KR20110006709A - 석탄 처리 방법 및 상기 방법을 수행하기 위한 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 파워-엔지니어링 석탄 전환 분야, 특히 야금학, 전력 생산 산업 및 그 외 산업을 위한 석탄 및 고-발열성 고체 연료 (코크스)에 기초한 열 전력의 생산에 관련되어 있다.
본 발명의 핵심은 석탄 전환을 위한 방법이 0-35 mm의 석탄 입자들을 초기 원료 물질로서 사용하는 것에 기초하며, 석탄 전환은 장벽으로 분리되는 두 개의 유동층 구역들에서 연속적으로 이루어진다는 것이다. 제 1 구역에서 공기가 공급되면서 원료 물질은 650-800℃에서 열적으로 산화되며, 제 2 구역에서 코크스 생성물은 수증기 또는 냉각된 연도 가스의 공급에 의해 냉각된다. 상기 방법을 실시하기 위한 장치는 유동층을 포함하며 보일러로서 구현되는데, 제 1 구역에는 공기가 공급되고, 제 2 구역에는 수증기 또는 냉각된 연도 가스가 공급된다.
본 발명의 핵심은 석탄 전환을 위한 방법이 0-35 mm의 석탄 입자들을 초기 원료 물질로서 사용하는 것에 기초하며, 석탄 전환은 장벽으로 분리되는 두 개의 유동층 구역들에서 연속적으로 이루어진다는 것이다. 제 1 구역에서 공기가 공급되면서 원료 물질은 650-800℃에서 열적으로 산화되며, 제 2 구역에서 코크스 생성물은 수증기 또는 냉각된 연도 가스의 공급에 의해 냉각된다. 상기 방법을 실시하기 위한 장치는 유동층을 포함하며 보일러로서 구현되는데, 제 1 구역에는 공기가 공급되고, 제 2 구역에는 수증기 또는 냉각된 연도 가스가 공급된다.
Description
본 발명은 파워-엔지니어링 석탄 전환 분야, 특히 야금학, 전력 생산 산업 및 그 외 산업을 위한 석탄 및 고-발열성 고체 연료 (코크스)에 기초한 열 전력의 생산에 관련되어 있다.
고-발열성 고체 연료 (코크스), 바람직하게는 갈탄에 기초한 생산을 의도한, 유동층을 사용하여 석탄을 열처리하기 위한 수많은 방법들이 공지되어 있다. 이러한 방법들의 특징적인 예는 유동층에서 석탄의 열적 접촉 코킹(coking)법이다 (Andryushchenko A.I., Popov A.I., Foundations of Designs of Power Engineering Installation for Power Plants, Moscow: Vysshaya Shkola, 1980.). 미분탄의 코킹은 550-590℃의 유동층을 구비한 장치에서 실시된다. 유동층으로의 열 전달은 중간 운반체에 의해 제공되는데, 이러한 중간 운반체의 역할은 공정에서의 코크스 형성에 의해 수행된다. 이를 목적으로, 재생된 코크스 부분은 석탄의 코킹시 형성된 열분해 기체의 연소시에 코크스 가열장치에서 가열된다. 이 방법의 주된 생성물은 미립 코크스 (입자 크기: 0-3 mm)이다. 석탄의 열 분해시 증기상 생성물은 타르 및 열분해 기체의 추출시 응축된다.
상기 방법의 결점은 코킹 공정의 다단계 패턴, 사용되는 기술적 작업공정도 및 사용되는 장치들의 고안의 고유한 복잡성, 뿐만 아니라 석탄의 열분해 생성물에 함유되어 있는 특정 물질들 (페놀, 폴리사이클릭 방향족 탄화수소 및 그 외 다른 물질들)의 독성 및 발암 활성으로 규정된 기술의 환경적 유해성을 포함한다.
야금학적 중간 코크스의 생산을 위한 방법은 공지이다 (2005.07.29일자 RU 22857515, Int. Cl. C10 B49/10). 이 방법은 유동층에서 석탄의 열적 산화에 의한 코크스의 생산법을 제공하는데, 석탄층은 0-15 mm 범위의 석탄 입자들로 구성되어 있으며, 대기는 800-900℃의 석탄층을 통해 공급된다.
상기 방법의 결점은 처리를 위해 충전되는 석탄의 협소한 입자 크기 분포인데, 이 경우 처리는 초기 석탄의 그라인딩을 위해 전력 소비를 증가시킬 것을 필요로하며, 뿐만 아니라 코킹 장치 배출구에서의 높은 코크스 온도 또한 결점이 되는데, 이는 고체 생성물의 성가신 다단계 냉각 시스템을 필요로하는 석탄 처리 온도 (800-900℃)의 원인이 된다.
2005.07.27일자 특허 RU 2209901, Int. Cl. C10 B47/04에 따르면, 상부, 중간 및 하부 레벨의 조합으로 실시되는 샤프트 타입의 층화된 고안으로 이루어진 고체 연료 가공 장치가 공지되어 있다. 상부 레벨은 충전 도어, 가스 배출구 매니폴드, 유압식 락(hydraulic lock), 및 전기적 열적 어셈블리로 구성된다. 중간 레벨은 실린더형 외피(shell) 및 워터 재킷으로 구성되며, 하부 레벨은 원뿔형 형상을 가지며, 배출 어셈블리, 쇠살대(grate), 공기 및/또는 냉각 가스 주입구 및 열적 전기적 센서로 이루어져있다.
상기 장치의 결점은 회분식의 작업 방식 및 장치내 장기간(수시간)의 석탄 체류로 인한 낮은 비 처리 능력(specific throughput capacity)인데, 이는 함께 조합되어 단위 생성물 당 높은 비 자본 비용을 요구한다.
본 발명의 장치와 가장 유사한 구체예는 석탄 연소를 위한 유동층을 구비한 영구 장치이다 (Baskakov A. P., Matsnev V.V and Raspopov I.V., Boilers and Furnaces with Fluidized Bed, Moscow, Energoatomizdat, 1995). 그러나, 이러한 보일러 어셈블리는 최소한의 기계적인 고체 연료의 연소하에서 열 전력의 생산만을 의도한다. 이 장치의 또다른 결점은 환경에 해를 가하는 폐기 재 및 슬래그 폐기물이 필연적으로 발생한다는 점이다.
본 발명의 목적은 석탄의 열처리법의 효율성을 개선하고 이 방법을 단순화하며, 환경적 안정성을 개선하는 것이다.
본 발명의 공학적 결과는 석탄을 기초로 하여 고-발열성 고체 연료 및 열 전력의 제조이다.
전술한 결과는 다음과 같이 구현된다: 초기 원료로서 0-15 mm의 입자 크기를 가지는 석탄이 사용되며, 석탄 처리는 두 개의 유동층에서 연속적으로 수행되는데; 제 1 구역에서는 공기 흐름에서 650-800℃에서 열 산화가 수행되며, 제 2 구역에서는 생성된 코크스가 수증기 또는 냉각된 연도 가스의 공급에 의해 냉각된다. 이 방법의 실시를 위한 장치는 보일러로서 구현되는데, 이 보일러에서 로(furnace)는 장벽으로 분리된 두 개의 유동층 구역들로 이루어지며, 제 1 구역에는 공기 흐름이 공급되고, 제 2 구역에는 냉각된 연도 가스 또는 수증기가 공급된다.
도 1은 본 발명의 석탄 전환법의 실시를 위한 장치가 도식적으로 도시되어 있다. 이 장치는 보일러 (1)로 이루어지는데, 보일러는 장벽 (2)에 의해 두 개의 유동층 구역들 (3 및 4)로 분리된 로를 가진다. 하위구역(5)은 구역(3)에 공기를 공급하기 위한 것이며, 채널 (6)은 냉각제의 공급을 위한 것이다.
석탄은 공급부(7)를 통해 구역(3)으로 공급된다.
석탄은 공급부(7)를 통해 구역(3)으로 공급된다.
석탄을 고-발열성의 산업적 고체 연료로 전환하는 방법은 다음과 같이 실시된다. 0-35 mm의 입자 크기로 미리 파쇄된 석탄이 공급부(7)에 의해 석탄의 유동층을 가지는 제 1 구역(3)으로 공급되며, 이 구역의 온도는 석탄 공급 속도에 대한 공기 흐름 속도의 비율에 의해 결정되는 프리셋 모드(preset mode)에 따라, 650-800℃이다. 여기서 굵은 석탄 입자들은 고온의 유동층에서의 열적 쇼크를 받은 결과 파쇄된다. 보다 굵은 석탄 입자들은 유동층의 온도까지 가열되고, 유동층의 제 1 구역(3)을 따라 수평적으로 이동하며, 연속적으로 건조, 열분해 및 부분적 가스화 단계들을 통과한다. 제 1 구역(3)으로의 공기는 유동층을 따르는, 독립적으로 조절되는 하위구역(5)을 통해 공급된다. 계속하여, 구역(3) 및 구역(4)를 분리하는 장벽(2)를 통해 유동하여, 코크스 입자들은 채널(6)을 통해 예를 들어 150-250℃로 코크스를 냉각(퀀칭)하기 위한 유동층의 제 2 구역(4)으로 전달되며, 보일러(1)의 말단 표면에서 수증기가 공급되거나 연도 가스가 냉각된다. 대체로, 전환시 두 개 구역들에서 석탄 입자들이 체류하는 체류시간은 10초를 넘기지 않으며, 이는 장치의 높은 비 수율(high specific yield)을 요구한다. 미분탄 입자들, 석탄의 열 분해의 증기-기체 생성물, 및 코크스 가스화의 생성물은 부분적으로 유동층의 제 1 구역(3)에서 연소되어 작업 온도를 제공하고, 이 유동층으로부터 이동되어, 2차 공기 유동의 공급으로 인해 층 위의 공간에서 후 연소된다. 연소 생성물 및 유동층의 표면(emitting surface), 및 유동층의 제 2 구역(4)으로부터 가열된 가스는, 고온의 물 또는 고온의 수증기 형성에 있어 열 전력을 생성하기 위한 보일러(1)의 가열 표면으로 전달된다.
연소 생성물의 열 및 유동층의 발산 표면의 열은 열 전력- 사전설정된 변수들을 가지는 고온의 물 또는 수증기의 생성을 위해 보일러(1)의 가열 표면으로 이동된다.
상기 방법 및 장치를 설명하는 예는 KVTS-20 개질 보일러의 상업적 시험들의 결과에 기초한 것인데, 상기 시험에서 표준로는 장벽에 의해 분리된 두 개의 유동층 구역들로 대체되었으며, 제 1 구역에는 석탄 유동화를 위한 공기가 공급되고, 제 2 구역에는 보일러의 말단 표면에서 냉각된 연도 가스가 공급된다.
표 1은 KVTS-20 개질 보일러의 작업 성질을 요약한 것인데; 표 2와 3은 사용된 석탄, 즉, 입자 크기 범위: 0-35 mm, 등급 2B의 Berezovsky Open Pit Mine, Kansk - Achinsk Coal Basin의 석탄 및 이에 기초한 최종 생성물-고 발열성 고체 연료의 특성들을 포함한다.
표 1. KVTS-20 개질 보일러의 작업상 특성들
| 전체적인 석탄 소모: | |
| 석탄 소모 | 14 t/h |
| 열적 산화 구역에서의 온도 | 690-740℃ |
| 석탄의 발열량 | 51.8 Gcal/h |
| 열적 전력의 생산: | |
| 고온의 물 | 20 Gcal/h |
| 보일러의 총 발열 효율 | 83% |
| 시험 생산에 관한 석탄 소모 | 6.5 t/h |
| 비 석탄 소모, t/Gcal | 0.325 |
| 갈탄 코크스의 제조: | |
| 코크스 생성물의 발열량 | 23 Gcal/h |
| 코크스 수율 | 3.33 t/h |
| 냉각 구역 배출구에서 코크스 온도 | 190-220℃ |
| 반-코크스 생성물에 관한 석탄 소비 (83% 효율성) | 7.5 t/h |
| 비 석탄 소모, t/t 코크스 | 2.25 |
| 다음을 포함한 전체 유용 생성물(100%) | |
| 고온의 물 (46.7%) | 20 Gcal/h |
| 반-코크스 생성물의 발열량(53.3%) | 23 Gcal/h |
| 전체 공정의 전력 효율성 | 83% |
표 2. 초기 석탄의 기술적 및 원소적 분석
| Wt r | Ad | Vdaf | Cdaf | Qdaf | Hdaf | Ndaf | St d | Qi r |
| 34.0% | 7.0% | 48.0% | 70.0% | 24.0% | 5.0% | 0.7% | 0.3% | 3700(15.5) kcal/kg(MJ/kg) |
표 3. 코크스 생성물의 기술적 및 원소적 분석
| Wt r | Ad | Vdaf | Cdaf | Qdaf | Hdaf | Ndaf | St d | Qi r |
| 2.0% | 14.7% | 10.2% | 92.2% | 5.7% | 1.6% | 0.3% | 0.2% | 6900(28.9) kcal/kg(MJ/kg) |
그러므로, 본 발명의 방법 및 이러한 방법을 실시하기 위한 장치는 0-35 mm의 입자 크기를 가지는 석탄을 고-발열성 고체 연료로 전환함과 동시에 열 전력을 생성하는 것을 가능하게 한다.
Claims (2)
- 유동층에서의 석탄의 열적 산화를 포함하는 석탄의 전환 방법으로서, 0-35 mm의 석탄 입자들이 초기 원료 물질로서 사용되며, 석탄 전환은 장벽으로 분리되는 두 개의 유동층 구역들에서 연속적으로 이루어지는데, 이 중 제 1 구역에서 공기가 공급되면서 원료 물질은 650-800℃에서 열적으로 산화되며, 제 2 구역에서 코크스 생성물은 수증기 또는 냉각된 연도 가스의 공급에 의해 냉각되어, 고체 연료 및 열 전력을 생성하는, 석탄의 전환 방법.
- 제 1항의 방법을 실시하기 위한 장치로서, 이 장치는 유동층을 포함하며 보일러로서 구현되고, 이 장치에서 로(furnace)는 두 개의 유동층 구역들로 이루어지는데, 제 1 구역에는 공기가 공급되고, 제 2 구역에는 수증기 또는 냉각된 연도 가스가 공급되는, 제 1항의 방법을 실시하기 위한 장치.
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