* 순환유동층 보일러의 원리

순환유동층연소 연소로는 일반적으로 순환 유동층 연소실 , 고온 회분리 장치(사이클론 또는 impact separator 등), 입자를 연소로로 되돌리는 장치(loopseal, L-valve 등), 그리고 보일러 형태에 따라 외부 유동층열교환기 및 연료공급장치 로 구성된다. 열교환기의 배치는 대체로 연소실내 벽(수직벽, 천장, 분산판 아래 바닥면, screen tube, wing wall 등)에 증발기(Evaporator)를, 연소로 상부에 2차 과열기, 대류전열부에 위로부터 3차과열기, 1차과열기, 절탄기, 공기예열기를 둔다. 설계에 따라 외부열교환기와 사이클론 벽면 castable 속에 수관를 삽입하기도 한다. 아래 그림은 순환 유동층 보일러의 하나의 전형적 구조를 보여준다.

연료와 탈황제는 순환 유동층 연소로 하부로 직접 공급되거나 재순환부를 통해 재순환되는 연소재와 같이 들어간다. 연소공기는 연소로 하부에서 공급되는 1차공기와 연소실 하부 벽면의 서로 다른 위치에서 공급되는 2차공기로 나누어진다(분급연소(分級燃燒)). 유동화 공기유속은 가장 중요한 운전변수의 하나이고 연소로 형태는 다양하지만 순환유동층 내 유동화 공기유속은 일반적으로 5-10m/s가 되며 이러한 높은 유속에서는, 연소로내 기-고유동이 매우 극렬하며 작은 고체입자(석탄회재)는 고속기류에 의해 연소실을 떠난다

비교적 굵은 50microns 이상 입자는 사이클론 등에서 다시 포집되어 재순환장치에 의해 연소실로 되돌아가며 어떤 보일러는 외치식 유동층 열교환장치를 거쳐 입자를 400-600℃까지 열회수를 통해 냉각한 뒤 다시 연소실로 보낸다. 각각의 순환유동층 보일러의 비교에 의하면 회재 순환 비율은 주입연료의 10-100배 사이에 있다. 사이클론을 통과한 미립자와 고온 연소기체는 대류전열부(convection pass)를 거쳐 150℃까지 냉각되며 집진기(electric percipitator)를 거쳐 최종 제진된 뒤 대기로 배출된다.

  * 순환유동층 보일러의 특성

순환유동층 보일러는 다른 고체 연료의 연소보일러에 비해 매우 많은 장점을 지니고 있다. 특히, 연료의 다양성은 순환유동층의 매우 큰 장점중의 하나이다. 순환유동층에서는 기-고체 및 고-고체의 뛰어난 혼합으로 인해 높은 황 및 회재를 지닌 석탄을 비롯하여 저급의 lignite, oil shale, petroleum coke, wood waste, 도시폐기물 및 기타 산업 폐기물 등을 연료로 할 수 있으며, 특히, 저열량 연료에 대해서도 기타 보조연료의 사용 없이 연소할 수 있는 장점이 있다.

한편, 연소효율은 연료특성에 따라 다르지만, 약 97.5～99.5% 정도로 기포 유동층에 비해 비교적 높은 연소효율을 나타내며, 이는 기-고체의 원활한 혼합, 높은 연소 속도 그리고 미연 탄소분의 재순환 등이 그 원인이 되는 것으로 알려져 있다. 탈황 반응에 있어서도 석회석 첨가에 의한 연소 중 탈황이 가능할 뿐만 아니라, 약 90%의 탈황효과를 나타내는데 있어 기포 유동층(Ca/S = 2.5-3)에 비해 Ca/S 비가 1.5-2.5정도만 필요해 높은 탈황 효율을 보이는 것으로 나타났다.

낮은 질소산화물(NOx)의 배출 또한 순환유동층 보일러의 큰 장점으로 여겨지고 있으며, 이는 연소로의 온도가 800-900oC로 비교적 낮게 유지되는 특성을 지니고 있어 높은 온도에서의 연소로 인한 thermal NOx의 발생이 억제되기 때문이다. 또한, 초기 일차공기의 양을 이론 공기량에 비해 적게 공급해주고, 부족한 공기를 이차 공기에 의해 주입하는 다단계 연소방식을 채택할 수 있어 질소산화물 생성을 억제 할 수 있는 장점도 지니고 있다.

순환유동층에서의 높은 운전유속 및 용이한 열흡수 조절 능력은 turn-down가 3-4대 1과 부하추종에 있어 4-5%/h로 비교적 좋은 특성을 보이는 것으로 보고되고 있다.