열 동 력

1. 열 동 력 제4장 연료와 연소 (Fuels and Combustion) 건국대학교 기계공학과 박 정 규

2. 4-1 Introduction 제 3장에서는 작동유체(물과 수증기)와 공기와 연소 가스를 다루는 화석연료 수증기 발생기의 요소를 다루었다. 독립적인 Treatment를 요구하기 때문에 연료 aspect를 토론하는 것을 뒤로 미루었다. 상당히 넓은 범위의 연료가 있다. 수증기 발생기 밖에서 준비하고 공급과 연소 방법은 주목을 받을 가치가 있다. 에너지에 대한 증가하는 세계적인 요구는 연료와 그들의 availability, 환경적 영향에 대한 집중된 주의를 받는다. 발전소에 사용 가능한 연료는 크게 원자핵과 화석연료, 둘다 필수적으로 비 재생 원료이다. 핵연료는 우주로부터 기원하고 화석연료는 생성하는데 수백 만년이 걸린다. 화석 연료는 유기물질의 느린 decomposition 과 화학 변환의 결과로서 지구로부터 기원한다. 그들은 세 가지 기본형태로 나온다. 고체(coal), 액체(oil), 그리고 천연가스. 석탄은 세계에서 가장 큰 화석연료 에너지 resource를 나타낸다. 오늘날 미국에서 전기 생산의 50%를 담당한다. oil과 천연가스는 다른 30%를 담당한다. 나머지는 원자력과 수력이 담당한다. 그러나 천연가스는 산업과 가정용으로 보존해야 하므로 미국에서 사용하지 않는다. 새로운 연소 가능한 연료 option은 소위 합성연료, 석탄, oil shale 와 타르 모래로부터 뽑아낸 액체와 기체의 합성 연료, 오늘날 사용되는 연료의 작은 분율은 산업용 부산물, 산업용 및 가정용 폐기물 및 biomass 등이다. 이장에서는 발전소에 사용가능한 연소 가능한 연료, 자연적인 합성, 그들의 준비 및 시스템이다.

3. 4-2 COAL 탄은 모든 것이 amorphous(규칙적인 구조 없이)원소 탄소이지만, 넓게 다른 구성 및 성질은 갖는 많은 고체 유기 광물들의 전 영역을 포함하는 용어이다. 여러 다른 곳에서 가끔은 표면 근처에서 stratified deposit에서 발생한다. 화학적 및 물리적 성질에 의해서 “석탄을 분류”하는 많은 방법이 있다. 가장 많이 받아들여 채택되는 시스템은 ASTM(American Society for Testing and Material)에 의해서 사용되는 것이다. 이것은 석탄화의 정도(열, 압력 및 물의 영향하에서의 형태와 구조의 변화)에 의한 Grade 또는 rank에 의해서 석탄을 분류한다. 가장 낮은 갈탄으로부터 가장 높은 무연탄(ASTM D388)까지의 범위. 이 분류는 다음과 같이 설명된다.

4. 무연탄(Anthracite) 이것은 석탄의 가장 높은 grade. 이것은 건조 광물질이 없는 기초에서 낮은 휘발성 물질 2~14 질량 퍼센트보다 적은 (주로 메탄, CH4) 에서 고정정탄소의 86에서 98 질량 분율을 함유하고 있다. 무연탄은 빛나는 검정이다. dense, hard, brittle 석탄 고정탄소의 위쪽 end에서 grophite 경계하는 이것은 천천히 타고 가장높은 역청탄 바로 밑의 발열량을 갖는다. 수증기 발생기 내에서 이것의 사용은 stoker에서의 연소에 국한되고 미분탄 형태로는 거의 사용되지 않는다. 미국에서는 주로 펜실베니아주에서 발견된다. 석탄의 무연탄 rank는 세 그룹으로 나누어진다. 교정 탄소 퍼센트의 내림차순으로 98%보다 더 큰 meta-anthracite, 92~ 98%의 anthracite, 86~92 %의 senianthracite 다. 역청탄(Bituminous Coal) 최대그룹, 역청탄은 탄소 함유량 46 86%그리고 무연탄에서 발견된 것보다 더 복잡한 20~40%의 휘발성 물질을 포함하는 석탄의 Class 이다. 역청탄은 보통 쉽게 타고, 특히 미분탄의 형태로 잘 탄다. 역청탄의 rank는 다섯 그룹을 나누어진다. 진다. : low-volatile, medium -volatile, 그리고 high volatile A, B 및 C 이다. 휘발성이 낮은 수록 발열량이 더 크다.

5. 아역청탄 (Subbituminus Coal) 역청탄 보다 일반적으로 낮은 발열량 (19,300에서 26,750 KJ/Kg). 고유의 수분량 15~30%, 상대적으로 높지만 sulfur 함유량은 낮다. 이것은 갈색 검정 또는 검정 구조에 있어서 대부분homogeneous 하다. 아 역청탄은 미분탄 형태로 탄다. 아역청탄rank는 세 그룹으로 나누어진다.: A, B 와 C 갈탄(Lignite) 석탄의 가장 낮은 grade, 숲이란 뜻이 있는 라틴어 lingua으로부터 이름이 나왔다. 이것은 갈색이고 구조에서 liminar, 숲 fiber 의 remnants 그 속에서 볼 수 있다. 이것은 resim-rich plants 로부터 근원하고, 30 %휘발성 물질 만큼 높다 이것의 발열량은 14650 19300 (KJ/Kg) 낮은 사이의 범위에 있다. 높은 수분 함유량과 낮은 발열량 때문에 갈탄을 먼 거리로 이송하는 것은 경제적이지 못하고, 광산 site에서 발전소에 의해서 태운다. 갈탄 rank는 두 그룹으로 나누어진다. A와 B 이다. 이탄,초탄(Peat) 이탄은 석탄의 ASTM rank 가 아니다. 그러나 이것은 석탄 생성에 있어서 첫 번째 지질학적 단계이다 이탄은 decomposed 식물 물질과 무기물 광석으로 구성된 불 균열한 물질이다 이것은 90%까지의 수분을 포함한다. 발전소 연료로 매력이 없지만, 세계 많은 곳에서 풍부하다. 미국의 몇 주는 튼 deposit을 갖고 있다. 이것의 풍부성 때문에 몇몇 나라에서는 전기 발전소에서 또 지역 난방에 사용된다.

6. 4-3 COAL ANALYSIS 공업분석(proximate Analysis) 이 방법이 석탄 분석의 두 방법 중에 더 쉬운 것이고 수증기 발생기내의 석탄 사용을 위한 의미있는 정보를 제공한다. 공업 분석의 기초 방법은 ANSI/ASTM Standard D3172로 주어진다. 이것은 고정탄소, 휘발성 물질, 수분 및 재, 황은 분리된 방법으로 얻어진다. 고정탄소는 석탄에 존재하는 원소 탄소이다. 공업 분석에서는 이것의 결정은 원래 샘플과 휘발성 물질, 수분 및 재의 합 사이의 차이다. 휘발성 물질은 수증기 이외의 샘플이 표준 테스트내 산소가 없이 가열된후 빠져나온 석탄의 부분이다. 이것은 탄화수소와 다른 가스로 구성된다. distillation 과 decomposition 으로부터 나온 수분, 오븐에서 건조하는 표준과정으로 결정된다. 이것은 모든 물 존재하는 account 하지 않는다. economized water와 hydration의 물, 석탄에 있는 수분에 대한 다른 항이 있다. 하나는 inherent moisture이다. 재는 석탄에 포함된 무기 소금이다. 이것은 표준테스트에서 건조된 석탄의 연소후 비연소 잔류물로서 결정된다. 황은 ANSI/ASTM 표준 D2472에 의해 주어지는 표준 테스트내의 분리 적으로 결정된다. 연소 가능하기 때문에 석탄의 발열량에 기여한다. 산을 형성하기 위해서 물과 결합하여 oxides를 형성한다. 이것은 환경문제 뿐만 아니라 가스가 이슬점 이하로 냉각되면 수증기 발생기의 뒤끝에서 corrosion문제를 일으킨다.

7. 원소분석 (Ultimated Analysis) 공업분석보다 더 과학적인 테스트인 원소분석은 석탄을 구성하는 화학원소의 질량비를 준다. 이들은 탄소, 수소, 질소, 산소와 황을 포함한다. 재는 대개 분리된 해석으로 결정된다. 원소 분석은 ASTM Standard D3176으로 주어진다. 발열량 연료의 발열량 J/Kg as-received, 건조 또는 건조와 재 - free 기초, 완전연소 석탄의 샘플 또는 다른 연료 공기와 연료의 초기 온도로 냉각될 때 전달된 열이다. 이것은 ASTM Standard D2015 에 의해서 주어진 bomb calorimeter에서 표준 테스트로 결정된다. 두 가지 결정이 있다. 고위 발열량(HHV)은 생성물내의 수증기는 응축하고 따라서 생성물 속에 증발잠열을 포함한다. 저의 발열량 (LHV)는 그렇지 않다. 이들 둘의 차이는 다음과 같다.

9. 4-4 COAL FIRING 석탄을 로로 손으로 공급하는 시절이래, 연소율을 증가시키는 몇몇 주발전이 이루어졌다. 스팀보일러의 최초역사는 기계적 stoker 이었고, 몇가지 타입은 소형 및 중형 보일러에 대해 아직도 사용되고 있다. 모든 그와 같은 스토커는 로내에 grate상에 움직임으로서 노속으로 석탄을 공급하고 로로부터 재를 제거하도록 설계되었다. 미분탄 연소는 1920대에 소개되었고, 기계적 스토커에 보다 주된 연소율의 증가를 나타낸다. 이것은 오늘날 넓게 사용된다. 미분탄 연소에 사용되는 석탄을 준비하기 위해서, 거의 70%정도가 200-mesh sieve (Fig 4-1).

10. 이것은 넓은 범위의 석탄에 대해서 적당하다. 특히 고급석탄이 적합하다. 미분탄 연소의 장점은 어떤 초기 석탄을 사용할 능력이 있다; 좋은 부하변동에 대한 반응; 연소를 위해 낮은 과잉공기의 필요; 낮은 팬 동력소모를 낳는다; 더 낮은 탄소 손실; 더 높은 연소온도와 향상된 열효율; 더 낮은 작동과 유지비용; 그리고 multiple-fuel 연소를 위한 설계가능성 (오일, 가스와 석탄). 늦은 1930년대에 사이클론로 연소는 소개되었고, 석탄연소의 3번째 주발전이 되었다. 미분탄 석탄보다는 덜 다양하게 사용되지만 지금 넓게 사용되고 있다. 미분탄 연소에서 벌서 언급된 이런 장점에 대해서, 사이클론 연소는 몇 다른 장점을 제공한다. 석탄이 부서지기만 하면 되므로 미분기의 절약, 노크기의 감소, 연소가스에 fly ash 성분의 감소 등이다. 사이클론로 연소에 대한 석탄 크기는 단순한 crusher에서 달성되고 4 mesh siev를 지나는 것이 거의 95%로 넓은 band를 커버한다. (Fig.4-1) 가장 최근에 유체상 연소가 소개되었다. 연소의 이 타입에 있어서 석탄의 부서진 입자가 공기 분포 grid에 걸쳐 퍼지도록 유체상으로 분사된다. grid를 통해 부는 연소공기는 석탄 입자가 fluidized 되도록, 즉 그들이 타는 동안 suspension 되도록 하는데 충분한 위방향 속도를 갖고 있다. bed를 떠나는 미연탄소는 사이클론 분리기에서 수집되고 또다른 연소를 가기 위해서 bed로 되돌려진다. 유체상 연소의 주 장점은 이산화황 배출에 대한 공기 질 표준에 맞추기 위해서 연소동안에 연료를 desulfurise할 수 있는 능력이 있다. (다른 방법은 저황사용, 타기전에 석탄의 desulfurization; scrubbers의 사용에 의해서 연소가스로부터 SO2 제거, 17장) 황제거는 bed에 직접 limestone을 첨가함으로서 이루어진다. 유체상 연소는 아직 발전을 진행하고 있고 다른 매력적인 특징을 갖는다.

11. 4-5 MECHANICAL STOKERS 대부분 모든 종류의 석탄이 스토커에서 탈수 있다. 그러나, 스토커 연소는 손으로 태우는(hand firing) 외의 모든 종류의 연소중에서 가장 비효율적이다. 낮은 효율 때문에 스토커 연소는 상대적으로 낮은 용량에 한정된다.(보통 50Kg/s의 스팀보다 낮은) 설계자들은 12.6Kg/s 근처에서 스토커사용을 한정짓고 있다. 이들 용량은 실제 스토커 물리적 크기의 한계와 주어진 스팀출력을 내기 위한 큰 로의 넓이를 요구하는 낮은 연소율의 결과이다. 반면에, 미분탄 및 사이클론 연소는 더 좁고 높은 로를 갖는 현대식 수증기 발생기의 스팀요구량(시간당 수백만 파운드)을 만족시키도록 높은 연소율과 설계에 있어서의 유연성을 갖고 있다. 그러나, 스토커는 그들 크기범위에서는 수증기 발생이 시스템의 중요한 부분으로 남아 있다. 기계식 스토커는 로에 연료를 공급하는 방식에 다라 4가지의 주그룹으로 나누어진다. 살포식 스토커(spreader stoker), 하입식 스토커(underfed stoker) 진동격자 스토커(vibrating-grate stoker), 이동격자 스토커(traveling-grate stoker). 살포식 스토커는 9.5에서 50Kg/s 스팀용량에 널리 사용된다. 이것은 high-rank 무연탄으로부터 갈탄까지 그리고 부산물폐기물, 나무목재 쓰레기, pulpwood, book 등등을 태울 수 있고 빠른 부하변동에 대응할 수 있다. 살포식 스토커 석탄은 hopper로부터 많은 feeder distributor unit으로 공급된다. 그러나 이것과 다른 법칙은 석탄 미분화에 포함된 많은 과정을 고려하지 않는다. 미분탄 로를 개발하는 모든 과정은 실험적인 correlation과 설계에 크게 의존한다. 로에서 미분탄을 성공적으로 태우기 위해서 두가지 요구사항을 만족해야 한다. (1) 큰 표면 : 체적 비 때문에 준비된 점화를 확실시하기 위해서 200-mesh 스크린을 통과하는 많은 양의 매우 미세한 석탄 입자의 존재(2) 고 연소효율을 확실하게 하기 위해서 최소량의 굵은 입자의 존재.

13. 4-6 PULVERIZED-COAL FIRING 미분탄 형태로 석탄을 연소방법의 상업적 개발은 증기발생의 역사에 있어서 이정표이다. 이 방식은 대형, 고효율, 신뢰성 있는 증기 발생기와 발전소를 건설할 수 있게 했다. 초기에 불린 것 같이 분말 석탄 연소의 개념은 Carnot까지 거슬려 올라간다. 그의 아이디어는 카르노사이클에 이것을 사용하는 것을 꾀했었다. 디젤까지, 그는 그의 이름을 딴 엔진에 그의 첫 번째 실험에 사용했다. 토마스 에디슨까지, cement kiln에서 연소를 개선해서, 효율과 생산을 증진시켰다. 그리고 많은 다른 사람까지; 그러나, John Anderson과 그의 동료 그리고 현재 위스콘신 전력회사의 선구자때까지는 미분탄 석탄이 위스콘신, 밀워키 Oneida Street과 Lakeside Stations에 있는 전기발전소에서 성공적으로 사용되기 까지는 아니었다. 석탄 미분화에 대한 초기 work의 원동력은 석탄이 충분히 미세하게 부서지면, 이것은 ‘가스와 같이 쉽게 효율적으로 탈 것이다’ 라는 믿음으로부터 나온 것이다. 더욱 유도한 것은 오일가격의 인상과 석탄의 넓은 availability로부터 왔다. 이것은 현재 상황이 반복하는 역사와 같다. 미분탄연소의 메커니즘에 대한 많은 이론적 work은 1920년초에 시작했다. crushing과 pulverizing의 메커니즘은 이론적으로 잘 이해되어 오지 못했고, 오늘날도 논쟁거리로 남아 있다. 아마도 가장 잘 받아들여진 법칙은 독일에서 1867에 발표된, Riltinger's law라 불리는 것이다. 이 법칙은 주어진 크기로부터 더 작은 크기로 줄이기 위해 필요한 일은 줄어든 크기의 표면적에 비례한다고 서술한다.

14. CRUSHERS (분쇄기, 파쇄기) 상업적으로 사용 가능한 석탄 crusher의 몇 타입이 있지만, 특별한 사용을 위해서 몇은 뛰어난 것이다. 미분을 위해서 석탄을 준비하기 위해서 ring crusher, 또는 granulator (Fig. 4-3) 그리고 hammermill (Fig. 4-4)를 선호한다. 석탄은 위에서 공급되고 토터 - pivot off center 링의 작동에 의해서 도는 그것에 붙어 있는 swingging 해머에 의해서 부서진다. 조절할 수 있는 스크린바는 분출된 석탄의 최대 크기를 결정한다. 나무와 다른 외국재료는 또한 부서지지만, tramp iron을 모으기 위해서 보통 제공되어진다. Ring crusher와 hammermill은 발전소 사이트에서 또는 떨어진 곳에 사용된다. 그들은 (4/3)*0 in와 같은 크기로 run-of-mine 석탄을 줄인다. 따라서 그들은 더 나아가 미분탄화 (pulverization)에 대해 적당한 대량의 미세 입자를 내놓는다. 그러나 사이클론로 연소를 위한 것이 아니다. 후자를 위해서는 reversible hammermill이라 불리는 crusher타입을 선호한다.

15. 세 번째 타입, Bradford breaker (Fig. 4-5)는 큰 용량에 사용된다. 이것은 lifting shelfes가 안쪽에 붙어 있는 perforated강이나 스크린 플레이트로 이루어진 쿨 실린더로 구성되어 있다. 실린더는 약 20r/min에서 천천히 돌면서 한 끝에서 feed를 받는다. Shelves 석탄을 든다. breaking행위는 석탄의 반복된 dropping에 의해서 달성된다.

16. PULVERIZER 미분과정은 여러 단계로 구성되어 있다. 첫 번째는 공급시스템이다. 이 시스템은 보일러 요구에 의한 연료 공급율을 자동적으로 제어해야 한다. 미분탄을 건조화시키고 버너로 수송하는데 필요한 공기량을 다음단계로 건조시키는 것이다. 미분을 위해서 준비된 석탄의 중요한 성질은 이것이 건조하고 dusty해야한다. 석탄은 변하는 수분량을 갖고 있기 때문에, 저급 석탄이 사용될 수 있기 위해서, dryer들은 미분장비의 integral part이다. 수증 스팀 발생기 공기 예열기로부터 나온 공기, 주공기 650oF에 미분기속으로 들어가고 주 공기 팬에 의해서 650oF에 미분기속으로 밀려들어간다. 거기서 이것이 circulated 되면서 ground되고 석탄과 혼합한다. 장비의 심장은 grinding mill 이라 불리는 미분기이다. Grinding은 impact, attrition, crushing 또는 이들의 조합으로 이루어진다. 이것들은 속도로 나누어지고 일반적으로 사용되는 미분기이다. (1) 저속 (75r/min 이하) : ball - tube mill ; (2) 중속 (75 ~ 225 r/min):ball - and - race 와 roll - and - race mill ; (3) 고속 ( 225 r/min 이상 ): impact or hammermill, and allritin mill. 중속 ball - and - race 와 roll - and - race 미분기는 오늘날 대부분 사용되는 타입이다. 그들은 분쇄와 마멸의 원리로 작동한다. 미분은 두 표면사이에서 일어난다. 하나는 다른 하나의 위에서 rolling 한다. rolling요소는 볼 베어링과 같은 양식으로 두 races들 사이에서 roll하는 balls또는 ring-shaped rolls이다. Figure 4-6은 앞의 예를 보여준다. 볼 은 top 정지 race나 링 그리고 회전하는 bottom ring, 이것은 미분탄의 수직 shaft로 구동된다. 주 공기는 석탄공급의 grinding 요소 사이를 순환하도록 일으킨다. 이것이 충분히 미세해질 때, 이것은 공기중에 suspended하게 된다. classifier로 운반된다. Grinding압력은 정지 스프링 위에 외부에서 조절할 수 있고 스프링에 의해서 여러 석탄에 대한 최대 효율적인grinding을 위해서 변화된다.

18. PULVERIZED - COAL SYST. (미분탄 시스템) 전체 미분탄 시스템은 미분화, 공급, 연소장비를 구성한다. 부하에 의해서 연속적인 작동과 빠른 변화가 가능해야 한다. 두 개의 주 시스템이 있다. bin 또 저장 시스템과 직접 연소 시스템이다. bin시스템은 미분탄 석탄이 로로부터 멀리 떨어져서 결과적인 미분탄 1차 공기 혼합물은 사이클론 분리기와 fubnic bag(Fig.4-7)로 간다. 수분 laden공기를 분리하고 폐기물배출하고 미분탄은 저장 bin으로 보내는 거기서부터 석탄은 공기역학적으로 로 근처의 사용 석탄창고로 운반된다. 석탄창고 시스템은 미분장비가 연속적인 정상 작동을 위해서 충분히 신뢰성을 갖기 전에는 넓게 사용되었다. 건조, 저장, 수송 등의 많은 단계 때문에 석탄 창고 (bin) 시스템은 화재의 위험에 높이게 된다. 그럼에도 불구하고, 이것은 많은 노후한 발전소에서 아직도 사용 되고 있다. 그러나 현대 발전소에서 광범위하게 사용되는 직접 연소 시스템으로 길을 열어 주고 있다.

19. bin 시그템과 비교해서 직접 연소 시스템은 훨씬 간단하고 따라서 더 안전하고, 더 적은 공간을 요구하고, 더 적은 투자와 작동 가격, 더 큰 발전소 청정도를 갖는다. 이름이 암시하는 것 같이, 이것은 저장 receiving 벙커로부터, Feeder, Pulveriger, 주 공기팬, 로 버너로 연속적으로 석탄을 처리 한다. (그림 4-8) 연료 유동은 여러 스팀 발생기 부하에 적당한 공연비를 주기 위해서 feeder 와 주 공기 팬의 제어를 조합해서 부하 요구에 맞춘다. 어느 한 직접 연소 시스템의 제어 작동 범위는 대략 3에서 1이다. 대형 스템 발생기는 하나 이상의 미분탄 시스템이 제공 된다. 각각은 수많은 버너를 공금한다. 미분탄기의 수를 변화 시키고 단 각각의 부하는 변화 시킴으로서 넓은 범위의 제어가 가능 하다.

20. 버너 미분탄 버너는 오일 버너와 매우 다르지 않다. 후자는 연소 공기와 적당한 상호 작용을 위한 연료의 표면 체적비를 크게 하기 위해서 액체 연료를 미립화 해야 한다. 미분탄 버너는 1차 공기에 서스펜션된 미분탄을 받아들이고 스팀 발생기 공기 예열기로부터 주 연소 공기와 혼합한다. 미분탄 표면 체적비 또는 fineness 요구는 석탄에서 삭탄으로 그렇게 크지 않지만, 변한다. (고정탄소가 더 높으면, 석탄이 더 미세해야 한다)연료 버너는 두 형태 중에서 하나로 배열된다. 첫 번째로 각 버너는 하나 또는 반대벽으로부터 수평적으로 배열된 각각 서로 독립적이고 분리된 화염 envelop을 제공한다. 둘째로 버너는 분사된 연료와 공기가 상호 작용하고 단일 화염 envelop 생성 하도록 배열된다. 이 형상에서 버너는 연료와 공기가 로에 있는 가상의 수평원에 접선되는 선을 따라 로의 네 코너로부터 분사된다. 따라서 회전 운동을 일으키고 강한 혼합 및 로 면적을 채우는 화염 envelop을 일으킨다. 수직 연소 또한 사용되지만 더 복잡하고 점화하기 어려운데에 사용된다. 버너는 미분탄만을 사용하거나 (그림 4-9) 또는 세 주 연료 예를 들면 미분탄, 오일, 가스 (그림 4-10) 모두 사용할 수 있다. 그림 4-9에서 석탄 impeller는 주 공기와 연료의 혼합을 증진시카고 windbox 안에 설치된 접선 방향 door은 주 연소에 난류와 2차적으로 공기와 impeller를 떠나는 연료 주 공기 혼합물과 혼합하는 것을 도와 준다. 전체 공연비는 이론 당량비 보다 크지만 (화학적으로 정확한) 공기에 너무 많은 현열(semsible heat)을 가하므로서 에너지를 소비하지 않고 완전 연소를 보장 하기에 충분하다. Table 4-3은 주어진 연료의 양호한 연소에 필요한 과잉 공기 범위 이론 퍼센트를 보여 준다. 버너의 초기 점화는 light-feul oil, 자체가 스파크 점화되는 등 여러 방법으로 달성된다. (그림 4-9) 점화기(igniter)는 self-sustaining 화염을 만들기에 충분히 길게 energized 된다. 제어 장비는 수동으로부터 멀리서 작동하는 프로 그램된 sequence 까지 있다.

23. 4-7 CYCLONE FURNACES 1940년대에 개발된 사이클론 로는 1920년대에 미분탄 연소의 소개이래 석탄 연소에서 가장 중요한 step을 보여 준다. 이것은 최소 6%에서 25% 까지의 많은 재, 필요한 고 연소율을 얻기 위해서 15% 이상의 휘발성 물질을 포함하는 저급 석탄을 태우는데 넓게 사용될 수 있다. 넓은 범위의 수분이 predrying 으로 허락될 수 있다. 그러나 재는 높은 광성분 Fe2O3/(CaO+MgO) 을 포함 해서는 안된다. 이와같은 석탄은 슬래그 속의 철과 황화철과 같은 고재 융해 온도 재질을 형성하는 경향이 있다. 이것은 사이클 로 연소의 주장점을 무효화 한다. 주장점은 약 60% 재의 대부분을 용융된 슬래그로 제거 한다. 용융된 슬래그는 원심력에 의해서 사이클론 벽쪽으로 수집되고 바닥에서 아래의 슬래그 분리 탱크로 drain 된다. 따라서 40% 재가 연도 가스와 함께 떠난다. 이것은 미분탄 연소의 80%와 비교 된다. 이것은 스팀 발생기 출구에 있는 먼지 제거 침전기, baghouse의 크기 뿐만 아니라 스팀 발생기 표면의 erosion 부착을 줄일 수 있다. 다른 장점은 분쇄된 석탄이 사용되고 미분 장비가 필요 없고 보일러 크기가 감된다는 것이다. 사이클론 연소는 4-mesh 스크린을 평균 95% 지나는 석탄 크기 범위를 사용한다. (영역 B, 그림 4-1) 단점은 더 큰 강제 팬 압력과 그러므로 더 큰 동력요구 위에서 언급한 석탄 사용 불능, 연소 과정의 공해 물질인 질소 산화물 의 상대적으로 더 많은 생성이다. 사이클론은 주 보일러로 바깥쪽에 위치한 수냉각 수평 실린더 (그림 4-11) 이다. 이곳으로 분쇄된 석탄이 공급되고 높은 열발생율로 연소 된다. 석탄의 연소는 결과적으로 생긴 고온 가스가 보일러 로 에 들어가기 전에 종료 된다. 분쇄 석탄은 주공기와 함께 사이클로 버너로 들어 간다. 1차 공기는 버너에 전선 방향으로 들어간다. 따라서 석탄에 원심 운동을 나누어 준다. 2차 공기는 고속으로 사이클론의 위쪽에서 접선 방향으로 들어 간다. 따라서 더 큰 원심 운동을 나누어 준다.

24. 공기와 석탄의 선회 운동은 높은 열발생율 체적 밀도 (4700에서 8300 kw/ )와 고연소 온도 를 낳는다. 이 고온은 재를 액체 슬래그로 녹인다. 이것은 사이클론 표면을 덮고 결국 slag-tap opening을 통해서 보일러로 바닥에 있는 슬래그 탱크로 drain 된다.거기서 굳어지고 제거를 위해서 부수어 진다. 사이클론 벽에 형성된 슬래그 층은 벽을 통한 많은 열손실에 대한 절연 시켜서 사이클 연소의 효율에 기여 한다. 고온은 또한 가스 생성 물속에 많은 생성을 설명한다. 이들 가스는 오른쪽에 있는 목을 통해서 주 보일러 로 들어 간다. 따라서 연소는 상대적으로 작은 사이클론에서 일어난다. 주 보일러 로는 가스로부터 수관으로의 열전달 기능만 갖는다. 주 보일러 로는 연료-오일과 가스-연료 연소에 적합 하다. 초기 점화는 2차 공기 포트 내의 작은 retractable oil 또는 가스 버너에 의해서 실시 된다.

25. 4-8 FLUIDIZED-BED COMBUSTION 우리는 발전소 스팀 발생기의 연도 가스 외의 공해 물질을 줄이려는 여러 시도에 대해서 벌써 주목 했다. 가장 알반적인 것은 입자상 물질의 제거를 위한 전기 집진기와 baghouse, 이산화 황의 제거를 위한 scrubber 와 같은 기구를 사용하는 연소 후 처리 과정이 알반적이다. 다른 것은 대부분의 재, 그러니까 입자상 물질이 연소 과정 동안 제거 되는 사이클론 로 연소와 같은 연소와 동시에 일어나는 과정이다. 다른 것은 황이 없고 재거 없는 가스 환원 액화에 의해 석탄으로부터 생성된 깨끗한 가스와 액체 연료가 스팀 발생기 연료로 사용되는 연소 후처리 과정이다. 유동층 연소는 동시 타입이다. 황이 연소 과정 동안 제거 된다는 점에서 사이클론 로와 다르다. 첨가해서 유동층 연소는 저온에서 일어나므로 어떤 석탄의 slagging 문제를 피할 뿐 만 아니라 황이 연소 과정 동안 제거 된다는 점에서 사이클론 로와 다르다. 첨가해서 유동층 연소는 저온에서 일어나므로 어떤 석탄의 slagging 문제를 피할 뿐 만 아니라Nox 의 생성이 적다. 유동층 연소기는 SO2 연소후 scrubbing 과 비교해서 신뢰성 있고 경제적인 완전한 과정을 목표로 해서 1950년대 이래 개발 되었다. 유동층은 반응물 사이에 intimate 혼합과 접촉율이 요구되는 화학 산업 응용에 많은 decade 동안 사용되어 왔다. 유동화된 난류 상태에서 이와 같은 접촉은 열 및 물질 전달을 증가 시키고, 반은 시간, 발전소 크기, 동력요구를 감소 시킨다. 유동층 원자력 반응기의 사용에 제안 되었다. 석탄에 사용되면 유동층 연소는 고 연소효율 과 저 연소 온도를 낳는다.

26. Fluidization (유동화) 유동층은 입자들을 분리하고 유체에 의해 자유롭게 supported 되도록 충분히 높은 속도로 지나가는 유체와 intimate 접촉하는 고체 입자를 포함한다. (그림 4-12) 반면 고정층은 유체 속도가 너무 느려서 유동화를 일으킬 수 없는 것이다. 유동화를 위해서 필요한 최소 유체 속도는 유체의 유동에 의한 압자후에 drag force 와 입자의 무게를 같게해서 계산 한다.

28. 유동층 연소 6에서 20mm 사이의 분쇄된 석탄은 bed의 바닥의 공기 분포 grid 바로 위로 분사 된다. (그림 4-13) 공기는 공기 plenum으로부터 grid를 통해 위로 흘러간다. 이 곳은 swirling 혼합물의 연소가 일어나는 로가된다. bed를 떠나는 연소 생성물은 사이클론 분리기에서 수집되는 많은 비율의 미연탄소를 포함한다. 사이클론 분리기는 혼합물의 원심 가속도를 나누어 줌으로서 가스로부터 입자들을 분리한다. 그들은 연소를 완결시키기 위해서 유동층으로 되돌려진다. 보일러 수관은 로에 설치된다.

29. 전에 지시한 것 같이, 우동층 연소의 가장 중요한 장점은 석탕의 황함유물의 연소로부터 생긴 이산화황의 동시 제거이다. 탈황은 분쇄 석탄과 함께 석회석을 첨가해 줌을로서 달성된다. 석회석은 대부분 탄산 칼슘(CaCo3) 그리고 가끔 약간의 탄산 마그네슘(MgC03)으로 구성되어 있는 퇴적암이다. 석회암은 과잉 공기속의 약간의 산소의 도움으로 이산화항을 흡수한다. 이 반응율은 815에서870도 사이의 bed온도에서 최대이다. 유동층의 실제 작동범위는 750에서 950가 일반적이지만, 제거되는 건조한 폐기물이다. 황산 칼슘을 다루는 기술적인 문제가 연구중이다. 90%까지의 이산화항 배출물의 감소가 유동층 파일롯 플랜트에서 달성된다. 유동층 연소기의 저연소 온도의 결과로 다른 장점이 있다. slagging 문제없이 저급석탄을 사용할 수 있습니다. 연도 가스내에 탄소와재는 softgo지고 열전달 표면을 손상시키는 온도에 도달하지 않는다.저온 연소는 심각한 공기오염물질인 NOx의 배출의 큰 저감을 유래한다. 그리고 더 싼 합금재질이 가능해서 건설비가 적게든다. 다른 장점은 미분장비가 필요없어서 경제적이다. 유동층 연소기는 bed내에 보일러를 병합하도록 설계할 수 있다. 이렇게 함으로써 재래식 보일러보다 체적열전달율을 10-15배, 표면 열전달율을 2-3배 크게 할 수 있다. 유동층 스팀 발생기는 같은 용량의 재래식 보다 훨씬 더 Compact하다. 첨가해서 연도가스내의 이산화황의 감소는 수증기의 응축시 더 적은 산이 생성되기 때문에 더 낮은 굴뚝 온도가 허용된다. 굴뚝 온도를 더 낮게 하면 전반적인 발전소 효율을 높일 수 있다. 유동층 연소기 개발에 부딭히는 문제는 bed로 석탄과 석회석을 공급하는 문제, 연도가스와 함께 탄소 Carryover의 제어, 황산 칼슘의 재생과 또는 제거, bed내의 찬 수관에 의한 연소의 소염 가변 부하 작동이다.

30. 4-9 LIQUID FUELS 기술적으로 액체연료는 우수한 에너지원이다. 그들은 다루기 쉽고, 저장하기 쉽고, 태우기 쉽고, 거의 일정한 발열량을 갖는다. 그들은 분자 CnHm에 의해서 나타내지는 탄화수소의 혼합물이다. 여기서 m은 탄화수소의 가족에 의존하는 n의 함수이다. 표 4-4는 crude와refined오일에서 발견되는 탄화수소의 가족을 보여준다.

32. 4-10 LIQUID, GAS, AND SOLIDE BY-PRODUCTS 연소가능한 산업 폐기물은 1970년대부터 스팀발생기 연료로 주목을 받고 있다. 그것들은 그들을 제거하고 오일을 절감하는 두가지 목적으로 사용된다. 액체는 solvent, 폐기오일과오일침전물(sludge),오일-물emulsions,polymers,resins,chlonated hydrocarbons,phenols,tars,연소화합물, greases,와 기름(fat)를 포함한다.

33. 4-11 SYNTHETIC FUELS 석탄의 연소를 제한하는 환경문제 뿐만아니라 자연적으로 발견된 액체와 가스연료의 미래의 고갈과 공급문제는 합성연료의 생산쪽으로 전세계적으로 노력을 기울이게 한다. Synfuels 이라 불리는 합성연료는 석탄으로부터 뿐만아니라 여러 폐기물과 biomass로 부터 생산되는 가스 및 액체 연료이다. 이 생산은 다른것들중에서 경제적이고 환경적으로 받아질 수 있다.

34. 4-13 THE HEAT OF COMBUSTION 4-13 연소, 열 1장에서 우리는 기계공학적 관점으로부터 화학, 전기, 자기와 같은 에너지항을 무시하고 열역학 제 1법칙을 다루었다. 연소시스템을 다룰 때 우리는 더 이상 유체 속의 화학에너지를 무시할 수 없다. 개방시스템 정상상태 정상유동 시스템(SSSF)Eq.(1-1d)는 화학적으로 반응하는 시스템에 대해서 운동 및 위치에너지의 변화를 무시하면 다음과 같다. HR+△Q=Hp+△Wsf (4.14) 여기서 HR과HP는 각각 반응물과 생성물의 엔탈피이고 respective압력과 온도에서 그들 구성물에 대해서 계산된다. △Q는 외부로부터 시스템으로 가해진 net열이다. △Wsf는 시스템에 의해서 행해진 net일이다.