KR970010866B1 - 석탄연소시의 크링커 생성방지용 첨가제 - Google Patents

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Description

석탄연소시의 크링커 생성방지용 첨가제

본 발명은 석탄연소시의 크링커 생성방지용 첨가제, 보다 상세하게는 석탄혼소발전소의 크링커 생성방지용 첨가제에 관한 것이다.

외연식 열기관을 사용하는 증기원동소용 연료는 여러가지가 있고, 이를 고체연료, 액체연료, 기체연료로 나눌 수 있다.

고체연료에는 코크스, 목탄, 석탄 등이 있으나 석탄이 많이 쓰이며, 석탄은 그 탄화도에 따라 토탄, 갈탄, 역청탄, 무연탄으로 나뉜다.

석탄을 750℃ 정도에서 연소시키면 회분(ash content)이 남는데, 이 회분은 용융성이 있다.

회분의 용융점은 1,000∼1,500℃이므로 석탄을 고온에서 연소시키면 회분이 크링커로 되어 보일러 노벽이나 통풍을 해칠 뿐 아니라 제거, 처리하는데 많은 난점이 있었고, 열기관 또는 발전소의 운전을 정지해야 하는 경우도 생각할 수 있다. 상기와 같은 종래의 문제점을 상세히 설명하기로 한다.

석탄 성분을 대별하면 수분, 회분, 회발분 및 고정탄소로 이루어진다.

상기 회분은 석탄을 800℃로 연소하였을 때의 잔류무기물이며, 이산화규소(SiO₂), 산화알루미늄(Al₂O₃), 산화철(Fe₂O)₃, 산화마그네슘(MgO), 기타 알카리금속의 산화물(Na₂O, K₂O) 등으로 이루어져 있다. 상기 회분의 융점은 보통 1200∼1500℃이며, 상기 융점온도가 이상이 되면 이산화규소(SiO₂) 등의 회분성분이 후술하는 고정탄소와의 결합이 촉진되는 회분의 결합촉진온도가 된다.

석탄성분중 고정탄소란 연소시 적열상태의 고체로서 계속 타는 성분으로 휘발분유출후 코크스(Coke)로 잔류하는 성분이다. 코크스 생성과정을 보면, 석탄, 특히 점결탄은 350℃에서 연화용융하기 시작하고 가스의 발생이 왕성하게 되며 팽창하여 가공을 만들며, 500℃ 정도에서 기공을 가진채 굳어지고, 800℃ 정도에서 분해가 종료되며, 수축하여 군데군데 균열을 만들며 1000℃ 부근에서 탄소가 풍부한 괴상의 코크스가 된다.

상기 코크스는 연소실의 온도가 1300∼1600℃까지 올라가면, 상기 회분과의 결합이 촉진되어 크링커가 생성된다. 따라서, 연소과정중 형성되는 크링커는 회분 및 고정탄소와의 결합의 결과이나, 상기와 같은 큰 괴상의 크링커 생성은, ⅰ. 연소실내로 통풍되는 2차공기를 차단하여 연속적인 연소장애를 일으킬 뿐 아니라, ⅱ. 연소실내의 내화물의 용융화를 가속시켜 결국 연소실벽을 붕괴시키는 등의 문제를 일으킨다.

본 발명자는 연소실내의 내화물의 용융화현상은 다음과 같은 메카니즘을 통하여 진행함을 알게 되었으며, 이를 상세히 설명하고자 한다.

통상의 연소실벽의 내화물은 다음과 같은 조성으로 구성된다.

연소실벽의 내화물의 조성

상기와 같은 조성의 내화물중 산화알루미늄(Al₂O₃) 성분과 석탄연소후의 생성된 고온의 회분성분중 이산화규소(SiO₂)와의 용융화 반응이 일어나 연소실벽을 잠식하게 되어 결국 연소실벽의 붕괴를 일으키는 것이다.

따라서, 석탄의 연소를 방해하지 않으면서 크링커가 잘 부서지도록 하기 위한 첨가제로서 표 1과 같은 성분의 첨가제가 공지되어 있으나(이하, 공지의 첨가제라함), 수입에 의존하고 있는 실정이다.

크링커 생성 억제용 첨가제

[표 1]

표 1의 첨가제는 부서지기 쉬운 덩어리재가 형성되도록 하는데 많은 도움을 주고 있으나, 아직도 덩어리재의 강도가 높아서 별도의 파쇄작업 내지 파쇄기를 필요로 한다.

본 발명자는 공지의 첨가제의 문제점을 마그네슘 성분의 저조성량으로 부터 파악하여 이를 연구한 결과 공지의 첨가제의 문제점을 해결한 새로운 조성을 포함한 첨가제를 개발한 것이다.

본 발명을 완성함에 있어서는 국내에서 비교적 쉽게 구할 수 있는 원료를 사용하는데 중점을 두었으며, 수십차례에 걸친 배합, 실험의 결과 새로운 첨가제를 개발하게 되었다.

본 발명의 첨가제는 다음과 같은 조성으로 만들어진다.

1) 이산화규소 : 40중량%∼45중량%

2) 산화알루미늄 : 14중량%∼22중량%

3) 산화아연 : 7.5중량%∼8.0중량%

4) 산화마그네슘과 수산화마그네슘 또는 그 중 한가지 : 8중량%∼10중량%

5) 염화구리 : 5중량% ∼6중량%

6) 질산칼륨 : 3.5중량%∼7.0중량%

7) 탄산칼륨 : 3.0중량%∼5.0중량%

8) 탄산마그네슘 : 0.8중량%∼2.0중량%

9) 산화제2철(Ⅲ) : 1.8중량%∼3.0중량%

위와 같은 조성으로 된 본 발명의 첨가제를 공지의 첨가제와 비교해보면, 공지의 산화크롬(Ⅲ) 대신에 탄산마그네슘이 포함되어 있고, 산화제2철(III)의 함량이 상대적으로 많으며, 마그네슘 산화물로서 수산화마그네슘도 사용할 수 있다는 것이다.

상기 조성을 포함한 첨가제의 작용효과는 다음과 같이 이해되고 있다.

석탄의 회분중 이산화규소 성분은 고온에서 첨가제중 ZnO, CaCl₂및 CaCO₃성분과 결합하여 결정구조를 촉진하며, 이때 결정구조 형성에 있어서 마그네슘 성분이 촉매작용을 하는 것으로 이해된다. 즉, 본 발명에서의 마그네슘은 상기 ZnO, CuCl₂및 CaCO₃와 석탄회분의 SiO₂와의 반응을 가속화시켜 결정 형성을 촉진하므로, 석탄회분중의 SiO₂와 고정탄소와의 결합반응이 감소되어 큰 괴상이 크링커가 생성되지 않고 다공의 덩어리로 되어 분쇄가 용이한 것이다.

또한, 본 발명의 첨가제는 연소실벽을 알카리성분의 산화물로 덮으므로 석탄회분의 SiO₂가 내화물질중의 Al₂O₃와 반응하여 용융화하는 것을 막아주어 연소실벽이 붕괴되지 않고 장기적 사용이 가능한 효과가 있는 것이다.

상기와 같은 조성의 첨가제를 석탄연소시 첨가하는 방법에 대하여 설명한다.

통상적으로 화력발전소용 석탄은 괴상으로 수입되는 유연탄 60중량%과 국내생산 분탄인 무연탄을 40중량%로 혼합하여 사용하나, 생성되는 크링커를 방지하기 위하여 본 발명인 크링커방지첨가제를 혼합하는 경우에는 무연탄 35∼37중량%에 첨가제 3∼5중량%를 혼합한다. 정량공급기를 통하여 괴상의 유연탄을 조분쇄하여 직경 5∼10mm로 입자화 한 후 유연탄 공급용 사이로 저장하고, 또 다른 정량공급기를 통하여 분탄인 무연탄을 미분쇄하여 직경 2∼3mm로 입자화한후 무연탄공급용 사이로 저장하고, 본 발명인 첨가제를 첨가제 공급용사이로로 투입한다.

각 공급용사이로로부터 유연탄 60중량%, 무연탄 35∼37중량% 및 첨가제 3∼5중량%를 스크류믹서로 공급받아 완전혼합하여 연소공급용사이로를 통하여 로터리버너가 장착된 연소실로 이동된다.

상기 연소실은 1차공기연소실과 2차공기연소실로 구분되어 있고, 1차공기연소실에서는 주입되는 1차공기를 이용하여 완전혼합된 석탄을 1차연소하면 코크스 및 크링커가 생성됨과 동시에 열이 발생되며, 생성된 열은 미분의 카본 및 미연소된 석탄분말과 함께 열여과장치를 통과하게 된다. 상기 열여과장치에서 미분의 카본이 제거되면서, 2차연소실로 이동되어 2차공기에 의해 미연소된 석탄분말이 완전연소되고 열은 2차연소실과 연결된 열량발생탑으로 주입되어 증기를 발생시키며, 발생된 증기가 터빈을 회전시켜 발전에 이용되는 것이다.

본 발명에 의한 효과를 확인하기 위한 장치 및 방법을 기술하면 다음과 같다.

상기 제1차연소실 하부에 생성코크스 및 크링커 배출장치인 컨베이어가 부설되어 있어, 연속적으로 공급된 석탄의 연소부산물인 크링커 및 코크스를 연소실 외부로 배출한다.

종래의 첨가제를 첨가시 연소후 발생되는 덩어리재는 10mesh(메쉬)에 필터하여도 많은 부분이 잔존하였으나, 본 발명의 첨가제를 첨가하여 연소반응을 일으키면, 덩어리재는 20mesh에서도 대부분이 통과한다.

본 발명자는 본 발명의 첨가제를 무연탄 및 유연탄의 혼합구성으로 된 석탄 95∼97중량%에 대하여 3∼5중량%의 비율로 수회 사용하여 연소반응을 일으키고, 1차연소실하부로부터 배출되는 생성코크스 및 크링커의 성상을 공지의 첨가제를 사용한 결과와 비교한 결과, 본 발명의 첨가제를 사용하여 생긴 덩어리가 공지의 첨가제를 사용한 경우의 덩어리재보다 쉽게 부서져서 분말화 됨을 알 수 있었다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한, 석탄 연소시의 크링커 생성방지용 첨가제는 석탄혼소 발전소등 석탄을 사용하는 외 연식 열기관에서 불가피하게 발생하는 덩어리재를 분말화하기 쉽게하여 줄뿐아니라 연소실벽의 용융화를 방지하여 그 운전효율을 높이고 폐기물 처리를 용이하게 하는 유용한 발명이다.

Claims (4)

1. 이산화규소 40중량%∼45중량%, 산화알루미늄 14중량%∼22중량%, 산화아연 7.5중량%∼8.0중량%, 마그네슘산화물 8중량%∼10중량%, 염화구리 5중량%∼6중량%, 질산칼륨 3.5중량%∼7.0중량%, 탄산칼슘 3.0중량%∼5.0중량%, 탄산마그네슘 0.8중량%∼2.0중량%, 산화제2철(Ⅲ) 1.8중량%∼3.0중량%로 조성되고, 60메쉬 이상 100% 200메쉬 통과 85% 이상의 분말로 되는 것을 특징으로 하는 석탄연소시의 크링커 생성방지용 첨가제.
2. 제1항에 있어서, 마그네슘 산화물이 산화마그네슘인 것을 특징으로 하는 석탄 연소시의 크링커 생성방지용 첨가제.
3. 제1항에 있어서, 마그네슘 산화물이 수산화마그네슘인 것을 특징으로 하는 석탄연소시의 크링커 생성방지용 첨가제.
4. 제1항에 있어서, 마그네슘 산화물이 산화마그네슘과 수산화마그네슘의 혼합물인 것을 특징으로 하는 석탄연소시의 크링커 생성방지용 첨가제.