, 상기 (b) 단계는, (b1) 연료 정보 입력부(210)가 상기 고체 연료의 물성 정보를 입력받는 단계; 및 (b2) 산화제 정보 입력부(220)가 상기 산화제 정보를 입력받는 단계를 포함하며, 상기 산화제 정보에는, 산화제가 포함하는 산소 및 질소 비율값이 포함될 수 있다.
또한, 상기 (b2) 단계 이후에, (b3) 회 용융 비율값 연산부(230)가 상기 고체 연료의 물성 정보 및 상기 산화제 정보를 이용하여 연소 온도에 따른 회 용융 비율값을 연산하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 (c) 단계는, (c1) 첨가제 정보 입력부(310)가 상기 다수의 첨가제의 정보를 입력받는 단계; (c2) 첨가제 투입 결과 연산부(320)가 입력된 상기 다수의 첨가제의 정보를 이용하여 각 첨가제마다 첨가제 투입 결과를 연산하는 단계; 및 (c3) 첨가제 순위 부여부(330)가 연산된 상기 첨가제 투입 결과를 이용하여 상기 각 첨가제에 순위를 부여하는 단계를 포함하며, 상기 첨가제 투입 결과에는, 상기 첨가제 투입에 따른 상기 회 용융 비율값의 변화량이 상기 첨가제가 투입되는 온도 조건에 따라 매핑되어 저장될 수 있다.
또한, 상기 (c3) 단계에서, 상기 순위는 기 설정된 방법으로 연산된 회 용융 비율 저감율값이 높은 순서로 부여될 수 있다.
또한, 상기 (d) 단계는, (d1) 연소 온도 비교부(410)가 실제 연소 온도와 상기 순위가 부여된 첨가제가 투입되는 온도 조건을 비교하는 단계; (d2) 첨가제 필터링부(420)가 상기 연소 온도 비교부(410)가 비교한 상기 순위가 부여된 첨가제 중 상기 첨가제가 투입되는 온도 조건이 상기 실제 연소 온도와 동일한 첨가제를 필터링하는 단계; 및 (d3) 비용 순위 부여부(430)가 상기 첨가제 필터링부(420)가 필터링한 상기 첨가제의 투입에 따른 비용을 연산하여 상기 필터링한 첨가제에 순위를 부여하는 단계를 포함하며, 상기 순위는, 상기 필터링한 첨가제의 사용에 따른 비용이 낮을수록 높은 순위가 부여될 수 있다.
또한, 상기 (d3) 단계 이후에, (d4) 경제성 판단부(440)가 상기 순서가 부여된 상기 필터링한 첨가제 투입에 따른 상기 회 용융 비율 저감율값과 소정의 기준 회 용융 비율 저감율값을 비교하는 단계; 및 (d5) 첨가제 선택부(450)가 상기 회 용융 비율 저감율값이 상기 소정의 기준 회 용융 비율 저감율값을 초과할 경우, 상기 순서가 부여된 상기 필터링한 첨가제 중 가장 순위가 높은 첨가제를 선택하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 연소기 내의 회 용융 온도를 연산하기 위해 연료의 물성 정보뿐만 아니라 산화제에 대한 정보까지 이용하므로, 연산된 회 용융 온도 및 적합한 첨가제의 선정의 정확도가 향상될 수 있다.
또한, 선정된 첨가제를 연소기 내의 실제 연소 온도 및 경제성을 기준으로 첨가제를 필터링하고 첨가제 투입 여부를 결정하므로, 고가의 첨가제를 효율적 그리고 경제적으로 활용하여 회 점착을 저감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 첨가제 선정 방법을 수행하기 위한 구성을 도시하는 블록도이다.
도 2는 도 1의 구성 중 연료 분석 모듈의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 3은 도 1의 구성 중 회 용융 비율값 연산 모듈의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 4는 온도 변화에 따른 용융 비율의 변화를 투입된 연료를 기준으로 도시하는 그래프이다.
도 5는 도 1의 구성 중 회 용융 비율 저감율값 연산 모듈의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 6은 도 1의 구성 중 첨가제 선정 모듈의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 7은 도 1의 구성에 의해 본 발명의 실시 예에 따른 첨가제 선정 방법이 수행되는 과정을 도시하는 순서도이다.
도 8은 도 7의 연료 분석 모듈이 고체 연료의 물성 정보를 입력받는 세부 과정을 도시하는 순서도이다.
도 9는 도 7의 회 용융 비율값 연산 모듈이 연산된 고체 연료의 물성 정보 및 추가 입력된 산화제 정보를 연산하여 연소 온도에 따른 회 용융 비율값을 연산하는 세부 과정을 도시하는 순서도이다.
도 10은 도 7의 회 용융 비율 저감율값 연산 모듈이 연산된 회 용융 비율값을 이용하여 첨가제 적용 여부에 따른 회 용융 비율 저감율값을 연산하는 세부 과정을 도시하는 순서도이다.
도 11은 도 7의 첨가제 선정 모듈이 연산된 저감율값에 따라 첨가제를 선정하는 세부 과정을 도시하는 순서도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 첨가제 선정 방법을 상세하게 설명한다.
이하의 설명에서 사용되는 "고체 연료"라는 용어는 석탄 등 화석 연료뿐만 아니라 바이오매스(biomass) 등 고체 상태의 모든 연료를 총칭한다.
이하의 설명에서 사용되는 "첨가제"라는 용어는 연소시 투입되는 연료 및 산화제를 제외한 모든 물질을 총칭한다.
1. 첨가제 투입부(10)의 설명
본 발명은 연소기(1) 내의 회의 점착을 방지하기 위해 회가 고체 상태를 유지할 수 있도록, 연소 온도에 비해 회 용융 온도를 상승시키기 위해 투입하는 첨가제를 선정하는 방법을 제공한다.
이를 위해, 본 발명은 첨가제 투입부(10)를 포함한다.
첨가제 투입부(10)는 후술될 과정을 거쳐, 연소기(1) 내로 투입될 첨가제를 선정하고, 연소 온도 및 경제성 평가 결과에 따라 선정된 첨가제의 투입 여부를 결정한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 첨가제 투입부(10)는 연료 분석 모듈(100), 회 용융 비율값 연산 모듈(200), 회 용융 비율 저감율값 연산 모듈(300) 및 첨가제 선정 모듈(400)을 포함한다.
(1) 연료 분석 모듈(100)의 설명
연료 분석 모듈(100)은 고체 연료 분석 방법에 기초하여 공업 분석, 원소 분석 및 회 성분 분석 과정을 통해, 고체 연료의 물성 정보를 입력 받는다.
이 때, 연료 분석 모듈(100)에서 분석되는 고체 연료는 연소기(1)에 투입될 연료에 국한되지 않는다. 즉, 연료 분석 모듈(100)은 연소기(1)에 투입될 수 있는 모든 고체 연료에 대한 분석을 수행하여, 각 고체 연료의 물성을 파악한다.
도 2를 참조하면, 연료 분석 모듈(100)은 공업 분석부(110), 원소 분석부(120) 및 회 성분 분석부(130)를 포함한다.
공업 분석부(110)는 연료 내에 포함된 수분(moisture), 휘발분(volatile matter), 고정탄소(fixed carbon), 회분(ash)의 질량 비율값을 입력 받는다. 공업 분석부(110)의 분석 결과는 회분의 비율 도출을 위한 배경 데이터로서 활용된다.
원소 분석부(120)는 탄소(carbon), 수소(hydrogen), 산소(oxygen), 질소(nitrogen), 황(sulfur) 및 염소(chlorine)의 질량 비율값을 입력 받는다.
회 성분 분석부(130)는 발생이 예상되는 회의 주요 성분인 이산화규소(SiO2), 산화 알루미늄(Al2O3), 산화나트륨(Na2O), 산화철(III)(Fe2O3), 산화칼륨(K2O), 산화칼슘(CaO), 산화마그네슘(MgO), 이산화타이타늄(TiO2) 및 삼산화황(SO3)의 질량 비율값을 입력 받는다.
즉, 연료 분석 모듈(100)이 입력 받는 고체 연료의 물성 정보에는 공업 분석부(110), 원소 분석부(120) 및 회 성분 분석부(130)에 입력된 각 질량 비율값이 포함된다.
일 실시 예에서, 각 분석부(110, 120, 130)에서 분석된 질량 비율값은 백분율(%)로서 표시되며, 입력된 질량 비율값, 고체 연료의 물성 정보는 회 용융 비율값 연산 모듈(200)로 전달된다.
(2) 회 용융 비율값 연산 모듈(200)의 설명
회 용융 비율값 연산 모듈(200)은 연료 분석 모듈(100)에 입력된 각 고체 연료의 물성 정보 및 후술될 추가 입력된 산화제 정보를 연산하여 연소 온도에 따른 회 용융 비율값을 연산한다.
구체적으로, 회 용융 비율값 연산 모듈(200)은 연소 온도에 따른 다양한 고체 연료의 용융 특성(용융 비율)을 파악하고, 이에 따른 회 용융 비율값을 연산한다.
도 3을 참조하면, 회 용융 비율값 연산 모듈(200)은 연료 정보 입력부(210), 산화제 정보 입력부(220) 및 회 용융 비율값 연산부(230)를 포함한다.
연료 정보 입력부(210)는 연료 분석 모듈(100)에서 연산된 각 고체 연료의 물성 정보, 즉 질량 비율값을 입력받는다.
산화제 정보 입력부(220)는 연소기(1)에 투입될 수 있는 산화제 정보를 추가로 입력받고, 그 성분을 분석한다. 산화제 정보는 산화제 내의 산소 및 질소의 질량 비율값을 포함한다. 즉, 산화제 정보 입력부(220)는 산화제 중 산소의 질량 비율값 또는 질소의 질량 비율값에 따라 산화 조건 또는 환원 조건을 연산한다.
회 용융 비율값 연산부(230)는 연료 정보 입력부(210)에 입력된 각 고체 연료의 물성 정보 및 산화제 정보 입력부(220)에 입력된 산화제 정보를 이용하여 연소 온도에 따른 회 용융 비율값을 연산한다.
회 용융 비율값은 열역학적 해석 방법(깁스 자유에너지 기반)을 이용하는 컴퓨터 프로그램(예를 들어, FactSage 프로그램 등)에 의해 연산될 수 있다.
대안적으로, 별도의 프로그래밍 작업을 통해 회 용융 비율값을 연산할 수도 있다.
이 때, 회 용융 비율값을 연산하기 위한 인자로서 각 고체 연료의 물성 정보뿐만 아니라, 산화제 정보 또한 이용하여 산화제 중 산소의 비율에 따라 산화 조건 또는 환원 조건을 형성함으로써, 연소 조건에 따른 회 용융 비율의 예측의 정확도 향상이 가능하다.
일 실시 예에서, 각 연소 온도에 따른 회 용융 비율은 다음 식에 의해 도출될 수 있다.
Figure 112018064357659-pat00001
이 때,
Figure 112018064357659-pat00002
는 회의 질량 중 용융된 회의 질량이며,
Figure 112018064357659-pat00003
는 회의 질량 중 고체 상태의 회의 질량이다.
도 4를 참조하면, 상기 식에 의해 연산된 상이한 특정 고체 연료, 즉 석탄 및 바이오매스의 온도에 따른 용융 비율이 도시된다. 도시된 실시 예에서, 회 용융 비율은 어느 정도 선형적으로 변화하나, 다른 실시 예에서는 비선형적으로 변화될 수 있다.
또한, 회 용융 온도는 회의 성분 중 고체 상태의 회가 용융되어 액체 상태로 상전이하는 온도로서, 연소기(1) 내의 연소 온도가 용융 온도에 도달하였다 하더라도 곧바로 점착이 발생하지 않을 수도 있다.
이를 참조하면, 동일한 물성 정보를 갖는 연료 및 동일한 산화제 정보를 갖는 산화제가 연소되는 경우에도, 연소 온도에 따라 회 용융 비율값이 상이하게 변경된다.
이러한 연소 온도에 따른 회 용융 비율값의 차이는 후술될 첨가제 선정 모듈(400)에서의 필터링 과정을 거쳐 반영된다.
(3) 회 용융 비율 저감율값 연산 모듈(300)의 설명
회 용융 비율 저감율값 연산 모듈(300)은 연산된 회 용융 비율값을 이용하여 기 설정된 다수의 첨가제에 대하여 첨가제 적용 여부에 따른 회 용융 비율 저감율값을 연산한다.
회 용융 비율 저감율값 연산 모듈(300)은 각 첨가제의 정보를 입력받고, 각 첨가제를 각 연소 온도에서 투입하였을 때의 결과를 회 용융 비율 저감율값으로 연산하여 순위를 부여한다.
도 5를 참조하면, 회 용융 비율 저감율값 연산 모듈(300)은 첨가제 정보 입력부(310), 첨가제 투입 결과 연산부(320) 및 첨가제 순위 부여부(330)를 포함한다.
첨가제 정보 입력부(310)는 기 설정된 다수의 첨가제, 즉 사용 가능한 첨가제에 대한 정보를 입력받는다. 이 때, 첨가제 정보 입력부(310)에 입력되는 첨가제의 정보는 연소기(1)에 투입될 첨가제뿐만 아니라, 통상의 연소 과정에서 회 용융 온도를 저감하기 위해 사용될 수 있는 모든 첨가제의 정보를 포함한다.
이를 위해, 사용 가능한 각 첨가제에 관한 화학식 정보, 투입시 회 용융 온도 저감 효과에 관한 정보, 단가에 관한 정보 등이 저장된 첨가제 데이터베이스(미도시)가 구비되어, 첨가제 정보 입력부(310)에 필요한 정보가 전달될 수 있다.
첨가제 투입 결과 연산부(320)는 첨가제 정보 입력부(310)를 통해 입력된 각 첨가제의 정보에 따라 각 연소 온도에 따른 첨가제 투입 결과를 연산한다.
이를 위해, 첨가제 투입 결과 연산부(320)는 첨가제의 종류 및 첨가제가 투입되는 온도 조건에 따라 첨가제 투입시 회 용융 온도의 변화값이 매핑되어 저장된 데이터베이스(미도시)로부터 데이터를 제공받을 수 있다.
또한, 데이터베이스(미도시)에는 각 첨가제의 화학 조성을 나타내는 화학식 및 구입 금액 또한 매핑되어 저장된다.
이 때, 첨가제의 투입량은 연료의 질량에 대한 비율로서 표시될 수 있다.
첨가제 순위 부여부(330)는 첨가제 투입 결과 연산부(320)에서 연산된 첨가제 투입 결과를 기 설정된 방법으로 정렬하고, 순위를 부여한다.
이 때, 기 설정된 방법은 첨가제 투입 결과를 이용하여 첨가제를 정렬하고, 순위를 부여하기 위한 방법으로서, 일 실시 예에서 첨가제의 정렬 기준은 회 용융 비율 저감율값일 수 있다.
구체적으로, 첨가제 순위 부여부(330)는 각 상황에서의 회 용융 비율 저감율값을 연산하는데, 일 예로서 다음의 식이 사용될 수 있다.
Figure 112018064357659-pat00004
각 상황에서의 회 용융 비율 저감율값이 연산되면, 첨가제 순위 부여부(330)는 회 용융 비율 저감율값이 높은 순서대로 각 첨가제에 순위를 부여한다.
첨가제 순위 부여부(330)가 순위를 부여한 각 첨가제에 관한 정보는 후술될 첨가제 선정 모듈(400)로 전달된다.
(4) 첨가제 선정 모듈(400)의 설명
첨가제 선정 모듈(400)은 회 용융 비율 저감율값 연산 모듈(300)에서 연산된 회 용융 비율 저감율값 및 각 첨가제의 순위에 따라 기 설정된 다수의 첨가제 중 투입할 하나 이상의 첨가제를 선정한다.
기 설정된 다수의 첨가제, 즉 사용 가능한 첨가제에는 연소기(1)에 투입될 첨가제뿐만 아니라, 통상의 연소 과정에서 회 용융 온도를 저감하기 위해 사용될 수 있는 모든 첨가제가 포함됨은 상술한 바와 같다.
또한, 첨가제 선정 모듈(400)은 투입되기에 적합한 첨가제를 선정하기 위한 조건으로서, 실제 연소가 일어나는 연소기(1) 내부의 연소 온도 및 경제성 평가 결과를 이용한다.
이를 위해, 첨가제 선정 모듈(400)은 연소 온도 비교부(410), 첨가제 필터링부(420), 비용 순위 부여부(430), 경제성 판단부(440) 및 첨가제 선택부(450)를 포함한다.
연소 온도 비교부(410)는 실제 연소가 일어나는 연소기(1) 내부의 연소 온도와 첨가제 순위 부여부(330)에서 순위가 부여된 첨가제가 투입되는 온도 조건을 비교한다.
구체적으로, 실제 연소 온도가 각 첨가제에 의한 회 용융 온도의 감소가 최대가 되는 온도 조건에 부합할 때, 첨가제 투입의 효과가 극대화될 수 있으며, 이는, 동일한 첨가제를 투입하는 경우에도 연소 온도에 따라 효과, 본 발명에서는 회 용융 온도 증가의 폭이 상이하기 때문이다.
이 때, 비교의 기준이 되는 실제 연소 온도는 실제 연소기(1) 내부의 온도를 측정하여 결정될 수 있고, 임의의 연소 온도가 사용자 등에 의해 입력될 수도 있다.
첨가제 필터링부(420)는 연소 온도 비교부(410)에서의 실제 연소 온도와 첨가제가 투입되는 온도 조건의 비교 결과를 이용하여, 첨가제 투입의 효과가 최대화되는 온도 조건이 실제 연소 온도에 해당하는 첨가제를 필터링한다.
또한, 첨가제 투입의 효과가 최대화되는 온도 조건이 실제 연소 온도와 동일한 것이 바람직하나, 일 실시 예에서, 완전히 동일한 경우가 아니라 일부 차이가 있는 경우라 하더라도 필터링 대상에 포함될 수 있다.
이 때 필터링 대상을 설정하기 위한 온도 조건은 연소 상황에 따라 상이하게 정해질 수 있으며, 일 실시 예에서 오차 범위가
Figure 112018064357659-pat00005
인 온도 범위가 온도 조건에 만족하는 것으로 설정될 수 있다.
비용 순위 부여부(430)는 첨가제 필터링부(420)에서 필터링된 첨가제의 투입에 따른 비용을 연산하여 필터링된 첨가제에 각각 순위를 부여한다.
이 때, 필터링된 첨가제는 이미 연소기(1) 내부의 연소 온도 또는 입력된 온도 조건에 적합한 첨가제들이므로, 비용 순위 부여부(430)는 첨가제 사용에 따른 소모 비용을 주안점으로 하여 순위를 부여한다.
일 실시 예에서, 첨가제 투입에 따라 소모되는 비용이 낮을수록 높은 순위가 부여될 수 있다.
경제성 판단부(440)는 비용 순위 부여부(430)에서 순위가 부여된, 필터링된 첨가제 투입에 따른 회 용융 비율 저감율값과 소정의 회 용융 비율 저감율값을 비교한다.
이는, 연소시 투입되는 첨가제가 일반적으로 고가이기 때문에, 회 용융 온도를 상승시켜 연소기(1) 내의 회 점착을 방지하는 효과가 우수하다 하더라도, 회 점착 방지에 의해 얻을 수 있는 경제적인 효과에 비해 첨가제 투입에 따른 경제적 손실이 더 큰 경우 첨가제를 투입하지 않는 것이 더 이득이기 때문이다.
따라서, 첨가제 투입에 따른 비용 및 첨가제 투입에 따라 회 용융 비율 저감율값의 상승에 따른 경제적인 이익을 비교하여, 첨가제 투입에 따라 회 용융 비율 저감율값의 상승에 따른 경제적인 이익이 더 높은 경우에만 첨가제를 투입하는 것이 바람직하다.
일 실시 예에서, 이러한 첨가제 투입에 따른 회 용융 비율 저감율값의 상승에 따른 경제적인 이익이 회 용융 비율 저감율값으로서 환산되어 기준치로서 사용될 수 있다.
첨가제 선택부(450)는 경제성 판단부(440)에서 비교된 결과를 이용하여, 연소기(1)에 투입될 첨가제를 선정한다.
구체적으로, 첨가제 선택부(450)는 경제성 판단부(440)의 비교 결과에 따라 첨가제 투입에 따른 회 용융 비율 저감율값이 소정의 회 용융 비율 저감율값, 즉 기준치를 초과하는 첨가제 중에서 연소기(1)에 투입될 첨가제를 선택한다.
이 때, 첨가제 선택부(450)는 첨가제 투입에 따른 회 용융 비율 저감율값이 소정의 회 용융 비율 저감율값을 초과하는 첨가제 중에서 어느 하나를 선택하기 위해, 비용 순위 부여부(430)에서 부여된 순위가 가장 높은 첨가제, 즉 첨가제 투입에 따른 비용이 가장 낮은 첨가제를 선택할 수 있다.
2. 첨가제 선정 방법의 설명
이하, 도 7 내지 11을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 첨가제 투입부(10)를 이용한 첨가제 선정 방법을 상세하게 설명한다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 첨가제 선정 방법은 연료 분석 모듈(100)이 고체 연료의 물성 정보를 입력받는 단계(S100), 회 용융 비율값 연산 모듈(200)이 입력된 고체 연료의 물성 정보 및 추가 입력된 산화제 정보를 이용하여 연소 온도에 따른 회 용융 비율값을 연산하는 단계(S200), 회 용융 비율 저감율값 연산 모듈(300)이 연산된 회 용융 비율값을 이용하여 기 설정된 다수의 첨가제에 대하여 첨가제 적용 여부에 따른 회 용융 비율 저감율값을 연산하는 단계(S300) 및 첨가제 선정 모듈(400)이 연산된 저감값에 따라 다수의 첨가제 중 어느 하나의 첨가제를 선정하는 단계(S400)를 포함한다.
(1) 연료 분석 모듈(100)이 고체 연료의 물성 정보를 입력받는 단계(S100)의 설명
본 단계는 첨가제 선정을 위한 연소 환경 중 고체 연료의 특성에 따른 영향을 분석하기 위한 단계이다.
이하, 도 8을 참조하여 본 단계에 대해 상세하게 설명한다.
먼저, 공업 분석부(110)가 연료 내의 수분, 휘발분, 고정 탄소 및 회분의 질량 비율값을 입력 받는다(S110). 연산된 질량 비율값은 회분의 비율 도출을 위한 배경 데이터로서 활용된다.
다음, 원소 분석부(120)가 연료 내의 탄소, 수소, 산소, 질소, 황 및 염소의 질량 비율값을 입력 받는다(S120).
또한, 회 성분 분석부(130)가 연료 내의 이산화규소, 산화 알루미늄, 산화나트륨, 산화철(III), 산화칼륨, 산화칼슘, 산화마그네슘, 이산화타이타늄 및 삼산화황의 질량 비율값을 입력 받는다(S130).
즉, 본 단계에서 입력되는 고체 연료의 물성 정보에는 공업 분석부(110), 원소 분석부(120) 및 회 성분 분석부(130)에 입력된 각 질량 비율값이 포함된다.
각 분석부(110, 120, 130)에 입력된 질량 비율값은 백분율(%)로서 표기되며, 분석된 질량 비율값, 고체 연료의 물성 정보는 회 용융 비율값 연산 모듈(200)로 전달됨은 상술한 바와 같다.
(2) 회 용융 비율값 연산 모듈(200)이 입력된 고체 연료의 물성 정보 및 추가 입력된 산화제 정보를 이용하여 연소 온도에 따른 회 용융 비율값을 연산하는 단계(S200)의 설명
본 단계는 전 단계(S100)에서 입력된 고체 연료의 물성 정보 및 연소기(1)에 투입되는 추가 입력된 산화제 정보를 이용하여 각 연소 온도에 따른 회 용융 비율값을 연산함으로써, 상이한 연소 환경마다의 회 용융 비율값을 도출하기 위한 단계이다.
본 단계에서, 연소 온도에 따른 회 용융 비율값을 연산하기 위한 또다른 인자로서 산화제 정보가 추가적으로 입력된다.
이하, 도 9를 참조하여 본 단계에 대해 상세하게 설명한다.
먼저, 연료 정보 입력부(210)가 고체 연료의 물성 정보를 입력받는다(S210). 구체적으로, 연료 정보 입력부(210)에 입력되는 고체 연료의 물성 정보는 전 단계(S100)에서 공업 분석부(110), 원소 분석부(120) 및 회 성분 분석부(130)에 입력된 각 질량 비율값을 포함한다.
다음, 산화제 정보 입력부(220)가 산화제 정보를 추가로 입력받는다(S220). 구체적으로, 산화제 정보 입력부(220)에 입력되는 산화제 정보는 연소기(1)에 산화제로서 투입될 수 있는 기체에 관한 정보로서, 산화제 내에 포함된 산소 및 질소 비율값을 포함한다.
또한, 회 용융 비율 연산부(230)가 고체 연료의 물성 정보 및 산화제 정보를 이용하여 연소 온도에 따른 회 용융 비율값을 연산한다(S230). 회 용융 비율값은 상용화된 프로그램 등에 의해 연산될 수 있다.
다른 실시 예에서, 회 용융 비율 연산부(230)가 고체 연료의 물성 정보 및 산화제 정보를 이용하여 연소 온도에 따른 회 용융 비율값을 연산하기 위해, 별도의 프로그램을 프로그래밍하는 단계가 더 포함될 수 있다.
(3) 회 용융 비율 저감율값 연산 모듈(300)이 연산된 회 용융 비율값을 이용하여 기 설정된 다수의 첨가제에 대하여 첨가제 적용 여부에 따른 회 용융 비율 저감율값을 연산하는 단계(S300)의 설명
본 단계는 전 단계(S200)에서 연산된 회 용융 비율값을 이용하여 특정한 온도에서의 회 용융 비율 저감율값을 연산하여, 연소 조건에 맞는 첨가제를 선정하기 위한 배경 데이터를 생성하는 단계이다.
이하, 도 10을 참조하여 본 단계에 대해 상세하게 설명한다.
먼저, 첨가제 정보 입력부(310)가 다수의 첨가제의 정보를 입력받는다(S310). 이 때, 첨가제 정보 입력부(310)에 입력되는 다수의 첨가제 정보에는 특정 첨가제가 아닌, 회 용융 온도를 상승시키기 위해 사용될 수 있는 모든 첨가제 정보를 포함함은 상술한 바와 같다.
다음, 첨가제 투입 결과 연산부(320)가 입력된 다수의 첨가제의 정보를 이용하여 각 첨가제마다 첨가제 투입 결과를 연산한다(S320). 이를 위해, 첨가제의 종류 및 첨가제가 투입되는 온도 조건에 따라 첨가제 투입시 회 용융 온도의 변화량이 매핑되어 저장된 별도의 데이터베이스(미도시)가 구비될 수 있음은 상술한 바와 같다.
또한, 첨가제 순위 부여부(330)가 연산된 첨가제 투입 결과를 이용하여 각 첨가제에 순위를 부여한다(S330). 첨가제 순위 부여부(330)는 각 상황에서의 회 용융 비율 저감율값을 앞서 예시된 식에 의해 연산할 수 있다.
각 상황에서의 회 용융 비율 저감율값이 연산되면, 첨가제 순위 부여부(330)는 회 용융 비율 저감율값이 높은 순서대로 각 첨가제에 순위를 부여한다.
(4) 첨가제 선정 모듈(400)이 연산된 저감값에 따라 다수의 첨가제 중 어느 하나의 첨가제를 선정하는 단계(S400)의 설명
본 단계는 전 단계(S300)에서 연산된 회 용융 비율 저감율값에 따라 부여된 순위, 실제 연소가 일어나는 연소 온도 및 경제성을 기준으로 첨가제 투입 여부 및 다수의 첨가제 중 어느 하나 이상의 투입될 첨가제를 선정하는 단계이다.
이하, 도 11을 참조하여 본 단계에 대해 상세하게 설명한다.
먼저, 연소 온도 비교부(410)가 실제 연소 온도와 순위가 부여된 첨가제가 투입되는 온도 조건을 비교한다(S410). 즉, 전 단계(S300)에서 각 첨가제에 부여된 순위는 특정 온도 조건에 따른 순위이므로, 이를 실제 연소 온도와 비교하는 것이다.
다음으로, 첨가제 필터링부(420)가 연소 온도 비교부(410)에서 수행된 비교 결과 실제 연소 온도와 첨가제가 투입되는 온도 조건이 동일한 첨가제들을 필터링한다(S420). 즉, 여기서 필터링된 첨가제들은 실제 연소 온도 조건을 만족하는 첨가제들이다.
또한, 비용 순위 부여부(430)가 첨가제 필터링부(420)가 필터링한 첨가제의 투입에 따른 비용을 연산하여 필터링한 첨가제에 순위를 부여한다(S430). 즉, 실제 연소 온도 조건을 만족하는 각 첨가제들의 상이한 비용을 반영하는 것이다.
이 때, 첨가제의 가격이 낮을수록, 즉 첨가제 사용에 따른 비용이 낮을수록 경제성 측면에서 유리하므로, 높은 순위가 부여된다.
다음, 경제성 판단부(440)가 순서가 부여된 필터링한 첨가제 투입에 따른 회 용융 비율 저감율값과 소정의 기준 회 용융 비율 저감율값을 비교한다(S430).
이는, 연소시 투입되는 첨가제가 일반적으로 고가이기 때문에, 회 용융 온도를 상승시켜 연소기(1) 내의 회 점착을 방지하는 효과가 우수하다 하더라도, 회 점착 방지에 의해 얻을 수 있는 경제적인 효과에 비해 첨가제 투입에 따른 경제적 손실이 더 큰 경우 첨가제를 투입하지 않는 것이 더 유리하기 때문이다.
따라서, 첨가제 투입에 따른 비용 및 첨가제 투입에 따라 회 용융 비율 저감율값의 상승에 따른 경제적인 이익을 비교하여, 첨가제 투입에 따라 회 용융 비율 저감율값의 상승에 따른 경제적인 이익이 더 높은 경우에만 첨가제를 투입하는 것이 바람직하다.
일 실시 예에서, 경제성의 척도로서 회 용융 비율 저감율값이 환산되어 활용될 수 있음은 상술한 바와 같다.
마지막으로, 첨가제 선택부(450)는 회 용융 비율 저감율값이 소정의 기준 회 용융 비율 저감율값을 초과할 경우, 순서가 부여된 필터링한 첨가제 중 가장 순위가 높은 첨가제를 선택한다(S450).
즉, 첨가제 선택부(450)는 첨가제 투입에 따른 경제성이 기준 경제성보다 높은 경우에만 첨가제를 투입하는 것으로 연산하고, 첨가제 투입에 따른 경제성이 기준 경제성과 동일할 경우 별도로 첨가제를 투입하지 않는 것으로 연산한다.
또한, 첨가제 투입에 따른 경제성이 기준 경제성보다 높은 첨가제가 다수 존재할 경우, 첨가제 선택부(450)는 그 중에서 비용 순위 부여부(430)에서 부여된 순위가 가장 높은 첨가제를 선택함으로써, 경제성을 제고할 수 있다.
본 발명에 따르면, 회 용융 온도를 높여서 회 점착에 의한 연소기(1)의 손상 및 연소 효율 등의 감소를 방지하기 위한 첨가제를 선정함에 있어, 고체 연료의 물성 정보 및 산화제 정보를 모두 이용하여 적합한 첨가제를 선정하므로, 목적에 맞는 적합한 첨가제의 선정이 가능하다.
또한, 선정된 첨가제를 실제 연소 온도에 따라 필터링하고, 필터링된 첨가제에 대한 경제성 평가를 수행하여 평가를 만족하는 첨가제만을 선택하여 투입하므로, 연소 상황에 맞는 첨가제의 선정이 가능하다.
더 나아가, 연소 조건에 맞는 순위 및 경제성 평가를 통한 순위가 부여되고, 이를 통해 최선순위의 첨가제를 선정할 수 있으므로, 고가의 첨가제 사용에 따른 효과의 극대화 및 경제성의 극대화가 가능하다.
이상 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1 : 연소기
10 : 첨가제 투입부
100 : 연료 분석 모듈
110 : 공업 분석부
120 : 원소 분석부
130 : 회 성분 분석부
200 : 회 용융 비율값 연산 모듈
210 : 연료 정보 입력부
220 : 산화제 정보 입력부
230 : 회 용융 비율값 연산부
300 : 회 용융 비율 저감율값 연산 모듈
310 : 첨가제 정보 입력부
320 : 첨가제 투입 결과 연산부
330 : 첨가제 순위 부여부
400 : 첨가제 선정 모듈
410 : 연소 온도 비교부
420 : 첨가제 필터링부
430 : 비용 순위 부여부
440 : 경제성 판단부
450 : 첨가제 선택부

Claims (8)

  1. (a) 연료 분석 모듈(100)이 고체 연료의 물성 정보를 입력받는 단계;
    (b) 회 용융 비율값 연산 모듈(200)이 입력된 상기 고체 연료의 물성 정보 및 추가 입력된 산화제 정보를 이용하여 연소 온도에 따른 회 용융 비율값을 연산하는 단계;
    (c) 회 용융 비율 저감율값 연산 모듈(300)이 연산된 상기 회 용융 비율값을 이용하여 기 설정된 다수의 첨가제에 대하여 첨가제 적용 여부에 따른 회 용융 비율 저감율값을 연산하고, 상기 다수의 첨가제에 대하여 연산된 상기 회 용융 비율이 저감율 값이 높은 순서로 순위를 부여하는 단계; 및
    (d) 첨가제 선정 모듈(400)이 연산된 상기 회 용융 비율 저감율값에 따라 상기 다수의 첨가제 중 어느 하나의 첨가제를 선정하는 단계를 포함하며,
    상기 (d) 단계는,
    (d1) 연소 온도 비교부(410)가 실제 연소 온도와 상기 순위가 부여된 첨가제가 투입되는 온도 조건을 비교하는 단계;
    (d2) 첨가제 필터링부(420)가 상기 연소 온도 비교부(410)가 비교한 상기 순위가 부여된 첨가제 중 상기 첨가제가 투입되는 온도 조건이 상기 실제 연소 온도와 동일한 첨가제를 필터링하는 단계;
    (d3) 비용 순위 부여부(430)가 상기 첨가제 필터링부(420)가 필터링한 상기 첨가제의 투입에 따른 비용을 연산하여, 상기 필터링한 첨가제에 대하여 연산된 상기 비용이 낮을수록 높은 순위를 부여하는 단계;
    (d4) 경제성 판단부(440)가 상기 비용에 따라 순위가 부여된 상기 필터링한 첨가제 투입에 따른 상기 회 용융 비율 저감율값과 소정의 기준 회 용융 비율 저감율값을 비교하는 단계; 및
    (d5) 첨가제 선택부(450)는, 상기 회 용융 비율 저감율값이 상기 소정의 기준 회 용융 비율 저감율값 이하인 경우에는 상기 필터링한 첨가제를 투입하지 않는 것으로 결정하고, 상기 회 용융 비율 저감율값이 상기 소정의 기준 회 용융 비율 저감율값을 초과하는 경우에는 상기 비용에 따라 순서가 부여된 상기 필터링한 첨가제 중 가장 순위가 높은 첨가제를 선택하는 단계;를 포함하는,
    첨가제 선정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    (a1) 공업 분석부(110)가 상기 연료 내의 수분, 휘발분, 고정 탄소 및 회분의 질량 비율값을 입력받는 단계;
    (a2) 원소 분석부(120)가 상기 연료 내의 탄소, 수소, 산소, 질소, 황 및 염소의 질량 비율값을 입력받는 단계; 및
    (a3) 회 성분 분석부(130)가 상기 연료 내의 이산화규소(SiO2), 산화 알루미늄(Al2O3), 산화나트륨(Na2O), 산화철(III)(Fe2O3), 산화칼륨(K2O), 산화칼슘(CaO), 산화마그네슘(MgO), 이산화타이타늄(TiO2) 및 삼산화황(SO3)의 질량 비율값을 입력받는 단계를 포함하며,
    상기 고체 연료의 물성 정보에는,
    상기 공업 분석부(110), 상기 원소 분석부(120) 및 상기 회 성분 분석부(130)가 각각 입력받은 상기 질량 비율값이 포함되는,
    첨가제 선정 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    (b1) 연료 정보 입력부(210)가 상기 고체 연료의 물성 정보를 입력받는 단계; 및
    (b2) 산화제 정보 입력부(220)가 상기 산화제 정보를 입력받는 단계를 포함하며,
    상기 산화제 정보에는,
    산화제가 포함하는 산소 및 질소 비율값이 포함되는,
    첨가제 선정 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 (b2) 단계 이후에,
    (b3) 회 용융 비율값 연산부(230)가 상기 고체 연료의 물성 정보 및 상기 산화제 정보를 이용하여 연소 온도에 따른 회 용융 비율값을 연산하는 단계를 포함하는,
    첨가제 선정 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    (c1) 첨가제 정보 입력부(310)가 상기 다수의 첨가제의 정보를 입력받는 단계;
    (c2) 첨가제 투입 결과 연산부(320)가 입력된 상기 다수의 첨가제의 정보를 이용하여 각 첨가제마다 첨가제 투입 결과를 연산하는 단계; 및
    (c3) 첨가제 순위 부여부(330)가 연산된 상기 첨가제 투입 결과를 이용하여 상기 각 첨가제에 순위를 부여하는 단계를 포함하며,
    상기 첨가제 투입 결과에는,
    상기 첨가제 투입에 따른 상기 회 용융 비율값의 변화량이 상기 첨가제가 투입되는 온도 조건에 따라 매핑되어 저장되는,
    첨가제 선정 방법.
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