KR20040080681A - 연소로 출구 온도제어장치가 구비된 순환유동층 연소장치및 연소로 출구 온도제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연소로 출구 온도제어장치가 구비된 순환유동층 연소장치 및 연소로 출구 온도제어방법에 관한 것이며, 그 목적은 연소로에 투입되는 연료 중에 미세 입자가 많이 포함되어 있거나 운전 조건 변경에 따라 미연분에 의한 후연소 되는 양이 많아 연소로 출구 이후에서 온도가 적정 수준 이상으로 상승할 시 이를 제어하여 온도 상승에 따른 슬래깅, 파울링 등의 문제점을 해결함과 동시에 외부 공기 투입에 의한 보일러의 열효율 감소를 방지하고 안정적인 냉각효과를 거둘 수 있는 연소로 출구 온도제어장치가 구비된 순환유동층 연소장치 및 연소로 출구 온도제어방법을 제공함에 있다.

본 발명은 미분입자를 포함하는 연료를 공급하는 연료 저장조와, 연소용 공기에 의하여 유동층을 형성하는 연소로와, 연소로에서 빠져나가는 입자를 포집하기 위한 사이클론과, 포집된 입자를 연소로에 재순환시키는 입자 순환부와, 연소가스의 현열을 회수하기 위한 대류 열전달부와, 비산회를 포집하는 집진설비와, 배가스를 대기로 배출하는 연돌로 이루어진 순환유동층 연소장치의 연소로 출구 온도를 제어함에 있어서, 상기 집진설비를 거치고 나온 배가스의 일부를 연소로 출구 또는 사이클론 입구 또는 출구측 중 선택된 하나의 부분으로 환류시켜 온도를 제어하는 순환유동층 연소장치에서 연소로 출구 온도제어장치 및 온도제어방법에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

Description

연소로 출구 온도제어장치가 구비된 순환유동층 연소장치 및 연소로 출구 온도제어방법{Temperature Control apparatus and Control method at the combustor exit in a circulating fluidized bed combustion system}

본 발명은 연소로 출구 온도제어장치가 구비된 순환유동층 연소장치 및 연소로 출구 온도제어방법에 관한 것으로, 연소로, 사이클론, 입자순환부, 대류 열전달부, 집진설비, 연돌로 구성된 순환유동층 연소장치에서 연돌을 통해 배출되는 배기가스의 일부를 연소로의 출구 또는 사이클론의 후단으로 환류시켜 미연 탄소분과 미연가스의 후연소에 의해 연소로의 출구 및 사이클론의 후단부에서 온도가 적정 수준 이상으로 상승되는 것을 방지할 수 있는 연소로 출구 온도제어장치 및 온도제어방법에 관한 것이다.

순환유동층 보일러는 높은 연소효율, 800~950℃의 연소온도에 따른 질소산화물 생성억제효과, 석회석의 로내 투입을 통한 황산화물의 배출제어, 층입자의 열적 관성력에 따른 다양한 연료에 적용 가능하고 연료의 변동폭에 대한 수용능력이 좋아 석탄 보일러뿐만 아니라 각종 산업폐기물과 도시 쓰레기 소각까지 적용을 확대해 가고 있다.

현재 우리나라에서도 석탄 또는 정유정재 코크(Petroleum Coke)를 연료로 하는 순환유동층이 1980년대 중반부터 보급되어 십 수기가 운전 중에 있거나 건설 계획이 예정되어 있는 실정이다.

이와 같은 순환유동층 연소장치의 구성을 도 2를 통해 설명하면, 연료를 저장하는 연료 저장조(108)와, 상기 연료 저장로(108)부터 투입된 연료의 연소가 이루어지는 연소로(101)와, 상기 연소로(101)에 공급된 연소용 공기와 함께 비말동반되어 연소로(101)를 빠져나가는 입자를 포집하기 위한 사이클론(102)과, 상기 사이클론(102)에서 포집된 입자를 연소로 하부에 재주입시키는 입자 순환부(105)와, 상기 사이클론(102)에서 입자가 분리된 배가스의 현열을 회수하기 위한 대류 열전달부(103)와, 상기 사이클론(102)에서 포집되지 않은 미세한 비산입자를 포집하는 집진설비(104)와, 상기 집진설비(104)를 거친 배가스를 외부로 배출하는 연돌(107)로 구성되었다.

이와 같이 구성된 순환유동층 연소장치의 공정을 살펴보면, 연료 저장조에 저장된 연료는 연소로의 하부로 공급되고, 이때 연소용 일차공기(A1)는 평균입경 약 300㎛인 층물질로 채워진 연소로 하부로 공급되어 연소로에 유입된 연료가 연소하게 되며, 연료의 연소에 의해 발생된 연소가스는 연소로 출구로 배출되는 한편, 연소로에서 비말동반된 입자는 사이클론에서 포집되고, 저압의 사이클론 하단부에서 고압의 연소로 하단으로 포집된 입자가 입자순환 공급용 공기(A3)에 의해 순환될 수 있도록 입자 순환부에서 압력 균형을 유지하게 되며, 사이클론에서 입자가 분리된 연소가스는 대류 열전달부에서 현열에서 현열을 회수하고, 사이클론에서 포집되지 않은 미세한 비산입자는 집진설비에서 포집된 후 나머지 배가스는 연돌을 통해 대기 중으로 배출되도록 구성되었다.

한편, 연소로 하부로부터 유입되는 연소용 일차공기에 의하여 유동화 되는 지역은 부분 연소가 진행되는 환원분위기로서 입자밀도가 높고 연료투입구 상부에위치한 연소용 이차공기(A2)의 투입에 의하여 미연가스 및 탄소입자들의 연소가 더욱더 진행되는데, 상부로 올라갈수록 입자 밀도는 감소하면서 어느 높이 이상에서는 거의 일정한 값을 유지하게 되며, 이러한 입자군들은 미연탄소와 회분, 탈황제 등의 층물질을 포함한 채 연소로를 빠져나가게 된다.

일반적으로 입경이 12~20mm 이하인 석탄 연료를 순환유동층 연소로 하부에서 투입하는데, 이중에서 미세 입자가 많이 포함되어 있거나 연소용 일차공기의 공급량을 증가시킬 경우, 상기 층 상부까지 비말동반되는 탄소입자를 포함하는 미연분의 양 또한 증가되어 후연소가 진행됨에 따라 연소로 출구에서부터 사이클론 및 대류 열전달부의 입구 등에서 온도가 적정수준 이상으로 상승되기도 하는데 특히 연소로의 온도가 900℃ 이상에서 운전될 경우 이들 미연 탄소분과 미연가스의 후연소에 의하여 상기 부분에서 온도가 적정 수준 이상으로 상승되는 문제점이 발생되었다.

즉, 연소로 출구 부근 이후에서 온도가 950℃ 이상의 온도로 상승하게 되면 회분에 의한 연소로 벽면과 보일러 튜브(109)에 슬래깅이 발생되거나 대류 열교환기 회분 용융에 의한 융착(Deposition)이 발생하게 되어 효율을 절감시키거나 심지어는 운전을 정지하게 되며, 온도 상승에 의한 탈황효율 또한 현격히 저하되어 많은 양의 탈황 흡수제가 투입되거나 황산화물의 배출 농도 증가를 초래한다.

그리고 사이클론에서 고온 상태로 유지되는 층 입자들이 그대로 입자 순환부에 유입되거나 혹은 그곳에서 미연 탄소의 연소에 의하여 온도가 더욱 상승하여 그 부분에서 층 물질이 고온 상태에서 응집(Agglomeration)되어 입자의 순환에 방해를주게 되며 결국 운전 장해의 요인이 되게 된다.

한편, 사이클론의 온도 상승을 방지하는 방법으로서 연소로 출구에서 사이클론 부분의 벽면에 열교환을 위한 수관을 설치하거나 냉각공기를 주입할 수 있는 관을 설치하는 방법이 고려될 수 있지만, 벽면에 냉각용 수관을 설치하는 것은 본질적으로 후연소에 의한 연소로 출구 부위에서의 온도 상승 억제에 대한 근본적인 문제 해결의 수단을 제공하지 못하고 냉각 공기의 주입은 연소효율의 저하는 가져오는 문제점이 발생되었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출되는 것으로, 그 목적은 연소로에 투입되는 연료중에 미세 입자가 많이 포함되어 있거나 운전 조건 변경에 따라 미연분에 의한 후연소 되는 양이 많아 연소로 출구 이후에서 온도가 적정 수준 이상으로 상승할 시 이를 제어하여 온도 상승에 따른 슬래깅, 파울링 등의 문제점을 해결함과 동시에 외부 공기 투입에 의한 보일러의 열효율 감소를 방지하고 안정적인 냉각효과를 거둘 수 있는 연소로 출구 온도제어장치가 구비된 순환유동층 연소장치 및 연소로 출구 온도제어방법을 제공함에 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 순환유동층 연소장치의 구성을 나타낸 예시도

도 2 는 종래의 순환유동층 연소장치의 구성을 나타낸 예시도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(A1) : 연소용 일차공기 (A2) : 연소용 이차공기

(A3) : 입자순환 공급용 공기 (W) : 물

(1)(101) : 연소로 (2)(102) : 사이클론

(3)(103) : 대류 열순환부 (4)(104) : 집진설비

(5)(105) : 입자순환부 (6)(106) : 유인송풍기

(7)(107) : 연돌 (8)(108) : 연료 저장조

(9) : 흡인 송풍기 (10) : 연결관로

(109) : 보일러 튜브

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 연료를 저장하는 연료 저장조(8)와, 상기 연료 저장조(8)부터 투입된 연료의 연소가 이루어지는 연소로(1)와, 상기 연소로(1)에 공급된 연소용 공기와 함께 비말동반되어 연소로를 빠져나가는 입자를 포집하기 위한 사이클론(2)과, 상기 사이클론(2)에서 포집된 입자를 연소로(1) 하부에 재주입시키는 입자 순환부(5)와, 상기 사이클론(2)에서 입자가 분리된 배가스의 현열을 회수하기 위한 대류 열전달부(3)와, 상기 사이클론(3)에서 포집되지 않은 미세한 비산입자를 포집하는 집진설비(4)와, 상기 집진설비(4)를 거친 배가스를 외부로 배출하는 연돌(7)로 구성된 순환유동층 연소장치에 있어서, 상기 집진설비(4)와 연돌(7)을 연결하여 집진설비를 거친 배가스를 연돌로 전달하는 연결관로(10)상에 흡인송풍기(9)를 연결 설치하고, 상기 흡인송풍기(9)를 통해 흡입된 배가스를 연소로의 출구 또는 사이클론 입구 또는 출구측 중 선택된 하나의 부분으로 환류시키도록 구성된 연소로 출구 온도제어장치가 구비된 순환유동층 연소장치와,

미분입자를 포함하는 연료를 공급하는 연료 저장조(8)와, 연소용 공기에 의하여 유동층을 형성하는 연소로(1)와, 연소로에서 빠져나가는 입자를 포집하기 위한 사이클론(2)과, 포집된 입자를 연소로(1)에 재순환시키는 입자 순환부(5)와, 연소가스의 현열을 회수하기 위한 대류 열전달부(3)와, 비산회를 포집하는 집진설비(4)와, 배가스를 대기로 배출하는 연돌(7)로 이루어진 순환유동층 연소장치의 연소로 출구 온도를 제어함에 있어서, 집진기를 거치고 나온 배가스의 일부를 연소로 출구 또는 사이클론 입구 또는 출구측 중 선택된 하나의 부분으로 환류시켜 온도를 제어하는 순환유동층 연소장치에서 출구 온도제어방법으로 구성되었다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면과 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명에 따른 순환유동층 연소장치의 구성을 나타낸 예시도를 도시한 것으로, 본 발명은 연소로(1) 출구 또는 사이클론(2)에서 온도가 상승할 때 미연탄소 및 미연가스를 포함한 고온의 연소로 출구 가스와 연돌(7)로 배출되는 저온의 배가스를 일부 환류시켜 고온의 연소가스와 혼합시킴으로 연소로의 출구 온도를 제어토록 구성되었다.

미연탄소와 미연가스가 연소로(1) 상단부를 통하여 사이클론(2)으로 진입하는 과정에서 후연소에 의하여 연소가스의 온도를 상승시키는 정도는 공급되는 연료량, 그 특성, 입도 분포, 공기의 유속에 따라 달라지며, 일예로서 사이클론의 출구온도가 950℃일 경우, 연돌로 빠져나가는 200℃의 온도값을 갖는 배가스 중 5~8%를 연소로 출구 또는 사이클론의 입구 또는 출구 측으로 흡인송풍기를 이용하여 환류시켜 주입하면 885~915℃의 온도를 나타냄으로서 안정한 온도 범위를 유지할 수 있는 것으로 나타났다.

여기서 배가스의 환류비가 4% 이하 일 경우에는 사이클론에서의 온도 강하 효과는 뚜렷하지 않고 환류비가 9% 이상일 경우에는 사이클론 입구의 유속 증가에 따른 압력강하가 커지고 대류 열전달부 입구에서의 온도 강하에 따른 열교환 효율 저하 및 유량 증가에 따라 설비의 크기가 커져야 됨으로써 배가스의 환류비는 5~8%가 바람직하다.

환류 배가스의 주입위치는 연소로 출구 또는 사이클론 입구 또는 출구측 중에 선택된 한 곳 즉, 온도상승 억제가 필요한 곳으로 흡인송풍기(9)를 연결하여 배가스를 환류시킬 수 있도록 구성되며, 사이클론 출구측에 환류 배가스를 주입시키는 방법은 사이클론의 효율저하 없이 대류 열전달부 입구의 온도 상승을 억제하는데 유용하며, 체류시간 및 연소가스와 환류 배가스의 혼합을 등을 고려하면 연소로 출구측에 환류 배가스를 주입하는 것이 바람직하지만, 이미 설치되어 운전중인 순환유동층 연소장치의 경우에는 적용이 어려우며, 사이클론 입구측에 환류 배가스를 주입시키는 것은 이미 설치되어 운전중이거나 새로 제작되는 순환유동층 연소장치 어느쪽이나 다 적용할 수 있고, 연소로 출구 또는 사이클론 입구측에 배가스를 환류시키도록 구성할 경우 미도시된 환류덕트의 설치 및 보수가 용이한 장점이 있다.

이와 같이 본 발명은 집진설비를 거쳐 나온 200℃ 이하, 산소농도 4% 이하 그리고 열용량 값이 큰 배가스의 일부를 연소로 출구 또는 사이클론 입구 또는 출구측으로 환류시켜 고온의 연소가스와 비교적 저온의 환류 배가스를 강제 혼합시킴으로서 연소로 출구 및 사이클론의 입구측과 출구측의 온도를 제어할 수 있으며, 사이클론 부근에서 온도가 900℃ 이상 상승시 황산화물 흡수제에 의한 황산화물 제거 속도 보다 생성된 CaSO₄가 고온에서 분해되어 SO₂를 방출시키는 반응이 더욱 활발히 진행되어 탈황 효율저하에 따른 황산화물의 배출농도 상승과 황산화물 흡수제의 소비량이 증가되는 것을 방지할 수 있게 된다.

도면 중 미설명 부호 W는 물이다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명은 연소로 출구 또는 사이클론의 입구 또는 출구측 중 선택된 한 곳으로 배가스의 일부를 환류시키도록 구성되어 외부공기를 사용하지 않고 자체 배가스를 환류시킴으로서 보일러의 열효율을 유지할 수 있고, 연소로 출구 및 사이클론의 입출구에서 적정 온도 수준을 유지하게 함으로써 로벽면 또는 열회수용 튜브에 회분에 의한 슬래깅을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 대류 열전달부에서의 회분에 의한 융착, 파울링을 방지할 수 있고, 도한 입자 순환부로 유입되는 입자들의 온도 또한 적정수준이 유지되어 연소로 층물질의 고온 응집을 예방할 수 있으며, 황산화물의 배출농도 상승을 억제하여 황산화물 흡수제의 소비량을 감소시킬 수 있는 효과 등이 있는 것이다.

Claims (3)

1. 연료를 저장하는 연료 저장조와, 상기 연료 저장조로부터 투입된 연료의 연소가 이루어지는 연소로와, 상기 연소로에 공급된 연소용 공기와 함께 비말동반되어 연소로를 빠져나가는 입자를 포집하기 위한 사이클론과, 상기 사이클론에서 포집된 입자를 연소로 하부에 재주입시키는 입자 순환부와, 상기 사이클론에서 입자가 분리된 배가스의 현열을 회수하기 위한 대류 열전달부와, 상기 사이클론부에서 포집되지 않은 미세한 비산입자를 포집하는 집진설비와, 상기 집진설비를 거친 배가스를 외부로 배출하는 연돌로 구성된 순환유동층 연소장치에 있어서,

   상기 집진설비와 연돌을 연결하여 집진설비를 거친 배가스를 연돌로 전달하는 연결관로상에 흡인송풍기를 연결 설치하고, 상기 흡인송풍기를 통해 흡입된 배가스를 연소로의 출구 또는 사이클론 입구 또는 출구측 중 선택된 하나의 부분으로 환류시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 연소로 출구 온도제어장치가 구비된 순환유동층 연소장치.
2. 미분입자를 포함하는 연료를 공급하는 연료 저장조와, 연소용 공기에 의하여 유동층을 형성하는 연소로와, 연소로에서 빠져나가는 입자를 포집하기 위한 사이클론과, 포집된 입자를 연소로에 재순환시키는 입자 순환부와, 연소가스의 현열을 회수하기 위한 대류 열전달부와, 비산회를 포집하는 집진설비와, 배가스를 대기로 배출하는 연돌로 이루어진 순환유동층 연소장치의 연소로 출구 온도를 제어함에 있어서,

   상기 집진설비를 거치고 나온 배가스의 일부를 연소로 출구 또는 사이클론 입구 또는 출구측 중 선택된 하나의 부분으로 환류시켜 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 순환유동층 연소장치에서 출구 온도제어방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 환류되는 배가스의 환류비가 5~8%인 것을 특징으로 하는 순환유동층 연소장치에서 연소로 출구 온도제어방법