고체연료의 연소장치, 보일러 연소장치

그동안 고체연료를 산업용 보일러에 사용되는 경우는 거의 없었다고 할 수 있습니다. 그러나 2005년 이후에 온실가스의 배출을 감축할 목적으로 목재 펠릿 또는 목재 칩을 연료로 사용하는 보일러가 검토되었으며, 근래에는 화석연료에 비하여 목재 펠릿 보일러의 연료비가 상당히 경제성을 갖고 있어서 매년 수십대의 목재펠릿 보일러가 산업용으로 설치되고 있습니다.

고체연료의 연소 형태에 따라 분류하면 증발 연소(蒸發燃燒), 분해 연소(分解燃燒), 표면 연소 (表面燃燒), 발연 연소(發煙燃燒) 등으로 나눌 수 있습니다. 연료로 사용되고 있는 고체연료는 주로 분해 연소와 표면 연소에 의해서 연소되지만, 그 비율은 연료의 종류, 특히 연료비(然 料比)에 의해서 변화합니다.

분해 연소는 열분해 온도가 증발 온도보다도 낮은 경우에, 가열에 의해 열분해가 일어나서, 휘발하기 쉬운 성분이 연료 표면으로부터 떨어져서 연소하는 것을 의미하는데 일반적으로 연료가 열분해 되고 남은 고체분(Char)은 표면 연소를 하게 됩니다. 석탄, 목재, 종이 등 많은 고체의 연소는 분해 연소를 합니다.

표면연소는 휘발분을 거의 포함하고 있지 않은 코크스, 목탄, 분해 연소 후의 Char 등에서 발견되는 현상으로서, 산소나 산화성 가스가 고체 표면이나 내부의 빈 공간에 확산되어 표면 반응을 합니다. 확산에 의한 산소의 공급이 부족하면, 불완전연소에서 생긴 CO와 같은 중간 생성물이 표면에서 떨어진 곳에서 기상 연소(氣相燃燒)되기 때문에 일반적으로 표면 연소는 표면 반응뿐만 아니라 기체 상태의 연소반응도 동반합니다

공업적으로 널리 이용되고 있는 고체 연소장치들을 연소 방법에 따라 분류하면 화격자 연소(火格子燃燒), 유동층 연소(流動層燃燒), 미분탄 연소(微分炭燃燒)로 대별할 수 있습니다. 중소형 산업용 고체연료 연소장치에는 주로 화격자 연소장치가 사용되고 있고, 대형 보일러에는 유동층 연소장치 또는 미분탄 연소장치가 이용되고 있습니다

 

 

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화격자(火格子) 연소장치

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o 화격자연소는 화격자(火格子)라고 하는 금속 격자나 내화물 격자 위에 고체연료의 고정층을 만들고, 이곳에 공기를 통과시켜서 연소하는 방식입니다. 화격자 연소를 유동층 연소에 상응하는 표현으로 고정층 연소(固定層燃燒)라고도 하며, 화격자 연소는 화격자 상에 연료와 공기를 공급하는 방법에 따라 상입식연소(上込式燃燒)와 하입식 연소(下込式燃燒)로 나누게 됩니다.

o 화격자 연소로 가장 널리 사용되는 하입식 연소의 경우는 고체연료의 공급 방향과 공기의 공급 방향이 반대방향이며, 산포식(散布式) Stoker가 이것에 속합니다. 정상적으로 연소되고 있는 이 화격 자위에 새로운 고체연료가 공급되면, 이 새로 공급된 연료는 하부의 화층 (火層)이나 연소가스의 열 또는 연소실의 복사열에 의해서 가열되어 110℃정도로 되면, 연료 중의 수분이 증발하고, 더욱 온도가 상승하여 200℃이상으로 되면 석탄이 건류되고, 열분해가 시작되어 휘발분(건류가스)이 발생됩니다. 온도가 낮은 곳에서는 휘발분의 발생이 작지만, 온도가 500℃이상으로 되는 층에서는 열분해가 매우 격렬하게 이루어집니다. 이 휘발분이 1차 공기 또는 2차 공기와 연소반응을 일으키고, 연소에 의해서 석탄의 온도가 급격히 상승하여 약 900℃정도가 되면 휘발분의 유출이 종료된 후에 잔류하는 고정 탄소가 코크스 화하여서 빨갛게 적열 된 석탄층에 충분한 공기가 공급되면, 표면 연소에 의해 탄산가스를 발생합니다. 이 각층을 통과한 회분은 재(灰)로 되어 화격자위에 남 았다가 화격자 틈을 통하여 하부로 빠지게 됩니다. 

o 새로 공급된 고체연료는 가열되어 건류되기 때문에 휘발분의 대부분이 극히 짧은 시간에 유출됩니다. 따라서 화격자 상의 석탄의 연소는, 분해 연소 과정을 통하여 생긴 건류 가스 (휘발분이라 하는 탄화수소)의 불꽃 연소와, 휘발분 유출 후의 고정 탄소 즉 연료층의 표면 연소로 나눌 수 있습니다.

 

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유동층(流動層) 연소장치

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o 연소기 내에 석탄 입자와 모래를 혼합한 입자들(연료 비율은 수% 정도임)을 넣고 밑에서 고속의 공기를 불어넣으면, 입자 전체가 유동화(流動化)됩니다. 이 경우에는 고체연료 입자와 모래를 혼합한 입자들이 마치 유체와 유사한 특성을 갖는 유동층이 형성되고, 이때에 점화되어서 분위기 온도가 고온으로 되면 연료는 연소를 하게 됩니다. 새로운 연료가 계속적으로 공급되면 유동층이 갖고 있는 열량에 의해 계속해서 연소반응이 진행되어 비교적 저온인 700～900℃의 온도에서 안정하게 연소됩니다.

o 유동층 연소장치의 이점은 다음과 같습니다. ­

- 저질 연료의 연소도 가능합니다.(연료, 공기, 유동 매체인 입자의 혼합 접촉이 좋고, 특히 유 동층 내가 균일 온도로 유지되기 때문입니다.) ­

- 유동층 내가 균일 온도로 유지되기 때문에 국부 가열의 문제가 발생하지 않습니다. ­

- 유동층 내에 연료와 함께 석회석을 투입하면, 노내 탈황이 가능하기 때문에 배연탈황장치가 불필요합니다

 

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미분탄(微分炭) 연소장치

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분쇄기에서 분쇄한 고체연료의 미립자(200mesh = 74μm치수의 체를 통과하는 비율이 80% 정도)를 1차 공기와 혼합해서 버너로부터 분출시켜, 공간에 부유시켜 연소하는 방식을 미분탄 연소라 합니다. 화격자 연소에서 연소실이 대형화되면 화층(火層)의 온도가 상승하고, Clinker Trouble(재가 용융하여 크고 단단한 덩어리로 뭉치는 것)을 일으키기 쉽지만, 미분탄 연소에서는 그와 같은 문제는 발생하지 않으며 연소실의 공간을 유효하게 이용할 수 있습니다. 소형의 미분탄 연소설비는 설비비가 고가이지만, 설비가 대형화되는 경우에는 설비비가 화격자 연소에 비해서 낮아지며 부하 변동에 대한 응답성도 우수하기 때문에 대형의 연소설비에 적합합니다. 또한 화격자 연소보다 적은 공기비로 높은 연소효율이 얻을 수 있는 장점도 있으나, 석탄의 분쇄에 비용과 동력이 많이 소요되고, 노벽이나 전열면에 회분의 퇴적이 많은 것 등의 이유 때문에 소형의 연소로에는 적합하지 않습니다.

고체연료를 연소시키는 장치로는 고정층 연소(fixed-bed combustion), 유동층 연소 (fluidised bed combustion), 미분(微分)연소(dust combustion) 등이 있습니다

화격자연소라고도 부르는 고정층 연소장치는 석탄 연소를 위하여 오래전부터 사용되어 왔습니다. 정지되어 있는 화격자나 이동하고 있는 화격자 위에 연료를 쌓아놓고 그 연료층에 공기를 통과시켜 연소하는 연소장치입니다. 산업용 열원(용량 80,000kcal/h 이상의 열원설비를 총칭함)을 공급할 목적으로 고정층 연소장치를 이용한 화목보일러도 일부에서 사용되고 있지만, 거의 대부분 산업용 고정층 연소장치에는 목질계 연료를 우드칩이나 펠릿의 형태로 가공하여 사용되고 있습니다. 또한 유동층 연소장치나 미분 연소장치에 사용되는 목질 계 연료도 우드칩이나 펠릿 또는 톱밥과 같은 미분의 형태로 가공하여 사용되고 있습니다.

연료층 하부에서 공기를 주입하면 공기 속도가 저속일 경우에는 고정층 연소(스토커 연소)가 이루어집니다. 고정층 연소는 1차 공기가 화격자 위에 놓여있는 연료의 고정층을 지나가 면서 건조, 가스화, char 연소가 일어납니다. 생성된 가연성 가스들은 연료층 위쪽의 공간에 서에 2차 공기와 혼합하면서 연소가 이루어집니다.

그러나 연소실 바닥에 설치된 분산판을 통하여 공기를 고속으로 주입하면서 연소실에 적당한 크기로 분쇄된 연료를 투입하면 연료가 유동화되어 버블 유동층 상태에서 연소가 이루어지며, 더욱 빠른 속도로 공기를 주입하면 버블 유동층이 순환유동층 상태로 전환이 되어 연소가 진행됩니다.

미분 연소는 목질계 연료가 2mm 이하의 작은 입자로 분쇄되었을 경우에 적합합니다. 미분 연소의 경우에는 미분 연료와 1차 공기가 혼합된 상태로 연소실로 분사되고, 이 혼합물이 연소실에서 부유 상태로 연소가 일어나며, 2차 공기가 혼입 된 후 완전히 연소됩니다.

 

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