KR20230044704A - NOx 및 CO 배출량을 동시에 저감시킬 수 있는 순환유동층 연소 시스템 - Google Patents

NOx 및 CO 배출량을 동시에 저감시킬 수 있는 순환유동층 연소 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는, 연소 반응이 이루어지는 연소로를 포함하는 연소부; 상기 연소부로부터 배출된 배기가스를 정제하는 배기가스 정제부; 및 상기 배기가스 정제부로부터 배기가스 중 일부를 상기 연소부로 재공급하는 재순환부;를 포함하고, 상기 연소로는, 하부 일측에 형성되고, 제1 산화제 및 재공급된 배기가스를 공급하는 1차 산화제 공급부; 상기 1차 산화제 공급부보다 상부의 일측에 형성되고, 제2 산화제 및 원료를 공급하는 2차 산화제 공급부; 및 상기 2차 산화제 공급부보다 상부의 일측에 형성되고, 제3 산화제를 공급하는 3차 산화제 공급부;를 포함하는, 다단 연소를 이용한 순환유동층 연소 시스템을 제공한다.

Description

NOx 및 CO 배출량을 동시에 저감시킬 수 있는 순환유동층 연소 시스템{Circulating fluidized bed combustion system for simultaneously reducing NOx and CO emissions}
본 발명은 NOx 및 CO 배출량을 동시에 저감시킬 수 있는 순환유동층 연소 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다단 연소, 배기가스 재순환을 복합적으로 사용하는 순환유동층 연소 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 제1 산화제의 유량을 줄여서, 그 만큼의 유량을 제3 산화제로 주입하는 것이 순환 유동층 연소에서의 기본적인 다단 연소 방법이다. 순환 유동층 연소에 다단 연소를 적용하면 NO 발생량은 감소하나, CO 발생량은 증가하게 되므로, NO와 CO 발생량을 동시에 저감하기 위해 적정한 산화/환원영역을 발생시키는 제3 산화제의 공급 위치에 대한 연구가 필요한 실정이다.
또한, 순환 유동층 연소에서 제1 산화제는 열 매체재인 고체 물질을 순환시키는 역할을 한다.
따라서, 다단 연소를 적용하여 제1 산화제의 유량을 줄이게 되면 순환 유동층 연소에서 열 매체재 역할을 하는 고체 물질의 순환이 제대로 이루어지지 않아 고체 체류량이 늘어나면서 연소로 하부의 온도가 증가하는 문제점이 있다. 이에, 연료 내 질소 성분들(Fuel-N)에 의한 NO 발생량이 증가하게 된다. 따라서, 순환 유동층 연소에 다단 연소를 적용하더라도 연소로 하부의 온도 제어가 가능한 기술이 필요한 실정이다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 순환유동층 연소에서 다단 연소 방법을 사용하더라도, NO 및 CO 발생량을 동시에 저감시킬 수 있고, 연소로 하부의 온도 제어가 가능한 순환유동층 연소 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 연료 조성에 따라 NO 및 CO 발생량을 최소화할 수 있는 다단연소 및 배기가스 재순환의 최적 실시 조건을 갖춘 순환유동층 연소 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 배기가스 재순환을 통해 대기로 배출되는 오염 물질량을 저감할 수 있는 순환유동층 연소 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 구현예에 따른 다단 연소를 이용한 순환유동층 연소 시스템은, 연소 반응이 이루어지는 연소로를 포함하는 연소부; 상기 연소부로부터 배출된 배기가스를 정제하는 배기가스 정제부; 및 상기 배기가스 정제부로부터 배기가스 중 일부를 상기 연소부로 재공급하는 재순환부;를 포함하고, 상기 연소로는, 하부 일측에 형성되고, 제1 산화제 및 재공급된 배기가스를 공급하는 1차 산화제 공급부; 상기 1차 산화제 공급부보다 상부의 일측에 형성되고, 제2 산화제 및 원료를 공급하는 2차 산화제 공급부; 및 상기 2차 산화제 공급부보다 상부의 일측에 형성되고, 제3 산화제를 공급하는 3차 산화제 공급부;를 포함할 수 있다.
제1 산화제 : 제2 산화제 : 제3 산화제 유량의 비율이 65 내지 75 : 5 내지 15 : 25 내지 35 일 수 있다.
원료는 바이오매스, 석탄, 슬러지, 고형화 연료 또는 이 중 2 이상의 혼합물 중 어느 하나일 수 있다.
제1 내지 제3 산화제는 공기 또는 산소일 수 있다.
원료가 바이오매스인 경우에, 연소로 전체 높이 대비 연소로에 3차 산화제 공급부가 형성된 높이의 비율이 0.7 내지 0.9 일 수 있다.
원료가 바이오매스인 경우에, 바이오매스의 산화영역에서의 체류시간은 0.3초 이상일 수 있다.
원료가 바이오매스인 경우에, 제1 내지 제3 산화제는 공기 또는 산소 일 수 있다. 구체적으로는, 공기일 수 있다.
원료가 바이오매스인 경우에, 재공급되는 배기가스의 유량의 비율은 하기 [식 1]을 만족하고, 재공급되는 배기가스의 유량의 비율이 6 내지 10% 일 수 있다.
[식 1]
재공급되는 배기가스의 유량의 비율(%) = 재공급되는 배기가스의 유량(m3/h)/(재공급되는 배기가스의 유량 + 스택으로 배출되는 배기가스의 유량) (m3/h) x 100
원료가 석탄인 경우에, 연소로 전체 높이 대비 연소로에 3차 산화제 공급부가 형성된 높이의 비율이 0.5 내지 0.75 일 수 있다.
원료가 석탄인 경우에, 석탄의 산화영역에서의 체류시간은 0.7초 이상일 수 있다.
원료가 석탄인 경우에, 제1 내지 제3 산화제는 공기 또는 산소 일 수 있다. 구체적으로는, 산소일 수 있다.
제1 산화제 및 재공급된 배기가스의 총 유량과 다단연소 및 배기가스 재공급이 이루어지지 않을 경우의 제1 산화제 유량의 차이는, 다단연소 및 배기가스 재공급이 이루어지지 않을 경우의 제1 산화제 유량의 10% 이내일 수 있다.
연소부는, 연소로의 상부 타측에 그 일측이 연결된 제1 싸이클론; 상기 연소로의 일측 및 제1 싸이클론의 하부과와 연결된 루프씰(Loop-seal); 상기 제1 싸이클론의 상부에 그 일측이 연결된 제2 싸이클론; 및 상기 1차 산화제 공급부 및 상기 루프씰 하부에 연결된 제1 송풍팬;을 더 포함할 수 있다.
배기가스 정제부는, 제2 싸이클론의 상부에 그 상부가 연결된 제1 열교환기; 제1 열교환기의 하부에 그 일측이 연결된 백 필터(bag-filter); 백 필터(bag-filter)의 상부에 그 상부가 연결된 제2 열교환기; 제2 열교환기의 하부에 그 일측이 연결된 컨덴서; 컨덴서의 타측에 연결된 제2 송풍팬; 및 제2 송풍팬과 연결된 스택(stack)을 포함할 수 있다.
재순환부는, 배기가스 정제부에 연결되어 배기가스의 일부를 1차 산화제 공급부로 공급하는 배기가스 재순환 팬을 포함할 수 있다.
본 발명의 순환유동층 연소 시스템은, 다단 연소 시 연소로에서 각 산화물 공급부의 높이 및 산화물 공급 비율의 최적화를 통하여, NO 및 CO 발생량을 동시에 저감시킬 수 있고, 다단 연소 방법을 사용하면서도 배기가스 재순환법을 사용함으로써, 1차 산화제의 유량이 줄어 연소로 하부의 온도가 상승하는 것을 방지하고 대기로 배출되는 오염물질량도 저감할 수 있다. 또한, 연소로 하부의 온도를 유지할 수 있게 됨에 따라 순환유동층의 열 흡수율을 동일하게 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 순환유동층 연소 시스템을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 순환유동층 연소로에 다단 연소를 적용한 경우, 환원영역 및 산화영역이 발생함을 나타낸 것이다.
도 3은 순환유동층 연소로에 다단 연소를 적용하지 않은 경우, 산화영역이 발생함을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 순환유동층 연소 시스템에서, 비교예 1 및 비교예 6의 조건으로 실시된 실험에 따른 연소로 내부 온도를 측정한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 순환유동층 연소 시스템에서, 실시예 1, 비교예 1, 비교예 4 및 비교예 5의 조건으로 실시된 실험에 따른 연소로 내부 온도를 측정한 그래프이다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 또는 상에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 "자가 탈황"은 연료에 함유된 황(S)이 연소 시 SO2로 발생되는데, 이 SO2와 연료 내 Ca가 반응하여 CaSO4를 형성하는 탈황반응을 의미한다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 순환유동층 연소 시스템을 개략적으로 나타낸 것이고, 도 2 및 도 3은 각각 순환유동층 연소로에 다단 연소를 적용한 경우 및 적용하지 않은 경우의 산화/환원영역을 나타낸 것이다.
하기에서는 도 1 내지 도 3을 참고하여, 본 발명에 대해 상세히 설명하였다.
본 발명의 일 실시예인 다단 연소를 이용한 순환유동층 연소 시스템은, 연소 반응이 이루어지는 연소로를 포함하는 연소부(100); 상기 연소부(100)로부터 배출된 배기가스를 정제하는 배기가스 정제부(200); 및 상기 배기가스 정제부(200)로부터 배기가스 중 일부를 상기 연소부(100)로 재공급하는 재순환부(300);를 포함하고, 상기 연소로는, 하부 일측에 형성되고, 제1 산화제 및 재공급된 배기가스를 공급하는 1차 산화제 공급부(110); 상기 1차 산화제 공급부(110)보다 상부의 일측에 형성되고, 제2 산화제 및 원료를 공급하는 2차 산화제 공급부(120); 및 상기 2차 산화제 공급부(120)보다 상부의 일측에 형성되고, 제3 산화제를 공급하는 3차 산화제 공급부(130);를 포함할 수 있다.
일반적으로, 유동층 연소로 하부에 형성된 유동매체 영역 상부에 연료가 공급되고, 연소로 하부에서 유입되는 유동화 겸 1차 연소용 공기인 제1 산화제에 의하여, 공급된 연료가 유동매체와 함께 혼합 및 유동화되면서 연소되어 NO 및 CO가 발생하게 된다.
순환 유동층 연소에 다단 연소를 적용하지 않는 경우에는 도 3과 같이 연소로 내에 산화영역만 존재하지만, 다단 연소를 적용하는 경우에는 제1 산화제의 유량을 줄여 그만큼 제3 산화제로 사용하기 때문에 제1 산화제의 유량이 줄어들고, 도 2와 같이 3차 산화제 공급부(130)의 위치를 기준으로 아래쪽은 환원영역(Reduction zone), 위쪽은 산화영역(Oxidation zone)이 형성된다. 환영영역이 형성됨에 따라 환원영역에서 발생된 CO 및 char와 NO가 반응하여 N2로 용이하게 환원되게 되므로 NO의 배출량은 감소하나, 상대적으로 산화영역이 줄어들게 되어 CO가 CO2로 충분히 산화되지 못하여 CO의 발생량이 증가하게 된다. 이에, 제3 산화제의 공급 위치를 적절히 조절하여, CO의 발생량 역시 감소시킬 수 있다.
또한, 순환 유동층 연소에 다단 연소를 적용하면, 제1 산화제의 유량이 줄어들어 순환 유동층 연소에서 열 매체재 역할을 하는 고체 물질의 순환이 제대로 이루어지지 않게 되어 연소로 하부 온도 제어 문제가 발생하게 된다. 그리고, 제1 산화제의 유량이 줄어들면 연료입자들과 열 매체제 역할을 하는 고체 물질 간의 혼합이 원활하지 못하게 되어 자가 탈황 반응이 제대로 일어나지 않게 되고, 연소로 하부 온도가 증가할 경우, SO2 발생량이 증가하게 되어 SO2 배출량도 증가하게 된다. 이에, 연소부(100)로부터 배출된 배기가스를 연소부(100)로 재공급하는 재순환부(300)를 포함함으로써, 줄어든 제1 산화제의 유량을 재순환된 배기가스로 보충해 주어 열 매체재 역할을 하는 고체 물질의 순환이 원활하게 이루어져 연소로 하부의 온도가 상승하는 것을 방지할 수 있게 되어, 연료 내 질소 물질들에 의한 NO의 생성이 억제되고, 열 매체재인 고체 물질들의 응집(agglomeration), 슬래깅(slagging) 등이 발생하지 않게 된다. 또한, 연소로 하부의 온도를 유지할 수 있게 됨에 따라 순환유동층의 열 흡수율을 동일하게 유지할 수 있게 된다.
연소부(100)는, 연소로의 상부 타측에 그 일측이 연결된 제1 싸이클론(140); 연소로의 일측 및 제1 싸이클론(140)의 하부과와 연결된 루프씰(150)(Loop-seal); 제1 싸이클론(140)의 상부에 그 일측이 연결된 제2 싸이클론(160); 및 1차 산화제 공급부(110) 및 상기 루프씰(150) 하부에 연결된 제1 송풍팬(170);을 더 포함할 수 있다. 제1 싸이클론(140)은 그 일측이 연소로의 상부의 타측에 연결되어, 연소로에서 생성된 배기가스와 고체를 분리할 수 있다. 분리된 고체는 제1 싸이클론(140)의 하부과와 연결된 루프씰(150)을 통과하여 연소로의 유동화 영역으로 유입된다. 제2 싸이클론(160)은 그 일측이 제1 싸이클론(140)의 상부에 연결되어, 배기가스와 제1 싸이클론(140)에서 분리되지 않은 플라이 애시(fly ash)를 분리하여 배기가스 내의 고체를 더욱 확실하게 분리할 수 있다. 그리고, 제1 송풍팬(170)을 통해 1차 산화제 공급부(110)에 제1 산화제를 공급할 수 있고, 루프씰(150) 하부에 산화제가 공급되어 고체순환량을 조절할 수 있다.
제1 산화제 및 재공급된 배기가스의 총 유량과 다단연소 및 배기가스 재공급이 이루어지지 않을 경우의 제1 산화제 유량의 차이는, 다단연소 및 배기가스 재공급이 이루어지지 않을 경우의 제1 산화제 유량의 10% 이내일 수 있다. 그 차이가 너무 클 경우에는, 다단 연소를 적용함으로써 줄어든 제1 산화제의 유량을 충분히 보충하지 못해 연소로 하부 온도 제어 문제가 발생하고 자가 탈황 반응도 충분히 일어나지 못하게 된다.
연소로는 연소 반응이 이루어지도록 마련되며, 로(furnace) 형태로 마련될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 산화제 : 제2 산화제 : 제3 산화제 유량의 비율이 65 내지 75 : 5 내지 15 : 25 내지 35일 수 있다. 상기에서 설명하였듯이, 다단 연소 시스템에서는 제1 산화제의 유량을 줄여 그만큼 제3 산화제로 사용한다. 따라서, 제1 산화제의 유량이 너무 적고, 제3 산화제의 유량이 너무 많을 경우에는, 연소로 하부에 공급되는 산화제의 유량이 부족하여 열 매체재 역할을 하는 고체 물질의 순환이 원활하게 이루어지지 않아 연소로 하부의 온도가 상승하는 문제점이 발생하게 된다. 또한, 다단연소가 적용되지 않을 경우, CO 및 char량은 감소하지만 NO의 배출량이 증가하게 된다. 제2 산화제는 원료를 원활하게 공급하기 위해 원료와 함께 투입되는데, 그 유량이 너무 적을 경우에는, 압력제어가 어려워 원료 공급이 원활하지 않을 수 있다.
원료는 바이오매스, 석탄, 슬러지, 고형화 연료 또는 이 중 2 이상의 혼합물 중 어느 하나일 수 있다. 구체적으로, 바이오매스 또는 석탄 중 어느 하나일 수 있고, 석탄은 역청탄일 수 있다.
제1 내지 제3 산화제는 공기 또는 산소일 수 있다. 제1 내지 제3 산화제가 산소일 경우, 순환유동층 연소장치가 순산소 연소 모드로 운전되는데, 이 경우에는 연소로에서 제1 내지 제3 산화제로서 공급되는 산소 및 재공급되는 배기가스를 산화제로 사용하므로, 필수적으로 배기가스 재순환이 이루어지게 된다.
원료가 바이오매스인 경우에, 연소로 전체 높이 대비 연소로에 3차 산화제 공급부(130)가 형성된 높이의 비율이 0.7 내지 0.9 일 수 있다. 구체적으로, 0.75 내지 0.85 일 수 있다.
원료가 석탄인 경우에, 연소로 전체 높이 대비 연소로에 3차 산화제 공급부(130)가 형성된 높이의 비율이 0.5 내지 0.75 일 수 있다. 구체적으로, 0.6 내지 0.7 일 수 있다.
3차 산화제 공급부(130)가 형성된 위치가 너무 높으면, NO가 N2로 전환되기 위한 환원영역은 증가하나, 산화영역이 감소하게 되어 원료의 산화영역에서의 체류시간이 짧아지게 되어 CO가 CO2로 충분히 산화되지 못하게 된다. 그에 따라, NO 발생량은 감소하나, CO 발생량은 증가하게 된다. 그와 반대로, 제3 산화제 공급부가 형성된 위치가 너무 낮으면, 환원영역이 감소하고 산화영역이 증가하므로, CO 발생량은 감소하나, NO 발생량은 증가하게 된다.
바이오매스의 경우, 휘발분이 높아 연료가 투입되자마자 휘발되기 때문에 연소성이 빠르므로, 3차 산화제 공급부의 형성 위치를 비교적 높게 하여 환원영역을 늘림으로써 NO의 배출량을 더욱 낮출 수 있고 산화영역이 줄어들어 체류시간이 적어도 CO를 쉽게 산화시킬 수 있다. 반면, 바이오매스보다 고정탄소가 높은 석탄의 경우에는, 연소성이 바이오매스의 연소성보다 낮아 CO를 낮추기 위해 충분한 산화영역의 체류시간이 필요하므로, 바이오매스의 연소보다 3차 산화제 공급부의 형성 위치를 낮게 하여 NO와 CO의 배출농도를 감소시킬 수 있다.
바이오매스의 산화영역에서의 체류시간은 0.3초 이상일 수 있다.
석탄의 산화영역에서의 체류시간은 0.7초 이상일 수 있다.
원료의 산화영역에서의 체류시간은 3차 산화제 공급부(130)의 형성 위치와 유속에 따라 결정되게 되는데, 3차 산화제 공급부(130)의 형성 위치가 높아지거나 유속이 빨라질수록, 원료가 산화영역에서 체류하는 시간이 짧아지게 된다. 체류시간이 너무 짧으면, 환원영역에서 발생한 CO가 CO2로 산화될 시간이 부족하므로 CO의 배출량이 증가하게 된다.
원료가 바이오매스인 경우에, 제1 내지 제3 산화제는 공기일 수 있다.
원료가 바이오매스인 경우에, 재공급되는 배기가스의 유량의 비율은 [식 1]을 만족하고, 배기가스의 유량의 비율이 6 내지 10% 일 수 있다.
원료가 석탄인 경우에, 제1 내지 제3 산화제는 산소일 수 있다. 순산소 연소가 이루어지는 경우, 재공급되는 배기가스의 유량의 비율은 [식 1]을 만족하고, 배기가스 유량의 비율이 70 내지 80% 일 수 있다.
[식 1]
재공급되는 배기가스의 유량의 비율(%) = 재공급되는 배기가스의 유량(m3/h)/(재공급되는 배기가스의 유량 + 스택으로 배출되는 배기가스의 유량) (m3/h) x 100
재공급된 배기가스의 유량이 너무 적을 경우에는, 열 매체재 역할을 하는 고체 물질의 순환이 원활하게 이루어지지 않아 연소로 하부의 온도가 상승하는 것을 방지할 수 없고, 이로 인해 열 매체재인 고체 물질들의 응집(agglomeration), 슬래깅(slagging) 등이 발생하고 자가 탈황 반응도 충분히 일어나지 못하게 된다. 재공급된 배기가스의 유량이 너무 많을 경우에는, 연소로 하부 뿐 아니라 연소로 내부 전체의 온도가 크게 감소하게 되어 원료의 연소가 제대로 이루어 지지 않게 된다.
배기가스 정제부(200)는, 제2 싸이클론(160)의 상부에 그 상부가 연결된 제1 열교환기(210); 제1 열교환기(210)의 하부에 그 일측이 연결된 백 필터(220)(bag-filter); 백 필터(220)(bag-filter)의 상부에 그 상부가 연결된 제2 열교환기(230); 제2 열교환기(230)의 하부에 그 일측이 연결된 컨덴서(240); 컨덴서(240)의 타측에 연결된 제2 송풍팬(250); 및 제2 송풍팬(250)과 연결된 스택(260)(stack)을 포함할 수 있다. 제1 열교환기(210)는 그 상부가 제2 싸이클론(160)의 상부에 연결되어, 열교환을 통해 제2 싸이클론(160)에서 유입된 배기가스의 온도를 백 필터(220)(bag-filter)에 공급하기에 적절한 온도로 조절할 수 있다. 백 필터(220)(bag-filter)는 그 일측이 제1 열교환기(210)의 하부에 연결되어, 연소로에서 발생된 분진을 제거할 수 있다. 제2 열교환기(230)는 그 상부가 백 필터(220)(bag-filter)의 상부에 연결되어, 백 필터(220)(bag-filter)를 통해 유입된 배기가스의 온도를 컨덴서(240)에 공급하기에 적절한 온도로 조절할 수 있다. 컨덴서(240)는 그 일측이 제2 열교환기(230) 하부에 연결되어, 물을 직접 분사하여 배기가스 내 수분을 응축하거나 SO2를 흡수하여 제거하는 역할을 한다. 제2 송풍팬(250)은 컨덴서(240)의 타측에 연결되어, 컨덴서(240)에서 배출된 배기가스를 스택(260)(stack) 및 재순환부(300)에 공급할 수 있다. 스택(260)(stack)은 제2 송풍팬(250)과 연결되어, 공급받은 배기가스를 외부로 배출할 수 있다.
재순환부(300)는, 배기가스 정제부(200)에 연결되어 배기가스의 일부를 1차 산화제 공급부(110)로 공급하는 배기가스 재순환 팬(310)을 포함할 수 있다. 구체적으로 배기가스 재순환 팬(310)은 배기가스 정제부(200)의 제2 송풍팬(250)과 스택(260) 사이에 연결되어 제2 송풍팬(250)으로부터 배기가스 중 일부를 공급받아 연소로에 재공급할 수 있다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
이하, 실시예 및 비교예는 특별히 언급이 없는 경우 본 발명의 일 실시예인 다단 연소를 이용한 순환유동층 연소 시스템에서 실시하여, 그 결과를 실험예에 나타내었다.
실시예 1
하기 표 1의 데이터를 갖는 바이오매스를 원료로 사용하였고, 제1 산화제로 공기를 사용하였으며, 연소로 전체 높이 대비 연소로에 3차 산화제 공급부가 형성된 높이의 비율은 0.81이었다. 제1 산화제 : 제2 산화제 : 제3 산화제 유량의 비율이 70 : 10 : 20이 되도록 산화제를 투입하고, 재공급되는 배기가스의 유량의 비율을 8% 로 조절하였다.
원소분석 (인수식, wt.%)
C 45.71
H 5.57
O 39.02
N 0.19
S 0.04
공업분석(Proximate analysis)
수분 (wt.%) 8.02
애시 (wt.%) 1.44
휘발 성분 (wt.%) 73.55
고정 탄소 (wt.%) 16.98
HHV (kcal/kg) 4400
LHV(kcal/kg) 4060
비교예 1
상기 표 1의 데이터를 갖는 바이오매스를 원료로 사용하였고, 제1 산화제로 공기를 사용하였으며, 순환유동층 연소 시스템에 다단 연소 및 배기가스 재순환을 적용하지 않고 제1 산화제 : 제2 산화제 유량의 비율이 90 : 10이 되도록 산화제를 투입하였다.
비교예 2
상기 표 1의 데이터를 갖는 바이오매스를 원료로 사용하였고, 제1 산화제로 공기를 사용하였으며, 연소로 전체 높이 대비 연소로에 3차 산화제 공급부가 형성된 높이의 비율은 0.47이었다. 그리고, 제1 산화제 : 제2 산화제 : 제3 산화제 유량의 비율이 60 : 10 : 30이 되도록 산화제를 투입하고, 재공급되는 배기가스의 유량의 비율을 17% 로 조절하였다.
비교예 3
상기 표 1의 데이터를 갖는 바이오매스를 원료로 사용하였고, 제1 산화제로 공기를 사용하였으며, 연소로 전체 높이 대비 연소로에 3차 산화제 공급부가 형성된 높이의 비율은 0.64였다. 그리고, 제1 산화제 : 제2 산화제 : 제3 산화제 유량의 비율이 60 : 10 : 30이 되도록 산화제를 투입하고, 재공급되는 배기가스의 유량의 비율을 17% 로 조절하였다.
비교예 4
상기 표 1의 데이터를 갖는 바이오매스를 원료로 사용하였고, 제1 산화제로 공기를 사용하였으며, 연소로 전체 높이 대비 연소로에 3차 산화제 공급부가 형성된 높이의 비율은 0.81이었다. 그리고, 제1 산화제 : 제2 산화제 : 제3 산화제 유량의 비율이 60 : 10 : 30이 되도록 산화제를 투입하고, 재공급되는 배기가스의 유량의 비율을 17% 로 조절하였다.
비교예 5
상기 표 1의 데이터를 갖는 바이오매스를 원료로 사용하였고, 제1 산화제로 공기를 사용하였으며, 연소로 전체 높이 대비 연소로에 3차 산화제 공급부가 형성된 높이의 비율은 0.64였다. 그리고, 제1 산화제 : 제2 산화제 : 제3 산화제 유량의 비율이 70 : 10 : 20이 되도록 산화제를 투입하고, 재공급되는 배기가스의 유량의 비율을 8% 로 조절하였다.
비교예 6
상기 표 1의 데이터를 갖는 바이오 매스를 원료로 사용하였고, 제1 산화제로 공기를 사용하였으며, 연소로 전체 높이 대비 연소로에 3차 산화제 공급부가 형성된 높이의 비율은 0.64였다. 그리고, 제1 산화제 : 제2 산화제 : 제3 산화제 유량의 비율이 73 : 9 : 18이 되도록 산화제를 투입하였다.
실시예 2
하기 표 2의 데이터를 갖는 역청탄을 원료로 사용하였고, 제1 산화제로 산소를 사용하였으며, 연소로 전체 높이 대비 연소로에 3차 산화제 공급부가 형성된 높이의 비율은 0.64였다. 그리고, 제1 산화제 : 제2 산화제 : 제3 산화제 유량의 비율이 70 : 10 : 20이 되도록 산화제를 투입하였다.
원소분석 (인수식, wt.%)
C 65.42
H 4.08
O 9.84
N 1.54
S 0.70
공업분석(Proximate analysis)
수분 (wt.%) 11.13
애시 (wt.%) 7.29
휘발 성분 (wt.%) 30.44
고정 탄소 (wt.%) 51.44
HHV (kcal/kg) 6840
LHV(kcal/kg) 6530
비교예 7
상기 표 2의 데이터를 갖는 역청탄을 원료로 사용하였고, 제1 산화제로 산소를 사용하였으며, 순환유동층 연소 시스템에 다단 연소를 적용하지 않고 제1 산화제 : 제2 산화제 유량의 비율이 90 : 10이 되도록 산화제를 투입하였다.
비교예 8
상기 표 2의 데이터를 갖는 역청탄을 원료로 사용하였고, 제1 산화제로 산소를 사용하였으며, 연소로 전체 높이 대비 연소로에 3차 산화제 공급부가 형성된 높이의 비율은 0.47였다. 그리고, 제1 산화제 : 제2 산화제 : 제3 산화제 유량의 비율이 80 : 10 : 10이 되도록 산화제를 투입하였다.
비교예 9
상기 표 2의 데이터를 갖는 역청탄을 원료로 사용하였고, 제1 산화제로 산소를 사용하였으며, 연소로 전체 높이 대비 연소로에 3차 산화제 공급부가 형성된 높이의 비율은 0.64였다. 그리고, 제1 산화제 : 제2 산화제 : 제3 산화제 유량의 비율이 80 : 10 : 10이 되도록 산화제를 투입하였다.
상기 실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 9의 실시 조건을 정리하면 [표 3] 및 [표 4]와 같다.
원료로 바이오매스 사용
실시예 1 비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4 비교예 5 비교예 6
연소로 전체 높이 대비 연소로에 3차 산화제 공급부가 형성된 높이의 비율 0.81 - 0.47 0.64 0.81 0.64 0.64
제1 산화제 : 제2 산화제 : 제3 산화제 유량의 비율 70 : 10 : 20 90 : 10 : 0 60 : 10 : 30 60 : 10 : 30 60 : 10 : 30 70 : 10 : 20 73 : 9 : 18
재공급되는 배기가스의 유량의 비율(%) 8 - 17 17 17 8 -
원료로 역청탄 사용
실시예 2 비교예 7 비교예 8 비교예 9
연소로 전체 높이 대비 연소로에 3차 산화제 공급부가 형성된 높이의 비율 0.64 - 0.47 0.64
제1 산화제 : 제2 산화제 : 제3 산화제 유량의 비율 70 : 10 : 20 90 : 10 : 0 80 : 10 : 10 80 : 10 : 10
실험예 1 - 배출가스 저감 및 자가 탈황 효과
본 발명의 일 실시예인 순환유동층 연소 시스템을 이용하여 상기 실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 5 및 7 내지 9의 조건에서 원료의 연소를 실시한 뒤, 스택으로 배출되는 배기가스 내 가스의 농도를 [표 5] 및 [표 6]에 나타내었다.
원료로 바이오매스 사용
실시예 1 비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4 비교예 5
배기가스 내 산소농도 6% 기준 SO2(ppm) 0 0 0 0 0 0
CO(ppm) 80.41 98.34 154.16 224.11 131.87 79.72
NO(ppm) 85.70 115.59 114.79 93.21 97.98 89.67
N2O(ppm) 0 0 0 0 0 0
원료의 산화영역에서의 체류시간 0.3초 이상 0.3초 이상 0.3초 이상 0.3초 이상 0.3초 이상 0.3초 이상
원료로 역청탄 사용
실시예 2 비교예 7 비교예 8 비교예 9
배기가스 내 산소농도 6% 기준 SO2(mg/MJ) 4.1 10.4 14.7 11.7
CO(mg/MJ) 10.0 10.3 7.9 8.6
NO(mg/MJ) 7.4 13.4 8.3 9.3
N2O(mg/MJ) 4.2 11.2 4.6 5.0
원료의 산화영역에서의 체류시간 0.7초 이상 0.7초 이상 0.7초 이상 0.7초 이상
상기 표 5를 참고하면, 원료로 바이오매스를 사용한 경우에는, 다단 연소와 배기가스 재순환을 순환유동층 연소시스템에 적용하지 않은 비교예 1과 비교하여 실시예 1의 CO 및 NO 배출량이 모두 현격히 감소한 것을 확인할 수 있었다. 제1 산화제의 유량이 적고, 제3 산화제 및 재공급되는 배기가스의 유량의 비율이 높은 비교예 2 내지 4의 경우에는, 3차 산화제 공급부의 위치에 관계없이 실시예 1에 비해 CO 및 NO의 배출량 감소 효과가 열위한 것을 확인할 수 있었다. 다른 조건은 동일하나, 3차 산화제 공급부의 형성 위치가 낮은 비교예 5의 경우는, CO의 배출량은 실시예 1과 비슷한 수준으로 감소하였으나, 충분한 환원 영역이 확보되지 않아 NO 배출량의 감소 효과가 실시예 1보다 열위하였다.
원료로 역청탄을 사용한 경우 역시, 다단 연소를 순환유동층 연소시스템에 적용하지 않은 비교예 7과 비교하여 실시예 2의 SO2, CO, NO 및 N2O의 배출량이 모두 감소한 것을 확인할 수 있었고, 특히 SO2의 배출량이 크게 감소한 것으로 보아 자가 탈황 반응이 충분히 일어난 것을 확인할 수 있었다. 제1 산화제의 유량이 많고, 제3 산화제의 유량이 적은 비교예 8 및 비교예 9의 경우에는, 비교예 7과 비교하여 CO, NO 및 N2O의 배출량을 감소시키는 효과가 있으나, NO 및 N2O 배출량 감소효과가 실시예 2에 비해 열위하였다. 또한, 비교예 8 및 비교예 9은 SO2 가스의 배출량이 다단연소를 적용하지 않은 비교예 7보다도 높은 것으로 나타나 자가탈황 반응이 제대로 이루어 지지 않았음을 확인할 수 있었다.
실험예 2 - 연소로 하부 온도 제어 효과
본 발명의 일 실시예인 순환유동층 연소 시스템을 이용하여, 상기 비교예 1 및 비교예 6의 조건에서 원료의 연소를 실시하면서 연소로 높이에 따른 연소로 내부 온도를 측정한 1차 실험 결과를 도 4에 나타내었고, 상기 실시예 1, 비교예 1, 비교예 4 및 비교예 5의 조건에서 원료의 연소를 실시하면서, 연소로 높이에 따른 연소로 내부 온도를 측정한 2차 실험 결과를 도 5에 나타내었다.
도 4를 참고하면, 배기가스 재순환없이 다단 연소만 적용한 비교예 6의 경우, 다단 연소와 배기가스 재순환을 모두 적용하지 않은 비교예 1에 비해 연소로 하부의 온도가 최대 115℃ 가량 높은 것을 확인할 수 있었다. 또한, 도 5를 참고하면, 본원발명에서 제안한 범위의 제1 산화제 : 제2 산화제 : 제3 산화제 유량의 비율과 재공급되는 배기가스의 유량의 비율을 만족하는 실시예 1 및 비교예 5의 경우에는 다단 연소를 적용하지 않은 비교예 1과 연소로 하부의 온도 차이가 거의 없어, 다단 연소를 적용하게 됨으로써 연소로 하부의 온도가 상승하는 문제점을 적정 비율의 배기가스의 유량을 재공급함으로써 해결하였음을 확인할 수 있었다. 실시예 1 및 비교예 5의 3차 산화제 공급부가 형성된 위치가 다르나 연소로 하부의 온도 차이가 크지 않은 이유는, 3차 산화제 공급부가 형성된 위치는 배기가스 배출량에 영향을 미칠 뿐, 연소로 하부의 온도는 제1 산화제 유량 및 재공급되는 배기가스의 유량의 비율에 의해 제어되기 때문이다. 그러나, 재공급되는 배기가스의 유량의 비율이 17%로 높은 비교예 4의 경우에는, 연소로 전체의 내부 온도가 크게 감소하여 원료의 연소가 제대로 이루어 지지 않으므로, 상기 [표 5]에서와 같이 CO 및 NO 가스 배출량의 감소 효과가 열위해 지는 것을 확인할 수 있었다.
본 발명은 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100 : 연소부
110 : 1차 산화제 공급부
120 : 2차 산화제 공급부
130 : 3차 산화제 공급부
140 : 제1 싸이클론
150 : 루프씰
160 : 제2 싸이클론
170 : 제1 송풍팬
200 : 배기가스 정제부
210 : 제1 열교환기
220 : 백 필터
230 : 제2 열교환기
240 : 컨덴서
250 : 제2 송풍팬
260 : 스택
300 : 재순환부
310 : 배기가스 재순환 팬

Claims (13)

  1. 연소 반응이 이루어지는 연소로를 포함하는 연소부;
    상기 연소부로부터 배출된 배기가스를 정제하는 배기가스 정제부; 및
    상기 배기가스 정제부로부터 배기가스 중 일부를 상기 연소부로 재공급하는 재순환부;를 포함하고,
    상기 연소로는,
    하부 일측에 형성되고, 제1 산화제 및 재공급된 배기가스를 공급하는 1차 산화제 공급부;
    상기 1차 산화제 공급부보다 상부의 일측에 형성되고, 제2 산화제 및 원료를 공급하는 2차 산화제 공급부; 및
    상기 2차 산화제 공급부보다 상부의 일측에 형성되고, 제3 산화제를 공급하는 3차 산화제 공급부;를 포함하는, 다단 연소를 이용한 순환유동층 연소 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 산화제 : 제2 산화제 : 제3 산화제 유량의 비율이 65 내지 75 : 5 내지 15 : 25 내지 35인, 다단 연소를 이용한 순환유동층 연소 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 원료는 바이오매스, 석탄, 슬러지, 고형화 연료 또는 이 중 2 이상의 혼합물 중 어느 하나인, 다단 연소를 이용한 순환유동층 연소 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 산화제는 공기 또는 산소인, 다단 연소를 이용한 순환유동층 연소 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 원료가 바이오매스인 경우에,
    상기 연소로 전체 높이 대비 연소로에 3차 산화제 공급부가 형성된 높이의 비율이 0.7 내지 0.9 인, 다단 연소를 이용한 순환유동층 연소 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 원료가 바이오매스인 경우에,
    상기 바이오매스의 산화영역에서의 체류시간은 0.3초 이상인, 다단 연소를 이용한 순환유동층 연소 시스템.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 원료가 바이오매스인 경우에,
    상기 재공급되는 배기가스의 유량의 비율은 하기 [식 1]을 만족하고,
    상기 재공급되는 배기가스의 유량의 비율이 6 내지 10% 인, 다단 연소를 이용한 순환유동층 연소 시스템.
    [식 1]
    재공급되는 배기가스의 유량의 비율(%) = 재공급되는 배기가스의 유량(m3/h)/(재공급되는 배기가스의 유량 + 스택으로 배출되는 배기가스의 유량) (m3/h) x 100
  8. 제3항에 있어서,
    상기 원료가 석탄인 경우에,
    상기 연소로 전체 높이 대비 연소로에 3차 산화제 공급부가 형성된 높이의 비율이 0.5 내지 0.75 인, 다단 연소를 이용한 순환유동층 연소 시스템.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 원료가 석탄인 경우에,
    상기 석탄의 산화영역에서의 체류시간은 0.7초 이상인, 다단 연소를 이용한 순환유동층 연소 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 산화제 및 재공급된 배기가스의 총 유량과 다단연소 및 배기가스 재공급이 이루어지지 않을 경우의 제1 산화제 유량의 차이는,
    다단연소 및 배기가스 재공급이 이루어지지 않을 경우의 제1 산화제 유량의 10% 이내인, 다단 연소를 이용한 순환유동층 연소 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 연소부는,
    상기 연소로의 상부 타측에 그 일측이 연결된 제1 싸이클론;
    상기 연소로의 일측 및 제1 싸이클론의 하부과와 연결된 루프씰(Loop-seal);
    상기 제1 싸이클론의 상부에 그 일측이 연결된 제2 싸이클론; 및
    상기 1차 산화제 공급부 및 상기 루프씰 하부에 연결된 제1 송풍팬;을 더 포함하는, 다단 연소를 이용한 순환유동층 연소 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 배기가스 정제부는,
    제2 싸이클론의 상부에 그 상부가 연결된 제1 열교환기;
    제1 열교환기의 하부에 그 일측이 연결된 백 필터(bag-filter);
    백 필터(bag-filter)의 상부에 그 상부가 연결된 제2 열교환기;
    제2 열교환기의 하부에 그 일측이 연결된 컨덴서;
    컨덴서의 타측에 연결된 제2 송풍팬; 및
    제2 송풍팬과 연결된 스택(stack)을 포함하는, 다단 연소를 이용한 순환유동층 연소 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 재순환부는,
    상기 배기가스 정제부에 연결되어 배기가스의 일부를 1차 산화제 공급부로 공급하는 배기가스 재순환 팬을 포함하는, 다단 연소를 이용한 순환유동층 연소 시스템.
KR1020210127162A 2021-09-27 2021-09-27 NOx 및 CO 배출량을 동시에 저감시킬 수 있는 순환유동층 연소 시스템 KR102539748B1 (ko)

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