KR102362449B1 - 저연소성 연료의 미분탄 보일러 연소시스템 및 이를 이용한 연소방법 - Google Patents

저연소성 연료의 미분탄 보일러 연소시스템 및 이를 이용한 연소방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저연소성 연료의 미분탄 보일러 연소시스템 및 이를 이용한 연소방법에 관한 것으로, 상세하게는 저연소성 미분탄 보일러에 있어서, 연소가 이루어지는 연소부 및 상기 연소부의 내부로 서로 다른 제1연료, 제2연료 및 공기가 주입되는 윈드박스부를 포함하고, 상기 윈드박스부는 상단층부, 중단층부 및 하단층부를 포함하며, 상기 상단층부, 상기 중단층부 및 상기 하단층부는 상기 제1연료 및 상기 제2연료를 공급하는 연료공급부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

저연소성 연료의 미분탄 보일러 연소시스템 및 이를 이용한 연소방법{pulverized coal-fired boiler Combustion system of low-combustibility fuel and combustion method using same.}
본 발명은 저연소성 연료의 미분탄 보일러 연소시스템 및 이를 이용한 연소방법에 관한 것이다.
페코크(petcoke, petroleum coke)는 원유의 정제공정에서 발생하는 부산물이다. 중질유 열분해공정(delated coker)에서 상압/감압 중유를 490℃로 고온 열분해하여 결징류분(LPG, 나프타, 등유, 경유)을 만들고 남은 부산물로 이란적인 역청탄에 비해 1.3배 높은 열량을 보유하고 있기 때문에 단순계산으로 폐코크를 연소할 경우 역청탄 대비 약 80%(1/1.24)수준의 양으로 동일한 전력을 생산할 수 있다.
연료용 폐코크는 황함량이 높고 일반적인 연료대비 휘발분 함량이 낮으며 황산화물의 환원부식, 고온산화 부식이 전열부 표면에서 발생하기 쉬운 문제점이 있어 낮은 등급의 연료로 분류되어 아역청탄보다 가격이 낮은 특징이 있다. 또한, 보일러 내 연소성이 상대적으로 좋지 않아 일반적으로 유동층 보일러(CFBC)를 이용해 발전연료로 사용되고 있는 경우가 있다.
고체연료를 연소하는 보일러의 타입은 크게 미분탄 보일러와 유동층 보일러로 구분되는데 유동층 보일러는 미분탄 보일러와 달리 연료를 미분하지 않아도 되고 다양한 연료의 혼합이 용이하며 보일러 내에서 미연소된 연료의 재순환이 가능한 반면 보일러 온도가 낮아 효율이 낮고 용량의 한계가 있다.
반면, 미분탄 보일러는 연료는 200mesh(75㎛)이하로 미분하여 모일러에 투입한 뒤 연소하는 방식으로 국내 대부분의 석탄화력발전소에 적용되어 운영중에 있다. 또한, 폐코크를 연소하기 위해 벙커C유, LPG, 및 바이오가스와 같은 고가의 연료를 폐코크와 같이 보일러 내에서 연소하거나 미처 연소되지 못한 폐코크를 멀티사이클론과 같은 설비로 포집하여 다시 보일러에 투입하여 재연소시키는 방법을 사용하기도 한다.
하지만, 500~1000MW급 이상의 대용량보일러를 사용하는 석탄화력발전소와 같은 경우 상기 고가의 연료를 병행 사용할 때 연료단가의 상승을 초래할 수 있고 미연분을 재연소하는 방식은 미연분의 선별 및 이송 등 다양한 관점에서의 검토가 필요하기 때문에 소형 연소시스템에 국한하여 적용될 수 있다.
따라서 기존 설비를 변형 또는 개조하지 않고 추가적인 연료의 혼소가 필요 없이 연료용 폐코크를 국내 석탄화력발전소 미분탄 보일러에 혼소할 수 있는 연소방법 및 시스템의 개발이 절대적으로 필요하다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
또 다른 목적은, 저연소성 연료의 미분탄 보일러 연소시스템 및 이를 이용한 연소방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 신규보일러를 건설하지않고 기존 설비의 간단한 개조를 통해 효과적으로 저연소성연료를 혼소하는 것을 목적으로 한다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 저연소성 미분탄 보일러에 있어서, 연소가 이루어지는 연소부 및 상기 연소부의 내부로 서로 다른 제1연료, 제2연료 및 공기가 주입되는 윈드박스부를 포함하고, 상기 윈드박스부는 상단층부, 중단층부 및 하단층부를 포함하며, 상기 상단층부, 상기 중단층부 및 상기 하단층부는 상기 제1연료 및 상기 제2연료를 공급하는 연료공급부를 포함하는 것인 저연소성 미분탄 보일러 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료 공급부는, 서로 다른 제1연료 및 제2연료가 상기 상단층부로 공급되는 제1공급부를 포함하고, 서로 다른 제1연료 및 제2연료가 상기 중단층부로 공급되는 제2공급부를 포함하며, 서로 다른 제1연료 및 제2연료가 상기 하단층부로 공급되는 제3공급부를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1공급부, 상기 제2공급부 및 상기 제3공급부는 제1연료 저장부, 상기 제1연료 저장부로부터 제1연료를 공급받아 제1연료를 미분하는 제1연료 미분기, 상기 미분된 제1연료를 저장하는 미분된 제1연료 저장부 및 상기 제2연료를 저장하는 제2연료 저장부를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1공급부, 상기 제2공급부 및 상기 제3공급부는 4개의 버너와 각각 연결되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 버너는 상기 버너는 스월버너(swirl)이고, 상기 스월버너는 상기 보일러의 4개의 모서리에 배치되며, 상기 4개의 모서리에 배치된 스월버너의 각도는 30±5°인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 사익 미분된 제1연료 저장부의 공기온도는 230℃ 내지 260℃로 유지되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2연료 저장부는 제2연료가 미분되어 저장되고, 상기 미분된 제2연료를 포함하는 상기 제2연료 저장부의 공기온도는 300℃ 내지 350℃로 유지되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 상단층부, 상기 중단층부 및 상기 하단층부는 적층되어 배치되고, 적층된 상기 상단층부, 상기 중단층부 및 상기 하단층부의 사이에는 윈드박스 갭이 형성되는 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 상단층부, 상기 중단층부 및 상기 하단층부는 보조공기노즐(aux. air nozzle), 미분탄 부족 노즐(weak. coal nozzle), 미분탄 과다 노즐(conc. coal nozzle), 오일 노즐(oil nozzle), 하부 공기 노즐(bottom air nozzle)을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 상단층부는 over fire air nozzle(OFA nozzle)을 더 포함하고, 상기 over fire air nozzle(OFA nozzle)은 상기 상단층부의 상부에 배치되는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 관점에 따르면, 저연소성 미분탄 보일러 시스템을 이용한 연소방법에 관한 것으로, 제1연료를 미분하는 단계, 상기 미분된 제1연료를 미분된 제1연료 저장부에 저장하는 단계, 상기 미분된 제1연료 저장부에 저장된 상기 미분된 제1연료를 윈드박스부를 통해 보일러 내로 공급하는 단계를 포함하고, 상기 보일러 내로 공급하는 단계는 미분된 제2연료를 상기 윈드박스부를 통해 상기 미분된 제1연료와 함께 공급하는 것인 저연소성 미분탄 보일러의 연소방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 미분된 제1연료를 상기 미분된 제1연료 저장부에 저장하는 단계는, 열교환기를 통해 열교환 된 온도가 높아진 1차공기와 상기 미분된 제1연료가 혼합되어 저장되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 미분된 제1연료는 325mesh 이하로 90%이상 미분되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 윈드박스부를 통해 보일러 내로 공급하는 단계는, 상기 미분된 제1연료가 분배기를 이용해서 분배되고, 상기 분배가 완료된 상기 미분된 제1연료는 상기 윈드박스부의 weak. coal nozzle 및 conc. coal nozzle을 통하여 공급하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 윈드박스부는 상단층부, 중단층부 및 하단층부를 포함하고, 상기 미분된 제1연료는 상기 상단층부, 상기 중단층부 및 상기 하단층부의 상기 weak. coal nozzle 및 상기 conc. coal nozzle을 통하여 균일하게 공급되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 미분된 제1연료는 상기 미분된 제1연료에 포함되는 1차공기의 비율에 따라 분배되는 것으로, 상기 미분된 제1연료에 포함되는 1차공기의 비율이 높으면 weak. coal nozzle을 통하여 공급하고, 상기 미분된 제1연료에 포함되는 1차공기의 비율이 낮으면 conc. coal nozzle을 통하여 공급하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 미분된 제2연료는 상기 윈드박스부의 weak. coal nozzle을 통하여 상기 미분된 제1연료와 함께 공급하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 미분된 제2연료는 상기 윈드박스부의 상기 상단층부, 상기 중단층부 및 상기 하단층부에 포함되는 상기 weak. coal nozzle을 통하여 균일하게 공급되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 상단층부, 상기 중단층부 및 상기 하단층부로 주입되는 과잉공기의 양은 5%이하인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 중단층부는 상기 상단층부 및 상기 하단층부와 대비하여 과잉공기의 양을 증가시켜 주입하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 중단층부는 상기 상단층부 및 상기 하단층부와 대비하여 1.0 내지 1.5배의 과잉공기가 주입되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 미분된 제2연료는 폐코크를 포함하고, 상기 폐코크의 황함량은 3wt% 내지 9wt%이며, 상기 폐코크는 325mesh 이하로 미분되는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 저연소성 연료의 미분탄 보일러 연소시스템 및 이를 이용한 연소방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 한 개에 의하면, 신규보일러를 건설할 필요가 없고 기존 설비의 간단한 개조를 통해 효과적으로 저연소성연료를 혼소할 수 있는 효과가 있다.
또한, 기존의 설비를 이용함으로써 석탄화력발전소 효율을 향상시키고 발전단가를 하락시키는 효과가 있다.
또한, 폐코크의 경우 회분함량이 낮아 미세먼지 배출저감에 효과가 있다.
본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해 질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시예와 같은 특정 실시예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 500MW급 미분탄 보일러의 구성 및 윈드박스 위치를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 윈드박스부의 공기 분사노즐의 배치를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 연료 공급부를 나타낸 개략도이다.
도 4은 본 발명에 따른 보일러 내로 원료 주입에 따른 연소의 원리를 나타낸 는개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 500MW급 미분탄 보일러의 연소 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 TGA분석 및 반응속도상수를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 7 내지 도 9은 본 발명에 따른 윈드박스 높이 별 제2원료 주입에 따른 보일러 노내의 길이 방향으로의 온도장 변화를 나타낸 것이다.
도 9 내지 도 10은 본 발명에 따른 윈드박 높이 별 제2원료 주입에 따른 위보일러 노내의 단면의 온도장 변화를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명에 따른 LOI함량 및 연소효율 변화를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 지시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는 다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.
또한, 달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 가지며, 상충되는 경우에는, 정의를 포함하는 본 명세서의 기재가 우선할 것이다.
도면에서 제안된 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 그리고 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에서 기술한 “부”한, 특정 기능을 수행하는 한 개의 단위 또는 블록을 의미한다.
각 단계들에 있어 식별부호(제1, 제2, 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다.
즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술 야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
또한, 본 발명에서 사용하는 표준탄은 석탄화력발전소 보일러 설계시 사용을 권고하는 규격의 석탄을 의미하며, 주탄은 석탄화력발전소에서 주로 사용하는 석탄을 의미한다.
도 1은 본 발명에 따른 500MW급 미분탄 보일러의 구성 및 윈드박스 위치를 나타낸 개략도이다.
도 1을 참고하면, 500MW급 미분탄 보일러의 구성으로서 연소가 이루어지는 연소부를 포함하며, 상기 연소부의 내부로 다른 제1연료, 제2연료 및 공기를 주입하는 윈드박스부를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 연소부는 노(furnace)를 의미한다. 이때, 상기 윈드박스부는 상기 보일러의 네 모서리에 각각 위치하는 것을 특징으로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 윈드박스부의 공기 분사노즐의 배치를 나타낸 개략도이여, 표 1은 공기 분사노즐의 배치에 따른 명칭을 나타낸 것이다.
No. 노즐명칭
윈드박스 상단층부 1 OFA nozzle
2 OFA nozzle
3 OFA nozzle
4 OFA nozzle
5 Aux. air nozzle
6 Weak.coal nozzle
7 Conc. coal nozzle
8 Aux. air nozzle
9 Oil nozzle
10 Aux. air nozzle
11 Conc. coal nozzle
12 Weak.coal nozzle
13 Bottom air nozzle
윈드박스 갭
윈드박스 중단층부 14 Aux. air nozzle
15 Aux. air nozzle
16 Weak.coal nozzle
17 Conc. coal nozzle
18 Aux. air nozzle
19 Oil nozzle
20 Aux. air nozzle
21 Conc. coal nozzle
22 Weak.coal nozzle
23 Bottom air nozzle
윈드박스 갭
윈드박스 하단층부 24 Aux. air nozzle
25 Aux. air nozzle
26 Weak.coal nozzle
27 Conc. coal nozzle
28 Aux. air nozzle
29 Oil nozzle
30 Aux. air nozzle
31 Conc. coal nozzle
32 Weak.coal nozzle
33 Bottom air nozzle
도 2 및 표 1을 참고하면, 상기 윈드박스부는 상단층부, 중단층부 및 하단층부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상세하게는, 상기 윈드박스부는 상기 상단층부, 상기 중단층부 및 상기 하단층부가 적층되어 배치되고, 적층된 상기 상단층부, 상기 중단층부 및 상기 하단층부의 사이에는 윈드박스 갭이 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 상단층부, 상기 중단층부 및 상기 하단층부는 보조공기노즐(aux. air nozzle), 미분탄 부족 노즐(weak. coal nozzle), 미분탄 과다 노즐(conc. coal nozzle), 오일 노즐(oil nozzle), 하부 공기 노즐(bottom air nozzle)을 포함하는 것으로, 미분탄 연소를 위해 공급되는 연소공기는 크게 over fire air, primary air, secondary air로 나눌 수 있다.
이때, over fire air는 OFA nozzle을 통하여 연소부로 유입되고, secondary air는 Aux. air nozzle, Oil nozzle, Bottom air nozzle로 나누어 유입되며, primary air는 Weak.coal nozzle 및 Conc. coal nozzle을 통하여 미분탄과 함께 유입된다.
나아가, 상기 상단층부는 over fire air nozzle(OFA nozzle)을 더 포함하는 것으로, 상기 over fire air nozzle(OFA nozzle)은 상기 상단층부에 포함되는 노즐의 가장 상부에 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 상단층부, 상기 중단층부 및 상기 하단층부를 포함하는 상기 윈드박스부는 1단 내지 6단으로 구분되는 것을 특징으로 한다.
상세하게는, 상기 상단층부는 상기 oil nozzle을 기준으로 상부는 1단 및 2단으로 나누어지고, 상기 1단은 Weak.coal nozzle, Conc. coal nozzle, 및 Aux. air nozzle을 포함하고, 2단은 Aux. air nozzle, coal nozzle, Weak.coal nozzle 및 Bottom air nozzle을 포함할 수 있다.
또한, 상기 중단층부는 상기 oil nozzle을 기준으로 상부는 3단 및 4단으로 나누어지고, 상기 3단은 Weak.coal nozzle, Conc. coal nozzle, 및 Aux. air nozzle을 포함하고, 4단은 Aux. air nozzle, coal nozzle, Weak.coal nozzle 및 Bottom air nozzle을 포함할 수 있다.
또한, 상기 하단층부는 기 oil nozzle을 기준으로 상부는 5단 및 6단으로 나누어지고, 상기 5단은 Weak.coal nozzle, Conc. coal nozzle, 및 Aux. air nozzle을 포함하고, 6단은 Aux. air nozzle, coal nozzle, Weak.coal nozzle 및 Bottom air nozzle을 포함할 수 있다.
즉, 윈드박스부는 OFA nozzle부를 제외하고 weak coal nozzle과 conc. coal nozzle을 한 쌍으로 위치하여 위 아래로 aux. air nozzle을 위치한 노즐그룹이 6개가 존재하는 것으로, 상기 윈드박스 상단, 상기 중단 및 상기 하단에 앞서 언급한 노즐그룹이 각각 2개씩 들어가기 위치하는 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명에 따른 연소부로 주입되는 연료공급부(100)를 나타낸 개략도이다.
상기 상단층부, 상기 중단층부 및 상기 하단층부는 상기 제1연료 및 상기 제2연료를 공급하는 연료공급부(100)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상세하게는, 상기 연료공급부(100)는 로 다른 제1연료 및 제2연료가 상기 상단층부로 공급되는 제1공급부를 포함하고, 서로 다른 제1연료 및 제2연료가 상기 중단층부로 공급되는 제2공급부를 포함하며, 서로 다른 제1연료 및 제2연료가 상기 하단층부로 공급되는 제3공급부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 3을 참고하면, 상기 연료 공급부(100)인 상기 제1공급부, 상기 제2공급부 및 상기 제3공급부는 제1연료 저장부(110), 상기 제1연료 저장부로부터 제1연료를 공급받아 제1연료를 미분하는 제1연료 미분기(120), 상기 미분된 제1연료를 저장하는 미분된 제1연료 저장부(150), 및 상기 제2연료를 저장하는 제2연료 저장부(160)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1공급부, 상기 제2공급부 및 상기 제3공급부는 상기 연소부의 연소를 위해 배치되는 4개의 버너와 각 각 연결되는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 버너는 스월(swirl)버너이고, 상기 스월버너는 연소부의 각 코너에 위치하며, 상기 각 코너에 배치된 스원버너의 각도는 30±5°인 것을 특징으로 한다.
상기 제1연료 저장부(110)는 제1연료가 저장되는 저장부로, 상기 제1연료는 원탄을 포함하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 제1연료는 역청탄 및 아역청탄을 포함하는 것이 바람직하며, 상게하게는 kideco탄, suek탄 및 flame-I 중 선택될 수 있다.
상기 제1연료 미분기(120)는 상기 제1연료 저장부(110)로부터 상기 제1연료를 공급받아 상기 제1연료를 미분하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 제1연료를 미분함으로써 연소 효율을 증가시키기 위하여 상기 제1연료는 325mesh 이하로 미분하는 것이 바람직하며, 상세하게는 200mesh이하인 것이 바람직하다.
상기 미분된 제1연료 저장부(150)는 상기 제1연료 미분기(120)로부터 미분된 제1연료가 저장되는 것으로, 상기 미분된 제1연료 저장부(150)의 공기온도는 230℃ 내지 260℃로 유지하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 공기온도가 230℃ 보다 낮을 경우 연소효율이 낮아 질 수 있으며, 260℃이상일 경우 미분된 제1연료가 발화할 수 있다. 이에 따라, 발화되지 않고 연소효율이 유지될 수 있도록 공기온도를 설정하는 것이 바람직하다.
상기 제2연료 저장부(160)는 상기 제2연료가 저장되는 것으로, 상기 제2연료가 미분되어 저장되는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 제2연료는 페코크를 포함하는 것으로, 상기 페코크는 회분함량이 1wt%이하이고, 황함량이 3wt% 내지 9wt%인 것을 특징으로 한다. 또한, 연소 효율을 증가시키기 위하여 상기 제2연료는 325mesh 이하로 미분하는 것이 바람직하며, 상세하게는 200mesh이하인 것이 바람직하다.
이때, 상기 제2연료 저장부(160)는 각 단별로 별도로 구성할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 상기 제1연료와 노외혼탄(bunker blending)을 시행하여 별도로 구성하지 않을 수 있다. 즉, 상기 제2연료가 weak coal nozzle을 통해 보일러에 주입되는 구성이라면 제2연료 저장부(160)의 구성은 제한을 두지 않을 수 있다.
또한, 일반적으로 상기 페코크의 경우 석탄대비 활성화에너지가 약 2배 수준으로 높다. 이에 따라, 연소효율은 높이기 위하여 상기 미분된 제2연료를 포함하는 상기 제2연료 저장부(160)의 공기온도는 300℃ 내지 350℃로 유지되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 공기온도가 350℃이상일 경우 미분된 제2연료가 발화할 수 있다. 이에 따라 발화되지 않고 연소효율이 유지될 수 있도록 공기온도를 설정하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 저연소성 미분탄 보일러 시스템을 이용한 연소방법은, 제1연료를 미분하는 단계, 상기 미분된 제1연료를 미분된 제1연료 저장부(150)에 저장하는 단계, 상기 미분된 제1연료 저장부(150)에 저장된 상기 미분된 제1연료를 윈드박스부(180)를 통해 연소부로 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1연료를 미분하는 단계는 상기 제1연료 저장부(110)로부터 제1연료를 공급받아(1) 상기 제1연료 미분기(120)에서 미분하는 것을 특징으로 한다.
상기 미분된 제1연료저장부(150)에 저장하는 단계는, 상기 제1연료 미분기(120)를 통해 미분된 제1연료가 상기 열교환기(140)로부터 열교환된(2) 온도가 높아진 1차공기와 혼합되어 상기 미분된 제1연료저장부(150)로 저장(3) 되는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 온도가 높아진 1차공기와 혼합되어 상기 미분된 제1연료 저장부(150)의 공기온도는 230℃ 내지 260℃로 유지되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 윈드박스부(180)를 통해 연소부로 공급하는 단계는 상기 미분된 제1연료를 공급(4)하면서, 상기 미분된 제2연료를 함께 공급(5)하는 것을 특징으로 한다.
도 4은 본 발명에 따른 보일러 내로 원료 주입에 따른 연소의 원리를 나타낸 개략도이다.
도 4를 참고하면, 상기 연료공급부(200)는 분배기(290)를 포함하는 것을 특징으로 하는 것으로, 상기 분배기(290)는 상기 미분된 제1연료를 분배하여 연소부로 공급하는 것을 특징으로 한다.
상세하게는, 상기 윈드박스부(180)를 통해 연소부로 공급하는 단계 시 상기 미분된 제1연료가 공급되고(4) 상기 공급된 제1연료는 상기 분배기(290)를 이용해서 분배되며, 상기 분배가 완료된 상기 미분된 제1연료는 상기 윈드박스부(290)의 weak. coal nozzle(7-1) 및 conc. coal nozzle(7-2)을 통하여 공급하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 윈드박스부(290)는 상기 상단층부, 상기 중단층부 및 상기 하단층부를 포함하는 것으로, 상기 미분된 제1연료는 상기 상단층부, 상기 중단층부 및 상기 하단층부에 포함되는 상기 weak. coal nozzle(7-1) 및 상기 conc. coal nozzle(7-2)을 통하여 균일하게 공급되는 것이 바람직하다.
이때, 상기 제1연료 대비 상기 1차공기의 비율을 높여서 공급하는 것이 바람직하다. 다시 말해, 상기 제1연료가 석탄비율이 높은 상기 conc. coal nozzle(7-2) 및 석탄비율이 낮은 상기 weak. coal nozzle(7-1)로 분배되어 연소부로 분사되는 것으로, 상기 conc. coal nozzle을 통하여 주입된 상기 미분된 제1연료는 공기량이 부족하여 불완전 연소영역(11)이 생기면서 연소되지 않은 상기 미분된 제1연료가 남게 된다.
이때, 상기 weak. coal nozzle 통하여 주입된 상기 미분된 제1연료는 석탄비율보다 공기비율이 높아 완전연소영역(10)이 이루어지지만 상기 미분된 제1연료의양(석탄의 양) 자체가 적어 공기가 다량으로 남게 된다. 따라서, 상기 conc. coal nozzle에서 불완전연소되어 남은 상기 미분된 제1연료가 연소부의 상부로 상승하면서 상기 weak. coal nozzle에서 남은 과잉공기와 만나 연소반응을 다시 시작하여 버너의 위치보다 상부에서 완전연소영역(12)을 이루게 된다.
이에 따라, 상기 미분된 제2연료를 혼소하기 위하여 상기 윈드박스부(290)의 weak. coal nozzle을 통하여 상기 미분된 제1연료와 함께 공급(5)하는 것이 바람직하다.
즉, 상기 미분된 제1연료와 상기 미분된 제2연료를 일정 비율로 연소부로 공급함으로써 과잉공기량이 많이 존재하는 영역(10)을 거치게 함으로써, 상기 미분된 제1연료에 비해 연소성이 다소 떨어지는 상기 미분된 제2연료의 불완전연소를 방지할 수 있게 된다.
또한, 상기 미분된 제2연료의 완전 연소를 위하여 상기 연소부로 과잉공기를 더 주입할 수 있다.
상세하게는, 상기 윈드박스부(290)인 상기 상단층부, 상기 중단층부 및 상기 하단층부에 포함되어 있는 상기 weak. coal nozzle을 통하여 과잉공기를 주입할 수 있으며, 상기 주입되는 과잉공기의 양은 5% 이하인 것이 바람직하다.
또한, 상기 상단층부 및 상기 하단층부와 대비하여 상기 중단층부의 과잉공기의 양을 증가시켜 주입하는 것이 바람직하다.
상세하게는, 상기 weak coal nozzle에서 주입되는 제2연료에 대한 과잉공기비의 범위는 1.0배 내지 1.5배 인 것이 바람직하다.
이하 본 발명을 실시예 및 실험예를 통하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 단 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 5는 본 발명에 따른 500MW급 미분탄 보일러의 연소 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.
도 5(a)를 참고하면, z=1m인 단면의 속도분포에서는 공기노즐에서 분사된 공기는 좌측에서 우측으로 유동하고 있으며, 상부 nozzle에서 분사된 공기는 대부분 연소부 상부의 우측으로 비스듬하게 상승하고, 나머지 하부 nozzle에서 분사된 공기는 연소부 하부의 hopper 영역으로 하강하여 재순환 영역을 형성한다. 이후 연소부의 중심에서 형성되는 나선형 상승유동을 따라 상승하는 것이 뚜렷해져 좌측에서 우측벽면으로 비스듬하게 상승하는 분포를 확인할 수 있으며, 공기분사노즐부근에서는 공기의 유입에 따라 고속의 유동장이 형성되고 상부 좌측으로 치우쳐 상승하는 유동이 나타나는 것을 확인 할 수 있다.
또한, 도 5(b)를 참고하면, z=8.064m단면의 속도분포에서는 연소부 중심으로의 공기유동과 하부에서의 유동이 화로 중심에서 만나 상승하기 시작하여 화로의 중심을 따라 보일러 상부까지 상승하고 있으며, 우측부근영역에서 상대적으로 고속의 유동을 형성하게 된다.
또한 도 5-1(c)를 참고하면, y=21.6m일때의 단면의 속도분포는 윈드박스부의 중심부인 aux. air nozzle에서의 유동으로 이 부분은 주로 수직으로 상승하는 유동 경향을 확인 할 수 있다. 또한, 중심에서 조금 벗어나게 되면 시계방향으로 회전하는 선회가 형성되고 있는 것을 확인 할 수 있다. 이때, 선회유동의 회전방향은 전면, 우측면, 후면, 좌측면 방향의 순서로 나타나며, 각 노즐 부근에서는 분사되는 유동과 벽면 부근에서 형성된 유동에 의해 작은 와류가 형성되게 된다.
도 5-2(a)를 참고하면, 온도분포에서는 노즐에서 분사된 저온의 공기가 벽면을 따라 우측에서 좌측으로의 유동장을 따라 흘려 노즐부근과 벽면부근에서 900K미만의 저온영역이 형성되며, 연소부 하부지역에 높이에 따라 저온에서 고온으로 층을 형성하듯이 분포하는 것을 확인 할 수 있다.
또한, CC OFA 및 SOFA의 영향으로 저온의 영역이 내부 가스의 유동을 따라 비스듬하게 나타나며, 전체적으로 윈드박스부 부근 및 연소부 상부를 거쳐 OFA 이후 재연소 영역에서 고온을 형성하며 출구로 진행함에 따라 온도가 낮아지며, 특히 상부에 위치한 과열기 패널들에 의해 온도변화가 급격하게 나타나고 있는 것을 확인 할 수 있다.
또한, 도 5-2(b)를 참고하면, 보일러 하부에서부터 윈드박스 상단 이후 화로 출구에 걸쳐 위로 볼록한 온도 분포를 보이며 윈드박스 부근에서는 화로 중심부의 온도가 주위 벽면 부근의 온도에 비해 상대적으로 낮은 분포를 보여주고 있다.
이러한 경향은 앞서 설명한 유동특성에 기인한 것으로 연소부 하부로 하강한 유동이 선회의 중심부를 타고 상승하기 때문에 위로 볼록하게 나타나는 것이며, 각각의 노즐에서 분사된 공기와 미분탄은 선회에 의해 벽면 부근으로 편중되어 흐름에 따라 화염 역시 벽면부근에서 선회르 따라 형성되어 벽면 부근의 온도가 더 높게 나타나는 경향을 확인할 수 있다.
또한, 도 5-2(c)를 참고하면, 각 코너 노즐부근에서 900K미만의 저온영역을 보이고, 화염이 선회유동을 따라 형성되어 단면에서는 원형의 모양을 보이고, 벽면부근의 온도구배 및 중심부의 온도구배가 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
실시예 1. 페코크의 연료특성 평가.
페코크의 연료특성을 평가하고 일반 석탄과의 비교검토하여 기존의 석탄화력발전소에서 혼소하여 사용할 수 있는지 가능성을 평가하기 위해 입도별 페코크 시료 8종에 대한 공업분석 및 원소분석을 진행하였다.
표 2는 입도별 페코크의 공업분석 결과를 나타낸 것이며, 표 3은 입도별 페코크의 원소분석 결과를 나타낸 것이다.
시료명 입도 공업분석(wt%) 연료비
(고정탄소/ 휘발분)
수분 휘발분 회분 고정
탄소
페코크
6.5		 100mesh 이상 1.02 11.66 1.50 85.82 7.36
140mesh 이하 1.19 12.42 1.12 85.33 6.87
200mesh 이상 1.12 13.63 0.92 84.33 6.19
200mesh 이하 1.13 14.24 0.84 83.79 5.88
페코크
7.0		 100mesh 이상 0.87 9.48 1.11 88.53 9.34
140mesh 이하 0.65 9.50 1.00 88.825 9.35
200mesh 이상 0.55 10.56 0.82 88.06 8.34
200mesh 이하 0.68 12.35 0.54 86.43 7.00
시료명 입도 원소분석(wt%) 발열량
(kcal/kg)
탄소 수소 질소 산소 유황분 고위 저위
페코크
6.5		 100mesh 이상 86.50 3.68 1.61 0.65 6.08 8,417 8,213
140mesh 이하 86.28 3.76 1.60 0.92 6.32 8,443 8,237
200mesh 이상 86.62 3.74 1.66 0.75 6.31 8,463 8,253
200mesh 이하 86.73 3.78 1.66 0.70 6.28 8,457 8,247
페코크
7.0		 100mesh 이상 87.94 3.46 1.47 0.33 5.35 8,400 8,223
140mesh 이하 88.08 3.50 1.63 0.20 5.65 8,460 8,267
200mesh 이상 88.27 3.54 1.64 0.12 5.62 8,490 8,293
200mesh 이하 88.92 3.44 1.63 0.07 5.41 8,533 8,343
표 2 및 표 3을 참고하면, 페코크의 입도가 낮을수록 수분함량 및 연료비가 감소하고 휘발분은 증가하는 경향을 나타났다. 또한, 수분 0.6~3.9%, 고정탄소 82~92%, 휘발분 5~15% 및 연료비 6~17범위로 반무연탄 등급의 연료특성을 나타내는 것을 확일 할 수 있으며, 고정탄소의 함량이 86wt% 내지 96wt%로 페코크 시료는 대부분이 탄소 성분인 것을 확인 할 수 있다. 또한, 발열량은 고위 8,400~8,803kcal/kg, 저위 8,213~8,567kcal/kg로 일반적인 유연탄보다 높은 열량을 보유하는 것을 확인 할 수 있다.
실시예 2. 혼합탄의 연료특성 평가.
페코크 및 역청탄(FLAME-1)을 혼합한 혼합탄에 대한 연료특성 및 사용가능성을 평가하기 위하여 페코크 및 역청탄을 200mesh(입경75㎛) 이하로 체거름(sieving)하여 홉합하여 시료를 제조한 뒤 페코크 및 역청탄의 함량에 따라 공업분석 및 원소분석을 진행하였다.
시료명 함량비(wt%)
페코크:역청탄		 공업분석(wt%) 연료비
(고정탄소/ 휘발분)
수분 휘발분 회분 고정
탄소
페코크
6.5		 5:95 16.55 36.08 6.48 40.89 1.13
10:90 15.66 34.25 6.13 43.96 1.28
15:85 14.60 33.26 6.09 46.05 1.38
20:80 14.03 32.64 5.82 47.81 1.46
페코크
7.0		 5:95 16.90 36.19 6.49 40.42 1.12
10:90 15.81 34.58 6.29 43.32 1.25
15:85 15.47 33.26 6.00 45.27 1.36
20:80 14.96 32.83 5.73 46.48 1.42
시료명 함량비(wt%)
페코크:역청탄		 원소분석(wt%) 발열량
(kcal/kg)
탄소 수소 질소 산소 유황분 고위 저위
페코크
6.5		 5:95 69.60 4.85 1.54 16.40 1.13 6,420 6,060
10:90 71.95 4.92 1.51 13.97 1.52 6,580 6,220
15:85 74.75 4.78 1.58 12.80 1.82 6,730 6,380
20:80 74.45 7.84 1.51 11.31 2.04 6,840 6,490
페코크
7.0		 5:95 70.95 5.02 1.55 14.98 1.01 6,420 6,050
10:90 73.35 4.86 1.52 12.56 1.42 6,580 6,220
15:85 73.60 4.82 1.48 12.42 1.68 6,690 6,340
20:80 75.10 4.80 1.55 11.06 1.76 6,810 6,460
연료특성 평가결과 페코크의 함량이 증가함에 따라 고정탄소, 연료비 및 발열량이 증가하는 것을 확인 할 수 있으며, 휘발분 및 회분이 감소하는 것을 확인 할 수 있다.
또한, 질소 함량은 약 1.5wt%로 함량에 대한 변화가 크지 않은 것을 알 수 있다. 이를 통하여 페코크를 혼합하여 연소하여도 페코크 혼합에 의한 flue NOx 생성량이 거의 없을 것으로 판단된다.
실시예 3. 페코크 및 역청탄의 연소속도론적 평가
페코크를 포함하는 연료의 보일러 내의 연소성을 평가하기 위하여 열중량분석(TGA)을 실시하였다.
도 6은 본 발명에 따른 TGA분석 및 반응속도상수를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 또한, 하기 표 6은 각 시료에 따른 활성화에너지 및 빈도상수를 나타낸 것으로, 활성화에너지 및 빈도상수를 산출하기 위하여 coat redfern 모델을 이용하였다.
이때, 활성화에너지는 활성(연소_) 반응에 소요되는 최소에너지로 값이 클수록 반응이 떨어지며, 빈도상수는 반응이 발생할 수 있는 분자수준의 충돌빈도로 값이 클수록 반응성이 좋아지는 것을 의미한다.
이에 따라 도 6 및 표 6을 참고하면, 페코크는 역청탄에 비해 활성화에너지 및 빈도상수 값이 높은 것을 확인 할 수 있는 것으로, 페코크는 상대적으로 높은 온도범위에서 연소반응이 이루어지며, 활성화에너지가 역청탄에 비해 약 2배가량 높지만 빈도상수가 50~100배 가량 높아 반응속도상수(k, 온도범위 1,100~1,400℃)가 역청탄에 비해 값이 높은 것을 확인 할 수 있다. 즉, 페코크의 보일러 내의 연소성이 역청탄의 보일러 내의 연소성보다 우수할 것으로 예측할 수 있다.
활성화에너지
(E, Kj/mol)		 빈도상수
(A, s-1)		 R2
역청탄(FLAME-I) 49.98 1.0E+01 0.970
페코크6.5 86.40 5.0E+02 0.946
페코크7.0 92.80 9.0E+02 0.957
실시예 4. 페코크-역청탄 혼합탄의 연소속도론적 평가
페코크-역청탄 혼합탄의 보일러 내의 연소성을 평가하기 위하여 시료를 페코크-역청탄의 혼합 비율에 따라 사용한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 분석하였으며, 그에 대한 결과를 표 7에 나타내었다.
페코크 함량
(페코크:역청탄)		 페코크 7.0
활성화에너지
(E, Kj/mol)		 빈도상수
(A, s-1)		 R2
5wt% (5:95) 46.67 6.0E+01 0.886
10wt% (10:90) 49.59 8.0E+02 0.933
15wt% (15:85) 30.69 3.0E-01 0.653
20wt% (20:80) 21.26 2.0E-02 0.601
표 7을 참고하면, 페코크의 함량이 증가함에 따라 활성화에너지 및 빈도상수가 낮아지는 것을 확인 할 수 있는 것으로, 상세하게는, 페코크의 함량이 10wt% 이하일 경우 보일러 내 연소성 및 반응성에 대한 변화 없이 양호할 것으로 예측할 수 있다.
실시예 5. 페코크의 분쇄도에 따른 평가.
고열량의 보조연료로 사용되는 페코크를 전처리하여 분쇄도 지수(HGI, HardGrove Index)를 평가하였으며, 그 결과를 표 8에 나타내었다.
시료전처리 200mesh통과량
(시료50g기준)		 HGI
페코크6.5 시료건조없음 10.36g 84.79
페코크7.0 14.75g 115.22
페코크6.5 자연건조
(37℃, 3hr, cooling 20hr)		 9.94g 81.88
페코크7.0 8.65g 72.94
페코크6.5 완전건조
(100℃, 3hr, cooling 20hr)		 10.89g 88.47
페코크7.0 12.02g 96.30
분쇄도 지수(HGI index)는 하기 계산식 1을 통하여 계산할 수 있다.
계산식 1
HGI=(6.93 * 표준체 200 mesh 통과량) + 13
분쇄도 지수(HGI index)는 석탄의 분쇄도를 나타내는 지표로 값이 높을 수록 미분이 잘되는 것을 의미하는 것으로, 일반적으로 석탄의 분쇄도 지수는 59 내지 80이며, 국내 무연탄의 분쇄도 지수는 120이다. 이와 비교하여 페코크의 시료 전처리 방법에 따른 분쇄도 지수는 73 내지 120으로 일반 석탄에 비해 높은 것을 확인 할 수 있다. 이를 통하여, 페코크를 석탄화력발전소 미분탄 보일러의 혼소를 위하여 미분 시, 미분도를 높이기 위한 미분에너지 소요량이 낮을 것으로 예측할 수 있다.
실시예 6. 페코크 및 역청탄의 DTF 평가.
석탄화력발전소 미분탄 보일러에 페코크의 혼소를 위한 최적 연소조건을 도출하기 위하여 실시하였다. 페코크 및 역청탄을 표준체로 200mesh이하로 체거르한 시료에 대하여 DTF(Drop tube furnace, 원통형 전기로)를 이용하여 조건에 따른 회분 발생량 및 강열감량(LOI, loss on ignition)을 측정하여 연소특성을 비교하였다. 이때, 페코크의 미분도에 따라 DTF의 노내 온도, 과잉공기 유량, 체류시간( 노 길이로 대체) 을 달리하여 진행하였다.
일반적으로 석탄화력발전소 보일러에 투입되는 연료는 미분기를 통해 200mesh 이하의 입자가 90%이상을 차지하도록 미분된다. 이에, 페코크의 경우 석탄에 비해 연소성이 상대적으로 낮은 것으로 알려져 있기 때문에 페코크의 미분도를 325mesh이하로 조절하여 DTF연소성을 검토하였으며, 이에 대한 결과를 표 9 및 표 10에 나타내었다.
DTF 변수 결과
구분 온도
(℃)		 체류시간
(길이, cm)		 과잉공기량
(산소,L/min)		 ash발생량
(wt%)		 LOI
(wt%)
역청탄 1,300 90 5.45 8.03 3.65
1,100 90 5.45 10.82 7.85
1,300 50 5.45 12.09 12.64
1,300 90 6.00 11.05 2.84
1,300 90 4.80(+3.10air) 9.91 12.54
페코크 1,300 90 5.45 4.80 -
1,100 90 5.45 4.32 -
1,300 50 5.45 8.19 -
1,300 90 6.00 2.94 -
1,300 90 4.80(+3.10 air) 11.06 -
DTF 변수 결과
입도
(mesh)		 온도
(℃)		 체류시간
(길이, cm)		 과잉공기량
(산소,L/min)		 ash발생량
(wt%)		 LOI
(wt%)
200이하 1,300 90 5.45 4.80 -
275이하 1,300 90 5.45 4.10 -
325이하 1,300 50 5.45 3.81 -
표 9를 참고하면, ash 발생량 및 LOI 함량이 저하할수록 완전연소에 가까워 지는 것으로, 역청탄을 이용하여 실험했을 경우 변수에 따라 ash발생량 및 LOI 함량의 변화가 눈에 띄게 나타나는 것을 확인 할 수 있다. 하지만, 페코를 이용하여 실험했을 경우, 체류시간과 과잉공기의 유량 조건에 따라 ash 발생량은 변화하나 노내 온도에 따라서는 ash 발생량의 변화가 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있다. 특히, 페코크의 경우 과잉공기의 유량에 따라 ash 발생량에 변화가 생기는 것을 확인 할 수 있다.
일반적으로 석탄화력발전소에서는 과잉공기량을 이론 산소량의 1.18로 유지하여 운전하게 된다. 이에 따라, DTF 노내에서도 과잉공기량을 석탄화력발전소의 과잉 공기량과 동일한 조건으로 유지할 때, 공기보다 산소의 비율이 높을수록 완전연소에 가까운 결과를 얻을 수 있었다. 이를 통하여, 공기 중의 질소가 역청탄 및 페코크가 연소하는 방해요인이 되는 것을 확인 할 수 있었다.
또한, 과잉공기 유량을 이론산소량의 약 1.3배(과잉공기 유량, 산소 6.0L/min)로 설정한 실험의 경우 역청탄 ash 중 LOI함량 및 페코크 ash 발생량이 현저히 낮은 것을 확인 할 수 있었다. 즉, 윈드박스부의 weak, coal nozzle과 같이 과잉공기량이 충분한 조건에서 페코크를 혼소하는 것이 바람직하다는 것을 확인 할 수 있으며, 위드박스부의 상단층부와 같이 OFA nozzle을 통해 상부에 과잉공기가 많이 존재하는 영역에서는 페코크의 연소가 더욱 활발해질 것을 예측 할 수 있다.
또한, weak, coal nozzle에 일정량의 산소를 주입함으로써 페코크의 연소를 촉진시켜 연소효율을 증가시킬 수 있다.
표 10을 참고하면, 미분도가 높을수록 페코크의 ash 발생량이 감소하는 것을 확인 할 수 있다. 과잉공기량을 변화시킨 경우와 비교하여 보면 ash 발생량의 변화폭은 상대적으로 크지 않았으나, 페코크 혼소 시 회분 중 LOI 함량에는 영향을 줄 수 있는 것을 확인 할 수 있으며, 페코크 혼소율이 증가할수록 그 폭은 증가할 것으로 판단된다. 따라서, 페코크의 미분탄 보일러 내 연소성을 향상시키키 위해 과잉공기량을 주입함과 동시에 미분도를 높여 연소효율을 증가시킬 수 있음을 확인 할 수 있다.
실시예 6. 500MW금 미분탄 보일러 페코크 혼소 전산해석
500MW급 보일러를 기준으로 하여 전산해석 형상 및 경계조건을 만들고, 기존 coal nozzle에 페코크를 혼합하여 분사하는 경를 비교하기 위해 실시하였다. 윈드박스부의 구간(1~6단)별로 conc.coal nozzle, weak. coal nozzzle에 페코크를 혼합분사하도록 한 후 석탄회 중 미연분 함량을 비교분석하도록 전산해석을 수행하였다. 전산해석 case에 따른 조건을 표 11에 나타내었으며, 이에 대한 미연분 함량을 표 12에 나타내었다.
case No. 조건
case 1 설계탄 연소
case 2-1 설계탄 +페코크를 혼합하여 전체 노즐에 주입
case 2-2 case2-1 조건에서 전체 2차 공기량 증가
case 2-3 case2-1 조건에서 1, 2단 2차 공기량 증가
case 2-4 case2-1 조건에서 3, 4단 2차 공기량 증가
case 2-5 case2-1 조건에서 4, 5eks 2ck 공기량 증가
case 3-1 페코크 하단(5단) 주입
case 3-2 페코크 하단(5단) 주입
case 3-3 case3-1 조건에서 페코크 주입 1차 공기 온도 증가
case 3-4 case3-1 조건에서 페코크 주입 1차 공기유량/ 온도 증가
case 4-1 페코크 중단(3단) 주입
case 4-2 case4-1 조건에서 페코크 주입 1차 공기 온도 증가
case 4-3 case4-1 조건에서 페코크 미분도 증가
해석조건 case No. 미연분 함량(wt%)
설계탄 대비 페코크 혼소 영향 case 1 2.3
case 2-1 6.9
설계탄/페코크 혼합 주입한 경우에서
2차공기량 변화에 따른 영향		 case 2-1 6.9
case 2-2 2.8
case 2-3 4.5
case 2-4 1.4
case 2-5 2.1
페코크 하단(5단) 주입한 경우에서 1차 공기 조건 변화에 따른 영향 case 3-1 35.2
case 3-2 32.3
case 3-3 34.9
case 3-4 31.8
페코크 중단(3단) 주입한 경우에서 1차공기 및 미분도 변화에 따른 영향 case 4-1 30.8
case 4-2 31.2
case 4-3 28.3
표 11 및 표 12를 참고하면, 페코크를 윈브박스부의 전체 노즐에 혼합 주입하는 경우 (case 2-1) 설계탄 대비 미연부의 함량이 약 4.6% 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 페코크 주입 위치를 단별로 단독으로 주입하는 방식(case 3-1, case 4-1)에서는 미연분 함량이 현저하게 높아지는 것을 확인 할 수 있으며, 특히 페코크 단독 주입시 하단보다 중단에 주입하는 경우 미연분 함량이 상대적으로 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
페코크를 설계탄과 혼합하여 주입하고 단별 2차공기량 변화에 따른 영향을 살펴보면 윈드박스부의 중단층부인 3단 및 4단의 2차 공기량을 증가시키는 경우 미연분 함량이 1.4wt%로 가장 낮게 나타났다. 또한, 1차공기온도를 15℃ 높이고 미분도를 증가시킨 경우에는 기존 대비 미연분 함량이 3%정도 감소하는 것을 확인 할 수 있었다. 이에 따라 페코크를 혼소하는 경우 노외혼탄(bunker blending)을 시행하고 윈드박스부의 중단층부인 3단 및 4단의 2차공기량을 늘리고 다른 노즐의 공기량을 상대적으로 적게 주입할 때 미연부 함량이 최소로 발생함을 확인 할 수 있다.
도 7 내지 도 8은 본 발명에 따른 윈드박스부의 높이 별 제2원료 주입에 따른 보일러 노내의 길이 방향으로의 온도장 변화를 나타낸 것이며, 도 9 내지 도 10은 본 발명에 따른 윈드박 높이 별 제2원료 주입에 따른 보일러 노내의 단면의 온도장 변화를 나타낸 것이다.
상세하게는, 도 7 및 8은 z=12.5m, 8.25m. 15.25m에서의 온도분포를 나타낸 것이고, 상기 도 9 및 상기 도 10은 y=17.41, 24.54m, 34.05m, 51.52m위치의 단면에서의 온도분포를 나타낸 것이다. 도 7 내지 도 10을 참고하면, conc, coal nozzle 및 weak, coal nozzle의 각 분사위치에 따라 설계탄 대비 미세하게 높은 온도영역이 나타나느 ㄴ구간이 있으나, 이는 페코크가 연소되면서 가스온도가 소폭 상승하는 것으로 페코크의 혼소비율이 전체 탄의 고정탄소 비율에 크게 영향을 주지 않아 전체적인 화로 내 가스온도의 분포는 크게 변화가 없을 것을 확인할 수 있다.
실시예 7. 대용량 시험연소로를 이용한 페코크의 혼소특성 평가
200kg-coal/hr(전력연구원 보유)의 시험연소로를 이용하여 페코크의 혼소특성을 평가하였다. 이를 평가하기 위하여 주탄(역청탄) 2종(kideco, suek)과 보조탄(아역청탄) 1종(flame-I)를 준비하고 위 3종의 석탄을 100% 전소하였을 경우와 페코크를 5%, 10% 혼소(연료의 총 열량 기준)한 경우로 구분하여 각각 연소특성 평가를 시행하였다. 이때, 실시예 5 및 실시예 6의 결과에 따라 연료가 연소공기와 주입되는 노즐부를 과잉공기량이 많은 weak 조건으로 만들기 위해 과잉 공기량을 5%로 설정하였으며, 시험연소로의 2차 공기 주입을 위한 스월버너의 각도를 30°로 하여 페코크의 혼소특성을 평가하였다. 이에 대한 연소효율을 표 13에 나타내었다. 또한, 도 11은 본 실시예에 따른 LOI함량 및 연소효율 변화를 나타낸 것이다.
석탄전소 페코크 5% 혼소 페코크 10%혼소
kideco 탄 99.90 99.79 99.72
suek 탄 99.78 99.51 99.49
flame-I 탄 99.68 99.22 99.02
도 11 및 표 13을 참고하면, 페코크를 10% 이하로 혼소(열량기준)하는 경우 총 연료량은 3% 감소하여 과잉공기와의 접촉확률이 증가하였고, 스월각도의 조절로 과잉공기 과다 조건에서 페코크를 혼소함으로써 표준탄과 유사한 연소효율을 내는 것을 확인 할 수 있다. 즉, 과잉공기량 5% 및 스워버너 의 각도를 30±5° 범위에서 페코크를 혼소하여 주입함에따라 99% 이상의 연소효율을 내는 것을 확인 할 수 있다.
본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예 가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
100, 200: 연료공급부
110: 제1연료 저장부
120: 제1연료 미분기
140: 열교환기
150: 미분된 제1연료 저장부
160: 제2연료 저장부
180: 윈드박스부
290: 분배기

Claims (22)

  1. 저연소성 미분탄 보일러에 있어서,
    연소가 이루어지는 연소부; 및
    상기 연소부의 내부로 서로 다른 제1연료, 제2연료 및 공기가 주입되는 윈드박스부;를 포함하고,
    상기 윈드박스부는 상단층부, 중단층부 및 하단층부를 포함하며,
    상기 상단층부, 상기 중단층부 및 상기 하단층부는 상기 제1연료 및 상기 제2연료를 공급하는 연료공급부를 포함하는 것으로,
    상기 상단층부, 상기 중단층부 및 상기 하단층부는 보조공기노즐(aux. air nozzle), 미분탄 부족 노즐(weak. coal nozzle), 미분탄 과다 노즐(conc. coal nozzle), 오일 노즐(oil nozzle), 하부 공기 노즐(bottom air nozzle)을 포함하고,
    상기 미분탄 부족 노즐(weak. coal nozzle)을 통하여 제1연료 및 제2연료가 공급되고,
    상기 미분탄 과다 노즐(conc. coal nozzle)을 통하여 제1연료가 공급되는 것인,
    저연소성 미분탄 보일러 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료 공급부는,
    서로 다른 제1연료 및 제2연료가 상기 상단층부로 공급되는 제1공급부;를 포함하고,
    서로 다른 제1연료 및 제2연료가 상기 중단층부로 공급되는 제2공급부;를 포함하며,
    서로 다른 제1연료 및 제2연료가 상기 하단층부로 공급되는 제3공급부;를 포함하는 것인,
    저연소성 미분탄 보일러 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1공급부, 상기 제2공급부 및 상기 제3공급부는
    제1연료 저장부;
    상기 제1연료 저장부로부터 제1연료를 공급받아 제1연료를 미분하는 제1연료 미분기;
    상기 미분된 제1연료를 저장하는 미분된 제1연료 저장부; 및
    상기 제2연료를 저장하는 제2연료 저장부;를 포함하는 것인,
    저연소성 미분탄 보일러 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1공급부, 상기 제2공급부 및 상기 제3공급부는 4개의 버너와 각각 연결되는 것인,
    저연소성 미분탄 보일러 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 버너는 스월버너(swirl)이고,
    상기 스월버너는 상기 보일러의 네 모서리에 배치되며,
    상기 모서리에 배치된 스월버너의 각도는 30±5°인 것인,
    저연소성 미분탄 보일러 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 미분된 제1연료 저장부의 공기온도는 230℃ 내지 260℃로 유지되는 것인,
    저연소성 미분탄 보일러 시스템.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제2연료 저장부는 제2연료가 미분되어 저장되고,
    상기 미분된 제2연료를 포함하는 상기 제2연료 저장부의 공기온도는 300℃ 내지 350℃로 유지되는 것인,
    저연소성 미분탄 보일러 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 상단층부, 상기 중단층부 및 상기 하단층부는
    적층되어 배치되고,
    적층된 상기 상단층부, 상기 중단층부 및 상기 하단층부의 사이에는 윈드박스 갭이 형성되는 것인,
    저연소성 미분탄 보일러 시스템.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 상단층부는 over fire air nozzle(OFA nozzle)을 더 포함하고,
    상기 over fire air nozzle(OFA nozzle)은 상기 상단층부의 상부에 배치되는 것인,
    저연소성 미분탄 보일러 시스템.
  11. 제1항의 저연소성 미분탄 보일러 시스템을 이용한 연소방법에 관한 것으로,
    제1연료를 미분하는 단계;
    상기 미분된 제1연료를 미분된 제1연료 저장부에 저장하는 단계;
    상기 미분된 제1연료 저장부에 저장된 상기 미분된 제1연료를 윈드박스부를 통해 연소부로 공급하는 단계;를 포함하고,
    상기 연소부로 공급하는 단계는 미분된 제2연료를 상기 윈드박스부를 통해 상기 미분된 제1연료와 함께 공급하는 것으로,
    상기 미분된 제1연료가 분배기를 이용해서 분배되고,
    상기 분배가 완료된 상기 미분된 제1연료는 상기 윈드박스부의 weak. coal nozzle 및 conc. coal nozzle을 통하여 공급하며,
    상기 미분된 제2연료는 상기 윈드박스부의 weak. coal nozzle을 통하여 상기 미분된 제1연료와 함께 공급하는 것인,
    저연소성 미분탄 보일러의 연소방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 미분된 제1연료를 상기 미분된 제1연료 저장부에 저장하는 단계는,
    열교환기를 통해 열교환된 온도가 높아진 1차공기와 상기 미분된 제1연료가 혼합되어 저장되는 것인,
    저연소성 미분탄 보일러의 연소방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 미분된 제1연료는 325mesh 이하로 90%이상 미분되는 것인,
    저연소성 미분탄 보일러의 연소방법.
  14. 삭제
  15. 제11항에 있어서,
    상기 윈드박스부는 상단층부, 중단층부 및 하단층부를 포함하고,
    상기 미분된 제1연료는 상기 상단층부, 상기 중단층부 및 상기 하단층부의 상기 weak. coal nozzle 및 상기 conc. coal nozzle을 통하여 균일하게 공급되는 것인,
    저연소성 미분탄 보일러의 연소방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 미분된 제1연료는 상기 미분된 제1연료에 포함되는 1차공기의 비율에 따라 분배되는 것으로,
    상기 미분된 제1연료에 포함되는 1차공기의 비율이 높으면 weak. coal nozzle을 통하여 공급하고,
    상기 미분된 제1연료에 포함되는 1차공기의 비율이 낮으면 conc. coal nozzle을 통하여 공급하는 것인,
    저연소성 미분탄 보일러의 연소방법.
  17. 삭제
  18. 제11항에 있어서,
    상기 윈드박스부는 상단층부, 중단층부 및 하단층부를 포함하고,
    상기 미분된 제2연료는 상기 상단층부, 상기 중단층부 및 상기 하단층부에 포함되는 상기 weak. coal nozzle을 통하여 균일하게 공급되는 것인,
    저연소성 미분탄 보일러의 연소방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 상단층부, 상기 중단층부 및 상기 하단층부로 주입되는 과잉공기의 양은 5%이하인 것인,
    저연소성 미분탄 보일러의 연소방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 중단층부는 상기 상단층부 및 상기 하단층부와 대비하여 과잉공기의 양을 증가시켜 주입하는 것인,
    저연소성 미분탄 보일러의 연소방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 중단층부는 상기 상단층부 및 상기 하단층부와 대비하여 1.0 내지 1.5배의 과잉공기가 주입되는 것인,
    저연소성 미분탄 보일러의 연소방법.
  22. 제11항에 있어서,
    상기 미분된 제2연료는 폐코크를 포함하고,
    상기 폐코크의 황함량은 3wt% 내지 9wt%이며,
    상기 폐코크는 325mesh 이하로 미분되는 것인,
    저연소성 미분탄 보일러의 연소방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5315939A (en) * 1993-05-13 1994-05-31 Combustion Engineering, Inc. Integrated low NOx tangential firing system
JP5794726B2 (ja) * 2011-02-14 2015-10-14 月島機械株式会社 石炭ボイラ設備及び石炭ボイラ設備の運転方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017138016A (ja) * 2016-02-01 2017-08-10 三菱日立パワーシステムズ株式会社 ボイラ及びボイラへの燃料供給方法

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