KR102253859B1 - 시멘트 킬른용 버너장치 및 그 운전방법 - Google Patents

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Abstract

시멘트 킬른 내에서의 가연성 고형 폐기물의 부유상태를 강력하게 형성하는 동시에, 부유상태에 있는 가연성 고형 폐기물의 착화가 발생하기 쉬운 시멘트 킬른용 버너장치 및 그 운전방법을 제공한다.
본 발명은 고체 분말 연료 흐름의 선회수단을 구비하는 고체 분말 연료용 유로와, 고체 분말 연료용 유로에 인접하게 외측에 배치되어, 공기흐름의 선회수단을 구비하는 제1 공기유로와, 제1 공기유로에 인접하게 외측에 배치되어, 공기흐름의 직진수단을 구비하는 제2 공기유로와, 고체 분말 연료용 유로에 인접하게 내측에 배치되어, 공기흐름의 선회수단을 구비하는 제3 공기유로와, 제3 공기유로의 내측에 배치된 가연성 고형 폐기물용 유로를 구비한다. 제2 공기유로는 공기흐름의 분출구를 구성하는 개공부와, 공기흐름이 통과하여 흐를 수 없도록 차폐되어 있는 폐색부를 가지며, 개공부와 폐색부가 원주방향으로 교대로 배열되어 있다.

Description

시멘트 킬른용 버너장치 및 그 운전방법
본 발명은 시멘트 킬른용 버너장치에 관한 것으로, 특히, 가연성 고형 폐기물을 시멘트 클링커 소성시 보조 연료로서 활용하는 시멘트 킬른용 버너장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 이러한 시멘트 킬른용 버너장치의 운전방법에 관한 것이다.
폐플라스틱, 나무 부스러기, 자동차 슈레더 더스트(ASR : automobile shredder residue) 등의 가연성 고형 폐기물은 소성용 연료로서 이용가능한 정도의 열량을 가지고 있다. 그래서, 시멘트 클링커의 소성에 사용하는 로터리 킬른에 있어서, 주연료인 미분탄(微紛炭)의 대체 연료로서, 가연성 고형 폐기물의 유효한 이용이 추진되고 있다. 이하에서는, 시멘트 클링커의 소성에 사용하는 로터리 킬른을 "시멘트 킬른"이라고 칭한다.
종래, 시멘트 킬른에서의 가연성 고형 폐기물의 연료 재활용은 시멘트 클링커의 품질에 미치는 영향이 작은, 가마 후미에 설치되어 있는 가(假)소성로에서의 이용이 진행되고 있었다. 그러나, 가소성로에서의 사용량이 포화에 가까워졌기 때문에, 가마 앞부분에 설치되어 있는 주(主)버너에서의 이용기술이 요구되고 있다.
그러나, 시멘트 킬른의 주버너에 있어서, 가연성 고형 폐기물을 대체 연료로서 이용한 경우, 주버너로부터 분출된 가연성 고형 폐기물이 시멘트 킬른 내의 시멘트 클링커 상에 착지하여도 연소를 계속하는 현상(이하, "착지 연소"라고 한다.)이 발생하는 경우가 있다. 이러한 착지 연소가 발생하면, 가연성 고형 폐기물의 착지점 주변의 시멘트 클링커가 환원 소성되어, 시멘트 클링커의 백색화나 클링커링 반응의 이상을 발생시킨다.
가연성 고형 폐기물을 착지 연소시키지 않기 위해서는 시멘트 킬른 내에서의 가연성 고형 폐기물의 부유상태를 장시간 지속시켜, 부유상태인 채 해당 가연성 고형 폐기물의 연소를 완료시키거나, 가연성 고형 폐기물을 시멘트 킬른 내의 먼 쪽(가마 후미측)에 착지시켜, 클링커링의 주반응영역에 클링커 원료가 도달하기 전에 해당 가연성 고형 폐기물의 연소를 완료시키는 기술이 요구된다.
예를 들면, 하기 특허문헌 1에는 가연성 고형 폐기물의 대부분을 부유상태에서 연소시킬 수 있는 기술로서, 주연료인 미분탄을 분출시키기 위한 주연료 버너와 가연성 고형 폐기물을 불어넣는 보조 버너가 마련된 시멘트 킬른에 있어서, 주연료 버너로부터의 1차 공기가 시멘트 킬른 본체의 가마 앞쪽에서의 축선방향에서 볼 때 일방향으로 선회하도록 공급되는 동시에, 이러한 주연료 버너의 바깥쪽으로서, 상기 축선을 지나는 연직선에 대해 주연료 버너의 최상부(0°)로부터 축선 주위로 상기 일방향과 반대 방향으로 55°까지의 범위 내에 보조 버너를 배치한 시멘트 킬른이 개시되어 있다.
특허문헌 1 : 일본 특허공개 제2013-237571호 공보
그러나, 특허문헌 1의 방법에서는 가연성 고형 폐기물을 부유상태로 하는 효과가 충분하지 않아, 적용가능한 가연성 고형 폐기물이 폐플라스틱 등의 부피 비중이 작은 것으로 한정된다. 또한, 폐플라스틱일지라도, 외경이 15mm을 초과하는 크기의 것을 부유상태인 채로 완전히 연소시키는 것은 어렵다는 문제가 있다. 즉, 특허문헌 1의 방법에서 이용할 수 있는 가연성 고형 폐기물은 부피 비중이나 크기 면에서 커다란 제약을 가지고 있다.
본 발명은 상기의 과제를 감안하여, 시멘트 킬른 내에서의 가연성 고형 폐기물의 부유상태를 강력하게 형성하는 동시에, 부유상태의 가연성 고형 폐기물의 착화가 생기기 쉬운 시멘트 킬른용 버너장치 및 그 운전방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은 시멘트 킬른 내에서의 가연성 고형 폐기물의 부유상태를 강력하게 형성하는 동시에, 부유상태에 있는 가연성 고형 폐기물의 착화(着火)가 발생하기 쉬운 주버너로부터의 가연성 고형 폐기물의 불어넣기 방법에 대해 열심히 검토하였다. 그 결과, 주버너로부터의 분출구를 연료흐름(미분탄을 포함한 공기흐름) 1유로 외에, 1차 공기의 유로를 3개 구비한 4채널식 버너에 있어서, 가장 외각에 위치하는 채널로부터의 직진류를 간헐적으로 분출시킴으로써, 상기 과제를 해결할 수 있음을 발견하였다.
즉, 본 발명에 따른 시멘트 킬른용 버너장치는
복수의 동심 원통형 부재로 구획된 복수의 유로를 구비하는 시멘트 킬른용 버너장치로서,
고체 분말 연료 흐름의 선회수단을 구비하는 고체 분말 연료용 유로와,
상기 고체 분말 연료용 유로에 인접하게 외측에 배치되어, 공기흐름의 선회수단을 구비하는 제1 공기유로(제1 선회 외류)와,
상기 제1 공기유로에 인접하게 외측에 배치되어, 공기흐름의 직진수단을 구비하는 제2 공기유로(제2 직진 외류)와,
상기 고체 분말 연료용 유로에 인접하게 내측에 배치되어, 공기흐름의 선회수단을 구비하는 제3 공기유로(제1 선회 내류)와,
상기 제3 공기유로의 내측에 배치된 가연성 고형 폐기물용 유로를 구비하고,
상기 제2 공기유로는 공기흐름의 분출구를 구성하는 개공부와, 공기흐름이 통과해 흐를 수 없도록 차폐되어 있는 폐색부를 가지며, 상기 개공부와 상기 폐색부가 원주방향으로 교대로 배열되어 있는 것을 특징으로 한다.
그리고, 고체 분말 연료용 유로, 제1 공기유로, 제2 공기유로, 제3 공기유로, 및 가연성 고형 폐기물용 유로의 각각은 시멘트 킬른용 버너장치의 선단면까지 연장형성된다.
즉, 상기 구성의 시멘트 킬른용 버너장치는 고체 분말 연료용 유로를 사이에 두고 외측에 2개의 공기유로(제1 선회 외류, 제1 직진 외류)와, 내측에 1개의 공기유로(제1 선회 내류)를 구비한다. 이들 3개의 공기유로를 통해 흐르는 공기량을 독립적으로 조정함으로써, 사용하는 고체 분말 연료 및 가연성 고형 폐기물의 종류 등에 따라 최적의 화염을 얻기 위한 조정을 용이하게 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 제1 직진 외류를 구성하는 제2 공기유로는 개공부와 폐색부가 원주방향으로 교대로 배열되어 있다. 그 결과, 분출구를 구성하는 개공부가 간헐적으로 배치됨으로써, 버너 분출구로부터 분출되는 제1 직진 외류는 실질적으로는 수 개의 직진 외류의 다발(여기에서, "직진 외류속"이라고 부른다.)로 구성된다. 이로써, 버너로부터 분출된 공기흐름을 난류화시키는 정도 및 범위가 증대하여, 클링커 쿨러로부터 시멘트 킬른 내에 공급되는 고온 공기인 이차 공기가 버너 화염 내에 신속하게 다량으로 도입되어, 가연성 고형 폐기물을 부유상태에서 연소시킬 수 있다.
바람직하게는, 상기 제2 공기유로를 축심에 대하여 직교하는 면으로 절단했을 때의 전체면적에 대한 상기 개공부의 총면적의 비율인 개공부 비율은 상기 전체면적 100면적%에 대해 20면적% 이상 80면적% 미만이다.
개공부 비율을 너무 작게 하면, 제1 직진 외류로서 버너에 공급되는 공기흐름의 유량을 충분히 확보할 수 없다. 한편, 개공부 비율을 너무 크게 하면, 직진 외류속을 구성하는 하나의 직진 외류와, 인접하는 다른 하나의 직진 외류와의 간격이, 하나의 직진 외류의 지름에 비해 너무 작은 결과, 상술한 바와 같은, 난류를 높이는 기능을 충분히 발휘할 수 없는 경우가 있다. 이러한 관점에서, 상기 개공부 비율은 상기 전체면적 100면적%에 대해 20면적% 이상 80면적% 미만으로 하는 것이 바람직하고, 20면적% 이상 70면적% 이하로 하는 것이 보다 바람직하며, 20면적% 이상 60면적% 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
복수의 상기 개공부 및 복수의 상기 폐색부는 특히 상기 개공부 비율이 40면적% 이상인 경우에는 상기 제2 공기유로의 축심을 중심으로 한 회전 대칭의 위치에 배치되어 있는 것으로 하여도 상관없다. 또한, 복수의 상기 개공부 및 복수의 상기 폐색부는 상기 제2 공기유로를 축심에 대하여 직교하는 면 위에서, 상기 축심을 통과하는 연직선을 기준으로 한 선대칭의 위치에 배치되어 있는 것으로 하여도 상관없다.
상기 개공부 비율이 20면적% 이상 40면적% 미만인 경우, 복수의 상기 개공부는 상기 제2 공기유로의 축심을 포함하여 해당 동심 원통형 부재의 축방향에 평행한 평면보다도 연직 하방측에, 그 60면적% 이상이 배치되어 있는 것으로 하여도 상관없다. 연직 하방측에 상기 개공부의 60면적% 이상을 배치함으로써, 직진 외류속은 버너 화염 내에 상승 기류를 형성하여, 가연성 고형 폐기물의 부유상태를 장시간 지속시킬 수 있다.
바람직하게는, 상기 시멘트 킬른용 버너장치는 상기 가연성 고형 폐기물용 유로로부터 분출하는 가연성 고형 폐기물 흐름에 직진수단을 구비한다.
이러한 구성에 따르면, 상기 가연성 고형 폐기물 흐름과, 각 유로로부터 분출하는 1차 공기, 나아가 상기 2차 공기와의 혼합을 충분히 할 수 있게 된다. 이로써, 가연성 고형 폐기물이 부유하는 주변에 충분한 양의 산소를 공급하면서, 신속하게 고온의 환경으로 만듦으로써, 가연성 고형 폐기물의 연소를 조기에 완료시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 시멘트 킬른용 버너장치의 운전방법으로서, 상기 제2 공기유로(제1 직진 외류)의 버너 선단에서의 풍속이 100m/초 내지 400m/초인 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 제2 공기유로로부터의 이론 연소 공기에 대한 1차 공기 비율(A0비 : 이하, "1차 공기비"라고 한다.)을 2부피% 내지 11부피%로 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 시멘트 킬른용 버너장치의 운전방법에 있어서, 상기 고체 분말 연료용 유로로부터의 버너 선단에서의 고체 분말 연료 흐름의 선회각도를 0° 내지 15°로 할 수 있다. 또한, 상기 제1 공기유로(제1 선회 외류)로부터의 버너 선단에서의 공기흐름의 선회각도를 1° 내지 50°로 할 수 있다. 또한, 상기 제3 공기유로(제1 선회 내류)로부터의 버너 선단에서의 공기흐름의 선회각도를 30° 내지 50°로 할 수 있다. 이들 선회 공기류에 의해, 고체 분말 연료나 가연성 고형 폐기물 등의 착화 안정성이 확보되는 동시에, 버너 선단부의 화염에 보염(flame holding) 기능을 갖게 하기 위한 버너 화염내 기류의 내부 순환을 형성할 수 있다.
또한, 상기 시멘트 킬른용 버너장치의 운전방법에 있어서, 상기 제1 공기유로(제1 선회 외류)의 버너 선단에서의 풍속을 60m/초 내지 240m/초로 하고, 상기 제1 공기유로로부터의 1차 공기비(A0비)를 1부피% 내지 5부피%로 하여도 상관없다. 또한, 상기 제3 공기유로(제1 선회 내류)의 버너 선단에서의 풍속을 5m/초 내지 240m/초로 하고, 상기 제3 공기유로로부터의 1차 공기비(A0비)를 1부피% 내지 5부피%로 하여도 상관없다. 또한, 상기 고체 분말 연료용 유로의 버너 선단에서의 고체 분말 연료 흐름의 풍속, 및 상기 가연성 고형 폐기물용 유로의 버너 선단에서의 가연성 고형 폐기물 흐름의 풍속을 함께 30m/초 내지 80m/초로 하여도 상관없다.
또한 상기 시멘트 킬른용 버너장치의 운전방법에 있어서, 상기 가연성 고형 폐기물용 유로로부터 분출되는 가연성 고형 폐기물의 입경을 30mm 이하로 할 수 있다.
본 발명의 시멘트 킬른용 버너장치, 및 본 발명의 시멘트 킬른용 버너장치의 운전방법에 따르면, 폐플라스틱 조각 등의 가연성 고형 폐기물을 착지 연소시키지 않고 대체 연료로서 유효하게 이용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 시멘트 킬른용 버너장치의 선단부분의 일 실시예를 모식적으로 나타낸 도면.
도 2는 도 1로부터 제2 공기유로의 부분을 추출하여 도시한 모식적인 도면.
도 3은 도 1에 나타내는 시멘트 킬른용 버너장치를 포함하는 시멘트 킬른용 버너 시스템의 구조의 일 예를 모식적으로 나타낸 도면.
도 4는 도 1의 시멘트 킬른용 버너장치의 선회날개의 선회각도를 설명하기 위한 모식적인 도면.
도 5는 본 발명의 시멘트 킬른용 버너장치 및 시멘트 킬른용 버너장치의 운전방법에 의한, 가연성 고형 폐기물이 착지 연소하는 비율(킬른내 낙하율)에 따른 연소 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프.
이하, 본 발명의 시멘트 킬른용 버너장치 및 그 운전방법의 실시예에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 이하의 도면은 모식적으로 도시된 것으로, 도면상의 치수비는 실제의 치수부와 일치하지 않는다.
도 1은 본 발명의 시멘트 킬른용 버너장치의 일 실시예의 선단부분을 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 1에 있어서, (a)는 시멘트 킬른용 버너장치의 횡단면도, (b)는 시멘트 킬른용 버너장치의 종단면도이다. 또한, 횡단면도란, 시멘트 킬른용 버너장치를, 동일 장치의 축방향에 직교하는 평면으로 절단한 단면도를 가리키며, 종단면도란, 시멘트 킬른용 버너장치를 동일 장치의 축방향에 평행한 평면으로 절단한 단면도를 가리킨다.
또한, 도 1에서는 시멘트 킬른용 버너장치의 축방향(즉, 공기흐름 방향)을 Y방향으로 하고, 연직방향을 Z방향으로 하며, YZ 평면에 직교하는 방향을 X방향으로 하여 좌표계를 설정하고 있다. 이하에서는 이 XYZ 좌표계를 적절히 참조하면서 설명한다. 이 XYZ 좌표계를 이용하여 기재하면, 도 1(a)는 시멘트 킬른용 버너장치를 XZ 평면으로 절단했을 때의 단면도에 대응하며, 도 1(b)는 시멘트 킬른용 버너장치를 YZ 평면으로 절단했을 때의 단면도에 대응한다. 보다 상세하게는, 도 1(b)는 시멘트 킬른용 버너장치를 버너 선단 근방의 위치에서 YZ 평면으로 절단했을 때의 단면도에 대응한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 시멘트 킬른용 버너장치(1)는 동심원 형태로 복수의 유로를 구비한다. 보다 상세하게는, 시멘트 킬른용 버너장치(1)는 고체 분말 연료용 유로(2)와, 고체 분말 연료용 유로(2)에 인접하게 외측에 배치된 제1 공기유로(11)와, 제1 공기유로(11)에 인접하게 외측에 배치된 제2 공기유로(12)와, 고체 분말 연료용 유로(2)에 인접하게 내측에 배치된 제3 공기유로(13)의 총 4개의 유로를 구비한다. 제3 공기유로(13)의 내측에는 오일용 유로(3), 가연성 고형 폐기물용 유로(4) 등이 배치된다.
고체 분말 연료용 유로(2) 및 제 1 내지 제3 공기유로(11 내지 13) 중, 고체 분말 연료용 유로(2), 제1 공기유로(11) 및 제3 공기유로(13)에는 각각 선회수단인 선회날개(2a, 11a, 13a)가 각 유로의 버너 선단부에 고정되어 있다(도 1(b) 참조). 즉, 제1 공기유로(11)로부터 분출되는 공기흐름은 고체 분말 연료용 유로(2)로부터 분출되는 고체 분말 연료 흐름에 대해 외측에 위치하는 선회 공기류(이하, 적당히 "제1 선회 외류"라 한다.)를 형성한다. 제3 공기유로(13)로부터 분출되는 공기흐름은 고체 분말 연료용 유로(2)로부터 분출되는 고체 분말 연료 흐름에 대해 내측에 위치하는 선회 공기류(이하, 적당히 "제1 선회 내류"라 한다.)을 형성한다. 또한, 각 선회날개(2a, 11a, 13a)는 시멘트 킬른용 버너장치(1)의 운전 개시전의 시점에서, 선회각도가 조정가능하게 구성되어 있다.
한편, 제2 공기유로(12)에는 선회수단이 마련되어 있지 않다. 즉, 제2 공기유로(12)로부터 분출되는 공기흐름은 고체 분말 연료용 유로(2)로부터 분출되는 고체 분말 연료 흐름에 대해 외측에 위치하는 직진 공기류(이하, 적당히 "제1 직진 외류"라 한다.)을 형성한다. 이 점에 대해, 도 1로부터 제2 공기유로(12)만을 추출하여 모식적으로 도시한 도 2를 참조하면서 설명한다.
본 실시예에 있어서, 제2 공기유로(12)는 간헐적인 직진 공기류를 분출하도록 구성되어 있다. 보다 상세하게는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 제2 공기유로(12)는 공기흐름의 분출구를 구성하는 개공부(12c)와, 공기흐름이 통과해 흐를 수 없도록 차폐되어 있는 폐색부(12d)를 원주방향으로 교대로 배열하여 구성되어 있다. 이로써, 개공부(12c)는 원주방향에 관해 간헐적인 배치가 되기 때문에, 이들 개공부(12c)로부터는 원주방향에 관해 간헐적으로 직진 공기류의 다발이 분출된다.
본 실시예에서는 개공부(12c)와 폐색부(12d)는 각각 축심(O)을 중심으로 선회 대칭의 위치에 배치되어 있다. 또한, 도 1 및 도 2의 예에서는 개공부(12c)의 중심각과 폐색부(12d)의 중심각이 동일한 경우가 도시되어 있다. 이 경우, 제2 공기유로(12)를, Y방향으로 연신하는 축심(O)에 대해 직교하는 면(XZ 평면)으로 절단했을 때의 전체면적((개공부(12c)의 총면적 + 폐색부(12d)의 총면적) : 100면적%)에 대한 개공부(12c)의 총면적의 비율, 즉 제2 공기유로(12)의 개공부 비율은 50면적%가 된다.
도 3은 도 1에 나타내는 시멘트 킬른용 버너장치(1)를 포함하는 시멘트 킬른용 버너 시스템의 구조의 일 예를 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 3에 도시된 시멘트 킬른용 버너 시스템(20)은 제어의 용이성을 중시하여 구성한 것으로, 5개의 송풍팬(F1 내지 F5)을 구비한다.
미분탄 이송 배관(22)에 공급된 미분탄(C)("고체 분말 연료"에 해당)은, 송풍팬(F1)에 의해 형성된 공기흐름에 의해, 시멘트 킬른용 버너장치(1)의 고체 분말 연료용 유로(2)로 공급된다. 송풍팬(F2)으로부터 공급되는 공기는, 연소용 공기(A)로서, 공기 배관(31)을 통해 시멘트 킬른용 버너장치(1)의 제1 공기유로(11)로 공급된다. 송풍팬(F3)으로부터 공급되는 공기는, 연소용 공기(A)로서, 공기 배관(32)을 통해 시멘트 킬른용 버너장치(1)의 제2 공기유로(12)로 공급된다. 송풍팬(F4)으로부터의 공기는 연소용 공기(A)로서, 공기 배관(33)을 통해 시멘트 킬른용 버너장치(1)의 제3 공기유로(13)로 공급된다. 그리고, 가연성 고형 폐기물 이송배관(24)에 공급된 가연성 고형 폐기물(RF)은, 송풍팬(F5)에 의해 형성된 공기흐름에 의해, 시멘트 킬른용 버너장치(1)의 가연성 고형 폐기물용 유로(4)로 공급된다.
도 3에 도시된 시멘트 킬른용 버너 시스템(20)은 상기 송풍팬(F1 내지 F5)에 의해, 각 유로(2, 4, 11, 12, 13)를 통해 흐르는 공기량을 독립적으로 제어할 수 있다. 이에 따라, 미분탄, 석유 코크스, 또는 기타 고형 연료 등 고체 분말 연료의 종류, 폐플라스틱, 육골분 또는 바이오매스 등의 가연성 고형 폐기물의 종류, 및 여러가지 시멘트 킬른의 조업환경에 대응한 최적의 화염을 얻기 위한 조정을 쉽게 할 수 있다.
또한, 본 명세서에 있어서, "바이오 매스"란, 연료 등으로서 이용가능한 생물 유래의 유기질 자원(단, 화석 연료를 제외함.)이며, 예를 들면, 폐다다미의 분쇄물, 건설 폐목재의 분쇄물, 목분 및 톱밥 등이 해당한다.
또한, 오일용 유로(3)로부터 중유 등을 공급하여 시멘트 킬른용 버너장치(1)의 착화시에 이용하거나, 나아가서는 미분탄 이외의 고체 연료 또는 중유 등의 액체 연료를 공급하여, 정상 운전(steady operation)에서 미분탄과 혼소(混燒)하거나 할 수도 있다(미도시).
즉, 도 1 내지 도 3에 일 실시예를 나타내는 본 발명의 시멘트 킬른용 버너장치(1)(및 시멘트 킬른용 버너 시스템(20))는 고체 분말 연료용 유로(2) 외에 3개의 공기유로(11, 12, 13)를 구비한 4채널식 버너장치이며, 시멘트 킬른용 버너장치(1)의 사용시에는 5개의 송풍팬(F1 내지 F5)의 운전을 제어하여 각 유로(2, 4, 11, 12, 13)를 흐르는 공기량이 제어가능하게 구성된다. 또한, 이에 더해, 시멘트 킬른용 버너장치(1)의 사용 전에는 고체 분말 연료용 유로(2)와, 제1 공기유로(11)와, 제3 공기유로(13)에 마련된 선회날개(2a, 11a, 13a)의 선회각도도 조정가능하므로, 필요에 따른 다양한 제어가 가능하다.
본 발명자들은 시멘트 킬른용 버너장치(1)의 연소 시뮬레이션(소프트웨어 : ANSYS JAPAN사제, FLUENT)에 의해, 화염 형상과 시멘트 킬른 내의 온도 분포, 시멘트 킬른 내의 산소농도분포, 시멘트 킬른 내 기류의 난류 정도의 분석 등을 실시함으로써, 제어 인자를 최적화하기 위한 기본적인 한정영역을 발견하였다.
하기 표 1은 이하의 버너 연소 조건에서 발견한 기본적 한정영역의 일 예이다.
<버너 연소 조건>
미분탄(C)의 연소량 : 15t/시간
가연성 고형 폐기물(RF)인 폐플라스틱(연질 플라스틱) 처리량 : 3t/시간
가연성 고형 폐기물(RF)인 폐플라스틱의 치수 : 0.5mm 두께의 시트를 30mm 직경으로 펀칭한 원형 시트 형태
이차 공기량과 온도 : 150000Nm3/시간, 800℃
시멘트 킬른용 버너장치(1)의 버너 선단의 직경 : 700mm
Figure 112020001162174-pct00001
표 1에는 기본적 한정 영역으로서, 상기 고체 분말 연료용 유로(2), (제1 선회 외류를 형성하는) 제1 공기유로(11), (제1 직진 외류를 형성하는) 제2 공기유로(12), (제1 선회 내류를 형성하는) 제3 공기유로(13), 및 가연성 고형 폐기물용 유로(4)의 버너 선단 풍속(m/초), 1차 공기비(A0비, 부피%) 및 개공부 비율(면적%), 그리고 선회날개(2a, 11a, 13a)의 선회각도가 열거되어 있다.
상기 각 항목 중에서는 제1 직진 외류의 버너 선단 풍속(m/초) 및 개공부 비율(면적%)이 특히 중요하다. 왜냐하면 가연성 고형 폐기물을 부유상태에서 연소시키기 위해서는 공기흐름이 난류가 되는 영역을 화염 내에 충분히 형성할 필요가 있는 바, 제1 직진 외류를 공간적인 간헐류로 함으로써, 시멘트 클링커의 소성에 영향을 주지 않을 정도이면서 화염 내에 강도 있는 난류를 형성할 수 있기 때문이다. 또한, 이 제1 직진 외류의 속도를 높임으로써, 난류의 정도나 형성 범위를 더욱 확대할 수 있다. 단, 이 난류의 정도가 과도하게 되면, 시멘트 킬른 내의 온도 분포가 불안정해지는 동시에 화염의 일부가 시멘트 클링커 원료에 직접적으로 접촉하는 경우도 생기며, 이로써, 생산되는 시멘트 클링커의 품질이 악화될 우려도 있다.
이러한 사정을 감안하여, 제2 공기유로(12)로부터 공급되는 공기흐름(제1 직진 외류)의 버너 선단 풍속은 100m/초 내지 400m/초인 것이 바람직하다. 이 공기흐름은 고체 분말 연료 흐름, 가연성 고형 폐기물 흐름, 및 다른 모든 1차 공기흐름 중에서 가장 큰 풍속이다. 또한, 제1 직진 외류의 1차 공기량(m3 N/분)은 이 값과 버너 선단 풍속(m/초)의 곱(버너 선단 풍속(m/초) × 1차 공기량(m3 N/분))이 고체 분말 연료 흐름, 가연성 고형 폐기물 흐름, 및 다른 모든 1차 공기흐름 중에서 가장 커지는 공기량이다.
제2 공기유로(12)로부터 공급되는 공기흐름에 있어서, 상기 곱의 값, 즉 버너 선단 풍속(m/초) × 1차 공기량(m3 N/분)의 값이 다른 공기흐름보다 작을 경우, 가연성 고형 폐기물의 부유상태를 강력하게 형성한다는 관점에서는 난류의 형성이 불충분하게 될 가능성이 있다. 또한, 버너 선단 풍속이 400m/초를 초과하는 공기흐름에서는 화염 내의 난류 형성이 과도하게 되어, 상술한 시멘트 클링커의 품질 저하가 발생하게 될 우려가 있다.
또한, 제1 직진 외류를 공급하는 제2 공기유로(12)의 개공부 비율은 20면적% 이상, 80면적% 미만인 것이 바람직하며, 개공부와 폐색부가 연속적으로 이웃하는 간헐적인 분출구로 하는 것이 보다 바람직하다. 분출구를 제2 공기유로(12) 내에 간헐적으로 배치함으로써, 제2 공기유로(12)로부터의 공기흐름은 수 개의 직선 외류의 다발 형태로 공급되어 화염 내에는 공기 밀도의 농담부가 형성되며, 이러한 밀도차를 없애도록 난류가 발생한다.
제2 공기유로(12)의 개공부 비율이 80면적% 이상인 경우, 난류 형성의 효과가 작아져서 가연성 고형 폐기물의 착지 연소가 발생하기 쉽다. 또한, 제2 공기유로(12)의 개공부 비율이 20면적% 미만인 경우, 화염 형상의 흐트러짐이 과대 및 국소적이게 되어, 상술한 시멘트 클링커의 품질 저하가 발생할 우려가 있다.
다음으로 중요하게 여겨지는 기본적 한정 영역은 상기 고체 분말 연료용 유로(2), (제1 선회 외류를 형성하는) 제 1 공기유로(11), 및 (제1 선회 내류를 형성하는) 제3 공기유로(13)의 선회각도(°)이다. 그 이유는 선회날개(2a, 11a, 13a)에 의해 발생하는 선회류에 의해, 버너장치의 착화 안정성 및 보염 기능을 갖게 하는 버너 화염 내 기류의 내부 순환이 형성되기 때문이다. 또한, 선회날개(2a, 11a, 13a)의 선회각도는 통상적으로 버너장치의 운전중에는 고정되어, 운전중에 최적화된 조정을 할 수 없기 때문이다.
또한, 선회날개의 선회각도란, 예를 들어, 도 1에 나타낸 선회날개가 고정되어 있는 원통형 부재를 도 4에 나타낸 바와 같이 평면 상에 전개한 경우에, 시멘트 킬른용 버너장치(1)의 축선(9)과 선회날개의 중심선(10)이 이루는 각도(θ)이며, 버너 선단에서의 고체 분말 연료 흐름 또는 1차 공기흐름의 선회각도와 일치한다. 도 4에서는 예시적으로 고체 분말 연료용 유로(2)의 선회날개(2a)에 대해 도시되어 있으며, 고체 분말 연료용 유로(2)의 선단 위치(2b)에서의 미분탄(C)(고체 분말 연료)의 분출 방향이 원통형 부재의 축선(9)방향(도면에서 Y방향)에 대해 각도 θ만큼 선회되어 있다. 다른 선회날개(11a, 13a)에서의 선회각도에 대해서도 마찬가지로 정의된다.
상기 고체 분말 연료용 유로(2)의 선회날개(2a)에 의한 고체 분말 연료 흐름의 선회각도는 바람직하게는 0° 내지 15°로 설정된다. 이 선회각도가 15°보다 큰 경우, 고체 분말 연료용 유로(2)로부터 분출하는 고체 분말 연료(미분탄 C)와, 고체 분말 연료용 유로(2), 공기유로(11 내지 13), 및 화염 내에 도입된 상기 2차 공기와의 혼합이 충분히 과도하게 되어, 이러한 고체 분말 연료에 의해 형성되는 화염의 온도가 상승하는 동시에 과도하게 화염의 형상 제어가 어려워지게 되므로, 얻어지는 시멘트 클링커의 품질이 저하될 우려가 있다.
선회날개(11a)에 의한 제1 선회 외류(제1 공기유로(11)로부터의 공기흐름)의 선회각도는 바람직하게는 1° 내지 5 °로 설정된다. 제1 선회 외류의 선회각도가 1° 미만인 경우, 고체 분말 연료용 유로(2)로부터 분출하는 고체 분말 연료와, 제1 선회 외류와의 혼합이 불충분하게 되어, 얻어지는 시멘트 클링커의 품질이 저하되는 동시에 배기 가스의 NOx를 충분히 낮게 하는 것이 어려운 경우가 있다. 한편, 상기 선회각도가 50°를 초과하는 경우, 고체 분말 연료 흐름과의 혼합이 너무 격해져서, 화염의 형상 제어가 어려워지게 되고, 얻어지는 시멘트 클링커의 품질이 저하되는 경우가 있다.
선회날개(13a)에 의한 제1 선회 내류(제3 공기유로(13)로부터의 공기흐름)의 선회각도는 바람직하게는 30° 내지 50°로 설정된다. 제1 선회 내류의 선회각도가 30° 미만인 경우, 고체 분말 연료용 유로(2)로부터 분출하는 고체 분말 연료와 제1 선회 내류와의 혼합이 불충분하게 되어, 얻어지는 시멘트 클링커의 품질이 저하되는 동시에 배기 가스의 NOx를 충분히 낮게 하는 것이 어려운 경우가 있다. 한편, 상기 선회각도가 50°를 초과하는 경우, 고체 분말 연료 흐름과의 혼합이 너무 격해져서, 화염의 형상 제어가 어려워지게 되고, 얻어지는 시멘트 클링커의 품질이 저하되는 경우가 있다.
각 유로(2, 4, 11, 13)의 1차 공기량(m3 N/분)은 화염 내의 환원 영역을 안정적으로 형성한다는 관점에서는 가능한 저감하는 것이 바람직하지만, 지나치게 저감하면, 화염의 형상이 변화되어 고온영역이 시멘트 킬른 내부로 이행함으로 인해, 얻어지는 시멘트 클링커의 품질이 저하된다. 상기 표 1에 나타낸 예에서는, 고체 분말 연료용 유로(2) 및 가연성 고형 폐기물용 유로(4)로부터의 공기흐름, 그리고 제1 직진 외류(제 2 공기유로(12)로부터의 공기흐름)의 양(1차 공기량)이 다른 공기흐름보다 크게 설정되어 있다. 이는 고온의 2차 공기를 화염 내에 원활하게 도입하여, 미분탄(C)(고체 분말 연료) 및 가연성 고형 폐기물(RF)을 급속히 고온화함으로써, 휘발분의 방출을 촉진하여 화염의 환원 상태를 안정화하기 위함이다.
이상과 같이, 본 발명에 따르면, 시멘트 킬른용 버너장치(1)의 운전 전에, 고체 분말 연료용 유로(2), 제1 공기유로(11)(제1 선회 외류), 및 제3 공기유로(13)(제1 선회 내류)의 각 선회날개(2a, 11a, 13a)의 선회각도를 표 1에 나타낸 범위로 설정하고, 또한, 시멘트 킬른용 버너장치(1)의 운전시에, 송풍팬(F1, F2, F3, F4)에 의한 공기 배관(22, 31, 32, 33)을 흐르는 1차 공기량을 조정하여 각 유로(2, 11, 12, 13)의 버너 선단 풍속 및 1차 공기량을 표 1에 나타낸 범위로 설정함으로써, 시멘트 킬른용 버너장치(1)의 운전 조건을 단기간에 최적화할 수 있다.
이어, 제1 직진 외류(제2 공기유로(12)로부터의 공기흐름)의 버너 선단 풍속(m/초) 및 개공부 비율(면적%)을 변화시킨 경우의, 가연성 고형 폐기물(RF)(여기에서는 연질 플라스틱)가 착지 연소하는 비율(킬른내 낙하율)에 따른 연소 시뮬레이션에 대해 설명한다.
(검증 1)
구체적으로는, 후술하는 바와 같이 버너 연소 조건을 고정하고, 또한 제1 직진 외류의 1차 공기비(A0비)를 5부피%로 고정한 후, 버너 선단 풍속(m/초)을 변화시킨 경우에, 30mm 입경의 연질 플라스틱의 번아웃이 화염속이나 착지 연소 중 어느 쪽에서 발생할 지를, 제2 공기유로(12)의 분출구가 도 1(a)와 같이 간헐적인 12개로 분할되어 있는 경우(실시예)와, 분할되지 않은 경우(비교예)의 쌍방에 대하여, 시뮬레이션(소프트웨어 : ANSYS JAPAN사제, FLUENT)에 의해 검증하였다. 또한, 제2 공기유로(12)의 개공부 비율(면적%)을 변화시킨 경우에는 1차 공기비(A0비)가 변화하지 않도록, 제2 공기유로(12)의 두께를 변화시켜 1차 공기량(m3 N/분)이 동일하게 되도록 하였다.
<버너 연소 조건>
미분탄(C)의 연소량 : 15t/시간
가연성 고형 폐기물(RF)인 폐플라스틱(연질 플라스틱) 처리량 : 3t/시간
가연성 고형 폐기물(RF)인 폐플라스틱 치수 : 0.5mm 두께의 시트를 30mm의 직경으로 펀칭한 원형 시트 형태
고체 분말 연료 흐름의 버너 선단 풍속, 1차 공기비와 선회각도 : 50m/초, 5부피%, 5°
제1 선회 외류의 버너 선단 풍속, 1차 공기비와 선회각도 : 100m/초, 2부피%, 3°
제1 선회 내류의 버너 선단 풍속, 1차 공기비와 선회각도 : 150m/초, 7부피%, 4°
가연성 고형 폐기물 흐름의 버너 선단 풍속과 1차 공기비 : 50m/초, 2부피%
이차 공기량과 온도 : 150000Nm3/시간, 800℃
시멘트 킬른용 버너장치(1)의 버너 선단 직경 : 700mm
이 시뮬레이션 결과를 하기 표 2 및 도 5 에 나타낸다.
Figure 112020001162174-pct00002
표 2 및 도 4의 결과에 따르면, 제1 직진 외류의 버너 선단 풍속을 상승시킴으로써, 입경 30mm까지의 가연성 고형 폐기물(RF)의 킬른내 낙하율을 저하시키는 효과를 확인할 수 있다. 또한, 제1 직진 외류를 구성하는 제2 공기유로(12)를 간헐적으로 함으로써, 상기 킬른내 낙하율을 더욱 저하시킬 수 있음을 알 수있다. 이로써, 본 발명의 시멘트 킬른용 버너장치(1) 및 시멘트 킬른용 버너장치의 운전방법에 따르면, 입경 30mm까지의 가연성 고형 폐기물(RF)을 착지 연소시키지 않고 버너 화염 내에서 유효하게 번아웃시킬 수 있는 것이 확인된다.
(검증 2)
검증 1에서는 제2 공기유로(12)의 분출 수를 12개로 고정한 경우에 대해 검증을 실시하였다. 이에 반해, 검증 2에서는 검증 1의 제1 직진 외류의 버너 선단 풍속이 150m/초인 경우와 동일한 연소 조건 하에서, 제2 공기유로(12)의 분출 수를 변화시킨 경우의, 30mm 입경의 연질 플라스틱의 번아웃이 화염속이거나 착지 연소 중 어느쪽에서 발생하는 지를 시뮬레이션(소프트웨어 : ANSYS JAPAN사제, FLUENT )에 의해 확인하였다. 그 결과를 하기 표 3에 나타낸다.
또한, 제1 직진 외류의 1차 공기비(A0비)를 5부피%으로, 제1 직진 외류의 버너 선단 풍속을 150m/초로 고정한 후, 개공수(분출 수)를 달리한다는 것은 도 2에서 개공부(12c)의 폭(원주방향의 길이)과, 개공부(12c)의 두께(반경방향의 길이)를 조정함으로써, 개공부(12c)의 면적 총합을 일정하게 하는 것을 의미한다.
Figure 112020001162174-pct00003
표 3 및 표 2의 제1 직진 외류의 버너 선단 풍속이 150m/초인 경우의 결과에 따르면, 제1 직진 외류의 버너 선단 풍속이 150m/초라는 비교적 낮은 조건일지라도, 제1 직진 외류의 개공수를 줄임으로써 입경 30mm까지의 가연성 고형 폐기물(RF)의 킬른내 낙하율을 저하시키는 효과를 확인할 수 있다.
예를 들어, 표 2(즉, 개공수가 12개)에서의 개공부 비율이 60면적%인 경우, 150m/초의 버너 선단 풍속에서 가연성 고형 폐기물(RF)의 킬른내 낙하율이 16%이었다. 이에 반해, 표 3에 따르면, 개공수가 8개이고 개공부 비율이 60면적%인 경우, 150m/초의 버너 선단 풍속에서 가연성 고형 폐기물(RF)의 킬른내 낙하율이 7%로 되어 있어, 개공수를 줄임으로써 상기 킬른내 낙하율이 저하되는 것이 확인된다. 또 다른 예로서, 표 2에서, 개공부 비율을 40%로 한 경우, 개공수를 줄임에 따라 상기 킬른내 낙하율이 저하된 것으로 확인된다. 개공부 비율이 20%, 60%, 80%인 경우에 대해서도, 동일한 결과가 확인된다.
또한, 제1 직진 외류의 개공수가 동일한 경우, 개공부 비율을 줄임으로써, 입경 30mm까지의 가연성 고형 폐기물(RF)의 킬른내 낙하율을 저하시키는 것을 확인할 수 있다. 예를 들어, 표 2에서, 개공수를 24개로 한 경우, 개공부 비율이 낮을수록 상기 킬른내 낙하율이 저하된 것으로 확인된다. 개공수가 8개, 60개인 경우에 대해서도, 동일한 결과가 확인된다.
이들 제1 직진 외류의 개공수나 개공부 비율, 나아가서는 표 2에 나타낸 제1 직진 외류의 버너 선단 풍속에 따른 효과는 버너 화염 내에 형성되는 난류의 크기의 영향에 기초한 것으로 생각된다. 즉, 형성되는 난류가 클수록, 입경 30mm까지의 가연성 고형 폐기물(RF)의 킬른내 낙하율을 저하시킬 수 있다. 단, 버너 화염 내에 형성되는 난류가 과도하게 커지면, 버너 화염의 형성이 불안정하게 되어, 시멘트 킬른 내의 온도분포가 악화되는 것도 확인되었다.
이상에서, 본 발명의 시멘트 킬른용 버너장치(1) 및 시멘트 킬른용 버너장치의 운전방법에 따르면, 고체 분말 연료 등의 주연료의 종류나 특성, 및 가연성 고형 폐기물의 종류나 특성 등 버너 운전의 외부 인자의 변화에 따라, 제1 직진 외류의 버너 선단 풍속, 개공수 및 개공부 비율을 최적화함으로써, 여러가지 가연성 고형 폐기물을 유효하게 이용하면서, 바람직한 버너 화염을 형성할 수 있다.
[다른 실시예]
이하, 다른 실시예에 대해 설명한다.
<1> 상기 실시예에서는 제2 공기유로(12)를 구성하는 복수의 개공부(12c)의 중심각이 모두 동일한 것으로 설명하였다. 그러나, 복수의 개공부(12c) 중에, 다른 중심각을 가지는 개공부(12c)가 포함되어 있어도 상관없다.
마찬가지로, 상기 실시예에서는 원주방향으로 개공부(12c)를 끼워넣는, 복수의 폐색부(12d)의 중심각이 모두 동일한 것으로 설명하였다. 그러나, 복수의 폐색부(12d) 중에, 다른 중심각을 갖는 폐색부(12d)가 포함되어 있어도 상관없다.
<2> 도 3의 예에서는 시멘트 킬른용 버너 시스템(20)이 5개의 송풍팬(F1 내지 F5)을 구비하는 경우를 예시하고 있는데, 이 양태는 일 예이며, 본 발명을 이러한 구성으로 한정하는 취지가 아니다. 예를 들면, 제1 공기유로(11)와 제3 공기유로(13)에 공기흐름을 유도하기 위한 송풍팬(F2, F4)을 공통화하여도 상관없다.
1 : 시멘트 킬른용 버너장치 2 : 고체 분말 연료용 유로
2a : 고체 분말 연료용 유로에 마련된 선회날개
3 : 오일용 유로 4 : 가연성 고형 폐기물용 유로
9 : 축선 11 : 제1 공기유로
11a : 제1 공기유로에 마련된 선회날개
12 : 제2 공기유로 12c : 개공부
12d : 폐색부 13 : 제3 공기유로
13a : 제3 공기유로에 마련된 선회날개
20 : 시멘트 킬른용 버너 시스템 22 : 미분탄 이송 배관
24 : 가연성 고형 폐기물 이송 배관 31, 32, 33 : 공기 배관
A : 연소용 공기 C : 미분탄
F1, F2, F3, F4, F5 : 송풍팬 RF : 가연성 고형 폐기물

Claims (8)

  1. 복수의 동심 원통형 부재로 구획된 복수의 유로를 구비하는 시멘트 킬른용 버너장치로서,
    고체 분말 연료 흐름의 선회수단을 구비하는 고체 분말 연료용 유로와,
    상기 고체 분말 연료용 유로에 인접하게 외측에 배치되어, 공기흐름의 선회수단을 구비하는 제1 공기유로와,
    상기 제1 공기유로에 인접하게 외측에 배치되어, 공기흐름의 직진수단을 구비하는 제2 공기유로와,
    상기 고체 분말 연료용 유로에 인접하게 내측에 배치되어, 공기흐름의 선회수단을 구비하는 제3 공기유로와,
    상기 제3 공기유로의 내측에 배치된 가연성 고형 폐기물용 유로를 구비하고,
    상기 제1 공기유로, 상기 제2 공기유로, 및 상기 제3 공기유로 중, 상기 제2 공기유로만이, 공기흐름의 분출구를 구성하는 개공부와, 공기흐름이 통과하여 흐를 수 없도록 차폐되어 있는 폐색부를 가지며, 상기 개공부와 상기 폐색부가 원주방향으로 교대로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 시멘트 킬른용 버너장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 공기유로를 축심에 대하여 직교하는 면으로 절단했을 때의 전체면적에 대한 상기 개공부의 총면적의 비율인 개공부 비율은 상기 전체면적 100면적%에 대해 20면적% 이상 80면적% 미만인 것을 특징으로 하는 시멘트 킬른용 버너장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    복수의 상기 개공부 및 복수의 상기 폐색부는 상기 제2 공기유로의 축심을 중심으로 한 회전대칭의 위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 시멘트 킬른용 버너장치.
  4. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항의 시멘트 킬른용 버너장치의 운전방법으로서,
    상기 제2 공기유로의 버너 선단에서의 풍속이 100m/초 내지 400m/초인 것을 특징으로 하는 시멘트 킬른용 버너장치의 운전방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고체 분말 연료용 유로로부터의 버너 선단에서의 고체 분말 연료 흐름의 선회각도가 0° 내지 15°이며,
    상기 제1 공기유로로부터의 버너 선단에서의 공기흐름의 선회각도가 1° 내지 50°이고,
    상기 제3 공기유로로부터의 버너 선단에서의 공기흐름의 선회각도가 30° 내지 50°인 것을 특징으로 하는 시멘트 킬른용 버너장치의 운전방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 고체 분말 연료용 유로의 버너 선단에서의 풍속이 30m/초 내지 80m/초이고,
    상기 제1 공기유로의 버너 선단에서의 풍속이 60m/초 내지 240m/초이며,
    상기 제3 공기유로의 버너 선단에서의 풍속이 5m/초 내지 240m/초이고,
    상기 가연성 고형 페기물 유로의 버너 선단에서의 풍속이 30m/초 내지 80m/초인 것을 특징으로 하는 시멘트 킬른용 버너장치의 운전방법.
  7. 제4항에 있어서,
    제2 공기유로의 버너 선단에서의 공기흐름의 버너 선단 풍속(m/초)과 1차 공기량(m3N/분)의 곱이, 기타 공기유로의 버너 선단에서의 공기흐름의 버너 선단 풍속(m/초)과 1차 공기량(m3N/분)의 곱보다도 큰 것을 특징으로 하는 시멘트 킬른용 버너장치의 운전방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 가연성 고형 폐기물용 유로로부터 분출되는 가연성 고형 폐기물의 입경이 30mm 이하인 것을 특징으로 하는 시멘트 킬른용 버너장치의 운전방법.
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