KR910006270B1

KR910006270B1 - 입자형 연료의 연소방법

Info

Publication number: KR910006270B1
Application number: KR1019840003593A
Authority: KR
Inventors: 무어 콜린; 폴 젠킨스 데이비드
Original assignee: 더 비오씨 그룹 퍼블릭 리미티드 캄파니; 원본미기재
Priority date: 1983-10-05
Filing date: 1984-06-25
Publication date: 1991-08-19
Also published as: KR850003971A; ZA844339B; US4577567A; AU579104B2; GB8326685D0; JPS6078212A; AU2978284A

Abstract

내용 없음.

Description

입자형 연료의 연소방법

제1도는 미분탄과 물로 구성된 조성물을 연소시키기 위한 본 발명에 따른 버어너의 일부를 절개 표시한 측면도.

제2도는 제1도에서 보인 버어너의 정면도.

제3도는 본 발명에 사용하기 위한 석탄-물 조성물의 혼합장치를 보인 다이아그램.

제4도는 본 발명에 따른 방법에 의하여 생성된 석탄-물 조성물의 불꽃의 특징을 보인 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

2 : 버어너 6 : 노즐

16 : 통로 18 : 통로

28 : 통로 34 : 보조통로

본 발명은 연소방법과 연료 버어너에 관한 것으로, 특히 수성 운반매질내의 입자상연료, 특히 미분탄의 연소에 관한 것이다.

종래 석탄의 연소를 지속시키기 위하여 공기를 사용하는 수성운반매질내의 미분탄을 연소시키는 것이 공지되어 있다. 비록 다량의 과잉공기가 사용된다 하더라도 공기가 어느정도 예열되지 않으면 이상적인 석탄 연소를 위하여 미분탄-수성운반매질 혼합물에 75중량%정도의 석탄이 사용되어야 한다. 석탄함량이 이렇게 높은 경우 석탄-수성운반매질 혼합물을 버어너로 수송하기 어려우며 하나이상의 특별한 고압펌프장치나 특별한 분쇄장치를 필요로 하게된다. 또한 수성운반매질에서 부유된 상태의 석탄을 용이하게 수송하기 위하여 수성운반매질에 유화제나 안정제와 같은 첨가물이 첨가될 수 있다. 어느방법이 좋든간에 상당한 추가경비가 소요되기 마련이다. 예를 들어 공기를 예열하는 경우 연소기체생성물과 공기의 열교환을 위하여 대형의 열교환기가 필요하게 된다.

본 발명자들은 공기 대신에 시중에서 구할 수 있는 순수산소를 이용하여 미분탄을 물에 부유시킨 상태에서 연소를 지속시킬 수 있는 실험을 수행하여 왔다. 본 발명자들은 두가지 놀라운 결과를 얻었다.

첫째로, 시중에서 구할 수 있는 입자크기의 미분탄이 물에 부유된 상태인 조성물을 연소시킬 수 있도록 처리하였으며, 이 조성물은 단지 60중량%의 석탄만을 포함하였다. 조성물을 용이하게 펌프하기 위하여 여기에 유화제를 첨가하거나 특수한 고압펌프장치를 사용하는 것이 불필요하였다.

둘째로, 물을 분무함으로서 전형적인 연료유-산소불꽃과 같은 불꽃, 즉 비교적 짧고 강렬한 불꽃을 얻을 수 있었다. 이들 두 결과는 산소 또는 산소를 풍부히 함유한 공기를 예열하지 않고 얻어진 것이다.

본 발명의 첫 번째 측면에 있어서, 입자상 연료의 연소방법이 제공되는 바, 이 방법은 50-70중량%의 입자상 연료와 30-50중량%의 수성운반매질로 구성되고 용이하게 펌프하기 위한 유화제나 윤활제없이 펌프될 수 있는 조성물을 연소지역으로 공급하고 분무하는 단계와 순수산소 또는 산소가 풍부하게 함유된 공기를 연소지역으로 공급하여 입자상 연료의 연소를 지속시킬 수 있도록 하는 단계로 구성된다.

입자상 연료를 연속하여 연소시킴으로서 가열되는 연소실내의 온도가 어떤 선택된 온도에 이를때까지 조성물을 분무함으로서 산소-오일불꽃과 유사한 온도구배의 불꽃을 얻을 수 있다. 이러한 분무작업은 연소지역의 상류측에서 수행되는 것이 좋다.

입자상 연료는 미분탄이다. 이에 관련하여 ＂석탄＂이라 함은 그 범위내에 무연탄, 역청탄 및 갈탄등을 포함한다.

산소 또는 산소를 풍부하게 함유한 공기를 어느정도까지 예열할 필요가 없다. 즉 기체상 연소생성물과 열교환하여 산소 또는 산소를 풍부하게 함유한 공기의 온도를 상승시킬 열교환기를 사용할 필요가 없다. 전형적으로 산소 또는 산소를 풍부하게 함유한 공기는 주위온도에서 연소지역으로 공급되며 상기 혼합물도 주위온도에서 공급된다.

조성물에서 석탄의 비율은 이 혼합물이 용이하게 펌프되도록 하는 유화제 또는 다른 화학제나 윤활제없이 용이하게 펌프될 수 있도록 선택된다. 일반적으로 55-65중량%의 석탄, 특히 60중량%의 석탄과 나머지는 물로 구성되는 혼합물이 적합하다.

석탄은 전형적으로 입자상 크기의 범위에서 조성물에 존재한다. 적당한 역청탄 조성물은 73.6중량%가 메쉬크기가 75미크론(200메쉬)인 스크린을 통과하며, 그리고 메쉬크기 40미크론의 스크린을 통과하는 40.7중량%의 역청탄을 포함한다. 1961년 런던 트라팔가 스퀘어 그랜드 빌딩 201에 소재하는 The British National Committe, World Power Conference에서 발행된 1961년 제6판 ＂Spiers Technical Data on Fuel＂에서는 300페이지에 전형적인 분말 역청탄 조성물로서 75미크론 메쉬크기(200메쉬)의 스크린을 통과하는 70％의 역청탄 입자가 인용되어 있다. 본 발명에 있어서 전형적인 조성물은 사용하기에 적합한 것으로 이미 언급되고 있으며 75미크론 메쉬크기의 스크린을 통과하는 60중량%이하의 입자를 함유한 것보다 더 미세하다. 이는 비교적 거칠게 분쇄된 조성물이다. 상기 언급된 입자크기의 범위는 본 발명에 따른 방법을 수행토록 사용된 버어너와 함께 현장에서 사용될 수 있는 통상의 간단한 습식분쇄장치에 의하여 얻을 수 있다.

조성물은 이에 분무제를 주입하여 분무하는 것이 좋다. 이 분무제는 비응축성 가압유체가 좋다. 예를 들어 압축공기가 분무제로 사용될 수 있으며 버어너의 상류측에서 상기 조성물내로 주입될 수 있다. 또한 분무제로서 순수산소 또는 산소가 풍부하게 함유된 공기가 사용될 수 있으며 연소지역에 공급된 산소 또는 산소가 풍부하게 함유된 공기의 일부가 이러한 목적을 위하여 사용될 수 있다.

본 발명에 사용하기 위한 버어너는 비교적 간단한 구조로 되어있다. 전형적으로 이 버어너에는 외갑체(냉각 재킷을 갖는)와 외갑체의 출구말단이나 근처에 위치한 헤드나 노즐을 구비한다. 노즐은 상기 조성물이 통과할 내부통로를 한정하고 산소 또는 산소가 충분한 공기를 위한 별도의 통로를 구성하거나 이러한 목적을 위한 하나이상의 통로를 외갑체와 함께 형성할 수 있다. 노즐의 선단부는 외갑체 선단부와 동일평면상에 놓이거나 외갑체내에서 고정될 수 있다.

만약 필요한 경우 버어너에는 적당한 불꽃이 용이하게 생성될 수 있도록 버어너 가동시에 연소할 수 있는 보조 유체연료의 공급을 위한 통로도 설치한다. 상기 보조연료로서 프로판이 사용될 수 있다. 보조연료를 위한 통로는 버어너의 노즐을 통하여 형성될 수 있다.

구체화된 버어너에 있어서, 노즐은 말단부에서 산소 또는 산소가 풍부하게 포함된 공기를 위한 통로와 소통되고(또는 하나이상의 산소 또는 산소가 풍부하게 포함된 공기통로가 제공된 경우 이러한 통로와 함께) 다른 말단부에서 상기 조성물을 위한 통로와 소통된 통로를 갖추어서 결과적으로 산소 또는 산소가 풍부하게 포함된 공기의 일부가 혼합물을 위한 통로로 전환되어 그물을 분무하도록 한다. 전형적으로 5-10부피%의 산소 또는 산소가 풍부하게 포함된 공기가 전환될 수 있다.

또한 본 발명은 통과 입자상 연료로 구성된 조성물을 연소시키기 위한 입자상 연료 버어너를 제공하며, 이 버어너는 노즐, 이 노즐을 향하여 혼합물이 운반될 통로, 순수산소 또는 산소가 풍부하게 포함된 공기가 운반될 통로와 또한 산소통로와 조성물 통로 사이를 소통시키기 위한 보조통로를 포함함으로서 버어너 운전시에 산소 또는 산소가 풍부하게 포함된 공기가 조성물 통로내에 유도되어 조성물을 분무시키도록 한다.

본 발명을 첨부된 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

첨부된 도면에서, 버어너(2)는 외갑체(4)와 노즐(6)을 갖는다. 이 노즐(6)은 외갑체(4)와 동축 배열하여 버어너 선단부(14) 방향으로 확장된 재두 원추형 최내측부(8), 중앙의 원통형 부분(10)과 버어너 선단부(14)의 방향으로 수축된 재두원추형 최외측부(12)로된 하나의 동체이다.

노즐(6)과 외갑체(4) 사이에는 순수산소 또는 산소가 풍부하게 포함된 공기를 위한 환상통로(16)가 있다.

노즐(6)은 물과 미분탄으로된 조성물이 운반될 축방향통로(18)를 갖추었다. 도관(20)이 통로(18)에 삽입되고 노즐(6)과 버어너(2)의 배면판(22)사이로 확장한다.

배면판(22)에는 연결수단(24)이 구비되어 있다. 석탄-물 슬러러, 즉 조성물을 도면에는 없는 수단으로 도관(20)과 계속해서 노즐(6)의 통로(18)에 공급할 수 있다. 외갑체(4)에도 연결수단(26)이 구비되어 있어 산소 또는 산소가 풍부한 공기가 버어너의 외부로부터 들어와 외갑체(4)의 내부와 계속하여 통로(16)를 통과할 수 있다.

노즐(6)은 비교적 좁은 통로(28)를 가지며 이 통로는 중앙의 통로(18)와 평행하게 연장되고 프로판 또는 다른 연소성 유체의 공급을 위한 도관(30)이 삽입되어 있다. 도관(30)은 연결수단(32)이 구비된 배면판(22)에 삽입되어 있으므로 이 도관(30)을 프로판 공급원(도시하지 않았음)에 연결할 수 있다.

또한 노즐(6)은 통로(16)와 통로(18)사이의 소통을 위한 보조통로(34)를 갖추어서 산소가 통로(16)에서 통로(18)로 흘러 통로(8)에 공급된 물을 미분탄과 함께 분무토록 한다.

일반적으로 노즐(6)은 구리로 되어 있으며 외갑체(4)에 대하여 열전도성이 양호하다. 노즐(6)은 외갑체(4)의 내면에 지지되도록 그 원통형 부분(10)의 주변에 동일한 간격을 둔 3개의 돌출부(36)를 구비하고 있다. 전형적으로 외갑체(4)에는 재킷(도시하지 않았음)이 구비되어 있어서 공기 또는 물과 같은 냉각제가 순환하여 버어너(2)가 사용중 과열되는 것을 방지한다.

노즐(6)의 노출단부는 외갑체(4)의 단부와 동일평면상에 있거나 외갑체(4)에 대하여 삽입될 수 있다.

버어너(2)에는 이 버어너(2) 운전시 연료를 연소시키기 위한 수단(도시하지 않았음)이 제공되어 있다. 이러한 수단은 연소 기술분야에 공지된 것이므로 상세한 설명은 않기로 한다.

운전시에는 유화제 없이 물에 부유되어 있는 미분탄으로 구성된 조성물이 도관(20)을 통하여 통로(18)에 공급 및 분무되고 통로(18)를 통하여 버어너 불꽃(도시하지 않았음)속으로 보내어진다. 실온에서 순수한 산소가 압력하에 외갑체(4)내로 보내어지며 통로(16)를 통하여 초음속으로 방출되어 버어너 불꽃속으로 보내어지고 여기에서 미분탄의 연소가 지속되게 한다. 외갑체(4)로 공급된 5-25부피%의 산소가 통로(34)를 과하고 통로(18)를 통과하는 물-석탄 조성물의 흐름내로 보내어진다. 통로(34)를 지나는 산소의 운동에너지는 상기 언급된 바와 같이 물을 분무하는데 충분하다.

본 발명에 따른 방법의 수행에 있어서 필수적인 것은 아니지만 분무제로서 산소가 사용될 수 있다. 다른 방법으로서 미분탄이 버어너(2)에 공급될때에 실온에서 물-석탄 조성물에 압축공기를 공급할 수 있다. 물에서 응축되지 않는 다른 가압유체가 공기 대신에 사용될 수 있다.

물-석탄 조성물은 60중량%의 미분탄과 40중량%의 물로 구성된다.

미분탄의 입자가 버어너(2)를 떠나 불꽃속으로 보내어질 때에 이들은 다음과 같은 연속과정을 거치게 된다.

첫째로, 불꽃의 열 때문에 주위의 물이 수증기로 전환된다.

둘째로, 온도가 상승하게 됨에 따라서 휘발성 물질이 석탄으로부터 방출되고 통로(16)에서 불꽃속으로 공급된 산소분자의 존재하에 이들 휘발성 물질이 연소된다. 통로(34)를 통하여 공급된 산소가 석탄입자와 근접하게 접촉되도록 함으로서 휘발성 물질의 연소를 용이하게 하는 것으로 믿어진다.

셋째로, 석탄의 탄소성분이 연소한다. 종래적인 연소반응에서 산소나 산소가 풍부하게 포함된 공기 대신에 공기만을 이용하여 물-석탄 조성물을 연소시킴에 있어서는 연소과정이 제2연소과정(석탄으로부터 방출된 휘발성 증기의 연소)으로부터 제3연소과정(탄소의 연소)으로 진행된다. 그러나 공기 대신에 산소가 적용될 때에는 상기 제2 및 제3과정이 연속적이 아닌 동시에 진행되리라고 추측하지만 이러한 가정으로 본 발명의 범위가 제한되는 것은 원치 않는다.

미분탄의 입자가 불꽃을 통하여 전진할 때에 이들 온도는 최대치에 이르며 이들이 비교적 소량의 탄소만을 함유한 재의 형태로 불꽃에서 벗어나기전에 다시 온도가 떨어진다. 실제로 물-석탄 조성물의 연소를 위하여 공기를 사용하는 경우 남게되는 것보다 적은 탄소함량의 재를 남기는 것이 가능함을 발견하였다. 또한 산소-중유버어너에 의하여 생긴 것과 비교될 수 있는 비교적 짧은 불꽃을 얻을 수 있었다. 이러한 결과는 60중량%의 미분탄을 포함하는 부유혼합물을 연소시킬 때에 얻을 수 있었다.

실제로 미분탄의 연소에 소요되는 모든 산소분자는 버어너(2)로부터 공급된다.

산소 또는 산소가 풍부하게 포함된 공기는 석탄의 완전한 연소를 위하여 요구량의 90%-110％로 공급한다.

실제로는 산소가 풍부하게 포함된 기중의 질소가 석탄의 완전연소를 방해하는 경향이 있으므로 미분탄을 연소시키기 위하여는 산소가 풍부하게 포함된 공기보다는 순수산소를 사용하는 것이 좋다.

버어너 운전을 시작할 때 안정된 불꽃을 쉽게 얻을 수 있도록 프로판이 도관(30)을 경유하여 통로(28)에 공급된다. 필요한 경우 이 프로판의 공급은 화염온도가 700℃정도에 이르렀을 때에 중단할 수 있다. 이 경우 프로판 공급에는 약 5-500초 정도가 소요된다.

본 발명에 따른 방법의 잇점은 예를 들어 첨부도면에서 보인 바와 같은 비교적 간단한 구조의 버어너가 사용될 수 있다는 점이다. 특히 통로(18)가 비교적 넓으므로 입자상 연료에 의한 방해를 피할 수 있다.

만약 필요한 경우 버어너(2)는 내화내벽을 갖는 카울(cowl)이나 노(furnace)의 코울(quorl)속에서 점화하도록 할 수 있다.

버어너(2)에 프로판을 공급하기 위한 통로(28)와 이에 연결된 도관(30) 및 연결수단(32)이 필수적으로 설치될 필요는 없다. 필요한 경우 버어너의 가동시작시에 안정된 불꽃을 얻기 위하여 별도로 프로판을 공급할 수 있는 것으로 이러한 구조는 필수적인 것은 아니다.

제3도는 미분탄과 물로 구성된 혼합물을 얻기 위한 장치를 보인 것이다.

석탄더미(40)는 스크린장치(42)에 의하여 걸러진다. 이 스크린을 통과한 입자는 곧바로 습기분쇄기(44)로 보내어진다. 스크린에 남아있는 것은 죠오크랏셔(jaw crusher)(46)로 보내어진다음 습식분쇄기(44)로 공급된다. 펌프(48)는 석탄더미(40)로부터 물과 혼합된 석탄분말을 흡인하여 이를 습식분쇄기로 펌프한다. 만약 필요한 경우 석탄부스러기등이 이 혼합물에 첨가될 수 있다.

요구된 슬러리 또한 혼합물을 얻기 위하여 충분한 양의 물이 분쇄기(44)에 공급된다. 이 슬러리는 본 발명에 따라서 연소되도록 버어너장치(52)에 펌프(50)로 공급된다.

만약 필요한 경우 유량을 조절할 목적으로 일부의 슬러리를 펌프(50)의 흡인방향으로 재순환하게 할 수 있고 다른 일부는 석탄분말의 입자를 동반하도록 하기 위하여 석탄더미(40)로 재순환시킬 수 있다.

또한 석탄의 연소로 생성된 재의 화학조성을 변경시키기 위한 용제가 습식분쇄기의 슬러리 상류축 또는 하류측에 공급될 수 있다. 이는 영국특허 제2,099,132A호에 상세히 기술되어 있다.

본 발명에 따른 실시예는 다음과 같다.

[실시예]

40중량%의 물과 60중량%의 거친 역청탄 분말입자로 조성물을 구성하였다. 거친 역청탄 분말입자의 크기는 73.6중량%가 메쉬크기 106의 스크린을 통과하고, 57.8중량%가 메쉬크기 75의 스크린을 통과하였으며 40.7중량%가 메쉬크기 40의 스크린을 통과하는 범위였다. 사용된 석탄은 역청탄 701로 분류되었으며 열량은 32.54OKJ/kg, 휘발물질의 함량은 35.4중량%, 재는 4.6중량%이고 습기(DAF) 함량은 0.8중량%이었다.

이 혼합물은 통로(30)와 같은 파일럿 불꽃 형성을 위한 내부통로가 사용되지 않고 또한 통로(34)와 동일한 통로가 사용되진 않은 것을 제외하고는 제1도 및 제2도에서 보인 바와 유사한 버어너를 사용하여 연소하였다. 그대신에 외부 프로판 파일럿 불꽃과 공기분무(산소분무 대신에)가 이용되었다. 버어너는 직경 0.91m, 길이 3.66m의 화염터널에 설치되었다. 이 버어너는 수평에서 30°의 각도로 하향 경사지게 설치되었다.

터널벽에서 최대온도가 1480℃인 불꽃을 얻었으며 제4도에 도시된 바와 같았다. 이러한 형태로부터 비교적 거칠게 분쇄된 60중량%의 석탄을 포함하는 석탄-물 혼합물을 사용하여 2000℃이상의 불꽃온도를 얻을 수 있으리라고 추측된다. 이 불꽃은 길고 느리며 밝게 빛나지 않음을 특징으로 하는 공기-오일불꽃과 또한 공기-미분탄 불꽃에 비교할 때 짧고 강렬하며 강한 빛을 내었다.

정상 상태에서 제4도에서 보인 바와 같은 형태의 불꽃을 얻기 위하여 40중량%의 물과 60중량%의 석탄조성물이 2.0kg/분의 속도와 15℃의 온도로 버어너에 공급되었으며, 순수산소가 2.16m³/분의 속도로 공급되고 또한 0.36m³/분의 속도로 공기를 분무하였다. 점화와 안정된 불꽃을 얻기 위하여 프로판 파일럿 불꽃이 사용되었다. 처음에 이 프로판은 전체 열에너지의 30%를 공급하도록 하는 속도로 공급되었다. 벽의 평균온도는 4분후에 53℃에 이르렀으며 프로판이 공급되는 속도를 반으로 줄이고 벽의 평균온도가 730℃(약7분후)에 이르렀을 때 프로판의 공급을 중단시키고 파일럿 불꽃을 꺼버렸다.

Claims

50-70중량%의 입자형 연료와 30-50중량%의 수성운반매질로 구성된 조성물을 연소지역에 공급하고 분무하는 단계와 또한 연소지역에 순수산소 또는 산소가 풍부하게 함유된 공기를 공급하여 입자형 연료의 연소를 지속시키는 단계로 구성됨을 특징으로 하는 입자형 연료의 연소방법.
제1항에 있어서, 입자형 연료가 석탄이고, 수성운반매질은 물이 것을 특징으로 하는 방법.