KR102127088B1 - 500MWh 이상 고온연소 초대형 보일러의 클링커 저감을 위한 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 석탄과 같은 고형 연료를 사용하는 500Mh 급 이상 대형 PC 보일러의 고온 연소과정에서 환원분위기를 억제하고 회융점을 높여 석탄 회재가 노 내의 고온에 노출되어 녹아서 발생하는 클링커(슬래그 등) 및 파울링을 억제하는 Mg, B, Ti 등을 포함하는 조성물에 관한 것이다.

Description

500MWh 이상 고온연소 초대형 보일러의 클링커 저감을 위한 조성물 {Composition for reducing the clinker of high-temperature combustion super-large boilers over 500MWh}

본 발명은 붕소, 마그네슘, 티타늄을 이용한 노내 온도가 높은 초대형보일러의 연료 및 노 내에 첨가 또는 투입되는 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 석탄과 같은 고형 연료를 사용하는 500Mh 급 이상 대형 PC 보일러의 고온 연소과정에서 환원분위기를 억제하고 회융점을 높여 석탄(특히, 유연탄) 등의 연료의 회재가 노 내의 고온에 노출되어 녹아서 발생하는 클링커(슬래그 등) 및 파울링을 억제하는 agent 조성물에 관한 것이다.

일반적으로 열효율을 높이기 위한 초입계 스팀이 요구되는 운전 조건에서 약 1500℃ 이상의 고온이 형성되는 초대형 PC 보일러는 회분이 많이 포함된 유연탄(일부 우드 칩 등을 혼소함)이 함유된 연료를 열원으로 사용한다.

그러나 이같은 1500℃의 고온은 석탄이 가지고 있는 회분의 회융점(IDT: Initial Deformed Temperature)의 온도 법위(1000~1400℃)를 초과하는 것으로 클링커 및 파울링이 발생하게 되며 튜브 파열 및 사고 이어지는 것은 물론이고 인명 피해도 야기 시킨다.

이 같은 문제를 해결하는 방법은 주로 슈트 블로워(soot-blower) 또는 쇠막대기 같은 물리적인 수단에 의거하여 제거하거나 일부 고체 및 슬러리 타입의 첨가제를 사용하고 있으나 클링커 및 파울링 문제를 해결하는데 많은 한계점이 발생하였다.

따라서 종래 클링커 및 파울링의 문제에 대한 다른 방법으로서는 산화마그네슘 및 구리 또는 규산 계열의 고융점 및 팽창성이 강한 혼합물 등을 노 내에 투입하여 클링커 및 파울링의 발생을 제어하도록 제시되어 사용 중에 있다.

그러나 종래에서처럼 마그네슘 및 구리만을 주로 사용하여 제어하는 경우 회분의 융점을 높이거나 팽창성을 유발하는데 양적인 한계를 극복하기 어려우며, 규산계열의 염을 사용할 경우에는 점성이 높아 약 1500℃ 의 고온에서 장시간 지속되면 오히려 클링커을 유발하는 부작용이 생길 수 있는 문제점이 있었다.

또한 보일러 및 소각로 같은 연소기관은 연소가 시작되는 초기에 급격한 연소로 환원분위기가 형성되어 회분의 IDT 온도가 약 50~100℃ 저하되어 클링커 및 파울링의 발생을 촉진한다.

주로 마그네슘과 보론을 사용하는 기존의 대한민국 특허 10-1311291 “이온화금속화합물을 포함하는 액상 연소첨가제 조성물”에 있어서는 석탄의 회분에 포함된 회분의 회융점(IDT)를 높이는데 한계가 있었고, 주로 마그네슘과 구리를 사용하는 대한민국 특허 10-1542076 “고체연료의 연소 첨가제 조성물 및 이의 제조방법”에 있어서는 슬러리 타입으로 회융점을 높이는데 다소 효과가 높으나 500MWh 급의 초 대형 보일러와 같은 1500℃ 이상의 고온이 형성되는 보일러에서는 적용하는 데 한계가 있어왔다. 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 초대형 보일러 및 연소로의 연료 및 노 내에 보론, 마그네슘, 티타늄의 조성물을 첨가함으로서 티타늄에 의한 연소 초기의 환원분위기를 억제하고 회분의 IDT를 높혀 석탄의 회분이 녹아서 형성되는 클링커 및 파울링을 억제하는 첨가제 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.

더불어 본 발명은 보일러(연소로 포함)의 노 내에서의 클링커 형성에 의한 부식 및 마모를 감소시키는 효과를 높인다.

본 발명이 제안하는 조성물은 무게 기준 마그네슘 5~10%, 붕소 0.01~0.5%, 티타늄 0.01~0.5%, 용매 10~20% pH 조절제 1~5%를 물에 용해 및 혼합시킨 것으로 이루어진 투명한 액상이나 완전 용해되지 아니한 슬러리 타입의 형태를 지닐 수 있다.

본 조성물의 사용비율은 중량대비“ 연료: 조성물= 200~1500:1”의 비율이 바람직하나 연료의 질과 로의 온도 조건에 따라 달리 작용할 수 있다.

상기 마그네슘은 산화마그네슘, 수산화마그네슘으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 화합물로 이루어진다. 붕소는 B₂MgO₄ 같은 붕산염에서 선택된 1종 이상의 화합물이고, 용매는 인산, 질산, 암모늄에서 1종 이상 선택되어 이루어지며, 티타늄은 TiO₂ 또는 Ti(OH)₄ 같은 티타늄화합물들로 이루어지고, pH 조절제는 글루타민산나트륨 또는 붕사에서 1종 이상 선택되어 이루어진다.

더불어 본 발명은 슬러리 타입과는 달리 투명한 액상으로 주로 이용되며 이는 저장이 용이하고 노즐을 통한 분사 및 투입이 용이하여 전력 소모가 높은 고압 펌프 같은 설비가 필요 없이 저가로 자동화하여 적용 및 작업성이 용이하다.

본 발명에 따른 조성물을 이용한 첨가제에 의하면 연소 초기에 산소를 제공하거나 티타늄의 촉매 반응으로 “C+O₂ → CO₂” 반응을 촉진시켜 soot의 형성을 억제하여 환원분위기에 의한 회분의 IDT가 낮아지는 것을 방지하고 회분의 IDT를 높여 회분이 튜브 등에 융착되지 않게 하거나 부착된 클링커 및 파울링을 쉽게 탈락하는 기능을 발휘하여 튜브 파열과 같은 사고를 예방할 수 있다.

특히, 촉매로서의 티타늄(TiO₂)은 마그네슘 및 붕소와 함께 융점(1843℃)이 높아서 회분의 융점을 높일 뿐만 아니라 약 1500℃의 고온에서도 "C+O+O→CO2"의 반응을 촉진하여 환원분위기를 억제하며, 마그네슘산화물(MgO: 2852℃)과 붕소(2076℃)는 융점이 매우 높은 물질이면서도 회분 속에 침착하여 800℃부터 산소 기체를 제공하여 회분과 클링커 및 파울링이 딱딱해지는 것을 억제한다. 더불어, 본 발명의 조성물은 탈황 및 탈질의 효과는 물론 일산화탄소와 초미세먼지와 같은 미세먼지(dust)의 저감을 가져왔다. 즉 상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 조성물은 석탄에 함유된 황화물의 분해 및 산화를 억제하여 SOx(특히 SO₂ 및 SO₃)의 생성을 억제하여 노 내 탈황 효과를 부수적으로 제공하는 것이 가능하다.

특히, 미연분의 경우 탄소(C)기준으로 본래 석탄의 탄소는 66.7%였고 미첨가의 경우 비산지 즉 회분에 포함된 탄소는 19.5%에서 첨가의 경우 12.9%로 약 52.8% 감소하였으며 환원분위기를 억제함으로써 회분에 포함된 검뎅이가 감소하였음을 알 수 있었다.

상기 조성물 1시간당 500L를 분사하는 과정에서 액상일 경우 슬러리 타입에 비하여 표 1과 같이 소모 전력이 적었으며 이송을 위해 혼합하는 물도 무게대비 1/10로 줄었다.

전력 소모 비교

	마력	전력(kwh)	일일(kw)	차이(kw)
액상	1/2	0.4	9.6	86.4
슬러리	5	4	96

본 발명의 실시 예는 여러 가지 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예로 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 발명의 실시 예는 해당 기술분야에서 보통의 지식을 가진 자가 본 발명을 이해할 수 있도록 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

상기 조성물은 연소기관(보일러 등)에 투입하기 전에 미리 혼합하여 사용하는 것도 가능하고, 연료가 연소기관에 투입되는 도중에 상기 조성물을 분사하여 혼합하거나 연소기관에 투입된 연료나 회분을 향해 직접적으로 분사하여 사용하는 것도 가능하다.

상기 조성물은 물에 완전 용해된 것으로 튜브의 부식을 일으키지 않고 인체이 무해하도록 pH 기준으로는 6.0~8.0이 바람직하다. 단, 연료 및 로의 운전 조건에 따라 변경할 수 있다.

이하 실시 예를 통해 본 발명에 따른 첨가제 조성물을 첨가하기 전과 첨가한 후의 석탄의 IDT 측정하였다.

실시 예 1

연소기관으로 500MWh급의 PC 보일러를 사용하고 있는 석탄의 일부를 채취하였고 조성물을 무게 단위로 하기 표 2와 같은 샘플1을 만들었다.

샘플1 : 조성물

MgO2	B2MgO4	TiO2	HNO3(+pH조절제)	Borax	물	합계
12%	2%	5%	10(+3)%	1%	70%	100%

실시예 2

석탄 1000kg에 조성물 3120g을 혼합하여 무첨가한 석탄과 동일한 방법으로 IDT　변화를 측정한 결과 하기 표3에 나타내었다.

무첨가한 석탄과 샘플1을 혼합한 석탄의 IDT　비교

구분	무첨가 (℃)	첨 가(℃)	변화량(℃)	변화율(%)
IDT	1004	1500	+ 496	49.4

기존 대한민국 특허(1) 10-2014-0019750 (고체연료의 연소 첨가제 조성물 및 이의 제조방법)의 조성물과 같은 조건에서 실험한 경우 IDT는 1200℃에서 1420℃로 220℃가 높아져 18.3% 증가하였었다.

기존의 특허 10-1311291(2) 타제품 물 100g, 질산 50g, 산화마그네슘 8g,붕사 10g을 혼합하여 석탄 1000kg에 타제품 3120g을 혼합하여 IDT 1245℃를 얻었으며 본 발명 특허 샘플1과 혼합한 석탄의 회분을 같은 조건에서 측정한 IDT 비교하면 아래 표4과 같다.

타제품과 샘플1과의 IDT 비교

구분	타제품 (℃)	첨 가(℃)	변화량(℃)	변화율(%)
IDT	1245	1500	+ 255	20.5

석탄 대비 1000g에 상기 표2의 조성물 3120g을 혼합하여 석탄 PC 보일러에 연소한 경우 대기오염물질 SOx, NOx, CO, 먼지에 대해 굴뚝에 설치된 TMS 기준으로 아래 표4과 같은 결과를 얻었다.

대기 오염물질 변화량

구 분 (단 위)		첨가 전	첨가 후	변화 량	변화 율(%)
대기오염 물질	SOx (ppm)	190	132	-58	-31.0
	NOx (ppm)	160	120	-40	-25.0
	CO (ppm)	30	8	-22	-70.0
	Dust (mg/Nm3)	17	2	15	-88.0

상기에서는 실시 예를 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이가능하고, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.

Claims (4)

1. MgO₂, B₂MgO₄, Ti0_2, pH 조절제 함유한 NH0₃,Borax 및 물로 만들어진 물질을 포함하는 클링커 및 파울링을 억제하는 조성물
2. 제1항에 있어서, 상기 pH 조절제는 글루타민산나트륨인 것을 특징으로 하는 클링커 및 파울링을 억제하는 조성물
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 조성물의 형태는 물을 더 첨가하여 액상 또는 슬러리인 것을 특징으로 하는 클링커 및 파울링을 억제하는 조성물
   
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