IEA-CFBC 모델을 이용한 동해화력 순환유동층연소로의 성능 모사

이 종민,  김 재성

전력연구원 수화력발전연구실 석탄신발전그룹

Simulation of Tonghae Thermal Power Plant CFBC

by using IEA-CFBC Model

Jong Min Lee and Jae Sung Kim

Power Generation Research Lab.  KEPRI

서  론

한국전력에서는 국내 무연탄을 이용한 전력생산을 위해 1993년 초에 순환 유동층 연소로의 설계 및 건설 프로젝트를 시작하였다. 국내 무연탄을 대상으로 한 순환 유동층은 200MWe 2기로써 동해시에 설치되며, 설계는 ABB-CE에서, 그리고 주계약 및 공급은 한국중공업에서 담당하여 이루어지고 있다. 순환유동층 연소로 1기는 초기 점화 및 스팀 생산이 1997년 말에 이루어졌으며, 1998년 1월 중순부터 발전개시를 시작으로 현재까지 기동 운전중에 있어, 1998년 9월에는 준공 및 정상운전이 이루어 질 계획으로 있다. 2기 또한 현재 건설중에 있으며, 1999년 9월에 준공이 이루어질 예정이다.

동해화력 순환유동층 연소로는 저질 무연탄종을 대상으로 한 규모면에서 국내외적으로 가장 크고 처음 시도되는 것으로 그 관심도는 매우 크다 하겠다. 이러한 순환 유동층 연소로의 성능 및 연소 특성, 배가스 특성 등은 현재 기동운전 data 이외에는 크게 알려진 것이 없으며 또한 앞으로의 정상운전 중에도 여러 운전 조건 변화에 따른 상기 특성들의 알려진 바가 거의 없기 때문에 이에 대한 예측 및 평가가 필요하다 하겠다.

순환유동층 연소로에 대한 모델링은 기존에 널리 알려진 기포 유동층 모델을 근간으로 1990년 초부터 활발히 진행되어 왔다. 순환 유동층 연소로의 모델링 방향은 연소로 축방향만을 고려하는 1차원 모델링부터 연소로를 축방향 및 횡방향 일부(core 와 annulus)로 나누는 1.5차원의 모델링, 그리고 축방향 및 횡방향을 모두 고려하는 3차원 모델링으로 구분져서 발전되고 있다.1,2,3  3차원 모델링의 경우에는 최근에 많은 연구가 진행중에 있으나 실제 응용에 있어서는 적용하기 어려운 부분이 남아 있어 아직은 개발단계라고 말할 수 있다. 이에 반해 1차원 및 1.5차원은 많은 연구가 진행되어 왔으며 이의 응용 및 적용도 상당부분 이루어져 있는 것으로 보고되고 있다. 이들 모델링의 기본 구조는 수력학적 특성, 입자 분포, 연소 특성 및 배가스 특성, 열전달과 그리고 재순환 등의 항목들로 구성되어 있다. 특히 IEA (International Energy Agency) 산하 유동층 부문위원회의 모델링 그룹에서도 1990년대 초부터 국제간 프로젝트로 기존의 기포 유동층 모델의 향상을 통해 순환유동층 모델 코드를 개발하였으며 이의 실제 산업용 순환 유동층 연소로의 적용을 통해 그 이용 가능성을 확인하였다.4

이에 본 연구에서는 IEA-CFBC 모델 코드를 이용해 동해화력 순환유동층 연소로의 설계 조건 및 운전 조건에 따른 민감도 분석 및 성능 예측을 수행하였다.

IEA-CFBC 모델 구성

IEA-CFBC 모델은 크게 다음의 주요 구성요소로 이루어져 있다.

1) Fluidization pattern of solid Flow: 순환유동층에서의 기체 및 고체의 상호작용 및 흐름은 riser 내의 불균일한 흐름을 형성하며, 이것은 크게 riser 하단부에서는 dense 영역을, 그리고 상단 freeboard 구역에서는 transport 영역을, 그리고 상하단부 경계영역에서는 전이영역의 고찰을 가능하게 해준다. 본 모델링에서는 각 영역을 고려하였으며 특히, 전이영역의 고체 농도변이는 실험적으로 고찰된 상관식을 적용하였다. 또한 dense 영역에서는 emulsion과 bubble 영역을, 그리고 lean 상에서는 core와 annulus 구역으로 나누어 본 모델에 적용하였다.

2) Development of particle size distribution: 순환유동층내로 주입되는 입자군은 크게 석탄, 석회석 및 층물질(모래)로 구분질 수 있으며, 본 모델링에서는 이 입자들의 주입시 열충격에 의해 깨지는 fragmentation 및 기계적 마모, 화학반응에 의한 입자 축소 등을 고려하였다. 고려된 크기별 입자는 로하부로의 배출 및 filter로의 집진, 그리고 재순환 등으로 구분되어 시뮬레이션 된다.

3) Gas flow: 분산판을 통해 주입된 공기는 core, annulus 및 bubble 그리고 emulsion 상으로 나뉘어 흐름을 구성하며 각 흐름은 각 상에서의 기체 교환 속도에 의해 결정된다. 또한 본 모델링에서는 이차공기의 주입 및 배가스의 재순환 등을 고려할 수 있도록 구성되어 진다.

4) Coal conversion: 석탄 입자에 대한 연소반응의 일반화된 규칙이 없기 때문에 석탄 입자의 정형화된 연소모델링은 매우 어렵다. 본 모델링에서는 석탄 입자의 연소로내의 투입이 이루어지면, 입자의 가열 및 건조, 그리고 탈휘발 및 촤의 생성 그리고 생성촤의 연소 반응으로 이루어진다. 이러한 일련의 반응에서 기체 확산 및 반응 평형 그리고 반응열 생성 등은 촤의 연소속도 및 입자 온도를 결정하며, 입자온도에 따라 상기 반응들은 순차적으로 일어나며, 촤 농도는 기상의 산소 농도와 평형을 이루도록 모델링 상에 iteration loop을 형성한다. .

5) Homogeneous and heterogeneous gas reactions: 기상반응은 CO, CO2, H2O, NO, N2O, SO2, O2 등에 대해 그 반응 영향을 고려하였으며, 횡방향 기상혼합이 각 상에서 완전하다고 가정하여 계산하였다. 그러나 본 모델링에서의 N2O 및 NO의 생성비는 조절상수 값으로 입력하도록 구성되었다.

6) Heat transfer: 순환유동층에서의 열전달 특성은 입자의 convection 및 radiation에 의해 wall membrane으로 전달되는 열이 주 열교환이 되며, 이 밖에도 외부 열교환기 및 ash cooler 등에서 전달되는 열이 존재할 수 있다. 본 모델링에서는 상기 각 part별 열전달을 고려하였으며, 또한 열전달 tube가 로내에 immersed 된  경우도 고려할 수 있도록 구성되어 있다.

이상과 같이 IEA-CFBC 모델은 순환유동층에서 비교적 고려되어야 할 부분을 거의 대부분 갖추어 놓은 모델 코드로써 그 유용함이 매우 크다 하겠다. 그러나 재순환부인 loopseal 및 standpipe 부분이 빠져 있어 어느 정도의 한계는 존재하는 것으로 나타났다.

동해화력 순환유동층 연소로의 설계 및 운전자료

본 연구에서는 상기 IEA-CFBC 모델코드를 사용하여 현재 시운전중인 동해화력 순환 유동층 연소로의 성능 및 운전 조건에 따른 연소 특성을 고찰하고자 한다. 동해화력 순환 유동층 연소로는 크게 석탄 및 석회석 투입장치 및 Silo, 공기주입부, 주연소로부(연소로, 사이클론, Loopseal, FBHE 및 FBAC) 그리고 Backpass로 구성되어 있다. 연소로는 rectangular (32×19×7m) 구조로 분산판위로부터 7m 지점에서 하단부로 15o의 tapered 된 형태를 취한다. 분산판은 각 열당 62개의 T-type four jet 노즐이 12 열에 각각 교차되어 있는 형태를 이룬다. 순환 입자를 포집하여 재순환 시키는 사이클론(7.6m I.D. ×15.7m Height)은 3개가 설치되어 있으며, 각 사이클론당  각각의 loopseal과  FBHE를 구성하게 된다. Loopseal에는 ash control valve가 설치되어 있어 FBHE로 spilt 되는 양을 조절하게 된다. 연소로 하단부에는 층물질을 FBAC로 배출시키는 밸브가 설치되어 그 양을 조절하게 되어 있으며, 이를 이용해 전체 로내의 압력을 조절하게 된다. 연소로로 주입되는 석탄주입구는 총 6개로 이루어져 있고 이차공기는 총 16개의 노즐을 통해 주입된다. 분산판으로부터 4.3m 지점에 오일 버너 2기가 설치되어 있으며, 이를 통해 층물질의 가열 및 저부하에서의 온도를 유지한다. FBHE 및 FBAC에 사용되는 유동기체는 연소로내로 다시 순환된다.

동해화력 순환유동층 보일러에 사용되는 석탄은 국내 무연탄으로 ash가 39%, 고정탄소가 53.7%, 수분이 3.3% 그리고 휘발분이 4% 함유되어 있으며, 건조탄 기준으로 S 및 N의 함유량이 각각 0.6 및 0.3 % 함유되어 있는 비교적 반응성이 나쁜 석탄이라 할 수 있다. 석탄의 입도 분포는 설계치 기준으로 0.1-3.0mm 사이의 입자가 95% 이상되어야 한다.

연소로내의 탈황반응을 위해 주입되는 석회석은 국내 제조된 것으로 CaCO3 함유량이 90%, 그리고 MgCO3 가 4.2% 정도 함유되어 있으며, 1mm 이하 입도가 100%, 0.7mm 이하가 95%, 그리고 0.5mm 이하가 90% 되는 비교적 작은 입도 분포를 갖는 석회석이 사용된다.

본 시뮬레이션에 사용된 동해화력 순환유동층 연소로에 공급되는 일차공기량 및 이차공기량, 그리고 loopseal 및 FBHE, FBAC에서 재순환되는 공기량 및 feeder로 공급되는 공기량 등을 각 부하별로 Table 1에 나타내었다.5

Table 1.  Operation data for Tonghae CFBC

#	높이 [m]	너비 [m]	길이 [m]	Addition Air [m3/s]						Tap. 1=y, 0=n	Wall ratio
				BMCR	MGR	100%NR	75%NR	50%NR	30%NR
1	0.0	19.05	3.35	87.22	87.22	87.22	76.3	65.58	68.34	1	1
2	0.43	19.05	3.58	14.60	14.01	10.26	4.4	4.4	4.4	1	1
3	1.37	19.05	4.09	0.93	0.93	0.93	0.93	0.93	0.93	1	1
4	1.70	19.05	4.26	9.14	9.14	9.14	9.14	9.14	7.34	1	1
5	2.44	19.05	4.66	22.19	21.75	18.94	14.54	14.54	14.54	1	1
6	4.48	19.05	5.75	32.86	31.52	23.09	9.9	9.9	9.9	1	1
7	32.90	19.05	7.09	0	0	0	0	0	0	0	1
8	Coal [kg/s]			30.1	29.7	27.3	20.7	14.5	7.9
9	Lime [kg/s]			0.92	0.91	0.83	0.63	0.44	0.38

#1: Primary Air,  #2: Secondary Air(4개),  #3: Feeder(Coal and Lime) Transport Air,  #4: Loopseal+FBHE Returned Air,  #5: Secondary Air(3개), #6: Secondary Air(9개),  #7 Top of Combustor, #8, #9, Coal, Lime Feed Rate, # Wall Ratio: [Membrane wall area]/[wall area], # Tap.: Tapered 형태, yes=1, no=0

결과 및 고찰

동해화력 순환유동층 보일러의 운전 load별에 따른 고체 체류량을 Fig. 1에 나타내었다. 그림에서 볼 수 있듯이 load가 증가함에 따라 dense 상의 고체 체류량(0.95-0.12)은 점차 감소하는 경향을 나타내며, 또한 lean상의 고체 체류량도 load가 클수록 작은 값을 갖는 것으로 나타났다. 그러나 층 팽창 높이는 대략 3.5-5.5m까지 load가 감소할수록 증가하나, 50%NR 인 경우에 가장 층 팽창이 크게 나타남을 볼 수 있다. 이것은 연료 주입량 및 공기 주입량에 따른 영향과 total pressure에 의한 영향이 나타난 것으로 이해할 수 있다. Total pressure 는 load 운전 조건상 50%NR 인 경우가 가장 큰 값으로 운전되며, lean상의 압력차이는 30%, 75%, 50%, 100% NR의 순으로 점차 감소하는 것으로 나타났다. Load에 따른 연소로내의 입자크기별 거동은 Fig2 에서 보는 바와 같이 50%NR 인 경우에 비교적 큰 입자가 층내에 있거나 순환됨을 알 수 있으며, load가 가장 작은 30%NR인 경우에 비교적 작은 입자가 층내 혹은 순환 됨을 알 수 있다.  이것은 각 load 에 따라 유입된 공기량과 층내 온도에 따라 결정된 유속이 지배

Fig.  Effect of operation load on solid hold

-up with combustor height.

Fig.   Particles size distribution in the CFBC

적으로 영향을 주며, 또한 공급된 연료의 반응 정도에 따라 입자의 크기가 영향을 받음을 알 수 있다. Load에 따른 연소로 높이별 온도 변화는 평균 조업 온도에 대해 load가 100%, 30%, 75%, 50% 순으로 dense 상과 lean 상의 온도차가 커짐을 알 수 있었으며, CO, O2, NO는 load가 증가함에 따라 감소를, 그리고 CO2, SO2는 증가 경향을, 그리고 combustion 효율은 50%NR까지는 증가를, 그 후에는 별 변화를 보이지 않는 경향을 나타내었다.

입자크기 분포에 따른 영향에 대해서는 기준 입자보다 큰 입자가 다량 있는 입자분포, 작은 입자가 다량 있는 입자분포, 그리고 큰 입자와 작은 입자가 많고 중간 입자가 별로 없는 입자분포에 따라 그 성능을 고찰하였다. 입자가 미분이 다량 포함되어 있는 입자 분포에서는 lean상의 고체체류량 및 순환량이 증가하며, 반면에 dense상의 농도가 크게 감소함을 볼 수 있었으며, 큰 입자가 다량 포함되어 있는 경우에는 그 반대의 경향을 나타내었다. 그러나 정상 운전시 로내 온도 분포에 대해서는 큰 변화는 보이지 않는 반면에, 미분이 많은 경우 전환율 및 CO의 생성, SO2의 생성이 증가하며, 큰 입자를 많이 함유하고 있는 입도분포에서는 전환율이 상대적으로 낮고 이에 따라 SO2 및 NOx도 적게 생성됨을 고찰 할 수 있었다. 이것은 미분이 다량 함유된 석탄인 경우, 정상상태 조업시 CO의 로내 생성이 많아지며, 미연분의 순환량이 증가해 상대적으로 사이클론내의 온도를 높일 수 있는 가능성이 있는 것으로 나타났다.

참고문헌

1. Horio, M., Rengarajan, P., Krishnan, R., Wen, C. Y. : Report No, NAS3-19725, Japan (1977)

2. Basu, P., Satt, A., Gbordzoe, E. A. M. : 9th Int. Conf. on Fluid. Bed Comb. USA, 738 (1987)

3. Peirano, E., Lofstrand, H. : Report A95-213, Sweden (1995)

4. Hannes, J. : Ph.D thesis, RWTH Aachen, Germany (1996)

5. Tonghae thermal power plant: Contract for Boiler Suppliment, PTA-P-94 E D1, 2 (1994)