KR20150132662A

KR20150132662A - 석유코크스 연료 전소 및 혼소용 연소장치

Info

Publication number: KR20150132662A
Application number: KR1020140058404A
Authority: KR
Inventors: 김세원; 이창엽; 권민준
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2014-05-15
Filing date: 2014-05-15
Publication date: 2015-11-26
Also published as: WO2015174776A1; CN111219709A; KR101730003B1; CN106537038A

Abstract

본 발명은 석유코크스 연료 전소 및 혼소용 연소장치 및 이의 운전방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 질소산화물의 발생을 최대한 억제하도록 하는 다단분할 구조를 갖는 석유코크스 연료 전소 및 혼소용 연소장치 및 이의 운전방법에 관한 것으로서, 연료가 공급되는 제1주입부와; 상기 제1주입부가 내삽된 채로 공기가 공급되는 제1공급부와; 상기 제1공급부가 내삽된 채로 석유코크스 및 이송가스가 주입되는 제2주입부와; 상기 제2주입부가 내삽된 채로 공기가 공급되는 제2공급부와; 상기 제2공급부가 내삽된 채로 공기가 공급되는 제3공급부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 석유코크스 연료 전소 및 혼소용 연소장치를 제공하여, 연료 농후영역 및 희박영역의 구분을 통해 질소 산화물(NOx) 저감을 유도하면서도 연소효율은 극대화되는 장점이 있다.

Description

석유코크스 연료 전소 및 혼소용 연소장치 및 이의 운전방법{Pet-coke burner and the method of it}

본 발명은 석유코크스 연료 전소 및 혼소용 연소장치 및 이의 운전방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 질소산화물의 발생을 최대한 억제하도록 하는 다단분할 구조를 갖는 석유코크스 연료 전소 및 혼소용 연소장치 및 이의 운전방법에 관한 것이다.

현재 인류의 주된 에너지원은 탄화수소계열의 화석 연료이다.

그러나 이러한 화석연료의 연소 후 생성물에 의한 환경오염 문제가 심각하게 제기되고 있다.

주된 환경 오염원으로는 질소 산화물(NOx), 이산화탄소(CO2) 외에 연료의 불완전 연소로 인해 생기는 일산화탄소(CO)와 매연(soot) 등이 있다.

기존의 화석 연료를 사용하는 연소기는 연소시의 화학적 반응에 의해 NO 및 NO2 의 화학식을 갖는 질소 산화물(NOx)의 생성이 불가피하다.

질소 산화물(NOx)의 발생을 억제하기 위한 저NOx 연소기술은 연료와 공기의 혼합형태, 공연비 등 연소기의 구조 개선을 통해 이루어지도록 발전하고 있다.

연소과정에서 발생하는 질소 산화물은 대기 중의 다른 산소와 반응하여 스모그 및 대기의 오존 증가 등 환경문제를 발생시킨다.

특히 이러한 연소과정에서 발생하는 배출물(emission)의 경우 환경 및 인체의 건강에 해를 끼치므로 각국에서는 점점 더 엄격한 기준으로 규제를 강화하고 있다.

석유코크스는 휘발성분의 함량이 매우 낮고, 고정탄소의 함량이 매우 높기 때문에 착화성 및 반응성이 매우 떨어지고, 완전연소하기 위해서는 고온조건에서 긴 체류시간이 필요하다.

종래기술인 미국등록특허 제6,325,002호는 연도가스 재순환을 이용하여 탄소연료의 연소로부터 질소 산화물의 방출을 절감하는 기술을 선보이고 있다.

그러나 종래기술인 미국등록특허 제6,325,002호는 연소반응의 집중영역을 최소화 하지 못함으로써 고온의 열점(HOT SPOT)이 생성되기 때문에 여전히 질소 산화물이 다량 방출되는 문제가 있다.

이와 같은 종래의 연소기는 석탄(미분탄) 연소기를 개조하고 최적화하여 사용하고 있는 형태로 연소시스템의 안정성 확보가 어렵고 효율이 낮은 문제점이 있다.

다시 말해 종래의 연소기는 유해물질(NOx)이 다량으로 발생하는 치명적인 문제점을 가지고 있는 것이다.

이와 같은 종래의 연소기는 에너지 효율적 사용을 저해하여 연료비 부담을 가중시키는 원인이 되며, SCR 등 후처리 설비의 유지비용을 가중시키게 되는 문제점도 안고 있다.

미국등록특허 제6,325,002호

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 극복하기 위하여 안출된 것으로, 석유코크스의 연소시에 발생되는 질소 산화물의 발생량을 최소로 하면서도 연소 효율은 극대화하도록 하는 석유코크스 연료 전소 및 혼소용 연소장치 및 이의 운전방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 연료가 공급되는 제1주입부와; 상기 제1주입부가 내삽된 채로 공기가 공급되는 제1공급부와; 상기 제1공급부가 내삽된 채로 석유코크스 및 이송가스가 주입되는 제2주입부와; 상기 제2주입부가 내삽된 채로 공기가 공급되는 제2공급부와; 상기 제2공급부가 내삽된 채로 공기가 공급되는 제3공급부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 석유코크스 연료 전소 및 혼소용 연소장치를 포함한다.

또한, 상기 제2공급부 또는 상기 제3공급부 중 적어도 어느 하나의 선단에는 선회부가 형성된 것을 특징으로 하는 석유코크스 연료 전소 및 혼소용 연소장치를 포함한다.

또한, 상기 제1주입부, 상기 제2주입부, 상기 제1공급부, 상기 제2공급부 및 상기 제3공급부는 단면이 원형 형상인 것을 특징으로 하는 석유코크스 연료 전소 및 혼소용 연소장치.

또한, 상기 제1공급부와 상기 제2주입부 사이 간격은 상기 제2주입부와 상기 제2공급부 사이 간격보다 작게 형성되고, 상기 제2주입부와 상기 제2공급부 사이 간격은 상기 제2공급부와 상기 제3공급부 사이 간격보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 석유코크스 연료 전소 및 혼소용 연소장치를 포함한다.

또한, 상기 제1공급부는 전체 연소 공기량의 10 내지 35 퍼센트의 공기가 공급되고, 상기 제2공급부는 전체 연소 공기량의 10 내지 40 퍼센트의 공기가 공급되며, 상기 제3공급부는 전체 연소 공기량의 35 내지 65 퍼센트의 공기가 공급되는 것을 특징으로 하는 석유코크스 연료 전소 및 혼소용 연소장치를 포함한다.

또한, 제2주입부로 공급되는 이송공기는 전체 공기량의 5퍼센트 내지 15퍼센트의 비율로 공급되는 것을 특징으로 하는 석유코크스 연료 전소 및 혼소용 연소장치를 포함한다.

또한, 연료를 이용하여 연소로를 제1온도로 승온시키는 제1단계와; 상기 연소로에 석유코크스 연료를 공급하는 제2단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 석유코크스 연료 전소 및 혼소용 연소장치의 운전방법을 포함한다.

또한, 상기 제1온도는 섭씨 800도씨 이상 섭씨 1200도씨 이하인 것을 특징으로 하는 석유코크스 연료 전소 및 혼소용 연소장치의 운전방법을 포함한다.

상기한 바와 같은 본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 제1공급부, 제2공급부 및 제3공급부를 통한 공기 다단 분할 공급 시스템을 취하고 있기 때문에 초기 연소반응의 집중영역을 최소화하여 고온의 열점(Hot spot)이 생성되는 것을 막아 질소 산화물(Thermal NOx)의 생성을 억제시킨다.

둘째, 연료 농후영역 및 희박영역의 구분을 통해 질소 산화물(NOx) 저감을 유도하는 장점이 있다.

셋째, 연소기의 끝단인 노즐단부 부근에는 제2공급부나 제3공급부 중 적어도 어느 하나에 선회부가 형성되기 때문에 석유코크스 연료가 이송공기와 함께 회전형의 싸이클론 모션을 이루면서 노즐단부로 이동되기 때문에 연료가 연소로 내에서 체류시간이 보장되어 충분한 연소반응이 이루어지는 강점이 있다.

넷째, 제1공급부와 제2주입부 사이 간격은 제2주입부와 제2공급부 사이 간격보다 작게 형성되고, 제2주입부와 제2공급부 사이 간격은 제2공급부와 제3공급부 사이 간격보다 작게 형성되기 때문에, 제1공급부와 제2공급부 그리고 제3공급부를 통해 공급되는 공기량이 다르게 제공됨으로써 보다 효과적인 연소가 가능하게 되는 장점이 있다.

다섯째, 연료를 연소로에서 연소시켜 연소로의 온도를 제1온도까지 승온시킨 뒤 석유코크스 연료를 공급하기 때문에 연소 효율은 극대화되고 질소 산화물의 발생은 최소화되는 효과가 있다.

여섯째, 석유코크스 연료의 전소 및 다른 연료와의 혼소가 가능하기 때문에 연소의 안정성 향상 및 저공해 실현과 더불어 연소시스템의 안정성 및 경제성 향상이 달성되는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 석유코크스 연소 시스템의 개념도이다.
도2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소기의 측면 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소기의 전면 단면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소기의 투과 사시도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 기술되어야 할 것이다.

1. 구성요소의 설명

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 석유코크스 연소 시스템의 개념도이다.

도2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소기(100)의 측면 단면도이며, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소기(100)의 전면 단면도이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소기(100)의 투과 사시도이다.

연소기(100)는 연소로(200)의 일측에 형성되고 있으며, 연소로(200) 내부로 석유코크스를 연소시킨다.

도 1에 나타난 바와 같이 전체 연소장치는 연소기(100) 및 연소로(200)로 구성된다.

연소로(200)는 섭씨 1500도씨 이상의 고온조건에도 견딜 수 있어야 한다. 이에 고온에 견딜 수 있는 내열재로 내부를 구성하였거나, 공기 및 냉각수를 활용하여 냉각이 가능한 구조의 사각 또는 원형의 연소로(200)면 적용 가능하다.

도 3과 같이 연소기(100)의 전면 단면의 일 형상을 살펴보면, 연소기(100)는 환형의 형태로서 중심부로부터 제1주입부(111), 제1공급부(121), 제2주입부(112), 제2공급부(122), 제3공급부(123) 순으로 다단 구조로 형성되고 있다.

제1주입부(111)에는 혼소용 액체연료가 주입된다.

제1주입부(111)는 제1공급부(121)에 내삽되며, 제1공급부(121)에는 제1차 연소공기가 공급되어 제1주입부(111)로 주입된 액체연료를 연소하게 된다.

제2주입부(112)에는 석유코크스 연료 및 이를 이송하는 공기가 주입되게 된다.

제2주입부(112)는 제2공급부(122)에 내삽되며, 제2공급부(122)로는 공기가 공급된다.

제2공급부(122)는 제3공급부(123)에 내삽되며, 제3공급부(123)에는 공기가 공급되게 된다.

이와 같이 연소용 공기는 제1공급부(121), 제2공급부(122) 및 제3공급부(123)를 통하여 1차, 2차, 3차로 나누어 공급되는 것이다.

이러한 공기 다단 분할 공급은 초기 연소반응의 집중영역을 최소화하여 고온의 열점(Hot spot)이 생성되는 것을 막아 Thermal NOx의 생성을 억제시킨다.

또한, 연료 농후영역 및 희박영역의 구분을 통해 질소 산화물(NOx) 저감을 유도하게 된다.

제1공급부(121)로 공급되는 1차 공기는 화염 초기에 형성되는 고온영역을 해소하기 위하여 연소기(100) 축방향과 일직선 방향으로 공급된다.

제1공급부(121)로 공급되는 1차 공기가 연소기(100) 축방향과 일직선 방향으로 공급되기 때문에 고온에서 발생하는 Thermal NOx의 생성 억제가 가능해진다.

제1공급부(121)로 공급되는 1차 공기는 전체 공기량의 10~35%를 차지하도록 공급된다.

제2공급부(122)와 제3공급부(123) 중 적어도 어느 하나에는 선회기가 형성되는 것이 바람직하다.

제2공급부(122)를 통해 공급되는 2차공기와 제3공급부(123)를 통해 제공되는 3차 공기는 선회기 때문에 강한 선회류를 형성하게 된다.

이때, 제2공급부(122)를 통해 제공되는 2차공기와 제3공급부(123)를 통해 공급되는 3차공기는 선회강도 및 유량, 유속을 다르게 하여 난류강도를 증가시킬 수 있다.

2차 공기와 3차 공기가 화염선단부의 강한 난류 형성을 유도하기 때문에 화염안정화가 확보된다.

제2공급부(122)와 제3공급부(123) 두 공기공급부의 선회기는 같은 각도 또는 다른 각도의 선회기를 각각 사용하는 것이 모두 가능하나, 같은 각도의 선회기를 사용할 경우 유량이나 유속 조건을 다르게 하여 선회류의 강도는 다르도록 유도해야 함을 유의해야 할 것이다.

제2공급부(122)로 제공되는 2차 공기는 전체 연소 공기량의 10 퍼센트 내지 40 퍼센트를 차지하도록 공급되나, 이는 연소기(100)의 용량이나 연료 조건에 따라 다를 수 있다.

제3공급부(123)로 제공되는 3차 공기는 전체 연소 공기량의 35 퍼센트 내지 65 퍼센트를 차지하도록 공급된다.

본 발명의 공기 다단 공급구조에 대하여 부언하자면, 제1공급부(121)와 제2주입부(112) 사이 간격은 제2주입부(112)와 제2공급부(122) 사이 간격보다 작게 형성되는 것도 바람직하다.

한편, 제2주입부(112)와 제2공급부(122) 사이 간격은 제2공급부(122)와 제3공급부(123) 사이 간격보다 작게 형성되는 것도 바람직하다 할 것이다.

혼소용으로 사용되는 재생유나 중유는 압력식 또는 공기/스팀과의 혼합식 분사노즐을 통해 연소기(100)의 중앙에서 제1주입부(111)를 통하여 공급되도록 한다.

제1주입부(111)는 액체 연료를 공급하며, 석유코코스 연료 투입 이전 연소시스템 초기 가열(Heat-up)시의 액체 연료 공급부로서도 사용 가능하다.

고체연료인 석유코크스는 이송가스인 공기와 함께 제2주입부(112)를 통하여 공급되는 구조를 가진다.

제1공급부(121)의 주변으로 석유코크스 연료와 이를 이송하는 공기가 공급된다.

석유코크스 연료는 이송공기와 함께 회전형의 싸이클론(cyclone)모션을 가지고 연소기(100) 끝단인 노즐단부(1404)로 진행될 수 있도록 한다.

이러한 싸이클론(cyclone) 모션 형태는 회전하면서 진행하는 형태를 이루므로, 연료가 연소로(200) 내에서 충분히 연소반응을 일으킬 수 있도록 체류시간이 극대화된다.

이로써 연료가 연소로(200) 내에서 충분한 연소 반응을 이룰 수 있게 되므로 화염의 안정성이 유지될 수 있다.

이 때 이송용 공기의 양은 전체 공기량의 5퍼센트 내지 15 퍼센트의 비율로 공급된다.

2. 연소장치의 운전 방법 설명

석유코크스는 휘발분이 적고, 고정탄소량이 많기 때문에 안정적인 연소를 위해 고온으로 승온된 연소로(200) 조건이 필요하다.

본 발명을 통한 연소장치는 정제유 및 중유등 액체 연료를 이용하여 연소로(200) 승온을 하고, 연소로(200)가 충분히 승온되었을 때 석유코크스 연료를 공급한다.

다시 말해서 연소로(200)의 온도가 섭씨 1000도 씨 정도 되었을 때 비로소 석유코크스 연료를 주입하는 것이 바람직한 것이다.

이후 필요에 따라 석유코크스 연료 전소를 하거나 혼소 비율 조건을 설정하여 연소시스템이 운전되도록 하는 것도 바람직하다.

이러한 연소장치를 통해 형성된 높은 온도의 배기가스는 보일러와 같은 산업용 연소시스템으로 적용이 가능하다.

보다 상세하게 설명하면, 제1단계에서 연료를 이용하여 연소로(200)의 온도를 제1온도로 승온시킨다.

제1온도는 섭씨 800도씨 이상 섭씨 1200 도씨 이하인 범위인 것이 바람직하다.

연소로(200)의 온도가 제1온도로 가열되면, 연소로(200)에 코크스연료가 공급되는 제2단계로 진행된다.

제2단계에서 공급된 코크스연료는 제1온도로 승온 된 연소로(200) 내에서 연소가 원활하게 이루어져 질소 산화물의 배출이 절감되는 것이다.

한편, 도 4와 같이 석유코크스는 연소기(100) 내부에서 노즐단부(1404)를 향하여 이송될 때 내부에서 싸이클론 모션을 이루면서 진행하며 연소되기 때문에 체류시간이 극대화되며 연소가 원활하게 이루어지게 되어 결국 질소 산화물의 배출이 격감되는 것이다.

연소기(100)는 석유코크스 연료의 전소 및 정제유, 중유 등 액체연료와의 혼합 연소가 가능한 것 또한 바람직하다 할 것이다.

석유코크스와 액체연료의 혼소 가능 비율 범위는 전소조건일 때는 10 대 0 이바람직하다.

석유코크스와 액체연료의 혼소조건일 때에는 석유코크스와 액체연료가 7 대 3 의 비율로 이루어지는 것이 바람직하다.

이와 같은 석유코크스와 액체연료 간의 혼합비율은 사용환경 및 연소 조건에 따라서 전소 및 혼소가 가능하도록 얼마든지 다양한 변경 혹은 조절이 가능함은 물론이다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않은 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100 : 연소기
111 : 제1주입부
112 : 제2주입부
121 : 제1공급부
122 : 제2공급부
123 : 제3공급부
130 : 선회부
140 : 노즐단부
200 : 연소로

Claims

액체연료가 주입되는 제1주입부(111);
상기 제1주입부(111)와 연통되어 1차 연소공기가 공급되는 제1공급부(121);
석유코크스 연료가 주입되는 제2주입부(112);
상기 제2주입부(112)에 2차 연소공기가 선회부(130’)를 통과하여 공급되는 제2공급부(122); 및
상기 제2주입부(112)에 3차 연소공기가 선회부(130)를 통과하여 공급되는 제3공급부(123)를 포함하며,
상기 제1주입부(111), 상기 제1공급부(121)의 주입관, 상기 제2주입부(112), 상기 제2공급부(122)의 주입관, 상기 제3공급부(123)의 주입관은 동축이며,
상기 제1주입부(111)의 내경, 상기 제1공급부(121)의 주입관의 내경, 상기 제2주입부(112), 상기 제2공급부(122)의 주입관의 내경, 상기 제3공급부(123)의 주입관의 내경이 순차적으로 증가함으로써, 공기가 다단 분할 공급되어 열점(Hot spot) 생성이 방지되고 NOx의 생성이 억제되는,
석유코크스 연료 전소 및 혼소용 연소장치.
제 1 항에 있어서,
상기 선회부(130, 130’) 내측에는 다수의 선회체(131)가 구비되며, 상기 선회체(131)는 상기 제1주입부(111)의 축 방향을 기준으로 나사산 방향으로 돌출된 것이며, 상기 선회부(130, 130’)의 상기 선회체(131)에 의하여 2차 연소공기 및 3차 연소공기가 선회하면서 각각 제2주입부(112)에 주입되는,
석유코크스 연료 전소 및 혼소용 연소장치.
제 2 항에 있어서,
상기 선회부(130’)를 통과하여 공급되는 2차 연소공기의 선회강도, 유량 및 유속은, 상기 선회부(130)를 통과하여 공급되는 3차 연소공기의 선회강도, 유량 및 유속과 각각 상이하여 난류강도가 증가되는,
석유코크스 연료 전소 및 혼소용 연소장치.
제 3 항에 있어서,
상기 선회부(130’)의 선회체의 상기 제1주입부(111)의 축 방향을 기준으로 돌출되는 나사산 방향이 상기 선회부(130)의 선회체의 상기 제1주입부(111)의 축 방향을 기준으로 돌출되는 나사산 방향은 상이하거나, 또는
상기 선회부(130’)의 선회체의 상기 제1주입부(111)의 축 방향을 기준으로 돌출되는 나사산 방향이 상기 선회부(130)의 선회체의 상기 제1주입부(111)의 축 방향을 기준으로 돌출되는 나사산 방향이 동일하되 2차 연소공기의 유량 및 유속이 3차 연소공기의 유량 및 유속과 상이한,
석유코크스 연료 전소 및 혼소용 연소장치.
제 4 항에 있어서,
석유코크스 연료는 상기 제2주입부(112)를 통하여 싸이클론 모션으로 주입되며, 싸이클론 모션으로 주입된 석유코크스 연료가 상이한 선회류로서 공급된 2차 연소공기 및 3차 연소공기와 만남으로써 화염안정화가 이루어지는,
석유코크스 연료 전소 및 혼소용 연소장치.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
석유코크스 연료의 전소 조건인지, 석유코크스 연료와 액체연료의 혼소 조건인지 여부에 따라, 상기 제1주입부(111)에 주입되는 액체연료와 상기 제2주입부(112)에 주입되는 석유코크스 연료의 질량비가 상이하게 제어되는,
석유코크스 연료 전소 및 혼소용 연소장치.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1주입부(111)에 액체 연료가 공급되고, 상기 제1공급부(121)에 1차 연소 공기가 공급되어 연소됨으로써 상기 제2주입부(112)가 초기 가열(Heat-up)되고,
상기 제2주입부(112)가 섭씨 1000도까지 초기 가열된 후 석유코크스 연료가 상기 제2주입부(112)를 통해 주입되는,
석유코크스 연료 전소 및 혼소용 연소장치.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
전체 연소 공기는 1차 연소공기, 2차 연소공기 및 3차 연소공기이고,
1차 연소 공기량은 전체 연소 공기량의 10 내지 35%(부피)이고,
2차 연소 공기량은 전체 연소 공기량의 10 내지 40%(부피)이고, 그리고
3차 연소 공기량은 전체 연소 공기량의 35 내지 65%(부피)이되 총 합이 100%(부피)가 되는 양인,
석유코크스 연료 전소 및 혼소용 연소장치.