KR920000600B1 - 낮은 b.t.u./고함량 수분을 포함하는 연료의 연소방법 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

낮은 B.T.U./고함량 수분을 포함하는 연료의 연소방법
제1도는 목재 폐기물(호그 연료)을 연소시키기 위한 종래 사용되는 연소로를 나타내는 개요도.
제2도는 본 발명에 의해 변형된 동일한 연소로의 개요도.
제3도는 제2도의 본 발명의 로내에서 일차공기에 공급되는 산소를 조절하는 한 가지 방법을 나타내는 개요도.
제4도는 제3도의 조절작업을 실시할 때의 레코더 스트립을 나타낸 개요도.
본 발명은 낮은 B.T.U.와 고함량의 수분을 함유한 연료 연소공정과 관련한 것이다. 특히 이같은 연료의 연소속도를 증가시키기 위해 산소를 사용하는 방법에 관한 것이다.
낮은 B.T.U.와 높은 함량의 수분을 포함하는 바이오매스 물질은 통상 펄프 및 제지 산업분야에서 다량 발생한다. 이같은 물질의 일종은 호그 연료(hog fuel)로 공지된 목재 폐기물이다. 본 발명은 이같은 바이오매스 물질 모두에 적용시킬 수 있으나 특정 참고용으로 호그 연료에 대해 설명하기로 한다.
목재 폐기물(호그 연료)의 용도는 낮은 원가와 입수 용이성 때문에 펄프 및 제지 설비에서 스팀을 제조하는 경제적인 수단으로 그 이용성이 고려되어 오고 있다. 매우 값비싼 화석 연료의 사용을 최소화 하기 위해 목재 연소 보일러를 갖고 있는 펄프 밀(mills)이 가능한 많은 호그 연료를 연소시키기 위해 사용되고 있다
현재 호그 연료를 연소시키기 위한 4가지 공지방법은 다음과 같다;
a) 불받이 소각(grate firing)
b) 불받이 소각과 함께 부유 소각
c) 부유 소각
d) 분쇄 및 건조 부유 소각
본 발명을 설명하기 위해 상술한 방법중 한가지를 적용하여 기술하기로 하나 이는 특정 소각 방법으로 본 발명을 제한하려는 것은 아니다. BTU와 높은 수분함량의 연료에서 빈발하는 문제점은 하기와 같은 미합중국 특허에 논의 되어 있다;
1980.11.25 특허 허여된 스퍼렐(spurrell)의 4,235,174
1981.12.17 특허 허여된 로텐슈레거(Lautenschlager)의 4,250,820
1982.12. 7 특허 허여된 래스토기(Rastogi)등의 4,362,269
1983. 3.22 특허 허여된 콜자(Kolza)등의 4,377,117
상기 문헌은 상기한 물질을 연소시키는데 존재하는 문제점을 극복하려는 시도로 이용된 유용한 연료 및 다양한 방법이 기술되어 있다. 이들 방법은 연료의 예비건조(Spurrell), 연소공기의 단계별 투입(Lautenschlager와 Rastogi) 및 개선된 불받이에 관한 사항(Kolza)등이 있다. 이들 각각 및 여러 다른 해결책은 연소공정을 실시하는데 원가상승의 요인이 되며, 이들 모두 본 공정에서 경험되는 모든 난제를 모두 해결할 수 없다.
농축 공정공기는 낮은 B.T.U.와 높은 수분함량을 갖는 연료를 산소농도 효과에 의해 연료의 반응속도를 증가시킴에 충분한 양으로 산소를 사용함으로써 연소시키는데 이용되며, 차례로 연소온도를 증가시켜 연료연소속도를 증가시킴으로써 펄프 및 제지 설비내에서 화석 연료 대신에 목재 폐기물을 사용하여 스팀을 제조할 수 있도록 한다.
제1도에 있어서, 본 도면은 호그 연료 보일러의 개요도를 나타내고 있다. 호그 연료(목재 폐기물)는 마루 또는 불받이 상부로 약 15-20피트 위의 보일러내로 취입된다. 공기는 불받이(grate)상에 위치한 탄소잔류물을 통과하여 취입되며, 또한 불받이 상부 대역내로 직접 취입되기도 한다. 정상 조건하에서 목재 폐기물은 건조되고 열분해되며 최종적으로 탄소 잔류물이 되어 불받이를 향해 떨어진다. 열분해 생성물 및 차르(char)는 만일 연소로 저부내의 온도가 충분히 높으면 공기와 접촉시 반응(연소)할 것이다. 이 반응이 발생하는 속도는 온도, 산소농도 및 다른 인자의 함수로서 결정된다. 방출되는 에너지는 물이 순환하는 튜브나 내화물로 라이닝된 로의 벽면으로 방사된다. 물은 연소로의 상부영역내에서 스팀으로 전환되며 후속공정에 사용된다. 호그 연료의 연소에 의해 생산되는 것 보다 더 많은 스팀이 필요할 때는 보조 오일버너가 점화되어 부가적인 필요량의 에너지를 제공하도록 되어있다.
제1도에 도시한 대로, 호그 연료(나무껍질, 목재칩, 톱밥 및 다른 목재 폐기물)는 연소가 발생하는 대역의 상부에서 연소로내로 투입된다. 호그 연료중의 물은 연료 연소 이전에 증발된다 그 후 호그 연료는 열분해가 발생하는 대역으로 하강한다. 열분해 생성물이 연소되고 호그 연료의 열분해 이후 남은 차르는 불받이상에 떨어져 연소되며, 이로써 목재 폐기물의 연소에서 발생하는 단계가 완결된다. 100% 불받이 소각에 의해 목재는 건조되고 블받이 상에서 열분해되어 형성된 열분해 생성물은 목재 폐기물 베드 상부에서 연소된다.
본 발명은 불꽃 온도를 증가시키고 이로써 ⑴ 방사열전이를 증가시키며, ⑵ 바이오매스 연료 공급재료에 의해 흡수되는 에너지비 빛 건조속도를 증가시키며, ⑶ 열분해 생성물 형성율(즉 전체 질량 퍼센트, 휘발성성분)을 증가시키며, ⑷ 연소속도를 증가시키는 것을 목적으로 한다. 제2도에 개요적으로 나타낸 바와 같이 본 발명은 제1도에 도시한 종래 기술의 시스템에 산소를 첨가 공급함으로써 이룩된다. 구체적인 산소의 첨가는 ⑴ 연료의 가열, 건조 및 열분해 후와 연료로부터 발생된 휘발성 성분의 연소 후에 남은 탄소 잔여분(차르)을 연소시키는데 이용되는 일차공기에 실시되며, ⑵ 다공성 차르 잔여분상의 영역에 공급되는 이차공기에 실시된다. 또한 본 발명은 연소 대역내의 산소농도를 증가시키며, 그로 인해 열분해 연소비 및 고체탄소 연소비 모두를 증가시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명을 더욱 명료하게 설명하기 위해 호그 연료 연소에 포함된 본 공정의 각 단계를 간단히 기술한다.
호그 연료의 특성 및 원료는 상술된 특허에 기술된 것들이며, 이 문헌은 본 특허출원의 참고 문헌으로 기술한다. 제1도 및 제2도에 도시한 장치에서 호그 연료는 마루에서 약 15-20피트 높이에 있는 연소로 내로 취입된다. 목재는 중력으로 인해 차르 베드가 형성되어 있는 다공성 불받이를 향해 떨어지며, 차르 베드는 통상 4 내지 12인치 사이의 두께이다. 일차공기는 불받이를 통해 도입되며(일차 하부연소공기), 이차공기는 래스토기(Rastogi)등에 의해 알려진대로 4피트 상부 베드(상부 연소, 이차공기)를 통해 도입된다. 일반적으로 종래의 공기연소 기술에서 연소공정은 4개의 대별되는 공정으로 이루어져 있다;
a) 가열 및 건조
b) 열분해
c) 휘발성분의 연소
d) 차르의 연소
호그 연료는 종래의 연로에 비해 40 내지 70% 정도의 수분함량을 갖는 더 높은 수분 함유 연료이다. 상당한 연소가 발생되기 전에 물이 제거 되어야만 한다. 이는 호그 연료를 연소로 내로 취입한 후 간단히 실시되며, 호2 연료가 80 내지 110℃ 사이의 온도에 달하면 가능하다.
열분해는 고체물질인 폐기 목재(호그 연료)가 기체상 생성물(휘발성 성분)로 전환되는 분해 공정이다. 이는 흡열 공정으로 200내지 400℃사이에서 발생한다. 제조된 휘발성 성분의 양은 목재가 얼마나 빨리 가열되었는가를 나타내는 함수이다. 가열속도를 증가시킴으로써 휘발성 성분의 수율이 증가할 것이며 일차 탄소인 차르의 생산은 감소되며 차르의 다공성은 증가할 것이다.
휘발성 성분의 연소는 벽난로 속의 불꽃과 유사하다. 만일 연소가 느리면, 저온의 황색 불꽃이 만들어진다. 연소가 빠를 때는 고온의 불꽃이 만들어진다. 빠른 연소는 연소 공기중의 산소와 원료를 우수하게 혼합함으로써 이룩된다. 차르는 목재가 열분해될 때 생성되는 탄소 잔여분으로 챠콜(charcoal)과 유사하다. 이것의 점화온도는 높이며 연소를 유지시키기 위해 특정량의 에너지를 주변으로부터 재흡수해야한다.
연소속도는 표면 대 부피부에 의해 조절된다. 또한 산소농도 및 온도에 생성물 질량 전이상수를 곱한 것으로 정의되는 산소의 입자 표면으로의 확산속도에 의해서도 조절된다.
종래기술의 연소공정을 개선시키기 위해 두 가지의 다른 위치에서 산소를 보일러내로 주입했다. 즉, 열분해 생성물이 연소되는 대역내로(상부연소), 및 차르와 접촉하는 공기내로(하부연소) 주입되었다. 두 가지 경우 모두에서 일차목적은 산소농도 효과에 의해 연소속도를 증가시키는 것이며, 연소속도 증가에 주요한 영역내의 열흐름(온도)을 증가시키기 위함이다. 산소는 연소로내로 주입되는 공기 전체부피의 0.1 내지 7%의 보충 부화량으로 가한다. 0.1% 이하의 부하(enrichment)범위에서 산소의 효과는 중요치 않으나. 약 7%이상의 부화범위에서 온도수준은 종래 연소로 구조에서 최대한 허용치에 근접하게 된다. 온도증가의 결과는 다음과 같다.
a) 가열 및 건조; 저부 보일러내의 온도증가는 수분이 증발되는 속도를 증가시킨다.
b) 열분해 ; 방사열 전이가 높을수록 열분해를 위한 에너지가 더 많이 제공되며, 휘발성 성분의 연소속도 및 연소 용이성이 증가된다.
c) 차르의 연소 ; 방사열 전이가 높을수록 열분해 생성물 수율의 증가에 기인하는 차르의 양을 감소시키며, 표면 대 부피비를 증가시키는 다공성 차르를 생성하며, 차르 표면에 대한 산소의 확산율을 증가시키고 반응속도 상수로 정의된 반응속도를 증가시킨다.
하부 연소 공기내로 산소를 주입함으로써 산소농도와 온도에 의한 확산속도를 증가시켜 차르의 연소속도를 가속화 시킨다. 전체 효과는 보일러내에서 연속될 수 있는 호그 연료의 양을 최소한 10%까지 증가시키는 것이다.
산소는 상부 연소공기부를 통해 삽입된 랜스(lance)에 의해 도입되며, 확산체 또는 불받이내의 그리드(grid)시스템을 통해 하부 연소공기의 농축물로 도입된다.
통상의 산소 부화와 낮은 B.T.U.와 높은 수분함량의 연료를 연소시키는 속도를 증가시키기 위한 산소부화간에는 상당한 차이가 있다. 통상의 부화에서 배기 기체부피는 감소되며 불꽃온도는 증가된다. 연속 속도증가를 위한 산소부화는 온도상승을 증가시키지만, 배기 기체부피에는 실질적으로 영향을 주지 않는다. 이는 두가지 방법의 차이가 우선 온도를 증가시키는 방법에 존재하기 때문이다. 종래 방법에서는 화염온도를 조절하는 질소의 양을 감소시킴으로써 주로 온도가 증가되었다. 본 발명(연속 속도증가를 위한 산소부화)에서 온도증가는 증가된 열흐름에 의한 것이며, 일차적으로 존재하는 질소비율의 감소로 인한 것이 아니다.
본 발명의 경우에 만일 산소가 불꽃 안정성을 유지하기 위해 사용된다면, 호그 연료의 평균 연소 속도에서 10% 증가하는 것은 전체 공기 필요량에 대해 평균 0.2%의 부화 수준으로 이룩할 수 있다.
만일 산소가 연속적으로 연소속도를 상승시키기 위해 사용된다면 연소 속도에서의 16% 증가는 전체 공기 요구량에 대해 0.4%의 평균 부화수준으로 이룩될 수 있다.
낮은 B.T.U.와 높은 수분함량의 연료에 의해 제조된 불꽃의 온도는 통상의 연료 불꽃의 경우보다 낮다. 이는 연소로에 주입되는 연료의 증발, 해리, 건조 및 열분해에 유용한 방사량을 제한시킨다. 연소가 발생하는 대역내로의 산호주입은 불꽃온도를 증가시키며, 연료를 더 빠르게 점화시키고, 연료가 증발되고 해리되며 건조 및/또는 열분해되는 위치에 가깝게 불꽃을 끌어올리는 작용을 한다. 이 효과는 방사에 의한 열전이가 온도 및 방사원과 그 방사를 흡수하는 물체 사이의 거리의 함수이며, 전환에 의한 열전이는 온도의 함수이므로, 방사 및/또는 대류로부터의 낮은 B.T.U. 높은 수분함량 연료에 대한 열전이 속도의 증가에 의해 증발, 해리, 건조 및/또는 열분해에 유용한 에너지 양을 증가시킨다.
필요 에너지의 증가는 그 연소로에서 보다 낮은 B.T.U. 와 높은 수분함량 연료가 연소되는 것을 허용하는바, 즉, 유용 에너지와, 증발, 해리, 건조 및 열분해에 필요한 에너지 사이에서 새로운 평형이 형성된다.
본 발명의 방법 및 종래 방법 사이의 주요차이는 부가적 방사를 제공하는 방식에 있다. 산소부화는 열분해 생성물, 휘발성 물질 및 탄소 잔류물의 연소속도(흐름)가 증가됨에 따라 방사 및 대류성 열전이 속도가 증가함으로써 낮은 B.T.U./높은 수분함량 연료에 의해 흡수되는 에너지를 증가시킨다. 보조버너가 열전이율을 더욱 증가시키기 위해 부수적(증분)방사원을 제공할 목적으로 사용될 수 있다.
고 방사성의 벽으로 부분적으로 둘러싸인 연소대역을 가지도록 고안된 보일러는 그 벽으로부터의 재-방사 에너지에 의한 낮은 B.T.U. 연료에 대한 방사열전이를 증가시킨다. 반면, 산소부화는 연소공정으로부터의 방사를 증가시킨다.
제3도에 도시된 조절 시스템을 사용함에 있어, 호그 연료가 연소로에 주입되는 속도를 저부 연소로의 온도(광도)가 강하하기 시작할 때까지 증가시킨다. 온도가 강하되는 것은 주입온도가 호그 연료가 연소되는 속도보다 크다는 것을 의미한다. 그러므로, 온도는 호그 연료의 연소속도의 간접적 측정 수단이다.
온도(광도)강하의 속도가 특정치를 초과할 때 산소가 주입된다. 산소는 호그 연료가 연소되는 속도를 증가 시킬 것이며, 온도변화의 속도는 특정치보다 적거나 또는 양성적일 것이다. 이것은 그 보일러에 주입된 호그 연료의 양을 증가케 한다. 온도의 간접적 측정수단인 차르 베드(char bed)의 광도가 모니터된다. 장기간의 평균치와 단기간의 평균치가 산출된다. 광도 변화속도의 측정수단인 이 두개 값의 차이는 호그 연료의 주입속도를 조절한다.
그 차이가 일부 특정치보다 클 때(즉, 장기간-단기간〉x), 주입된 호그 연료의 양이 감소되는데, 이것은 주입속도가 연소속도보다 큰 것을 의미한다. 장기간-단기간＞y(이때 y＜x)일때, 산소가 일차 및/또는 이차 공기로 주입된다. 산소는 장기간=단기간일 때 공급이 중단된다.
이것에 의해, 주입속도가 연소속도를 초과하지 않게된다. 그러므로, 산소는 차르 베드의 장기간 및 단기간 광도 사이의 차이를 비교함으로써 발생되는 신호에 의거하여 조절된다.
예로써, 제1도에 나타낸 연소로가 다음 수치들로 작동되었다 :
장기간치 : 30,000Btu/ft2hr=90초간 광도 측정계에 입사된 평균 방사.
단기간치 : 25,000Btu/ft2hr10초간 광도 측정계에 입사된 평균 방사.
X=장기간-단기간치=5,000Btu/ft2hr 세트 y는 3,000Btu/ft2hr로 설정된다.
상기 설명된 장기간 및 단기간치 사이의 관계는 만족될 것이다. 다음은 상기 조절 시스템을 구비하지 않은 작동의 비교예이다.
산소없는 조작조건
총 스팀 생산 : 300,000lbs/hr
오일로부터의 스팀 생산 : 86,000lbs/hr
오일 연소 속도 : 17.2bbls/hr
호그 연료로부터의 스팀 생산 : 214,000lbs/hr
호그 연료 연소 속도 : 21.4톤/hr(무수)
일차공기 유출 : 25,000scfm
이차공기 유출 : 65,000scfm
산소하의 조작조건
총 스팀 생산 : 300,000lbs/hr
오일로부터의 스팀 생산 : 61,000lbs/hr
오일 연소 속도 : 12.2bbls/hr
호그 연료로부터의 스팀 생산 : 239,000lbs/hr
호그 연료 연소 속도 : 23.9톤/hr(무수)
일차공기 유출 : 25,000+scfm
이차공기 유출 : 65,000+scfm
산소 유출 :25,000scfm
부화수준
a) 일차공기만 기준 : 1.3%(최대)
b) 총 공기 기준 : 0.36%(최대)
그러므로,
오일 소비 감소=17.2-12.2=5.0bbls/hr
호그 연료 소비증가=23.9-21.4=2.5톤/hr(무수)이 된다.
호그 연료 연소로부터 생성된 스팀의 양 및 연소속도는 연소로(보일러)에 의해 생성된 총 스팀을 측정하여 오일의 연소에 의해 생성된 스팀의 양을 감함으로써 측정된다.
총 스팀 생성은 오리피스 판을 통한 압력차를 측정함으로써 결정된다. 오일건(oil gun)에 공급된 오일의 양을 측정하여, 이 값을 등가의 스팀 생성비율로 전환시키는 인자를 적용하여 오일에 의해 생성된 스팀의 양을 구한다. 산소 부화의 장점들은 산소부화의 존재 여부에 따른 목재 연로부터 생성된 스팀의 차이를 측정함으로서 결정된다.
실시예 :
산소부화가 없는 상태로 실시 :
총스팀 생성 오일 스팀 생성 목재 스팀 생성
30,000lbs/hr 86,363 lbs/hr 213,637 lbs/hr
산소부화 존재하의 실시 :
총스팀 생성 오일 스팀 생성 목재 스팀 생성
300,000 lbs/hr 61,615 lbs/hr 238,385 lbs/hr
목재 스팀 생성의 차이=24,748 lbs/hr
그 차이는 같은 양의 스팀을 생성하는데 필요한 오일(또는 기체)의 양과 동일하다.
즉,
Figure kpo00001
이 값은 오일의 연소 속도에서의 감소 및 목재 폐기물 연소 속도에서의 증가와 같다. 이 공정의 경제성은 호그 연료(mmbtu 당)에 대한 오일의 비용(mmbtu 당)에서의 상대적 차이에 있다.
일차 목적은 호그 연료를 연소시킴으로서 생성되는 스팀의 양을 증가시키는 것이며, 부수적으로는 비싼 화석연료의 소비를 감소시키는 것이다.
측정치로부터의 결론은 다음과 같다.
a)산소가 보일러에 주입되는 동안 호그 연료로부터의 평균 스팀 생성은 모든 주입방법에 있어서 235,296lbs/hr이다.
b)산소 주입없이 호그 연료로부터 평균 스팀 생성은 219,676lbs/hr이다.
c)그러므로, 스팀 생성에서의 평균 차이는 3.1bbl/hr에 해당하는 15,620lbs/hr이다.
d)산소가 연소중 공기에 주입될때 호그 연료로부터의 평균 스팀 생성은 233,163lbs/hr이다.
e)같은 기간중 산소 주입없이 호그 연료로부터의 평균 스팀 생성은 212,980lbs/hr이다.
f)그러므로, 스팀 생성의 평균 차이는 4.04bbl/hr에 해당하는 20,183lbs/hr이다.
g)산소가 랜스(lance)를 거쳐 주입될 때 호그 연료로부터의 평균 스팀 생성은 232,483lbs/hr이다.
h)같은 기간중 산소 주입없이 호그 연료로부터의 평균 스팀 생성은 214,594lbs/hr이다.
i)그러므로, 스팀 생성에서 평균 차이는 3.5bbl/hr에 해당하는 17,889lbs/hr이다.
j)산소가 스팀 불받이(grate) 시스템을 통해 주입될 때 호그 연료로부터의 평균 스팀 생성은 238,995lbs/hr이다.
k)똑같은 기간중 산소 주입없이 호그 연료로부터의 평균 스팀 생성은 230,400lbs/hr이다.
l)그러므로, 스팀 생성에서 평균 차이는 1.72bbl/hr/에 해당하는 8,595lbs/hr이다.
m)전체 시험에 있어서 평균적인 산소 소비속도는 30,000scfh이다.
호그 연료가 주입되는 것과 똑같은 방법으로 연소로에 투입될 수 있는 도시의 쓰레기와 같은 낮은 B.T.U., 높은 수분함량 연료의 연소에 똑같은 개념이 적용된다. 제2도에 나타낸 바와같이 일차 및 이차공기의 산소부화는 호그 연료가 연소될 때 얻어지는 것과 유사한 효과를 발생한다.
본 발명의 바람직한 구체예들이 이제까지 설명되었으나, 본 발명의 범위는 이하의 청구범위에 의해 요구되는 것으로만 제한되는 것이 아님이 명백하다.

Claims (4)

  1. 낮은 B.T.U.와 높은 수분함량을 갖는 연료가 연소로내로 투입되어 건조된 후 열분해되고 그 내부에서 연소되어 회수성 열을 발생시키는 낮은 B.T.U.와 높은 수분함량을 포함하는 연료를 연소시키는 방법에 있어서, 산소농도 효과에 의해 상기 연료의 반응속도를 증가시키며, 상기 연료의 반응속도 및 건조속도를 증가시키기 위해 상기 연료의 연소속도가 증가될 수 있는 연소온도를 증가시키기에 충분한 양의 산소로 상기 공정 생성물을 연소시키는 공정공기를 부화하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 낮은 B.T.U.와 높은 수분함량을 포함하는 연료의 연소방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 공정공기는 이차공기이며, 상기 공정 생성물은 상기 연료로부터 발생된 열분해 생성물인 연료의 연소방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 공정공기는 일차공기이며, 공정 생성물은 상기 연료로부터 형성된 탄소 잔류물을 포함하는 연료의 연소방법.
  4. 연료 연소 베드의 장기간 광도를 측정하며 ; 상기 연료 연소 베드의 단기간 광도를 측정하며 ; 상기 장기간 광도 및 상기 단기간 광도 사이의 차이를 결정하는 것을 포함하는, 스팀을 제조하며, 연료 연소 베드를 포함하는 연소로내의 연소를 조절하기 위한 방법에 있어서, 연료의 연소속도를 안정화 시키거나, 증가 시키기 위해 상기 베드 또는 하부에서 일차공기내에 산소를 주입하며, 또한 상기 베드상부에서 이차공기에 산소를 주입하며 ; 상기 차이에 근거하여 상기 연소로 내로 주입되는 산소의 양을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 낮은 B.T.U.와 높은 수분함량을 포함하는 연료의 연소로내의 연소 조절 방법.
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