KR940010029B1 - 환원형 순환유동상 연소 장치에서 연료를 연소하는 방법 - Google Patents

환원형 순환유동상 연소 장치에서 연료를 연소하는 방법 Download PDF

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샤오 케시엥
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엠. 더블류. 켈로그 캄파니
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Abstract

내용 없음.

Description

환원형 순환유동상 연소 장치에서 연료를 연소하는 방법
제 1 도는 본 발명의 순환유동상 연소장치의 일례임.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 수직라이저(riser) 2 : U자형관(cross over)
3 : 하강관 7 : 수직중발코일
13 : 1차 분리기 14 : 사이클론
본 발명은 유동상연소, 특허 황 포착용 알칼리 흡수제의 존재하에 황함유 연료가 연소되어서, 저유황분의 연소가스를 발생시키고 또한 장치내의 고체 및/또는 생성된 고온 연소 가스와의 간접열교환에 의하여 회수되는 열을 발생시키는 순환 유체연소 장치에 관한 것이다. 이 장치는 특히 보일러 공급수로부터 고압스팀을 제조하기에 유용하다.
순환유동상 연소 장치는 기체/고체계로서, 그 내에서 고체의 전부 또는 대부분이 연소공기 및 가스에 의하여 유동화된 연소구역으로부터 실질적으로 무황연소 가스가 회수되고, 열회수후에 대기로 방출되는 희석 고체상으로 세정된다. 예를 들면 스팀 보일러의 경우에, 이 장치는 종래의 습식 세정장치를 갖춘 석탄연소 보일러에 비하여 설치 및 운전비에 있어서 상당히 잇점을 제공한다. 더 낮은 작동온도와 단계적 연소의 가능성 때문에, 이는 또한 종래 석탄연소 장치에서 발견되는 것보다 더낮은 산화질소 생성특성을 갖는다.
순환상 장치는 일반적으로 기포상 장치에서 발전하였고, 후자의 예를 들면 미국 특허 제3,717,700호가 있는데, 이는 석회석 및 연소 석탄의 조밀한 기포상에 담긴 코일에서 스팀을 발생시키는 것이다. 석탄중의 황은 방출되는 이산화황에 황산칼슘으로서 포착되는데 이는 상기한 특허에 설명한 바와 같이 폐기 또는 재생된다. 조밀한 기포상으로부터 미연소된 석탄, 재 및 황흡수제로 구성된 고체가 세정되므로 이들 고체는 연소가스로부터 분리되고 여러수단에 의하여 조밀기포상으로 되돌아온다. 미국특허 제4,103,646호는 기본적으로 완전순환상 장치 통상적으로 "고속상"(fast bed) 장치라 일컫는 것을 설명하고 있는데, 여기서는 "라이저"(riser)에 포함된 희박상 유동상에서 석회석이 연소 및 황산화한다. 통상적으로 "운반상"(transport bed)라 칭하는 더높은 가스속도 장치의 전개가 에너지성(Department of Energy)보고서 MC 19332-1319(DE 83005062)에 예시되어 있는데, 여기서는 역시 미연소된 석탄, 재 및 황 흡수재로 구성된 고체가 연소공기의 유동기류에 완전히 부유되어 동반된다. 라이저는 기체/고체 분리기에 연결되어 저유황분을 갖는 연소가스를 제거하고 고체를 연소구역으로 재순환시킨다. 이 운반상 장치는 높은 고체 재순환속도 및 고체 순환 루우프에 대해 전형적으로 760℃∼985℃인 비교적 균일한 온도를 특징으로 한다. 장치 입력은 전형적으로 대기압 내지 2기압이지만, 어떤 경우에는 상승된 압력장치가 바람직하다.
순환유동상 연소장치는 이산화황과 알칼리 흡수제를 반응시켜서 황을 포착하여 상당하는 황산알칼리를 생성하는데, 이는 대개 재와 함께 폐기물로 폐기된다. 석회석을 사용한 장치에서는 황이 황산칼슘으로서 포착되는데 그 이유는 이것이 이 연소장치의 대부분 산화 조건하에서 자연적으로 생성되고 안전하게 폐기될 수 있기 때문이다. 황산화물이 폐기 알칼리 흡수제의 최종형태인데, 황화알칼리 예를 들면 황화칼슘이 연소의 초기단계에 과도적으로 생성된다고 추측된다. 과량의 연소공기를 연료 및 함유된 황의 완전연소에 필요한 화학양론적 비율로 접근하는 양까지 감소시킴으로써 산화질소의 감소를 시도할 때, 이 장치로부터 버리는 고체중에 황화칼슘의 양이 적다. 폐기 고체중의 황화물이 독성 황화수소로 수소화할 수 있으므로 폐기 고체를 방출하기 전에 더 처리하여야 한다. 따라서 유동상연소장치는 전형적으로 충분한 과잉 연소공기 및 기체/고체 접촉시간을 주어 모든 황화물을 황산화물 형태로 폐기하도록 한다.
이들 여건이 몇가지 문제를 야기한다. 첫째, SO2/황산화물법에 대한 황포착이 비교적 느린 반응이므로 체류시간이 길다. 연소가스가 고속으로 이동하므로, 조밀 기포상위에는 높은 여유공간이 필요하고 운반상 장치에는 긴 라이저가 필요한데 결과적으로 어는 경우이든 더비싼 장치가 되게 된다. 더 많은 양의 알칼리 흡수제를 이장치에 공급하고 배출시킴으로써 체류시간을 감소시킬 수 있지만, 이 대안은 경제적인 손실을 가져온다. 둘째, 산화조건에서 황을 포착하는데 필요한 과잉의 연소 공기를 사용함으로써 연소가스의 산화 질소 함량이 매우 증가한다고 알려져 있다. 과잉 공기를 감소시키고 단계적 연소를 함으로써 산화질소 함량을 감소시킬 수 있지만, 그러한 조건은 상기한 바와 같이 황포착 효율을 저해한다.
따라서, 본 발명의 목적은 연료 황 함량에 대하여 경제적으로 낮은 비율의 알칼리 흡수제를 사용하여서 낮은 황함량, 낮은 산화질소 함량을 갖는 연소가스를 생성시키는 방법으로 순환 유동상 연소장치에서 황함유 연료를 연소시키는데 있다.
본 발명에 따라, 황함유 연료는, 1차 연소구역, 2차 연소구역, 기체/고체 분리구역, 고체 산화구역 및 보통, 간접 열교환장치를 갖는 순환고체 유동상 연소장치에서, 이 장치에 새로운 알칼리 흡수제를 도입시키고 1차 연소구역에 황-함유 연료를 충분한 연소공기와 함께 도입시켜서 연료를 부분산화하여 환원성 가스가 되게하는 동시에 비발동반된 고체가 연료로부터 방출된 황을 황화알칼리로서 포착하고, 기체와 고체를 충분한 공기가 공급괴는 2차 연소구역에 도입시켜서 환원성 가스를 연소하여 산화된 연소가스가 되게하고, 계속하여 기체/고체 분리구역에서 황화알칼리를 함유한 비발 동반된 고체로부터 연소가스를 분리시키고, 고체산화구역에서 분리된 고체를 산화시키고, 또한 산화알칼리 및 황산알칼리을 포함하는 산화된 고체를 1차 연소구역으로 재순환시킴으로써, 연소된다.
첨부한 도면은 후에 설명예에서 상세히 기술되는 본 발명의 방법을 가장 바람직하게 실시하기에 적합한 운반상형(transport bed type) 순환 유동상 연소장치를 나타낸다.
사용되는 황-함유 연료는 전형적으로 석탄, 갈탄 또는 석유코우크스와 같은 고체 연료이지만 적절히 제조된 목재 및 섬유상 물질일 수 있다. 중유잔류물, 셰일(shale) 유액, 펄프작업으로부터 얻은 흑액, 중석탄 액화 생성물 및 고체/액체 연료 조성물과 같은 액체 연료도 적절히 사용될 수 있다. 증기력 및 증기상승용으로서 황함량이 0.5∼5중량%인 역청탄이 가장 보편적으로 사용되는 연료이다.
본 발명의 방법에 사용되는 알칼리 흡수제로서 원가가 낮고 입수가능성이 크므로 석회석이 가장 보편적이다. 백운석질 석회석도 사용할 수 있으나 황포착에는 단지 칼슘성분이 사용된다. 석회석 대신에 석회를 사용할 수 있으나 불필요하고 비싼 대체안인데, 왜냐하면 석회석이 장치내에서 재순환중에 용이하게 산화칼슘으로 전환되기 때문이다. 운반상 장치에서 새로운 석회석은 장치내에서 보통 2∼3회전 이내에 산화물 형태로 전환된다. 기타의 적당한 알칼리 흡수제로서 나트륨 및 칼륨의 산화물, 수산화물 및 탄산염이 있다. 분쇄된 오일 셰일을 연소할 때에는 셰일의 나콜라이트(nahcolite) 성분이 적절한 흡수제이다.
알칼리 흡수제 및 연료(고체 연료를 사용할때)의 입자 크기는 유동화 장치 전체 설계와 소망하는 고체 세정의 정도 및 예상되는 고체 마모의 정도의 함수이다. 일반적으로 1차 연소공기의 상향류에 의하여 백믹스(back-mix)되는 조밀한 유동 연소상을 사용한 순환장치에서 평균 입자 크기는 500∼5000미크론이고 기포 상내의 고체 밀도는 320∼960㎏/㎥이다. 그러한 상에서 표면가스 속도는 0.03∼3m/초이다. 반면에, 희박한 유동 연소상을 사용한 운반상 장치에서 평균 입자 크기는 20∼500미크론이고 희박상 구역내의 고체밀도는 8∼320㎏/㎥이다.
고체 입자 연료 및 석회석을 사용한 운반상 장치에 있어서 장치내에서 연료 평균 입자크기는 40∼250미크론이고 석회석 평균 입자 크기는 30∼250미크론인 것이 좋다.
새 알칼리 흡수제는 장치의 어느 부분에 도입되어도 좋으나 바람직하기로는 재, 황산화된 흡수제, 미반응된 흡수제를 장치로부터 빼내는 지점의 하류에 도입되고, 가장 바람직하기로는 1차 연소구역에서 연소하는 연료로부터 방출되는 황과 가능한한 가장긴 접촉시간을 갖게하기 위하여 1차 연소구역에 도입된다. 석탄/석회석 장치에서 석탄중의 황에 대한 칼슘의 몰비는 전형적으로 0.8∼2.5이다.
1차 연소구역에서는 650℃∼1095℃의 작업온도 및 대기압∼2기압인 압력하의 부분산화 조건하에서 반응이 진행된다. 바람직하기로는 1차 연소구역은 하부의 백믹스 구역 및 상부의 희박 고체상 구역으로 구성되어, 모든 황-함유연료가 하부의 백믹스 구역에 도입되고, 거기서 연료가 1차 연소구역으로 재순환되는 비교적 많은 양의 알칼리 흡수제 및 이 지점에 도입되는 새 흡수제와 접촉하는 시간을 가능한한 길게한다. 연료를 태우고 환원성 가스를 생성하기에 충분한 1차 공기의 화학 양론적량보다 더적은 공기를 도입시킴으로써 하부의 백믹스 구역에서 연료의 대부분이 소모된다.
운반상 장치의 경우에, 하부의 백믹스 구역은 급속한 연료 연소와 재순환 산화된 고체를 1차 연소구역에 비말동반시키는 수단을 제공하는 희박상 난류혼합 조건하에서 작동한다. 전형적으로 정상 상태조건하에 희박상의 빅맥스 구역에 연료가 재순환 산화고체의 0.03∼1중량%의 비율로 공급되고, 새 흡수제가 바람직하기로는 연료와 함께 재순환 산화고체의 0.01∼0.5중량%의 비율로 가해진다. 희박상 백믹스 구역에서 가스체류 시간은 0.2∼2초이다. 최하부의 조밀층으로부터 재순환 산화고체의 비말동반에 기인한 "슬립"(slip) 때문에, 희박상 백믹스 구역에서의 고체체류 시간은 약간 더 길어진다. 백믹스 구역의 연료의 수분 및 수소 함량에 따라서 연료탄소의 30∼98중량%가 탄소산화물 및 대개 수소로 전환된다.
그러나 1차 연소구역에서 환원조건을 유지하기 위하여 1차 연소구역에서 1차 공기의 누적 공급량이 화학양론적 공기량의 40∼95체적%로 공급되는 한 연료의 환원성 가스로의 완전한 전환이 이미 도입된 1차 연소공기 또는 추가로 도입되는 1차 공기로써 상층의 희박 고체상 구역에서 발생한다. 1차 연소구역을 통하여 상방향으로 알칼리 산화물 황산화물로 구성된 고체가 재와 함께 우동화 가스중에 비말동반되므로, 기본적으로 황화수소로서 연료로부터 방출되는 황는 산화알칼리의 일부와 반응하여 상응하는 황화알칼리를 생성한다. 황반응들은 매우 복잡하지만 여기서는 황화수소의 생성 및 방출과 함께 황화수소와 산화알칼리의 실질적으로 동시적인 반응으로서 고찰된다. 평형환원 조건하에서 이산화황이 생성되지 않으므로, 중식적인 황산알칼리의 형성 가능성이 희박하지만, 가능하면 전이 메카니즘으로서 재순환 고체중에 존재하는 황산알칼리가 연소 및 황반응들에 참여한다고 추정한다. 1차 연소구역에 충분한 기체/고체 접촉시간을 주어서 실질적으로 모든 연료황이 반응하여 황화알칼리가 되어, 1차 연소구역을 나가는 기체중에는 흔적량의 황화수소만이 존재하도록 하여야 한다. 기포상 장치의 상표면위에 환원성 분위기하에 기체 및 고체가 상방향으로 이동할 때 접촉시간을 주기 위한 충분한 여유를 두어야 한다. 운반상 장치에서 사용되는 라이저관으로써 수행될수 있고 또 상층의 희박상 구역의 바람직하기로는 플러그-흐름 조건을 사용함으로써도 충분한 접촉시간을 포장할 수 있다.
그러한 플러그-흐름 조건으로서 바람직하기로는 고체 밀도 8∼320㎏/㎥이고 표면 가스속도 3∼17m/초이다. 가장 바람직하기로는 그러한 장치에서는 전체적으로 희박상 1차 연소구역내의 가스체류 시간은 1∼3초이다. 라이저 장치에서는 1차 연소구역과 후술하는 2차 연소구역을 포함하는데, 슬립은 라이저의 희박상 길이 중간쯤에서 영에 접근한다. 다시 말하면 고체속도는 기체속도와 거의 동일하다. 상기한 바람직한 구현예에서 석탄이 연소되고 석회석이 새 흡수제일 때, 공기는 화학양론적 공기의 55∼90체적% 만큼 1차 연소구역에 도입된다. 이들 조건하에서 석탄으로 작동화는 운반상 장치에서 황화수소 기준은 플러그-흐름의 상층 희박상 구역의 입구에서 전형적으로 약 700ppm으로부터 황화수소와 산화알칼리의 반응에 의하여 그 출구에서 전형적으로 100ppm 미만으로 감소한다.
이제는 황화수소로서 단지 낮은 수준의 아황산가스를 함유한 환원성가스와 질소로 구성된 가스류에 운반되는 알칼리 황산화물, 산화물 및 황화물로 구성된 비말 동반된 고체의 흐름에 2차 공기를 도입시킴으로써 1차 연소구역이 끝나고 2차 연소구역이 시작된다. 환원성 가스를 연속시켜서 황함량이 낮은 산화된 연소가스로 하기에 충분한양 만큼 2차 공기를 2차 연소구역에 도입시킨다. 보통, 1차 연소구역에서 타지 않은 잔류고체 연료는 2차 공기와 접촉하여 신속히 연소한다. 2차 공기량은 누적연소공기 공급량이 화학양론적 공기의 100∼130체적%으로 되도록 하는 정도이다. 실질적으로 분자 산소가 없는 1차 연소구역과는 대조적으로 2차 연소구역은 1∼8몰%의 분자산소를 함유한다. 연소공기의 도입이 1차 공기와 2차 공기도입이라는 용어로써 설명되었지만, 1차 공기 및 2차 공기는 여러 가지 연료의 연소특성, 순환상 장치의 물리적 구성 및 연소가스중의 산화 질소의 목표수준을 충족시키기 위한 필요에 따라 다단계 공기 주입으로 세분될 수 있다. 2차 공기입구와 하류의 기체/고체 분리장치 또는 분리실 사이의 장치의 물리적 특성으로서 통상적으로 환원성 가스 및 잔류 연료의 완전연소와 저수준의 황화수소를 이산화황으로 전환시키기에 충분한 것 이상의 가스체류 시간을 제공하지만, 이는 동반된 고체로부터 아황산가스를 방출하기에 불충분하다. 바람직하기로는, 2차, 연소구역은 유사한 플러그-흐름조건하에서 그러나 대개 6∼30m/초의 더높은 표면가스 속도에서 작동하는 운반상 장치의 라이저와 같은 1차 연소구역의 상층 희박 고체상부분의 물리적 연장이다.
이러한 조건하에서, 라이저는 충분히 길어서 2차 연소구역에서 최소 가스 체류 시간이 0.25초, 바람직하기로는 가스체류 시간이 0.3∼1초인 것이 좋다.
여전히, 재, 알칼리 산화물, 황산화물 및 연료 황함량에 따라 전형적으로 최대 3중량%까지 함유된 황화알칼리를 포함하는 비말 동반된 고체와 연소가스는 2차 연소구역으로부터 기체/고체 분리구역으로 도입된다. 이 분리구역은 기체/고체 속도를 고체의 중력분리가 발생하는 정도까지 감소시키기에 충분한 흐름단면을 갖는 2차 연소구역의 연장된 부분이다. 운반상 장치에서는 기체흐름 반전을 위한 장치를 갖는 사이클론 또는 분리실과 같은 지향성 흐름 변화를 채택하는 관성분리 장치에서 2차 연소구역의 라이저 출구의 높은 기체/고체 속도를 사용하는 것이 좋다. 전하중 조건하에서, 라이저 가스출구 속도는 15∼30m/초이다. 전하중 조건에서 고속을 사용하고 반전조건에서 저속을 사용한다. 전하중 출구속도의 상부 범위내에서 라이저 연료 입구로부터 기체/고체 분리구역까지의 전체 가스체류 시간은 전형적으로 2∼4초이고 고체체류 시간은 3∼10초이다. 기체/고체 분리구역으로부터 회수되는 저유황분을 갖는 연소가스는 스팀과열 보일러공급수가열, 연소 공기 예열 또는 기타 특정분야와 유사한 용도로서 기능하는 적절한 코일에 의하여 높고 낮은 수준의 열을 추출하기 위하여 대류부를 통과한다. 저수준의 열추출후에 연소가스는 통상적으로 예를 들면 백하우스(baghouse)에서 최종 먼지제거를 하고 대기중에 방출된다.
황화알칼리를 계속 함유한 기체/고체 분리구역으로부터 회수된 고체는 590∼985℃에서 작동하는 유동화 고체 산화구역에 도입되어 거기에서 1∼30초의 고체 체류시간 동안 공기와 접촉하여 분리된 고체내의 실질적으로 만든 황화알칼리가 황산알칼리로 전환된다. 황화알칼리의 황산화물로의 전환은 큰입자에 대하여는 비교적 느리므로 고체 산화단계는 바람직하기로는 고체체류 시간 1∼50초 및 온도 760∼920℃에서 산화 가스류로써 유동화된 조밀한 기포상에서 실시함이 좋다. 고체 산화구역에 도입되는 공기량과 필요한 접촉시간은 황화알칼리를 산화시키기에 충분하다. 고체산화용 공기는 1차 및 2차 연소구역의 연소공기 요구에 대한 보충이고, 대개는 연소장치에 대한 연료의 황함량에 직접 관계가 있다. 전형적으로 이 공기량은 연소용 화학양론적 공기의 1∼5체적%에 해당한다. 필요한 고체 체류시간을 주기위하여 운반상 연소장치에 조밀상 고체산화 구역을 사용하는 것이 좋고 희박상 1차 및 연소구역을 통하여 고체 순환을 위한 유동화 후 압력(back pressure)을 시현하기에 충분한 높이이다. 이들 조건하에 고체 산화 구역은 라이저 출구온도에서 또는 부근에서 작동함이 좋다.
고체 산화구역으로부터 회수되는 산화된 고체는 근본적으로 황화물이 없고 주로 산화알칼리, 황산알칼리 및 재 첨가 불활성성분으로 되어 있다. 석탄과 함께 알칼리 흡수제로서 고칼슘 석회석을 사용하는 경우에, 이들 고체는 전형적으로 황산칼슘 20∼85중량%, 산화칼슘 5∼15중량%, 재첨가 불활성분 25∼75중량% 및 탄산칼슘 흔적량을 함유한다. 순환상 장치에서 재 및 황산알칼리의 비교적 낮은 농도를 유지하기 위하여 산화된 고체의 일부가 1차 연소구역으로서 고체 재순환 이전에 간헐적으로 또는 계속적으로 장치로부터 배출된다.
간접열교환 장치가 그 물리적 구성에 따라서 순환상 장치의 여러부분에 적절히 포함될 수 있으나, 고체 산화구역의 하류부에 또는 고체산화구역과 1차 연소구역 간에 위치한 별도의 열교환구역에 위치시키는 것이 좋다. 이렇게 함으로써 장치의 다른 부분에서 존재하는 황화알칼리 및 또는 황화수소를 함유하는 고체보다 부식성이 상당히 적은 완전히 산화된 고체에 금속 열교환면이 노출되기 때문에 상기한 위치가 좋다. 또한 고체 산화 구역 또는 하류 열교환구역의 조밀상 조건이 희박상 고체상과 비교하여 휠씬 더 좋은 열전달 특성을 보인다.
결국 전술한 바와 같이 산화된 고체는 방출류를 제거한 후에 기계적인 또는 고체 유동화 장치에 의하여 1차 연소구역에 재순환되고 바람직하기로는 1차 연소구역의 하층 백믹스 구역에 재비말동반만 된다.
첨부한 도면은 스팀 보일러 용도에 본 발명의 방법을 실시하기에 특히 적합한 운반상형의 순환유동상 연소장치를 나타낸다. 이 장치는 고체의 시계방향 흐름을 위한 수직 라이저 1, 크로스오우버 2 및 짧은 하강관 3을 포함한 연소용 "접힌 라이저"로 되어져 있다. 접힌 라이저는 유효직경 2.4m인 원형 단면을 가지고 고온 및 순환고체 입자에 노출된 장치의 기타 부분과 마찬가지로 도면에 부분적으로 점선으로 표시한 것과 같이 케스터블(castable) 내화 절연체로 라이닝되어졌다. 수직라이저는 전체 높이(열교환부 포함)가 33.5m이고, 라이저의 바닥에 배출고제출구 4, 라이저의 밑부분에 조밀유동상 6의 유동화용 공기 살포 고리 5, 보일러공급수로부터의 스팀발생용 수직중발코일 7, 피이드 및 1차 공기입구 8 및 2차 공기입구 9를 갖추고 있다. 피이드 및 1차 공기 입구 8은 내화절연체로 형성된 협착목 11에 의하여 한정되고 일반적으로 백믹스 1차 연소구역으로서 도면에 표시된 희박상 기체/고체 혼합부 10에 연결된다. 협착목은 수직라이저를 3개의 서로 다른 고체 유동화 구역으로 효과적으로 구분하는데 첫째는 조밀 기포상 6이고, 둘째는 매우 난류성인 백믹스 조건에서 고체입자의 희박 서스펜션을 함유한 혼합부 10이고, 셋째는 혼합부상에 위치하여 가스와 함께 플러그 흐름에 고체입자의 희박 서스펜션을 함유하는 플러그-흐름부 12이다. 다시말하면 이는 거의 동일한 체류시간을 갖는 각 가스입자에 의하여 특징지워진다.
2차 공기입구 9는 수직라이저의 윗부분에 위치하고 일반적으로 1차 연소구역의 끝과 크로스오우버 2 및 하강관 3을 통하여 연장되는 2차 연소구역의 시작부를 구분한다. 접힌 라이저내의 1차 및 2차 연소구역의 길이는 29m이다.
운반 유동상연소장치는 운반가스로부터 고체를 1차 분리하기 위하여 하강관 바로아래 위치한 1차 분리기 13과 1차 분리기 주변에 고리형으로 배열된 복수의 사이클론 14(도면에는 1개만 표시함)를 추가로 포함한다. 사이클론은 고온연소 가스를 고리 매니포울드(manifole) 15를 통하여 대류부(도시하지 않음)로 보내어 최종 먼지 제거를 한다. 1차 분리기 13 및 사이클론 14는 스탠드파이프의 정상 및 1차 분리기 13의 바닥사이에 위치한 협착목 17에 연장된 조밀유동상 6을 포함하는 스탠드파이트 16에 고온 고체입자를 방출한다. 목 17 또한 희박상과 조밀상 고체 흐름간의 전이부를 제공한다. 공기입구 16는 스탠드파이프 16의 하부에 구비되어서 일반적으로 도면상에 고체산화 구역으로 표시된 구역에 산화용 기체를 공급한다. 추가적인 유동화 공기 입구(도시하지 않음)를 스탠드파이프 16의 바닥의 만곡부 및 2차 사이클론 14의 고체 레그(leg)에 장치하여 유동화를 유지하고 고체흐름을 조절한다.
황 4.3중량%, 재 8.5중량% 및 수분 3.3중량%를 함유한 피츠버그 8호 갈탄을 평균입자크기 50미크론으로 분쇄한 것과 황포작용 신선한 알칼리 흡수제로서 탄산칼슘 90중량%를 함유한 그리어(Greer) 석회석을 평균입자 크기 30미크론으로 분쇄한 것을 사용한 장치의 작동을 다음에 설명한다.
석탄 2.1㎏/초 및 석회석 0.47㎏/초를 공기 16.3㎏/초와 혼합하고 입구 8을 통하여 혼합부 10에 주입시킨다. 혼합부에서 온도 900℃ 및 압력 1.15㎏/㎠를 구비한 부분산화 조건하에 석탄 약 97중량%가 연소하여 상층목 11을 통과하여 다음 조성을 갖는 환원성 가스류를 생성한다.
산소 0몰%
질소 68.9몰%
이산화탄소 13.7몰%
일산화탄소 6.3몰%
수소 2.8몰%
황화수소 1510ppm
NOX74ppm
이산화황 0ppm
혼합부내의 난류흐름조건이 조밀상 6으로부터 재순환산화 고체 약 978㎏/초를 동반시킨다. 재순환 고체 약 52중량% CaSO4, 14중량% CaO, 혼적량 CaCO3및 34중량% 재와 불활성분으로 되어 있다. 조합된 기체/고체 혼합물은 스탠드파이프 16의 약 12m높이 고체 레그로부터 후 압력에 의하여 수직라이저 1을 통하여 상방향으로 2차 공기입구 9의 아래부근의 수직라이저에서 측정하여 표면가스속도 13.7m/초, 고체밀도 약 16㎏/㎥ 및 고체유속 979㎏/초로써 근복적으로 플러그 흐름으로 통과한다. 혼합부의 약 18m 상방인이 지점에서 석탄의 부분산화가 근본적으로 완료되고 석탄중에 유황성분의 거의 전부가 황화수소로서 방출되고 동반된 고체중의 산화칼슘 일부와 반응하여 황화칼슘을 형성한다. 신선한 피이드 속도가 장치내의 고체순환속도에 비하여 낮다는 사실에 비추어 동반된 고체의 황화칼슘 함량은 1중량%의 부분이다. 황화 수소함량이 약 65ppm으로 감소하는 경우를 제외하고, 가스조성은 혼합부를 떠나는 것으로부터 별로 변화하지 않는다. 전술한 것으로부터 수직라이저 1의 플러그-흐름 1차 연소구역은 근본적으로 황화수소/산화칼슘 반응기로서 작용한다.
2차 공기입구 9에서 수직라이저에 9.7㎏/초의 2차 공기가 도입되어 누적 화학양론적 과잉의 충분한 공기를 공급하여 기체/고체 흐름의 잔류 석탄과 환원성가스 성분을 산화시키지만, 플러그-흐름의 접힌 라이저의 크로스오우버 2 및 하강부 3에서의 불충분한 체류시간 때문에 동반된 고체내의 황화칼슘 성분을 충분히 산화시키지 못한다. 이들 기상(gas-phase) 산화조건하에서 황화수소와 잔류 석탄황은 허용가능한 방출수준에서 산화되어 이산화황이 되고, 2차 연속구역으로부터 1차 분리기 13에 들어가는 연소가스류는 다음 조성을 갖는다.
산소 1.9몰%
질소 74.1몰%
이산화탄소 14.7몰%
일산화탄소 흔적량
수소 0
황화수소 0
NOX43ppm
이산화황 99ppm
전술한 바와 같이 1차 분리기 13 및 2차 사이클론 14에서 연소가스는 동반된 고체로부터 분리된다. 1차 분리기는 속도감소와 기체 유로 반전의 조합으로써 고체의 약 절반을 제거시킨다. 연소가스는 약 900℃의 온도이고 매니포울드 15를 경유하여 하류의 열회수부로 25.7㎏/초의 속도로 흐른다.
황화칼슘을 함유한 분리된 고체는 분리기 및 사이클론으로부터 스탠드파이프 16의 상부로 하강하여 조밀한 유체상을 형성하고 이는 하방향으로 수직라이저 1의 바닥까지 연장된다. 일반적으로 스탠드파이프내에 형성된 고체산화 구역에서 입구 18(및 도면에 표시하지 않은 기타 유동화 공기입구)를 통하여 0.8㎏/초의 공기가 도입되어 분리된 고체의 모든 황화칼슘 성분을 근본적으로 산화시켜서 황산칼슘으로 전환시킨다. 고체밀도 641㎏/㎥ 및 표면기체속도 0.6m/초인 조밀유체상을 많은양의 순환고체와 조합하여 사용함으로써, 32초의 충분한 고체체류시간이 황화칼슘의 황산화물로의 비교적 느린 산화를 위해 확보된다. 스탠드파이프 온도 900℃에서 이산화황은 거의 또는 전혀 생성되지 않는다. 고체산화 구역으로부터 산화된 고체는 조밀상 6의 밑부분을 통과하여 순환루우프를 완료하고 출구 4로부터 산화된 고체 0.66㎏/초가 배출되어서, 재 및 황산칼슘이 근본적으로 생성되는 속도대로 장치로부터 흘려 나간다. 산화된 고체중 나머지의 더많은 부분이 증발코일 7의 주변을 통과하여 혼합부 10에 재순환된다.
상술한 장치는 열방출량이 54.7×10υ㎉/hr인데, 이중 56% 즉 30.7×10υ㎉/hr의 순환 고체류우프내의 증발코일 7에서 방출되어 263℃의 포화스팀을 발생하고 이는 연속하여 고온가스 대류부에서 400℃로 과열된다. 상술한 장치에서 칼슘대 황 몰비가 1.5이고 석회석 이용율이 60%이고 황제거율이 90중량%이다.
상기 물리적으로 설명된 장치가 동일한 석탄 및 석회석 피이드 속도로 작동되지만 본 발명에 반하여 연료연소가 종래의 산화조건에서 진행되고 황이 이산화황의 방출로 포착된다면, 황제거는 79중량%로 떨어진다. 황제거를 상기한 발명의 구현예의 실현 수준까지 개선시키기 위하여, 연소구역 라이저 길이가 26m로 연장되어 이산화황과 산화칼슘의 반응에 충분한 고체체류시간을 주어야 할 것이다. 더긴 라이저의 필요 때문에 발생한 막대한 설치 비용증가 이외에도 장치내의 압력강하가 133㎏/㎡로부터 163㎏/㎠까지 감소하여 연소공기를 공급하는데 따른 조업비를 증가시킨다.

Claims (18)

  1. (a) 1차 연소구역에 주로 산화알칼리 및 황산알칼리로 구성된 재순환 산화고체를 도입시키고 ; (b) 순환유동상 연소장치에 신선한 알칼리 흡수제를 도입시키고 ; (c) 1차 연소구역에 황함유 연료 도입시키고 ; (d) 1차 연소구역에 충분한 1차 공기를 도입시켜서 부분산화 조건하에 황-함유 연료를 연소시키고 환원성 가스와 황산알칼리, 산화알칼리 및 황화알칼리로 구성된 비말동반된 고체를 생성시키고 ; (e) 2차 연소구역에 환원성 가스 및 배합동반된 고체를 도입시키고 ; (f) 2차 연소구역에 충분한 2차 공기를 도입시켜서 실질적으로 모든 환원성 가스를 연소시키고 저유황 함량을 갖는 산화된 연소가스와 황화알칼리를 함유한 비말동반된 고체를 생성시키고 ; (g) 기체/고체 분리구역에 저유황 함량을 갖는 연소가스 및 황화알칼리를 함유화 비말동반된 고체를 도입시키고 또한 이로부터 황화알칼리를 함유한 분리된 고체를 회수하고 ; (h) 고체산화구역에 황화알칼리를 함유한 분리된 고체를 도입시키고 또한 고체산화 구역에 충분한 공기를 도입시키고 분리된 고체중의 실질적으로 모든 황화알칼리를 황산알칼리로 전환시키고 ; (i) 고체산화구역으로부터 주로 산화알칼리 및 황산알칼리로 구성된 산화된 고체를 회수하고 ; (j) 재순환 산화된 고체의 적어도 대부분의 산화된 고체를 회수하고 ; 그리고 (k) 기체/고체 분리구역으로부터 저유황 함량을 갖는 연소가스를 회수함을 특징으로 하는 순환유동상 연소장치에서 황함유 연료를 연소시키는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서 1차 연소구역이 하층의 백-믹스 구역 및 상층의 희박 고체상 구역으로 되어있고, 모든 황함유 연료가 하층의 백-믹스 구역에 도입되는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 신선한 알칼리 흡수제가 하층의 백-믹스 구역에 도입되는 방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 1차 연소구역에 1차 공기가 화학양론적 공기의 40∼95체적% 만큼 도입되고, 1차 공기의 적어도 대부분이 하층의 백-믹스 구역에 도입되는 방법.
  5. 제 1 항 또는 2항에 있어서, 신선한 알칼리 흡수제가 석회석이고 황-함유 연료가 고체 연료인 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 1차 연소구역내의 부분산화 조건이 작동 온도 650℃∼1095℃ 및 작동압력 대기압∼2기압을 포함하는 방법.
  7. 제 1 항 또는 4항에 있어서, 1차 및 2차 연소구역에 대한 누적 공기공급이 화학양론적 공기의 100∼300체적% 되도록 2차 연소구역에 2차 공기가 도입되는 방법.
  8. 제 2 항에 있어서, 1차 연소구역내의 상층의 희박 고체상 구역에는 실질적으로 산소 분자가 없고 2차 연소구역은 1∼8몰%의 산소분자를 함유하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 고체산화 구역이 590∼985℃의 온도 범위에서 작동하는 유동상으로 되어 있고 또한 분리된 고체가 적어도 1∼30초의 고체체류 시간을 갖고 공기와 접촉하는 방법.
  10. 제 2 항에 있어서, 1차 연소구역내의 하층의 백-믹스 구역이 고체 밀도 320∼96-㎏/㎥인 조밀고체상 유동상으로 되는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 순환 유동상 연소장치가 760℃∼985℃의 온도범위에서 작동하고 또한 1차 및 2차 연소구역이 고체밀도 8∼320㎏/㎥인 희박상 유동상으로 되는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 1차 연소구역이 하층의 희박 고체상 백-믹스 구역 및 실질적으로 플러그-흐름 조건하에 작동하는 상층의 희박 고체상 구역으로 되는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 신선한 알칼리 흡수제가 석회석이고, 황함유 연료가 하층의 희박고체상 백믹스 구역에 도입되는 석탄이고, 1차 연소구역에 1차 공기가 화학양론적 공기의 55∼90체적% 만큼 도입되는 방법.
  14. 제 11 항에 있어서, 1차 연소구역이 가스체류 시간 1∼3초로써 작동되는 방법.
  15. 제 11 항에 있어서, 2차 연소구역이 가스체류 시간 0.25초로써 작동되는 방법.
  16. 제 11 항에 있어서, 고체 산화 구역이 온도범위 760∼920℃ 및 고체 체류시간 1∼50초로써 작동되는 조밀상 유체상으로 되는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 고체산화 구역의 분리된 고체가 1차 및 2차 연소구역에 유동화 백-압력을 실현할만큼 충분한 높이를 갖는 방법.
  18. 제 11 항에 있어서, 재순환 산화된 고체 대 신선한 알칼리 흡수제의 정상상태 중량 흐름비가 200∼10,000의 재순환 산화된 고체대 황-함유 연료의 정상 상태 중량 흐름비가 100∼3200인 방법.
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