KR20210057794A

KR20210057794A - 플루 가스에 수반된 애쉬 포집을 위한 장치를 포함하는 소각로 작동 방법

Info

Publication number: KR20210057794A
Application number: KR1020217010856A
Authority: KR
Inventors: 요셉 얀 피터 비어만
Original assignee: 민플러스 비.브이.
Priority date: 2018-09-14
Filing date: 2019-09-16
Publication date: 2021-05-21
Also published as: WO2020055257A1; PL3850270T3; US20210164655A1; CN112424530B; CN112424530A; US11300292B2; DK3850270T3; JP2021535993A; EP3850270B1; EP3850270A1; CA3102921A1

Abstract

고체 연료 소각로(100) 작동 방법으로, 상기 소각로(100)는 플루 가스로부터 애쉬를 분리하기 위한 장치(160)를 포함하며, 이 방법은 애쉬를 포함하는 플루 가스로부터 유래된 애쉬를 소각로(100)로부터 수집하여 애쉬를 수집하는 단계를 포함하고; 수집된 애쉬의 유동성을 개선하기 위해, 이 방법은 i) 점토 및 ii) 탄산칼슘을 포함하는 분말 첨가제 물질을 애쉬를 포함하는 플루 가스에 도입하는 단계를 포함하고 상기 애쉬를 포함하는 플루 가스는 첨가제가 도입되는 위치에 700?C 이상의 온도를 가지며, 여기서 첨가제는 애쉬를 포함하는 플루 가스 스트림에서 회분 질량의 0.1배 이상의 속도 R로 도입된다.

Description

플루 가스에 수반된 애쉬 포집을 위한 장치를 포함하는 소각로 작동 방법

본 발명은 소각로(incinerator)의 작동 방법에 관한 것으로,

상기 소각로는

- 산소-함유 가스의 존재하에 고체 연료를 소각하는 챔버,

- 상기 챔버로부터 방출되는 플루 가스(flue gas)를 배기 개구부(exhaust opening)로 통과시키기 위한 플루 가스 채널, 여기서 상기 플루 가스는 애쉬를 포함함,

- 상기 플루 가스로부터 애쉬를 다음으로(into) 분리하기 위한 장치를 포함하고,

- 애쉬 함량이 감소된 플루 가스

- 애쉬;

상기 방법은

- 고체 연료를 소각하기 위하여 산소-함유 가스 및 고체 연료를 상기 챔버에 도입(introducing)하여 결과적으로 애쉬를 포함하는 플루 가스의 스트림을 생성하는 단계,

- 상기 장치를 사용하여 애쉬를 포함하는 플루 가스의 스트림으로부터 애쉬를 포획(capturing)하는 단계,

- 상기 소각로에서 애쉬를 포함하는 플루 가스에서 발생하는 애쉬 침전물을 수집하여 수잽된 재를 생성하는 단계를 포함한다.

일반적으로 고체 연료를 소각하면 재(ash)가 발생하는 것으로 알려져 있다. 이 재의 일부는 챔버에 남아있을 수 있으며 그곳으로부터 수집된다. 그러나 미세한 재입자(플라이-애쉬)는 플루 가스에 혼입되어 대기로 배출될 수 있다. 이것은 바람직하지 않은 것으로 간주되기 때문에 사이클론, 정전기 필터, 패브릭 필터 또는 중력 침강기(단면적이 증가하고 따라서 입자가 침전될 수 있는 유속이 낮은 배기 채널의 섹션)와 같은 장치를 사용하는 것으로 알려져 있다. 이러한 장치는 청소가 필요하다.

장치에서 수집된 재, 및 연소 이후 및 상기 장치 이전에 소각로의 내부 표면에 부착된 소각로로부터 수집된 애쉬는 다리-형성(bridge-formation) 경향이 있어서, 흐름 경향을 감소시키는 문제가 있다. 예를 들어, 소각로가 수집된 재를 제거하기 위한 밸브 또는 오거(auger)를 포함하는 경우, 상기 재가 밸브를 통과하지 못하거나 오거에 들어 가지 않거나 쉽게 들어 가지 않아 쉽게 운반되지 않을 수 있다. 또한 나중에 수집된 재를 트럭으로 운반해야 하며 흐름이 제한되어 트럭 적재 시간이 더 오래 걸린다.

본 발명은 소각로(incinerator)의 작동 방법에 관한 것으로,

상기 소각로는

- 산소-함유 가스의 존재하에 고체 연료를 소각하는 챔버,

- 애쉬 함량이 감소된 플루 가스

- 애쉬;

상기 방법은

본 발명의 목적은 플루 가스의 흐름으로부터 수집된 재의 유동성을 개선하는 것이다.

이를 위해, 서문에 따른 방법은 i) 점토 및 ii) 탄산칼슘을 포함하는 분말형 첨가제를, 재를 포함하는 플루 가스의 흐름을 가로지르는 주입 포트를 사용하여 재를 포함하는 플루 가스에 도입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하며, 여기서 상기 재를 포함하는 플루 가스는 첨가제 물질이 적어도 700℃의 온도로 도입되고 상기 장치의 상류에 도입되는 위치에 있고, 상기 분말 첨가제 물질의 분말 입자는 과립(granule)을 포함하고, 각각의 과립은 점토(clay) 및 탄산칼슘(calcium carbonate)의 혼합물을 포함하고, 상기 탄산칼슘에 대하여 적어도 10 중량%는 분당 10℃의 온도 증가율을 갖는 질소 분위기하에서 열 중량 분석(Thermogravimetric Analysis)에 의해 특성화되는 경우, 온도가 875℃에 도달하면 완전히 분해되는 형태인 탄산칼슘이고, 상기 분말형 첨가제는 애쉬를 포함하는 플루 가스의 흐름에 애쉬 질량의 적어도 0.1배의 속도 R로 도입된다.

재와 첨가제를 포함하는 수집된 물질이 더 잘 흐를 수 있는 것으로 밝혀졌다. 또한 배기를 통해 대기로 배출되는 입자(회분 및 첨가제)의 총량이 감소하는 것으로 밝혀졌다.

모든 탄산칼슘이 동일하지는 않다는 것이 밝혀졌다. 열 중량 분석(TGA)을 사용하면 장치에서 수집한 결과 입자상 회분 물질의 다리-형성(bridge-forming) 감소에 적합한 탄산칼슘 함유 첨가제 물질을 선택할 수 있다.

열 중량 분석(TGA)은 샘플을 지정된 분위기에서 지정된 속도로 가열할 때의 질량 감소를 측정한다. 첨가제 물질의 측정된 질량 감소는 CaCO₃의 해리 및 CO₂의 동시 방출에 기인할 수 있다. 청구된 발명에 있어서, 열 중량 분석에서 A.W. Coats 및 J.P. Redfern에 의해 기술된 방법은 A review, Analyst, 1963,88, 906-924, DOI :10.1039/AN9638800906이 표준 방법이다.

배경: CaCO₃의 몰 중량과 CaO의 몰 중량이 다르기 때문에, CO₂의 방출 하에서 분해로 인한 이러한 질량 차이가 측정될 수 있다. 실제로, 측정된 중량 손실이 실제로 가스상 CO₂의 방출로 인한 것임을 확인할 수 있다. 이를 위해, TGA 측정 장치의 출구를 떠나는 가스는 질량 분석과 같은 임의의 적합한 방법에 의해 특징지어진다.

Coats 등의 방법을 간략하게 설명하기 위해, TGA 측정은 질소 분위기하에서 주위 온도에서 전형적으로 1100℃까지 분당 10℃의 가열 속도로 수행된다. 샘플의 중량은 탄산칼슘의 백분율로 표현되며, 여기서 100%는 비-전환탄산칼슘을 나타낸다. CaCO₃의 (반올림) 몰 중량은 100 g/mol이고, 탄산염을 가열할 때 방출되는 CO₂의 몰 중량은 44 g/mol이기 때문에, 분해 후의 잔류 질량 분율은 56%이다.

당업계에서는 SO₂를 포획하기 위한 첨가제 물질로서 백운석(dolomite) 또는 석회석(limestone)을 사용하는 것으로 알려져있다. 특히 비-화석 생물 물질(식물 물질)을 포함하는 고체 연료 및 재를 포함하는 플루 가스의 온도가 일반적으로 상대적으로 낮은 가정 쓰레기의 경우. 이들은 만족스러운 실용적 유용성을 충족하지 못하는 고온에서만 완전한 분해 및/또는 증가된 체류 시간에 도달하는 것으로 밝혀졌다.

본 출원에서, 상기 고체 연료(solid fuel)라는 용어는 연료가 30℃의 온도에서 고체임을 의미한다. 상기 연료가 도입되는 챔버는 예를 들어 유동층(fluidized bed) 또는 화격자 소각로(grate incinerator)의 챔버이다. 연료 입자의 크기는 비교적 작거나 (예를 들어, 밀리미터 이하) 또는 비교적 클 수 있다(예를 들어, 센티미터 이상). 상기 고체 연료는 예를 들어 바이오 매스이며, 산업 공정 또는 가정 폐기물 또는 그 혼합물이다.

상기 분말 물질(powdery material)이라는 용어는 100 ㎛ 이하의 입자 크기를 갖는 물질을 나타낸다. 이들 입자는 입상 성질(granular nature)을 가지며, 즉 입자는 전형적으로 다수의 훨씬 작은 입자를 포함한다.

일반적으로, 첨가제 물질(additive material)은 플루 가스의 온도가 800℃ 이상 1150℃ 이하인 재를 포함하는 플루 가스에 도입된다. 불꽃(flame)을 포함하는 소각 공정의 경우, 상기 첨가제 물질은 불꽃의 하류에 주입되는 것이 바람직하다. 공압 분사는 일반적으로 공기를 수송 매체로 사용하고, 플루 가스의 흐름 방향을 가로지르는 분사 포트를 사용하고, 일반적으로 10m/s 이상, 보다 바람직하게는 15 m/s 이상의 공압 수송 매체의 속도를 적용하여 수행된다. 상기 주입은 회를 포함하는 플루 가스의 흐름에 돌출된 적어도 하나의 주입 랜스(injection lance)를 사용하여 수행되는 것이 바람직하다.

상기 장치에 도달하기 전에 상기 재를 포함하는 플루 가스에서 상기 첨가제의 체류 시간은 전형적으로 1초 이상, 바람직하게는 3초 이상, 더욱 바람직하게는 5초 이상이다. 따라서, 재 입자와의 상호 작용이 개선되어 포집이 향상된다.

본 출원에서, 재를 포함하는 상기 플루 가스는 비-기체(non-gaseous) 물질을 포함하는 플루 가스이다. 상기 플루 가스 내의 이러한 비-기체 물질은 전형적으로 냉각 후 고체 재로 변하는 연료로부터 유래된 고체 또는 적어도 부분적으로 용융된 입자를 포함한다. 따라서, 본 출원에서 회를 포함하는 플루 가스라는 용어에서 회라는 용어는 그것이 용융된 형태인지 고체 형태인지에 관계없이 비-기체 물질과 관련된다. 전형적으로, 비-기체 물질의 농도는 상기 플루 가스의 중량에 대해 0.02 중량% 이상이다.

본 발명에 따른 방법은 고체 폐기물의 소각(incineration)에 매우 적합하다. 따라서, 상기 고체 연료는 전형적으로 이러한 물질(가정 및 산업 폐기물의 혼합물 포함)의 50% 이상, 바람직하게는 75% 이상, 및 더욱 바람직하게는 90% 이상으로 구성될 것이다.

산소 함유 가스는 일반적으로 공기이다.

일반적으로 첨가제 재료의 수분 함량은 첨가제 재료의 2 % wt/wt 이하일 것이다.

WO2013093097 및 US2015/0192295는 소각장에서 고온에서의 흡수, 슬래깅(slagging) 및/또는 응집(agglomeration)과 같은 특성을 개선하기 위한 점토-계 첨가제의 사용을 개시한다. 수집된 재는 본 발명에 따른 방법을 사용하여 수집된 재보다 유동성이 적다. 특정한 이론에 얽매이고 싶지 않고, 본 발명에서 수집된 재의 더 나은 유동성은 본 발명에 따른 첨가제에서 특정 탄산칼슘의 효과적인 분해에 기인하는 것으로 여겨지며, 이들 간행물에 대해서는 언급되어 있지 않다.

바람직한 실시 예에 따르면, 탄산칼슘(calcium carbonate)에 대해 40 중량% 이상, 더욱 바람직하게는 70 중량% 이상이 분당 10℃의 온도 증가율을 갖는 질소 분위기하에서 열 중량 분석에 의해 특징화될 때 875℃의 온도에 도달했을 때 완전히 분해되는 형태의 탄산칼슘이다.

따라서, 필요한 경우에 따라 첨가물이 덜 필요하고 감소된 양의 고체는 원하거나 요구 될 수 있는 플루 가스가 대기로 방출되기 전에 포집되어야 한다.

바람직한 실시 예에 따르면, 첨가제 재료는 복수의 주입 포트를 사용하여 도입되며, 주입 포트의 수는 주입 포트 당 플루 가스의 양이 시간당 적어도 10.000 kg의 플루 가스가 되도록 선택된다.

이것은 잘 작동하고 제한된 양의 분사 포트로 인해 연소 공기의 적용량의 1% 이하로 제한된 양의 유기 수송 공기(pneumatic transportation air)를 소각로에 적용하는 것으로 밝혔으며, 이는 소각 공정에 적용되는 미묘한 균형에 영향을 주지 않는다(연소, 열 효율 최적화 및 동시에 NOx 생성 최소화).

바람직한 실시 예에 따르면, 상기 고체 연료는 비-화석 생물학적 기원(non-fossil biological origin)의 물질을 포함하는 연료이다.

비-화석 생물학적 기원의 재료는 예를 들어 바이오 연료(예를 들어 억새, 우드 칩)이다.

바람직한 실시 예에 따르면, 첨가제는 재를 포함하는 플루 가스에 도입되며, 여기서 재를 포함하는 플루 가스는 875℃ 내지 1050℃ 범위, 바람직하게는 900℃ 내지 1000℃ 범위의 온도를 갖는다.

이것은 잘 작동하는 것으로 밝혀졌다. 상기 분말 첨가제는 더 작은 과립으로 분해되며 나중에 플루 가스의 비-기체 물질과 함께 더 큰 입자로 응집되고, 상기 비-기체 물질을 효과적으로 포획하여 개선된 유동 능력을 갖는 재를 생성한다.

유리한 실시 예에 따르면, 도입되는 첨가제 물질의 양은 재를 포함하는 플루 가스의 재 함량(ash content)에 따라 의존(in dependence)한다.

상기 재 생산량은 플루 가스에서 수집된 회분의 양을 측정하고 개별 수집 간격 사이에 경과한 시간을 등록하여 측정할 수 있다. 일반적으로 소각로에서 수집된 재는 소각장에 들어오고(비어있을 때) 나갈 때(재을 싣고) 무게를 측정하는 차량(예를 들어 트럭)을 통해 추가 처리를 위해 운반된다. 차량 측정은 당업자에게 익숙한 스케일에 의해 수행된다. 플루 가스에서 수집되지 않은 재의 양은 플루 가스의 양(m³/h)과 플루 가스에서 수집되지 않은 재의 농도(mg/m³)를 곱하여 평가된다. 플루 가스의 양을 평가하기 위한 측정 방법은 예를 들어 절차 NEN-EN-ISO 16911-1에 설명된 바와 같이 당업자에게 잘 알려져 있다. 플루 가스(먼지 측정)에서 포획되지 않은 회분의 양을 평가하는 측정 방법은 예를 들어 절차 NEN-EN-13284-1:2001에 설명된 것처럼 당업자에게 잘 알려져 있다.

용어 "의존(in dependence)"은 그 양이 재를 포함하는 플루 가스의 재 함량과 양의 상관 관계가 있음을 나타낸다.

유리한 실시 예에 따르면, 분말형 첨가제 물질은 재를 포함하는 플루 가스 스트림에 재의 질량의 0.2 내지 5배의 속도 R(a rate R of 0.2 to 5 times the mass of ash), 바람직하게는 R이 0.3 내지 2, 가장 바람직하게는 0.4 내지 1.2인 속도로 도입된다.

그 결과 유동성이 더욱 개선된 수집된 재가 생성된다.

유리한 실시 예에 따르면, 소각로는 공장(plant)의 일부이고, 상기 공장은 카올린을 포함하는 종이 폐기물의 열 변환(thermal conversion)을 위한 유닛을 더 포함하고, 여기서 카올린은 산소 가스의 존재하에 프리보드(freeboard)를 포함하는 유동층(fluidized bed)에서 열처리되고,

여기서 상기 유동층은 720 내지 850℃의 온도에서 작동되고 프리보드의 온도는 850℃ 이하에서 소각로의 재를 포함하는 플루 가스에 도입되는 분말상 첨가제를 생성한다.

이러한 분말상 첨가물을 제조하는 방법은 참고로 포함된 WO9606057에 상세히 개시되어있다.

바람직한 실시 예에 따르면, 점토에 대한 전환성 탄산칼슘의 중량/중량비(the weight/weight ratio of convertible calcium carbonate to the clay)는 1 내지 10, 바람직하게는 1 내지 5, 더욱 바람직하게는 1 내지 3의 범위이다.

따라서 첨가제 재료의 양은 상대적으로 낮게 유지되는 반면 재 포집(ash capture) 속도는 향상된다.

바람직한 구현 예에 따르면, 분말 물질은 0.9 % wt/wt % 이하, 바람직하게는 0.5 % wt/wt 이하의 수분 함량을 갖는다.

이것은 재를 포함하는 플루 가스에 분말 물질을 신속하게 분산시키는데 도움이 된다.

본 발명은 이제 아래의 예시 섹션을 참조하고 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 소각로의 개략도이다.
도 2는 다양한 탄산칼슘 함유 물질에 대한 열 중량 분석(TGA) 그래프를 보여준다.
도 3은 본 발명(오른쪽)과 대조구에 따라 얻어진 재의 유동성을 비교한 것이다.

도 1은 연소 챔버(110), 플루 가스 채널(120), 열교환기(130) 및 배기 파이프(140) 및 플루 가스로부터 재를 분리하기 위한 장치(160), 여기서 정전 필터를 포함하는 소각로(100)를 포함하는 플랜트를 도시한다.

가정 및 산업에서 파생된 폐기물의 혼합물은 화격자(grate)(170)의 호퍼를 통해 연료 저장소로부터 공급된다. 공기는 공기 공급 도관(air supply conduit)(180)을 통해 연소 챔버(110)로 도입된다.

첨가제는 주입 포트(150)를 통해 플루 가스 채널(120)로 도입된다.

열교환기(130)의 하류에서, 첨가제는 정화된 플루 가스가 배기 파이프(140)를 통해 대기로 배출되기 전에 상기 장치(160)를 사용하여 열교환기(130)로부터의 애쉬를 포함하는 냉각된 플루 가스로부터 분리된다.

열교환기(130)에 퇴적된 애쉬는 주기적으로 제거되어 호퍼(190)를 통해 소각로에서 배출된다. 상기 장치(160)에 의해 포획된 애쉬는 호퍼(200)를 통해 배출된다.

실험 섹션

1. 첨가제의 특성

소각 실험에 사용된 물질은 다음과 같으며 다음과 같이 특성화되었다.

분말 크기

레이저 회절을 사용하여 0.1 내지 600 um 범위의 입자 크기를 측정하였다. 일반적으로 고체-상태(solid-state) 다이오드 레이저는 측정 셀을 통한 자동 정렬 시스템에 의해 초점이 맞춰진다. 전체 각도 광 강도 분포를 위해 광은 샘플 입자에 의해 고각(high-angle) 및 후방 산란(backscatter) 검출기를 포함하는 다중 요소 검출기 시스템으로 산란된다. 전형적인 시험에서, 10 mg의 샘플이 액체 분산 매체에 첨가되었다. 샘플에 권장되는 분산 매체는 이소프로필 알코올이다. 후술하는 샘플 A 내지 F의 입자의 95 중량%는 100 ㎛ 이하의 크기를 갖는다.

본 발명에 사용하기 적합한 첨가제 물질

-A- WO0009256에 따라 제조된 디잉킹(deinking) 페이퍼 슬러지로부터 제조된 탄산칼슘 함유 물질.

상기 물질의 조성은 X-선 형광에 의해 결정되었다.

상기 물질은 30 질량%의 탄산칼슘; 25 질량%의 산화칼슘; 및 36% 메타-카올린(meta-kaolin) 형태의 실리카-알루미나 점토(silica-alumina clay).

기준 물질:

-B- 실험실 등급 탄산칼슘(Laboratory grade calcium carbonate) (laboratory grade calcium carbonate, Perkin Elmer Corporation, altham, Massachusets, USA)

-C- 중질탄산칼슘(Ground limestone)(수은 흡착제, 본 샘플은 the Chemical Lime Company in St. Genevieve, MO, USA으로부터 수득함)

-D- 중질탄산칼슘(Ground limestone)(본 샘플은 the Mercury Research Center at 19 Gulf Utility, Pensacola, Florida, USA으로부터 수득함)

-E- 중질 백운석(Ground dolomite stone) (본 샘플은 the USA National Institute of Standards and Technology (NIST)으로부터 수득함, 표준 기준 물질(SRM) 88b로 표시됨)

-F- 중질탄산칼슘(Ground limestone) (본 샘플은 the USA National Institute of Standards and Technology (NIST)으로부터 수득함, 표준 기준 물질(SRM) 1d로 표시됨, SRM 1d는 점토질 석회석(argillaceous limestone)으로 구성된다)

물질 조성

TGA 측정은 Setaram Labsys EVO TGA 장치(Setaram Company, Caluire, France)를 사용하여 분당 10

의 가열 속도로 질소 분위기에서 수행되었다.

도 2에서 볼 수 있듯이, 곡선 A-F가 상기 열거된 탄산칼슘 함유 물질에 상응하며, 상기 탄산칼슘의 분해는 상이한 온도에서 발생한다. 곡선 E의 경우, 탄산칼슘의 분해와 관련된 것은 약 950℃에서 두 번째 가파른 하향 경사이며, 탄산마그네슘(magnesium carbonate)의 분해와 관련된 것은 약 800℃에서 첫 번째는 가파른 경사이다.

EDX 측정

WO0009256에 따라 제조된 첨가제 물질(A)의 개별 입자는 전자 현미경(EM)과 함께 적용되는 Energy Dispersive X-ray spectroscopy(EDX)으로부터 관찰될 수 있는 점토 및 칼슘 화합물 둘 다를 함유하고, 두 방법 모두 당업자에게 공지된 것으로 간주된다. 상기 EM에서 볼 수 있는 가장 작은 입자, 일반적으로 몇 마이크로미터의 치수를 갖는 EDX 측정결과 각 미립자에는 칼슘- 및 실리카/알루미나 종이 모두 존재한다. 상기 칼슘은 첨가제 물질에 존재하는 칼슘 및 탄산칼슘을 나타내고, 상기 실리카/알루미나 종은 첨가제 물질에 존재하는 점토 분획을 나타낸다.

2. 소각 실험

실험은 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이 소각로(100)를 사용하여 수행되었다.

소각로는 가정용 및 산업용 폐기물로 구성된 연료를 처리했다. 소각은 연소실(170)을 떠나는 플루 가스에 재의 양을 초래했으며, 이는 아래에 설명된 개별 실험 2A, 2B 및 2C에서 더 자세히 설명된다. 적용된 첨가제는 WO9606057에 기술된 방법을 사용하여 종이 잔류물 및 퇴비화된 하수 슬러지의 혼합물로부터 85% 내지 15%의 중량비로 제조되었다. 첨가제는 소각 화격자(incineration grate)의 가장 낮은 지점에서 측정된 15미터 이상의 높이에서 소각실을 떠나 소각로의 플루 가스에 주입된다. 섹션 2A, 2B 및 2C에서 아래에 설명된 각 실험 동안 실험 기간의 90% 이상 동안 이 높이에 도달한 화염이 없음이 관찰되었다. 연소 가스 흐름으로 돌출된(protruding) 첫 번째 열교환기 내부-보일러 튜브-는 첨가제 주입 위치의 하류 10미터 이상에 위치한다. 첨가제 주입 위치에서 플루 가스의 온도는 개별 실험 2A, 2B 및 2C에 자세히 설명된 바와 같이 고체 연료 및 소각로의 에너지 생산량에 따라 800 ~ 1050℃로 변화되었다. 일반적으로 내부 직경이 32mm인 강철 주입 포트(도 1의 오른쪽을 가리키는 화살표)를 통해 공기 주입을 통해 플루 가스에 주입되는 재 및 첨가제의 양은 아래에 설명된 개별 실험 2A, 2B 및 2C에 자세히 설명되어 있다. 분사 공기의 평균 속도는 아래에 설명된 개별 실험 2A, 2B 및 2C에서도 자세히 설명된다.

2A. 애쉬의 향상된 유동성(IMPROVED FLOWABILITY OF ASH) (1)

재는 여러 개의 동일한 소각 퍼니스(incineration furnace)와 보일러를 운영하는 폐기물 소각로에서 수집되었다. 상기 퍼니스 중 하나는 첨가제를 적용하지 않았으며 참조 사례로 사용된다. 참조 사례에서 플루 가스에서 수집된 애쉬의 양은 약 400kg/h이다. 다른 퍼니스는 70kg/h의 속도로 첨가제를 적용했으며, 이는 4개의 분사구와 약 15m/s의 분사 공기 속도를 통해 약 950℃의 온도에서 플루 가스에 분사되었다(도 1에서 참조 번호 150으로 표시된 위치). 플루 가스에서 수집된 고형물의 총량은 470kg/h이다.

소각장에서 처리된 추가 운영 조건과 재료는 운영 변동성 내에서 동일했다.

각각 참조 번호 300 및 참조 번호 330으로 20g의 애쉬(기준 사례, 도 3 왼쪽 절반)와 첨가제를 사용한 방법으로 얻은 20g의 애쉬(도 3 오른쪽 절반)를 첨가하여 컵을 대략 절반으로 채웠다. 그런 다음 컵을 기울여 애쉬 또는 애쉬 + 첨가제 혼합물이 컵에서 떨어지는 지점에 도달하는 순간을 관찰했다. 이것은 각각 참조 번호 310 및 340으로 표시된다. 본 발명에 따른 방법을 사용하여 얻은 물질은 기준 물질보다 더 쉽게-컵이 덜 기울어져서- 흐른다. 컵에서 떨어질 때까지 필요한 회전은 기준에 대해 약 95도, 애쉬와 첨가제에 대해 약 80도였다. 그런 다음 컵을 더 기울여서 도 3에 참조 번호 320(기준 애쉬) 및 340(애쉬 + 첨가제)으로 표시된 대로 전체 양의 애쉬(기준 사례) 또는 애쉬 + 첨가제가 컵에서 떨어졌을 때 관찰했다. 다시 말하지만, 상기 재료는 첨가제와 혼합될 때 더 쉽게-컵이 덜 기울어져서- 흐른다. 컵을 완전히 비우는 데 필요한 회전은 기준에 대해 약 150도였고, 본 발명에 따라 얻은 애쉬 재료의 경우 약 110도였다.

2B. 애쉬의 향상된 유동성 (2)

애쉬는 중량계 침강(gravimetric sedimentation)(도 1 참조 번호 190) 및 전기 여과(electrofiltration)(도 1 참조 번호 200)를 통해 폐기물 소각 시설의 플루 가스에서 수집되었다. 사일로-컨테이너(트럭)에 적재하기 전에 두 애쉬 스트림을 함께 혼합했다. 더 큰 변화없이 두 가지 상황이 만들어졌다. 첫 번째 상황은 첨가제를 적용하지 않은 정상적인 작동 절차를 반영한다. 두 번째 상황은 첨가제 적용의 효과를 반영한다. 첨가제를 사용하지 않고 수집한 정상적인 애쉬 분량은 120kg/h이다. 두 번째 상황에서 적용된 첨가제의 양은 80kg/h이다. 첨가제는 약 900*?*의 플루 가스 온도에서 뜨거운 플루 가스에 5개의 주입 포트를 통해 주입되었다. 각 분사구에 적용되는 분사 공기의 속도는 약 18m/s였다. 두 가지 상황 모두에서 수집된 재는 사일로에 저장되었으며, 여기서 트럭은 재를 추가로 처리하기 위해 채워졌다.

첫 번째 상황(첨가물이 적용되지 않음)에서 트럭의 3개 채우기-개구부(fill-opening)를 모두 트럭에 완전히 적재하는데 사용해야 한다는 것이 관찰되었다. 이것은 트럭이 사일로 아래로 이동하여 사일로 출구 슈트 아래에 각 채우기 개구부를 배치해야 함을 의미한다. 총 로딩 시간은 25분을 초과했다.

두 번째 상황 (첨가제 적용)에서는 트럭을 완전히 적재하기 위해 트럭의 중앙 채우기-개구부(center fill-opening)만 사용해야 한다는 사실이 관찰되었다. 트럭이 중앙 채우기-개구부를 위해 배치된 후 더 이상 사일로 아래로 트럭을 이동할 필요가 없다. 애쉬-첨가제 혼합물은 양의 흐름 특성을 나타내어 혼합물이 트럭으로 자유롭게 흐르도록했다. 총 로딩 시간이 15분 이하로 단축되었다.

2C. 애쉬 수집의 향상된 효율성(IMPROVED EFFICIENCY OF ASH COLLECTION)

150 숫자로 도 1에 표시된 위치에 4개의 주입 포트를 사용하여 800-1000℃의 온도에서 플루 가스 내로 폐기물 소각 플랜트에 정량 70-100kg/h의 첨가제를 약 15m/s의 분사 공기 속도로 주입하였고, 그 결과 아래 표에 표시된 대로 플루 가스 흐름에서 제거되지 않고 전기 집진기(electrostatic precipitator)를 통과하는 고형물이 크게 감소했다. 아래 표에는 다음 정의가 적용되었다.

* 애쉬: 시간당 전기 집진기 여과(electrostatic precipitator filtration)에서 수집된 재 입자의 양. 측정은 추가 폐기를 위해 소각로에서 운반된 애쉬의 양을 측정하여 시간이 지남에 따라 생성 및 수집된 재의 양을 측정하여 수행된다.

* 첨가제: 참조 번호 150으로 도 1에 표시된 위치에 4개의 주입구를 통해 800-1000*?*의 온도에서 매시간 플루 가스에 주입된 첨가제의 양. 측정은 시간이 지남에 따라 계량 용기의 배출을 통해 첨가제의 계량 된 투여 량으로 수행된다.

* 합계: 앞의 두 문장에서 정의한 애쉬와 첨가물의 양의 합계. 측정은 추가 처리를 위해 소각로에서 운반된 애쉬의 양을 측정하여 시간이 지남에 따라 생산 및 수집된 애쉬와 첨가제의 양을 측정하여 수행된다.

* 증가: 전기 집진기 여과를 통해 플루 가스에서 제거하기 전에 플루 가스에 첨가되거나 존재하는 고형물(애쉬 + 첨가제) 양의 수학적 증가.

* ESP 효율: ESP 상류의 (원시) 플루 가스에 존재하는 고형물 양 및 ESP의 하류 (청소된) 플루 가스에 존재하는 고형물의 양, 및 ESP 상류의 (원시) 플루 가스에 존재하는 고형물의 양의 차이를 수학적 분할로 정의한 전기 집진기 여과의 측정된 효율

* ESP로부터의 배출: 도 1에서 참조 번호 140으로 표시된 바와 같이 배기를 통해 플루 가스와 함께 전기 집진기 여과를 떠나는 수집되지 않은 애쉬 또는 애쉬 + 첨가제의 양. 측정 결과로부터 추론할 수 있는 바와 같이, 대기로 배출되는 물질의 양은 본 발명에 따른 첨가제의 적용시 현저하게 (73%) 감소된다.

Claims

소각로(100)의 작동 방법으로서,
상기 소각로(100)는
- 산소 함유 가스의 존재하에 고체 연료를 소각하기 위한 챔버(110),
- 상기 챔버(110)로부터 방출되는 플루 가스를 배기 개구부로 전달하기 위한 플루 가스 채널(120), 여기서 상기 플루 가스는 애쉬를 포함함,
- 상기 플루 가스로부터 애쉬를 다음으로 분리하기 위한 장치(160)를 포함하고,
- 애쉬 함량이 감소된 플루 가스, 및
- 애쉬;
여기서 상기 방법은
- 고체 연료를 소각하기 위하여 산소-함유 가스 및 고체 연료를 상기 챔버(110)에 도입하여 결과적으로 애쉬를 포함하는 플루 가스의 스트림을 생성하는 단계,
- 상기 장치(160)를 사용하여 애쉬를 포함하는 플루 가스의 스트림으로부터 애쉬를 포획하는 단계,
- 상기 소각로(100)에서 애쉬를 포함하는 플루 가스에서 발생하는 애쉬 침전물을 수집하여 수잽된 재를 생성하는 단계를 포함하고,
여기서 상기 방법은 애쉬를 포함하는 플루 가스의 흐름을 가로지르는 주입 포트를 사용하여 i) 점토 및 ii) 탄산칼슘을 포함하는 분말형 첨가제를 애쉬를 포함하는 플루 가스에 도입하는 단계를 포함하고, 여기서 애쉬를 포함하는 플루 가스는 상기 첨가제가 적어도 700℃ 온도로 도입되고 상기 장치(160)의 상류에 도입되는 위치에 있고, 여기서 상기 분말 첨가제 물질의 분말 입자는 과립(granule)을 포함하고, 각각의 과립은 점토(clay) 및 탄산칼슘(calcium carbonate)의 혼합물을 포함하고, 상기 탄산칼슘에 대하여 적어도 10 중량%는 분당 10℃의 온도 증가율을 갖는 질소 분위기하에서 열 중량 분석(Thermogravimetric Analysis)에 의해 특성화되는 경우, 온도가 875℃에 도달하면 완전히 분해되는 형태인 탄산칼슘이고;
여기서 상기 분말형 첨가제는 애쉬를 포함하는 플루 가스의 흐름에 애쉬 질량의 적어도 0.1배의 속도 R로 도입되는, 방법.
제1항에 있어서,
상기 탄산칼슘에 대하여 적어도 40 중량% 및 보다 바람직하게는 70%는 분당 10℃의 온도 증가율을 갖는 질소 분위기하에서 열 중량 분석(Thermogravimetric Analysis)에 의해 특성화되는 경우, 온도가 875℃에 도달하면 완전히 분해되는 형태인 탄산칼슘인, 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 첨가제는 복수의 주입 포트를 사용하여 도입되고,
여기서 주입 포트의 수는 주입 포트 당 플루 가스의 양이 시간당 적어도 10.000 kg의 플루 가스가 되도록 선택되는, 방법.
선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고체 연료는 비-화석 생물학적 기원의 물질을 포함하는 연료인, 방법.
선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 첨가제는 애쉬를 포함하는 플루 가스에 도입되며, 여기서 애쉬를 포함하는 플루 가스는 875℃ 내지 1050℃ 범위, 바람직하게는 900℃ 내지 1000℃ 범위의 온도를 갖는, 방법.
선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
도입되는 첨가제의 양은 애쉬를 포함하는 플루 가스의 애쉬 함량에 따라 의존하는, 방법.
선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
분말 첨가제는 애쉬를 포함하는 플루 가스 스트림에서 애쉬 질량의 0.2 ~ 5배의 속도 R, 바람직하게는 R이 0.3 내지 2, 가장 바람직하게는 0.4 내지 1.2인 속도로 도입되는, 방법.
선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
소각로(100)는 플랜트의 일부이고, 상기 플랜트는 카올린을 포함하는 종이 폐기물의 열 변환을 위한 유닛을 추가로 포함하고,
여기서 카올린은 산소 가스의 존재하에 프리보드를 포함하는 유동층에서 열처리되고,
여기서 유동층은 720 내지 850℃의 온도에서 작동되고 프리보드의 온도는 850℃ 이하에서 소각로(100)의 재를 포함하는 플루 가스에 도입되는 분말상 첨가제를 생성하는, 방법.
선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
점토에 대한 전환성 탄산칼슘의 중량/중량비는 1 내지 10, 바람직하게는 1 내지 5, 더욱 바람직하게는 1 내지 3의 범위인, 방법.
선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분말 물질은 0.9 % wt/wt % 이하, 바람직하게는 0.5 % wt/wt 이하의 수분 함량을 갖는, 방법.