KR910007600B1 - 알카리 함유연료의 연소 방법 - Google Patents

알카리 함유연료의 연소 방법 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

[발명의 명칭]
알카리 함유연료의 연소 방법
[도면의 간단한 설명]
도면은 본 발명의 방법이 수행되는 순환 유동상 반응기의 일례를 도시한 것이다.
[발명의 상세한 설명]
[발명의 배경과 요약]
저융점 알카리 조성물(통상 알카리 금속염)을 함유하는 특히 리그나이트와 염성 갈탄과 같은 풍부한 화석 연료가 있다. 그러나 그러한 화석 연료의 극히 일부만 상업적으로 유용하다. 왜냐하면 리그나이트등을 태워 에너지를 얻는 것 어렵기 때문이다. 전형적으로 리그나이트는 보일러의 화상(grate)에서 연소한다. 그러나 이것은 1200-1500℃ 범위의 고 연소 온도를 요하여 연료의 소결을 일으킨다. 이러한 온도에서 황산물과 연화물은 증발하고 로면 및 다른 표면에 응축하여 보일러 열교환 튜브에 퇴적형성을 가속화함으로서 튜브를 부식시키고 열전달을 나쁘게 한다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 보통 로는 가동을 중지하고 열교환튜브로부터 제거하기 힘든 퇴적을 제거해야 한다.
유동상 반응기는 종래의 보일러로에 대하여 많은 잇점이 있는 것을 알려졌으나 과거에는 많은 형태의 리그나이트와 염성 갈탄을 유동상 반응기에서 연소시키는 것은 부 적절한 것으로 간주되었다. 이것은 리그나이트의 알카리가 반응상의 물질과 응괴를 일으키기 때문이다. 연료의 알칼리 금속염의 양이 클수록 응괴 온도가 점점 낮아진다.
종래의 유동상 연소기는 보통 750-950℃의 온도범위에서 반응기 하부는 밀집한 상을 반응기 상부는 엷은 영역을 가지고 비교적 좁은 온도범위에서 작동되었다. 온도가 낮은 말단에서는 연료의 연소가 불충분하고 온도범위의 높은 말단에서는 상물질이 소결하여 응괴를 일으킬 위험이 높다.
국지적인 온도차는 입자의 소결 또는 응집을 유발한다. 특히 유동상 윗부분의 온도는 너무 높게 올라가는 경향이 있으며 상부의 엷은 영역의 냉각은 낮은 열전달 때문에 달성하기가 어렵다.
미국특허 3,901,674에는 종래의 유동상 반응기에서 폐기물 및 저 칼로리 알카리 금속 염화물 함유슬러지를 태우는 것이 제안되었다. 반응기 실리카와 알카리 금속 산화물과 같은 충분한 첨가물의 존재를 보장함으로서 진뜩한 물질이 상에 집적되는 것을 막을 수 있었다. 반응성이 높은 미분 입자가 반응상을 통하여 금방 반응기를 빠져나와 배기가스에 접촉되어 버린다는 이유로 사용할 수 없을때는 비교적 많은 양의 첨가물이 사용되어야 한다. 유동상에 남아 있을 정도로 거친 입자는 덜 효과적으로 과량으로 첨가되어야 한다. 종래의 유동상로에서 연소하는 동안에는 반응기 부하는 국부적인 온도차를 피하기 위하여 비교적 일정하게 유지하여야 한다. 왜냐하면 저온은 연소 공정에 부정적인 효과를 가지고 높은 온도는 입자의 응괴를 유발한다. 특히 고열량의 알카리 함유 연료를 연소시킬 때는 국부적인 과열부위의 응괴를 막기 위하여 매우 많은 양의 첨가제가 사용되어야 한다.
본 발명에 따라 알카리 조성물 즉 리그나이트와 같은 것을 함유하는 연료를 효과적으로 연소시킬 수 있는 오랫동안의 필요성을 해결할 수 있는 방법과 비교적 단순하고 간단한 방법으로 에너지를 회수할 수 있는 방법을 제공한다. 본 발명에서 소위 급속 유동상 반응기로 불리우는 순환 유동상 반응기를 이용함으로서 이러한 것이 달성된다.
본 발명에 따라 반응실과 입자 순환시스템을 통하여 비교적 균일한 온도를 가지는 금속 유동상 반응기를 사용하고 또 반응실에 반응물질을 첨가하여 연료의 저융점 알카리 조성물과 반응하여 연소중에 고융점의 알카리 금속 화합물을 생성함으로서 유동상 반응기에서 저융점 알카리 조성물을 함유하는 고체 연료를 연소시키는 것이 가능하다. 연소중에 생성되는 알카리 금속 화합물은 높은 융점을 가지므로 반응기는 바람직한 온도(약 750-950℃의 범위) 범위에서 융해없이 작동될 수 있다. 이와 같이 상물질의 응괴, 연료의 소결 및 반응기의 작동 부위상의 퇴적물 형성의 증가를 막을 수 있다.
연소 공정에서 활용되는 급속 유동상 반응기는 상향 연소기를 포함하며 본질적으로 수직 벽면을 가진다. 연소실의 저부위 벽면은 내부로 경사져 있고 보통 내화벽으로 만들어진다. 반응기의 상부벽은 튜브벽면으로 되어 있다. 연소실은 연소될 특정 화석 연료를 위하여 하나 또는 그 이상의 입구를 가진다. 반응물질을 위한 입구는 바람직하게는 반응기의 하부에 제공된다. 이차 공기 보급 입구는 주면벽에서 여러가지 높이로 배열될 수 있다. 1차 공기는 보통 연소실 하부의 윈드박스 또는 공기실을 통하여 연소실에 공급된다. 공기는 연소실과 윈드박스 사이에 배치된 그리드판에 노즐과 구멍을 통하여 공급된다. 급속 유동상 반응기에서 공기는 연소실에서 입자를 유동시켜 입자의 대부분이 배기가스와 함께 연소실 바깥으로 이송되도록 노즐을 통하여 충분한 고속으로 공급된다. 가스와 함께 압송되고 고 능률분리기 예를들면 사이클론에 의하여 분리되는 입자의 재순환에 의하여만이 상은 연소실에서 유지될 수 있다. 입자는 반송파이프를 통하여 연소실에 되돌려진다. 연소실의 고체 농도는 실 상부로 갈수록 연속적으로 감소하고 밀집상과 표면부위와 사이에 명확한 경계는 없다.
높은 가스 속도에도 불구하고 연소실의 고체 속도는 비교적 낮다. 급속상 조건은 비교적 높은 고체 농도, 양호한 혼합 및 가스와 고체의 양호한 열전달등이 특징이 있다. 시스템내에 순환하는 많은 입자량, 전 순환 통로, 연소실 분리기 및 반송파이프에서의 양호한 혼합 때문에 시스템을 통한 균일한 온도가 달성된다. 온도는 용이하게 조절되고 입자의 유량 밀도를 변화시킴으로서 시스템을 통하여 적정 범위에서 유지할 수 있다. 과열의 위험과 이에 의한 응괴 또는 입자의 소결은 최소화된다. 연료는 적정 온도 조건때문에 완전하게 연소한다. 시스템내에서 일어나는 반응의 높은 반응 속도가 입자와 가스 사이의 더 효율적이고 적정한 접촉으로 인하여 달성된다. 연료의 알카리는 첨가제와 충분히 반응할 수 있는 시간을 가지고 있다. 첨가제의 필요성은 10-300㎛의 첨가제 입자가 이 시스템에서 사용될 수 있고 배기가스와 함께 압송되는 입자가 연소실로 재순환되는 것이므로 감소한다.
본 발명에 유용한 반응성 물질은 알루미늄, 칼슘, 마그네슘, 규소, 철, 티탄 또는 이들의 둘 또는 그 이상의 혼합물로 구성되는 군으로부터 선택되는 금속산화물 또는 연소중에 산화물로 전환되는 수산화물이다.
산화규소가 사용되면 금속산화물과 함께 사용되는 것이 바람직하다. 보통 충분한 금속산화물이 첨가되므로 연료에서의 금속산화물의 금속과 알카리 금속염의 금속과의 몰비는 적어도 약 1.0이 되도록 첨가된다. 바람직하게는 반응물질은 규소, 알루미늄, 철, 티탄, 칼슘과 마그네슘 전부의 산화물을 포함하고 연료와 순환상 물질과 반응하여 고융점 소듐 화합물을 형성하는 카올린(클레이)을 포함한다. 보통 연료에서 카올린의 알루미늄과 소듐과 포타슘 합계와의 몰비는 적어도 1.0이다.
황을 흡수하기 위하여 반응물질과 함께 석회석을 또한 첨가하는 것이 바람직하다. 또 연료의 연소가 유익한 열 에너지(스팀 에너지, 전기 또는 동등으로 변형될 수 있는)의 생산을 목적으로 하는 것이므로 반응실내 또는 그 표면에 배치된 열 회수장치를 이용하여 반응실로부터 열 에너지를 직접 회수하는 것이 바람직하다. 이러한 열 회수장치는 그 자체가 종래의 것으로서 리그나이트가 연료일때는 열 회수표면의 퇴적 형성으로 과거에는 제한된 용도밖에 없었다. 그러나 본 발명에 따라 열교환튜브의 퇴적 형성이 최소화 된다는 관점에서 이러한 장치는 반응실 자체내에서 효과적으로 이용될 수 있다.
시동후에 본 발명의 급속 유동상은 유동상내에 미사 또는 다른 상-형성 성분을 가지지 아니한다. 시동중에는 약간의 다른 보조적 상물질이 첨가되지만 정상상태에 도달되고나서는 순환상 물질은 주로 리그나이트 연료, 카올린 및 회분을 포함한다. 반응기는 반응실로부터 직접 열을 제거 또는 회수함으로써 연소실의 모든 부분을 750-950℃의 범위에 유지하며 이 온도는 카올린등과 연료중의 알카리 금속과의 연소중 반응으로 형성된 알카리 금속 화합물의 융점보다 낮다.
본 발명의 주된 목적은 저융점 알카리 조성물을 함유하는 연료를 연소하여 열 에너지를 생성 또는 회수하기 위한 간단하면서 효율적인 방법을 제공하기 위한 것이다. 이러한 목적 및 다른 목적은 본 발명의 상세한 설명 및 첨부된 특허청구범위를 살펴봄으로서 명확해질 것이다.
도면에 도시된 순환 유동상 반응기는 현재까지 다양한 연료 즉 석탄, 기름, 폐기물등등을 포함하는 연료로부터 열을 회수하기 위하여 성공적으로 사용되어 오고 있는 가장 기본적이고 전형적인 반응기이다. 그러한 반응기가 리그나이트와 염성 갈탄등등의 저융점 알카리 조성물을 함유하는 연료를 연소하기 위하여 유용되어 왔지만 그러한 연료를 연소시킨 결과는 다른 연료를 사용할때처럼 만족스럽지 못하였다. 특히 상 물질의 응괴 문제, 열 회수 튜브상의 퇴적물 증가가 흔히 야기되었고 이러한 문제가 그러한 연료를 비실용적으로 되게 하였다.
도면의 반응기는 호퍼 1을 포함하고 이 호퍼를 통하여 높은 소듐 함량을 가지는 리그나이트 또는 염성 갈탄이 공급된다. 연료의 공급 스크류 2에 의하여 조절된 속도로 호퍼 1에서부터 혼합실로 공급된다. 연료의 저융점 알카리 조성물과 반응하여 고융점 알카리 금속 화합물을 생성시키는 본 발명의 반응물질이 호퍼 4로부터 공급스크류 5에 의하여 혼합실 3으로 조절된 속도로 공급된다. 석회석은 도면에서 참고번호 5로 도시된 바와 같이 반응실에서 황을 흡수하기 위하여 혼합실 3으로 공급스크류에 의하여 첨가된다.
반응물질은 바람직하게는 입상 고체의 형태로 바람직하게는 알루미늄, 칼슘, 마그네슘, 철 또는 티탄으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 금속산화물(또는 연소중에 산화물로 변하는 수산화물) 또는 규소산화물인 것이 바람직하다. 바람직하게는 반응물질은 그러한 금속산화물 및/또는 규소산화물의 여러가지 혼합물이며 특히 바람직한 것은 상당량의 규소 및 알루미늄 산화물과 또한 약간의 칼슘, 마그네슘, 철, 및 티탄산화물을 함유하는 카올린(클레이)이다.
혼합실 3에는 종래의 순환 유동상 반응기 7의 사이클론 분리기에서 분리된 고체 입자들이 또한 첨가된다. 연료의 연소는 반응기 7의 반응실에서 일어나고 배기가스는 생성되어서 배기닥트 8을 통하여 반응실 7'를 빠져나간다.
고체 입자 연료, 반응물질 석회석의 혼합물 및 입자는 재순환 입자를 위한 회수파이프인 닥트 9를 통하여 반응실 7'의 하부로 전달된다. 송풍기 10 또는 유사한 장치가 공기를 생성하여 1차 및 2차 공기가 도관 11, 12 각각을 통하여 반응실 7'에 가하여지도록 이용된다. 적어도 하나의 가스윈 11, 12가 연료와 반응하는 산소를 함유하는 가스를 포함한다. 가스는 고체 물질상을 유동화하고 많은 양의 물질이 반응실 7', 사이클론 분리가 6, 다시 도관 9로 끊임없이 순환하도록 한다. 이와 같이 반응되지 않은 반응물질(예 카올린)은 회수됨으로써 사용되는 반응물질의 양을 최소화한다.
반응기 7을 시동중에는 모래, 또는 유사한 불활성 상물질인 반응실 7에 도입된다. 그러나 일단 정상 상태가 확립되면(즉 시동후) 더이상의 상물질이 도입되지 않고 정상상태의 순환상은 주로 고체연료입자, 카올린 및 회분을 포함한다.
배기가스는 사이클론 분리기 6을 통과한 후에 연도가스 필터 13을 통과하며 여기서 회분(ash)는 가스로부터 분리된다. 회분은 처분되고/거나 적어도 회분의 일부는 도관 14를 통하여 혼합실 3으로 재순환된다. 송풍기 10은 회분을 혼합실 3에 운반하기 위하여 공기를 공급한다.
리그나이트 또는 갈탄을 연소하는 목적은 유용한 열 에너지(궁극적으로 스팀 또는 전기의 형태를 가지지만)를 회수하는 것이 목적이므로 반응실 7'의 벽면 16 또는 그 내부에 배치된 열 전달 표면 15를 제공하는 것이 바람직하다. 바람직하게는 사이클론 분리기 6과 여과기 13 사이에 배치된 종래의 대류 보일러를 이용하여 연도가스로부터 열을 회수한다.
순환상 반응기 7에서 많은 유량의 순환물질이 유지되고 이것은 반응실 7' 전체에 본질적으로 일정한 온도를 유지하게 하고 내부의 최고 온도가 반응성 물질과 연료의 알타리 조성물과 연소중에 반응하여 생성되는 알카리 금속 화합물의 융점보다 더 낮게 반응기가 운전되도록 보장하는데 유용하다. 보통 반응기는 750-950℃의 온도, 최적 온도로서는 865℃의 온도로 운전된다. 카올린과 같은 미반응물질 뿐만 아니라 연소된후 연도가스에 포함된 연료가 사이클론 분리기 6으로부터 효율적으로 회수하고 혼합실 3과 슈트 9를 통하여 재순환된다. 공급스크류 2와 3은 재순화 연료 및 반응물질에 따라 반응실 7'의 온도를 조절하기 위하여 조절된다. 또한 연료의 반응물질은 금속산화물의 금속대 알카리 금속염(예를들면 Na와 N) 금속과의 비를 적어도 약 1.0이 되도록 조절된다. 또한 반응실 7'에 공급되는 산소함유 가스의 양과 열 회수장치 15를 통하여열회수액체량 또는 다른 인자는 반응실 7'의 온도를 원하는 수준으로 유지하기 위하여 조절된다.
[실시예]
도면에 예시된 순환 유동상 반응기의 파일러트 플랜드에서 카올린의 존재하에 염성 갈탄을 연소시켰다.
연료 및 반응물질의 대표적 샘플이 분석되었다. 다음 분석이 얻어졌다.
Figure kpo00001
모래는 반응기에 출발물질로서 도입되고 운전중에는 순환상은 주로 갈탄, 카올린 및 회분으로 구성된다. 연료 및 첨가제의 유량과 A1/(Na과 K)의 비는 변화한다. 반응기 7에서의 온도는 약 865℃에서 유지되고 본 질적으로 실 7' 전체를 통하여 균일하다. 반응실은 반응실 내부에 배치된 열전달튜브 15에 의하여 냉각된다. 상 물질의 응괴와 열회수 표면상의 소결이 A1/(Na와 K)의 몰비가 1.0 또는 그 이상일때 일어나지 않는다.
따라서 본 발명에 따라 저융점 알카리 조성물을 가지는 연료를 효과적으로 연소시키고 유동상 반응기에서 상물질의 응괴, 연료의 소결 또는 작동부위(특히 열전달표면)상에 퇴적형성의 증가를 일으키지 않고 열 에너지를 생성하고 회수하는 것이 가능하다는 것이 알려졌다. 가장 바람직하고 실질적이라고 현재 인식되는 것에 대하여 여기에 설명하고 예시되었지만 본 발명의 범위내에서 많은 변형이 가능하다는 것은 본 기술분야에 종사하는 사람에게는 자명한 것이다.

Claims (4)

  1. a) 연소가 유동상에 일어나고 고체 입자를 함유하는 뜨거운 배기가스가 반응실로부터 방출되도록 저융점 알칼리 조성물을 함유하는 고체 연료와 산소함유 가스를 유동상에 도입하고, b) 반응실에서 방출되는 배기가스에서 분리된 고체 입자를 유동상의 일부를 형성하기 위하여 반응실로 재순환시키고, c) 반응실내로 연료의 저융점 알카리 조성물과 연소중에 반응하여 950℃ 이상의 고융점 알카리 금속 화합물을 생성시킬 수 있는 반응물질 및 연료를 도입하고, d) 반응실의 모든 부분의 온도를 750-950℃ 범위에서 유지하여 상물질의 응괴, 연료의 소결과 유동상로의 작동부위에 대한 퇴적 형성의 증가를 피하도록 반응실내로 산소와 연료를 가하는 것 및 연소온도에 영향을 주는 다른 인자를 조절하고, e) 반응실 표면 또는 내부에 배치된 열회수표면을 사용하여 반응실로부터 직접 열 에너지를 제거하고 회수함으로서 단계(d)를 실시하여 고체 연료를 급속 유동상 반응기에서 연소시키는 것을 특징으로 하는 열 에너지를 생성하고 회수하기 위한, 리그나이트와 염성 갈탄으로 구성되는 군에서 선택된 고체연료를 연소시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 반응물질은 고체 입자 형태로 반응실로 도입하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 연료와 반응물이 이들을 반응실로 가하기 전에 함께 혼합하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 연료내에 함유된 알칼리 조성물이 소듐과 포타슘염을 함유하고, 충분한 카올린이 AL/(Na와 K)의 몰비가 적어도 1.0이 되도록 첨가하고 단계(b)의 실시에 있어서 미반응 카올린 입자를 분리하고 재순화시키는 것을 특징으로 하는 방법.
KR1019890700341A 1987-06-24 1988-06-22 알카리 함유연료의 연소 방법 KR910007600B1 (ko)

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