KR20010037928A - 순환 유동층 보일러 유동매체 및 공급방법 - Google Patents

Abstract

상기와 같이 본 발명은 천연 강모래를 채취한 후 입도를 선별한 유동매체용 모래를 유동매체(Bed Material)로 사용하고 있는 현재 대부분의 국내 유동층 보일러의 운전중에 발생하는 보일러 재순환계통(Recirculation System) 막힘현상에 따른 발전정지(Trip)가 빈번히 발생하여 막대한 경제적 손실을 가져오고 있었던 것을 다양한 시험을 거쳐서 국내무연탄을 이용하여 물리·화학적 특성이 모래보다 우수한 것으로 나타나는 Bed Media를 생산하여 이를 이용함으로써, 보일러 재순환계통(Recirculation System) 막힘현상 발생을 현저하게 줄어들게 하여 발전정지(Trip)를 예방하여 막대한 경제적 이익을 주는 것이다.

Description

순환 유동층 보일러 유동매체 및 공급방법{Bed Media for Circulating Fludized Bed Combustor Sopply a Method}

본 발명은 유동층보일러 유동매체로 기존 사용중인 유동매체용 모래를 대체하는 신물질에 관한 것이다.

동해화력발전처는 첨부도면 도1에 도시된 바와같이 국내 무연탄을 연료로 사용하여 전기를 생산하는 세계최대규모의 순환유동층 보일러로써, 국내무연탄을 사용하는 유동층보일러는 아직 국내에 설치된 적이 없다. 현재 대부분의 국내 유동층 보일러에서는 천연 강모래를 채취한 후 입도를 선별한 유동매체용 모래를 유동매체(Bed Material)로 사용하고 있으나, 모래의 가격이 높고(73,000원/톤) 생산업체의 영세성으로 인하여 수급이 불안정하며, 특히 보일러 운전이 불안정하며 고온을 유지할 경우 모래가 용융되어 발전정지를 해야만 하는 상황이 빈번히 발생하는 문제점을 가지고 있다. 동해화력 역시 시운전 초기에 모래를 사용하여 기동하였으나 첨부도면 도2에 도시된 바와같이 보일러 재순환계통(Recirculation System) 막힘현상에 따른 발전정지(Trip)가 빈번히 발생하여 막대한 경제적 손실을 가져오고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 다양한 시험을 거쳐서 국내무연탄을 이용하여 물리·화학적 특성이 모래보다 우수한 것으로 나타나는 Bed Media를 생산하여 이를 이용함으로써, 재순환 계통의 막힘현상 발생을 현저히 줄어들게 함은 물론, 이를 손쉽게 다른 유동층보일러로 공급하여 사용토록 하는등 전체적인 운전조건을 크게 개선시키도록 함에 그 목적을 둔 것이다.

도1은 동해화력 유동층 보일러의 구조도.

도2는 재순환계통 Clinker 형성도.

도3은 유동매체의 입도분포상태 비교도.

도4는 유동매체 혼합비율에 따른 소결시험 결과 비교도.

도5는 유동매체별 화학성분 분석결과 비교도.

도6은 Bed Media 전자현미경 사진촬영상태 결과 비교도.

도7은 입자크기, 구형도 및 온도에 따른 입자종말속도 결과 비교도.

도8은 Bed Media 생산개요 및 3단계 공정도.

도9는 동해화력 1호기 재순환계통 막힘현상 발생실적 결과 비교도.

도10은 Bed Media 투입전후 운전실적 결과 비교도.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 연료인 최초 25mm 미만의 국내무연탄을 유동층 연소에 적합한 입도인 6mm 미만으로 분쇄한 후 연소로내에 공급하여 공급된 국내무연탄을 800∼900℃에서 완전연소될 때까지 재순환하여 유동층형성에 최적입도분포인 0.1㎜~0.6㎜를 가지는 상태로 FBHE에서 밖으로 배출되어진 순환유동층 보일러 유동매체를 동해화력 #1,2호기의 2 Unit와 같이 서로 연결되어 있는 유동층보일러의 운전중에 한호기에서 Bed Media를 필요로 할 때 다른 호기에서 바로 Bed Media를 공급할 수 있도록 하거나 서로연결되어 있지 않은 다른곳의 유동층 보일러에서 Bed Media를 필요로 할 때 Bed Media Silo에서 바로 트럭과 같은 운송수단으로 이송공급 가능케 한 것으로, 이하 상기와 같은 본 발명의 Bed Media 생산의 개요 및 생산 방법등을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 첫째로 첨부도면 도3에 도시된 바와같이 유동매체의 입도특성을 분석하였는데 우선 연소과정에서 재순환 되면서 열전달 물질(Heat Carrier) 역할을 하는 유동매체에 대한 입도 분포도를 정확히 알기 위하여 발전 정지시 위치별 입도분석을 수행하였다.

- Combustor, FBAC : Bed Ash

- 공기예열기(Air Preheater), 전기집진기(Electro Precipitator) : Fly Ash

- Seal Pot : Seal Pot Ash(Bed Media)

- FBHE : FBHE Ash(Bed Media)

우선 유동매체의 순환과정을 살펴보면 연소로내 유동층을 구성하고 있는 입자층(Bed)에 적당한 크기로 분쇄된 석탄(6mm 미만)을 투입시켜 연소가 진행되며, 노내탈황을 위해 석회석을 주입하고 있는데, 석탄이 연소되는 동안 유동화하며, 가벼운 고체입자는 연소가스 중에 혼입되어 연소로상부로 이동하면서 열을 전달하고, 연소로를 떠나 Cyclone으로 들어가며, Cyclone은 연소가스로부터 Solid를 분리하도록 설계되어 있고, Cyclone 밑에 있는 Seal Pot는 Cyclone과 Furnace사이를 Sealing시켜주며, Seal Pot Ash는 Ash Return Line을 통하여 Furnace로 재투입되거나, Seal Pot ACV(Ash Control Valve)에 의하여 FBHE에 보내져 FBHE내에 있는 Tube에 열을 전달하고 Furnace 하부로 회수된다.

또한 입도분석 결과를 바탕으로 유동매체 최적 입도분포를 파악하였는데, 즉 Bed Ash 평균입도는 2.45mm로 2.0∼5.6mm에서 최대분포를 나타내었고, Fly Ash 평균 입도는 0.08mm로 0.05∼0.1mm에서 최대 분포를 나타내었으며, Seal Pot Ash는 0.1∼0.4mm에서 최대분포를 나타내고 있는데, 이는 유동화 조건에서 0.6mm 이상의 굵은 입자는 층하부로 배출되고 0.1mm 미만의 작은 입자는 Fly Ash로 배출되며 중간크기의 입자(0.1mm ∼ 0.6mm)가 재순환하는 것으로 해석되므로, 유동매체의 최적 입도분포는 재순환에 참여하는 Seal Pot Ash의 주요 입도분포인 0.1mm∼0.6mm로 해석되었다. 한편, Seal Pot Ash는 바로 FBHE로 넘겨지므로 Seal Pot Ash와 FBHE Ash 입도분포는 동일하다고 볼 수 있다.

둘째로 첨부도면 도4 내지 도5에 도시된 바와같이 유동매체의 화학적 특성분석을 실시한 결과 모래가 Ash에 비하여 소결현상(Sintering, 燒結)이 더 쉽게 일어나 Plugging이 자주 발생되는 것으로 관찰되었다. 분석결과를 살펴보면 모래가 가장 낮은 온도에서 소결이 시작되는 것을 알 수 있었으며, 막힘현상은 1,200℃ 이상의 고온부가 형성된 상태에서 모래, 석회석 및 석탄회가 서로 엉켜 붙어서 형성된 것으로 나타났다. 또한 융점저하에 관여하는 성분은 주로 Alkali Metal, Fe, SiO²및 CaO로서 이들 성분의 조성이 적절치 않을 때 융점저하가 커지는 것으로 나타났는데 모래의 경우 Alkali Metal(Na, K) 함량이 다른 것과 비교하여 다량 함유되어 있어 이것이 재순환 계통 막힘현상에 중요한 원인을 제공하는 것으로 나타났다.

셋째로 첨부도면 도6에 도시된 바와같이 보일러 기동후 최초 유동화 형성 시간이 장기간 소요됨에 따라 유동매체 유동화 특성을 검토한 결과 Bed Ash의 다른 물리적 특성(입도, 밀도)은 유동매체용 모래와 비슷하나 구형도(Sphericity)가 유동매체용 모래보다 작아서 입자종말속도가 모래보다 작으므로 유동화에 유리함이 나타났다. 입자종말속도 (Particle Terminal Velocity, Ut)는 입자가 비산될 수 있는 최소 기체속도를 나타내며 다음과 같이 표현할 수 있다.

―― ( 1 ) 식

여기서 ut*는 무차원속도군을 나타내며 다음과 같이 표현된다.

―― ( 2 ) 식

여기서 Φs는 구형도이며, 여기에 표현된 무차원 직경군인 dp*는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

―― ( 3 ) 식

그러므로 (2)식과 (3)식에서 구한 dp*와 ut*를 이용하여 식 (1)로부터 입자종말속도를 구할 수 있다. 이와 같이 입자종말속도는 첨부도면 도7에서와 같이 구형도가 증가함에 따라 점차 증가함을 보이고 있다.

이렇게 Bed Media의 물리·화학적 특성이 모래보다 우수한 것으로 나타남에 따라 Bed Media를 생산하는 자체 설비를 갖추게 되었다.

여기서 상기 Bed Media의 생산 및 사용공정을 첨부도면 도8에 의거 살펴보면 크게 3단계로 나눌수 있다. 1단계는 연료인 최초 25mm 미만의 국내무연탄을 유동층 연소에 적합한 입도인 6mm 미만으로 분쇄한 후 연소로내에 공급하는 단계이다. 2단계는 연소로내에 공급된 국내무연탄을 800∼900℃에서 완전연소될 때까지 재순환된후 앞에서 언급했듯이 유동층형성에 최적입도를 가지는 Bed Media를 FBHE에서 밖으로 배출하는 단계이다. 일반 발전용 미분탄 보일러에서의 연소온도는 1,200∼1,500℃가량으로 연료가 연소로내에 공급되는 순간 즉시 연소되어 연료중 회성분은 빠른 화학변화를 일으키게 되므로 회성분의 조성변화 및 용융이 일어나 Slagging등의 회용융 생성물이 생성된다. 이에 반해 유동층 보일러는 연소온도가 800∼900℃로 연료가 매우 느리게 연소되어 Bed Media를 형성하는데 국내무연탄의 연소속도는 역청탄에 비해 1/10 밖에 되지 않으므로 이와 같이 낮은 연소온도와 국내무연탄의 낮은 반응성이 결합하여 Bed Media는 열충격(Thermal Shock)에 매우 안정하다. 또한 연료인 국내 무연탄의 연소형태는 역청탄과는 달리 연소후 배출되는 연소생성물은 연소전 연료의 입도와 비슷하며, 회분함량이 많아 Bed Media 생산량이 풍부하다. 3단계는 FBHE에서 배출된 Bed Media를 소요처에 보내는 단계이다. 여기서 소요처라 함은 크게 2가지 인데, 동해화력 자체와 다른 유동층 보일러가 그것이다. 첫째로 동해화력은 #1,2호기의 2 Unit가 운전중에 있는데 한호기에서 Bed Media를 필요로 할 때 다른 호기에서 바로 Bed Media를 공급할수 있는 장치와 둘째로 타사 유동층 보일러에서 Bed Media를 필요로 할 때 Bed Media Silo에서 바로 운송수단(트럭)으로 Loading을 가능하게 하는 장치가 있다.

이와같이 생산된 Bed Media를 유동매체로 사용해 본 결과 첨부도면 도9에 도시된 바와같이 재순환 계통 막힘현상 발생실적이 현저히 줄어들었으며 첨부도면 도10에 도시된 바와같이 운전조건도 크게 개선된 것이 확인되었다.

상기와 같이 본 발명은 천연 강모래를 채취한 후 입도를 선별한 유동매체용 모래를 유동매체(Bed Material)로 사용하고 있는 현재 대부분의 국내 유동층 보일러의 운전중에 발생하는 보일러 재순환계통(Recirculation System) 막힘현상에 따른 발전정지(Trip)가 빈번히 발생하여 막대한 경제적 손실을 가져오고 있었던 것을 다양한 시험을 거쳐서 국내무연탄을 이용하여 물리·화학적 특성이 모래보다 우수한 것으로 나타나는 Bed Media를 생산하여 이를 이용함으로써, 보일러 재순환계통(Recirculation System) 막힘현상 발생을 현저하게 줄어들게 하여 발전정지(Trip)를 예방하여 막대한 경제적 이익을 주는등의 여러가지 파급효과가 있는 획기적인 발명이다.

Claims (2)

1. 연료인 최초 25mm 미만의 국내무연탄을 유동층 연소에 적합한 입도인 6mm 미만으로 분쇄한 후 연소로내에 공급하여 공급된 국내무연탄을 800∼900℃에서 완전연소될 때까지 재순환하여 유동층형성에 최적입도분포인 0.1㎜~0.6㎜를 가지는 상태로 FBHE에서 밖으로 배출되어진 것을 특징으로 하는 순환유동층 보일러 유동매체.
2. 연료인 최초 25mm 미만의 국내무연탄을 유동층 연소에 적합한 입도인 6mm 미만으로 분쇄한 후 연소로내에 공급하여 공급된 국내무연탄을 800∼900℃에서 완전연소될 때까지 재순환하여 유동층형성에 최적입도분포인 0.1㎜~0.6㎜를 가지는 상태로 FBHE에서 배출된 Bed Media를 동해화력 #1,2호기의 2 Unit와 같이 서로 연결되어 있는 유동층보일러의 운전중에 한호기에서 Bed Media를 필요로 할 때 다른 호기에서 바로 Bed Media를 공급할 수 있도록 하거나 서로연결되어 있지 않은 다른곳의 유동층 보일러에서 Bed Media를 필요로 할 때 Bed Media Silo에서 바로 트럭과 같은 운송수단으로 이송공급 가능케 이루어진 것을 포함하는 순환유동층 보일러 유동매체 공급방법.