KR-20260060867-A - A mixture composition containing a fluidized sand utilizing coal pumice stone and a fuel additive for solving operation obstacle
Abstract
본 발명은 바이오매스 또는 폐기물을 연료로 하는 유동층 보일러용 혼합조성물로써, 석탄 경석을 2.0mm 이하로 분쇄한 경석 분말을 포함하며, 상기 경석 분말을 유동층 보일러의 유동매체로 사용한다.
Inventors
- 원종의
- 김남회
- 김병재
Assignees
- 주식회사 이비알
Dates
- Publication Date
- 20260506
- Application Date
- 20241025
Claims (4)
- 바이오매스 또는 폐기물을 연료로 하는 유동층 보일러용 혼합조성물로써, 석탄 경석을 2.0mm 이하로 분쇄한 경석 분말을 포함하며, 상기 경석 분말은 유동층 보일러의 유동매체로 사용되는 유동층 보일러용 혼합조성물.
- 제1항에 있어서, 제1연료첨가제로 SiO 2 , Al 2 O 3 기반의 카오린 분말을 더 포함하는 유동층 보일러용 혼합조성물.
- 제1항에 있어서, 제1연료첨가제로 SiO 2 , Al 2 O 3 기반의 미분탄 보일러의 석탄재 분말을 더 포함하는 유동층 보일러용 혼합조성물.
- 제2항 또는 3항에 있어서, 보일러에서 연소되는 연료에 따라 제2연료첨가제로 고체상태의 유황(S), 황산알미늄(Al 2 (SO 4 ) 3 ), 황산암모늄((NH 4 ) 2 SO 4 ) 및 황산제2철(Fe 2 (SO 4 ) 3 ) 중에서 적어도 하나를 더 포함하는 유동층 보일러용 혼합조성물.
Description
석탄 경석을 활용한 유동사 및 운전장애 해소를 위한 연료첨가제를 포함하는 유동층 보일러용 혼합조성물{A mixture composition containing a fluidized sand utilizing coal pumice stone and a fuel additive for solving operation obstacle} 본 발명은 바이오매스 또는 폐기물을 연료로 사용하는 유동층 보일러의 유동매체 및 연료첨가제 혼합조성물에 관한 것이다. 신재생에너지 공급의무화 제도(RPS, Renewable energy Portfolio Standard)는 일정규모(500MW) 이상의 발전설비를 보유한 발전 사업자에게 총 발전량의 일정비율 이상을 신재생에너지를 이용하여 공급토록 의무화한 제도이다. 국내 신재생에너지 공급의무자는 한국수력원자력을 비롯한 6개 발전자회사와 지역난방공사, 포스코파워, 지에스이피에스(GS EPS) 등이 있으며, 이들은 직접 신재생에너지 발전설비를 도입해 전기를 생산하거나 외부 신재생에너지 발전 사업자로부터 REC(Renewable Energy Certificates)를 구매하여 의무공급량을 달성하게 된다. 외부 신재생에너지 발전 사업자는 태양광, 풍력, 지열 등의 에너지원 외에 최근 바이오매스, 도시생활 폐기물 및 산업 폐기물을 소각 보일러의 연료로 사용하여 신재생에너지를 생산하고 있으며, 이를 통해 확보한 REC를 신재생에너지 공급의무자에게 판매함과 동시에 전력 또는 열을 판매하여 수입원을 확보하고 있다. 바이오매스 또는 폐기물 연료는 고체화석연료에 비하여 일반적으로 품질이 낮고, 회분 비율이 낮으며, 낮은 발열량으로 인해 저급연료로 취급되며, 이러한 저급연료를 안정적으로 연소하기 위하여 유동매체를 연료 및 공기와 함께 공급하여 혼합 연소시키는 유동층 보일러가 주로 사용되고 있다. 유동층 보일러에서 유동매체는 자연산 모래를 사용하거나 규석을 채취 후 적정한 입도로 분쇄한 후 선별한 인조 유동사를 사용하는게 일반적이다. 하지만 자연산 강 모래는 국내 부존자원의 한계와 적정한 입도 수급에 어려움이 있으며, 바다 모래에는 염분이 포함돼 있어 세척 등의 2차 처리를 해야 하는 번거로움이 있다. 또한, 규석을 분쇄 가공한 인조 유동사는 한정된 부존자원을 이용해야 하는 단점이 있어, 실제 일부는 베트남 등 해외에서 수입하여 사용하고 있는 실정이다. 한편, 유동층 보일러의 연료로 사용되는 바이오매스 또는 폐기물에는 산성 성분이 적고 염기성 성분이 많기 때문에 고온 연소시 보일러의 예고없는 튜브의 파열, 파울링에 의한 연소가스 배출장애, 유동사와 이물질 간의 응집으로 인한 연소실에서의 배출장애, 내화재의 화학적 부식 등 수많은 알칼리 장애가 발생하고 있으며, 그로 인해 보일러의 장기 운전이 불가능하게 되는 사례가 발생하고 있으나, 관련 기술의 미비와 현재까지 유동층 보일러에서 알칼리계 연료를 사용하여 운전한 상용화 기간이 짧아 효과적인 대응이 어려운 실정이다. 또한, 바이오매스 및 폐기물 연료 중에 다량 포함된 K, Na, Cl 성분이 보일러에서 고온 연소시 Aerosol 상태로 분해되었다가 연소가스가 보일러 튜브에 열을 전달후 배기가스의 온도가 낮아지면서 1~3차 혼합물로 서로 화학결합하여 보일러 후부전열부(Back Pass)의 보일러 튜브 표면에 증착 성장하여 연소가스의 흐름을 막고, 이때 NaCl의 혼합물이 튜브 표면의 Fouling 속에서 생성되어 400℃ 이상에서는 녹아서 소금물로 변하고 이 온도 이하에서는 소금의 결정체로 석출된다. 이때 이 소금에 의한 튜브 부식이 고온염소부식으로 불시에 보일러 튜브의 파손을 초래하고 있다. 도 1은 유동층 보일러에서 나타나는 대표적인 장애를 설명하기 위한 도면이다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 이하, 본 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예에 따른 유동층 보일러용 혼합조성물은 석탄 경석을 활용한 유동사 및 보일러 운전장애 해소를 위한 연료첨가제를 포함하여 구성될 수 있다. 본 발명에 따른 유동층 보일러는 바이오매스 또는 폐기물을 연료로 사용한다. 이들 원료들은 대부분 화석연료에 비해 더 많은 수분과 산소를 함유하기 있기 때문에 상대적으로 낮은 발열량을 가지며, 다량 함유된 알칼리 성분(K, Na)과 염소 성분(Cl)이 연소 후 1차, 2차, 3차 혼합하면서 유동층 보일러 내에서 다양한 운전장애를 일으키고 있다. 예컨대, 도 1을 참조하면, 대표적인 운전장애로 고온 염소부식에 의한 튜브의 누설, 파울링으로 인한 배가스 배출 장애, 바닥재 응집으로 인한 배출 곤란, 내화재 부식에 따른 탈락 등이 있다. 본 발명은 이와 같이 바이오매스 또는 폐기물을 연료로 하는 유동층 보일러의 운전장애를 해소하여 보일러의 장기 운전과 안정적인 운용을 가능하게 하고자 석탄 경석을 활용하여 기존의 유동사를 대체하고, 유동사의 재(Ash)의 화학결합 특성을 변화시키기 위한 연료첨가제를 추가한 혼합조성물을 제공한다. 1) 유동매체로써 경석 분말을 사용 본 발명에서는 종래의 유동층 보일러에서 사용되는 자연산 유동사(예컨대, 강모래 또는 세척한 바다 모래를 적절한 입도로 선별한 모래) 또는 인조 유동사(예컨대, 석영을 적절한 입도로 분쇄한 인조 모래)를 경석 분말로 대체하여, 보일러 내에서 열을 전달하는 유동매체로써의 연소열 이송 기능을 충실히 수행함과 동시에 경석에 함유된 주요 성분을 통해 보일러 운전장애를 예방할 수 있도록 한다. 실시 예에 따라, 경석 분말은 석탄 채굴과정에서 섞여 나오는 암석인 석탄 경석으로부터 제조될 수 있다. 구체적으로, 입고된 석탄 경석에 포함된 불순물을 제거하고 잘게 분쇄한 후 건조 및 입도 선별과정을 거쳐 경석 분말을 획득할 수 있다. 경석 분말은 사용되는 유동층 보일러의 특성에 따라 적정 크기로 제조될 수 있으나, 연소실의 연소온도 및 연료의 특성 등을 고려하여 2.0mm 이하의 크기로 분쇄하여 사용하는 것이 바람직하다. 경석 분말은 유동사로써 유동층 보일러에 투입되어 연료와 함께 약 850℃정도로 가열되며, 가열된 유동사는 노내를 순환하면서 수냉벽이나 외부 열교환기 등으로 열을 전달하는 역할을 할 수 있다. 또한, 경석 분말은 내화도가 높으며 이산화규소(SiO2)와 산화알루미늄(Al2O3) 성분 및 기타 미량 성분을 함유하고 있으며, 이를 활용하여 재(Ash)의 재융해, 슬래깅, 파울링 온도를 변경시킴으로써 재(Ash) 혼합물에 의한 보일러 운전장애를 억제할 수 있다. 구체적으로, <반응식 1>과 같이 모든 성분이 동일한 온도에서 녹지 않고 저융점 재(Ash) 성분이 먼저 녹고 나머지 부분은 트랩이 된다. 이산화규소(SiO2)와 산화알루미늄(Al2O3) 성분의 비율이 올라가면 전체 슬래깅 및 파울링 패턴이 변경될 수 있다. <반응식 1> Al2O3 . 2SiO2 + 2KCl + H2O => K2O . Al2O3 . 2SiO2 + 2HCl 2KCl + H2O + Al2O3 => 2KAlO2 + HCl 2KCl + SiO2 + H2O => K2O . SiO2 + 2HCl 2) 경석 분말의 구성 성분비 석탄 경석은 석탄 채굴을 위한 굴착과정에서 발생하는 굴진경석과 석탄과 이물질을 분류하는 과정에서 나오는 선탄경석으로 분류될 수 있다. 아래의 표 1은 실시 예에 따라, 채집된 선탄경석과 굴진경석을 각각 분말화 한 후, 구성 성분의 함량을 분석한 것이다. 구분SiO2Al2O3TiO2Fe2O3CaOMgOK2ONa2OMnOP2O5Igloss선탄경석49.1721.291.303.080.130.722.910.130.030.0921.15굴진경석47.0714.420.693.8011.422.512.080.150.060.1017.70 표 1과 같이, 석탄 경석은 이산화규소(SiO2)와 산화알루미늄(Al2O3)을 주요 성분으로 하며, 그 종류나 채굴 위치 및 환경에 따라 구성 성분의 함량에 차이를 보이고 있다. 실시 예에 따라, 본 발명의 경석 분말은 선탄경석 또는 굴진경석을 모두 사용할 수 있으며, 이들을 일정 비율로 혼합하여 사용하는 것도 가능하다. 구체적으로, 경석 분말은 유동층 보일러 운영 범위의 온도에서 잘 녹지않고 잘 깨지지 않도록 주성분인 이산화규소(SiO2) 산화알루미늄(Al2O3)의 총량이 일정 함유량 이상으로 포함되어 있어야 한다. 예컨대, 유동사의 용융온도를 1,250~1,550℃로 유지하고 안정적인 노내순환물질을 확보하기 위하여 이산화규소(SiO2)와 산화알루미늄(Al2O3) 성분이 약 65 중량% 이상 함유된 석탄 경석을 사용하는 것이 바람직하다. 구분SiO2(%)Al2O3(%)중량비 합계(%)운전상 특이점실시예1491867폐기물 연료 유동층보일러 사용비교예140848노내 순환유동물질 부족 저부하 운전만 가능비교예285893석탄연료 유동층보일러 유동사 ※ 단, 연료 중 K, Na의 성분 합계가 3% 미만일 경우 표 2의 비교예 1과 같이, 이산화규소(SiO2)와 산화알루미늄(Al2O3)의 함량이 65% 이하로 함유되는 유동사의 경우 노내 순환유동물질의 부족으로 저부하 운전에만 적용될 수 있다. 또한, 폐기물 연료 유동층 보일러에 유동사 사용 중 유동매체가 녹아 생기는 슬래깅(Slagging)이나 파울링(Fouling)에 인한 장애 발생을 효과적으로 억제할 수 있도록, 산화알루미늄(Al2O3)의 경우 10~40 중량% 범위로 함유되는 것이 바람직하다. 구분SiO2(%)Al2O3(%)중량비 합계(%)슬래깅 정도파울링 정도실시예 3752095-1-3실시예4623092-5-5비교예385893+2+5 ※ 슬래깅과 파울링 정도 표시 : ± 5 즉, 표 3의 비교예 3과