가압유동층연소로에서 국내 무연탄의 연소특성

한근희, 강석환, 배성렬, 장효섭, 류호정, 선도원, 류정인*, 진경태

한국에너지기술연구소, 충남대학교*

Combustion characteristics of Domestic anthracite in PFBC

Keun-Hee Han, Seog-Hwan Kang, Sung-Yul Bae, Hyo-Sup Chang, Ho-Jung Ryu, Dowon Shun, Jung-In Ryu* and Gyoung-Tae Jin

Fluidization Research Center, Korea Institute of Energy Research

71-2, Jang-Dong, Yusung-Ku, Taejon, 305-343, Korea

Department of Machanical Engineering, Chungnam National University*

서 론

석탄의 안정적 공급에 비해 석유 및 가스자원의 지역적 편재성과 매장량의 한계성 때문에 석탄활용기술에 관한 연구가 꾸준히 진행되고 있다. 그러나 석탄을 사용할 경우 발생되는 공해물질의 배출량이 타 연료에 비해 높기 때문에 환경규제치를 만족시키기 위해서는 청정석탄이용기술을 사용하여 해결하여야한다[1]. 가압유동층복합발전은 청정석탄이용기술로서 고효율 및 저공해, 차세대 발전기술이며, 현재 실증용 및 상용발전규모 시운전이 진행중이다. 발전효율을 상승시키기 위하여 제 2세대 가압유동층복합발전기술은 실증용으로 미국, 유럽, 일본을 중심으로 연구사업이 활발하게 진행되고 있다[2].

가압유동층연소(Pressurized Fluidized Bed Combustion, PFBC)는 기계적 구동장치가 없는 고온·고압 반응기를 압력용기 안에 설치함으로서 장치의 소형화와 설치비 및 운전비 절감이라는 장점을 갖고 있다. 또한 가압한 만큼 산소분율이 높기 때문에 연소효율이 높고, 같은 용적의 상압유동층 연소로보다 많은 연료를 처리 할 수 있다.

국내의 유동층기술은 상압순환유동층을 사용하고 있으며, 무연탄의 낮은 경제성 때문에 연료로는 유연탄이나 petroleum coke를 사용하고 있다. 동해화력발전소에서 무연탄을 연료로 사용하기 시작하면서 국내무연탄의 효율적 이용을 목적으로 발전효율이 높은 PFBC-CC의 도입이 예상된다. 무연탄의 가압유동층복합발전이 도입될 경우 가압유동층의 기술축적도가 미흡한 상태이기에 무연탄에 대한 연소특성과 배가스특성을 고찰하여 설계 및 운전자료, 운전조건의 최적화등에 필요한 기술적인 자료를 제공하고자 한다.

실험장치 및 방법

본 연구는 0.1MWt 규모 가압유동층 연소장치에서 수행하였다. 장치의 구성 및 제원은 본 학회의 '화학공업과 이론'[3]에 자세하게 수록되어 있다. 실험장치는 연료 및 공기의 공급과 연소로 그리고 배가스처리부로 구성되어 있다. 연료인 석탄의 공급은 screw feeder에 의해 정량화 되어 연소로의 하부(공기분배기로부터 높이 0.15m)에 공급된다. 연소로는 크게 층(bed)과 freeboard로 나눌 수 있는데, 층(bed)은 분배기와 접해 있는 부분의 직경이 0.17m에서 높이 2m까지 직경이 0.25m로 확장되어 있으며, 총 연소로 높이는 5m로 되어 있다. 배가스처리부는 비산입자를 포집하기 위한 2개의 cyclone이 하나의 압력용기 내에 들어 있고, 전체적인 연소시스템의 압력을 조절하기 위한 압력조절밸브, 배가스의 압력을 강하하기 위한 소음기(silencer)와 배가스 중의 분진을 제거하기 위한 bag filter로 구성되어 있다. 연소중 공해물질의 농도를 측정하기 위한 연소가스 채취구는 연소로의 압력이 대기압으로 강하된 소음기의 후단에 설치하였다. 채취된 가스는 미세한 필터를 통하여 분진을 제거하고 배가스 분석은 O2와 CO2(Ultramat23, SIEMENS), CO(48H, TE Instruments), SO2 와 NOx (42C, TE Instruments), N2O(46H, TE Instruments)를 분석하였다. 본 실험에 사용된 석탄은 동해화력발전소에서 사용중인 국내 태백지역 무연탄으로 <표 1>에 석탄의 물성을 나타냈다. 석탄의 입도는 0-5mm로 분포되어 있고 1mm이하가 약 35%를 차지하고 있다. <표 2>는 실험조건을 나타낸다. 실험은 시스템의 압력을 6.0atm, 층높이(bed height)를 2.0m로 유지한 상태에서 연소로의 층온도, 과잉공기율과 유동화속도를 변화시켜 수행하였다.

<표 > Properties of coal

Proximate analysis(%)	Moisture	4.62
	Volatile meter	5.05
	Ash	35.06
	Fixed carbon	55.27
Elemental analysis(%)	Carbon	58.25
	Hydrogen	1.55
	Nitrogen	0.49
	Sulfur	0.34
	Oxygen	6.05
Mean particle diameter(mm)		0.35
Calorific heating value(kcal/kg)		4,530

<표 > Experimental conditions

Experimental parameter	Conditions
Superficial gas vel. (m/s)	0.9, 1.1, 1.3
Bed temperature(℃)	850 - 950
Excess air ratio(%)	10, 20, 30
Operation press.(atm)	6.0
Bed height (m)	2.0
<표1>의 분석기 명 *Proximate analyzer(MAC-400, LECO) *Elemental analyzer(CHN-1000, LECO) *Sulfur analyzer(SC-432DR, LECO) *Calorific analyzer(AC-300, LECO) ** Dry basis

결과 및 고찰

연소효율  연소로내의 반응 온도는 연소로의 중간정도 높이인 0.75m의 층온도로 설정하였다. 연소효율은 연소로 성능의 효율성을 상대적으로 평가할 수 있는 방법 중 하나이며, 높은 연소효율은 적은 연료비와 유지비 뿐만아니라 비산회나 bottom ash의 미연탄소분을 낮춤으로써 회재의 재이용율을 높일 수 있다. 대개의 경우 연소로의 층 온도가 상승함에 따라 연소효율은 상승하는 것으로 나타나는데 이것은 연소로 내부의 온도가 증가함에 따라 석탄의 연소 속도가 증가하여 연소효율이 증가하는 것으로 볼 수 있다. [Fig. 1]는 과잉공기의 변화에  따른 연소효율을 나타내었다. 과잉공기율에 따라 연소효율은 93-99.5%를 보였다. 유속1.1m/s, 연소온도 850℃에서 과잉공기가 10%에서 30%로 증가함에 따라 96%에서 98.5%로 증가하였고, 900℃에서는 98%에서 99.3%로 증가하였으나, 950℃에서 연소효율의 변화는 적었다. 유속 0.9m/s, 연소온도 850℃에서 과잉공기의 증가에 따라 93%에서 97%로 증가하였고, 900℃에서는 96%에서 98.7%까지 증가하였으나, 950℃에서 연소효율의 변화는 적었다. 유속1.3m/s에서는 연소온도의 변화에 연소효율은 거의 변화하지 않았다. 층온도 850-900℃에서는 연소효율이 유속을 변화시키거나 과잉공기를 변화시킬 경우 변화하였지만 950℃부근에서는 과잉공기 및 유속에 변화에 따른 영향을 거의 받지 않는 것으로 나타났다. 이것은 무연탄의 연소성에 관계가 있다. 무연탄은 휘발분이 적고 회분이 많은 관계로 CO의 발생이 char에서 주로 일어나므로 인하여 상대적으로 char가 적은 높은 연소온도에서 과잉공기 및 유속의 변화에 연향이 적은 것으로 보인다.

CO  CO는 독성가스로서 배출치를 250ppm이하로 규제하고 있으나, 실제로 이 값의 증가는 연소효율의 감소와 장치의 부식을 초래하기 때문에 경제성 및 보일러의 효율성 문제면에서 저감하여야 한다. 유동층 반응기의 연소온도가 배가스중 CO에 미치는 영향을 [Fig. 2]에 나타내었다. 각각의 실험조건에서 연소로의 온도가 850℃에서 950℃로 증가함에 따라 CO의 농도는 150ppm에서 50ppm이하로 감소하였다. 이것은 온도가 증가함에 따라 반응속도가 증가하여 결과적으로 불완전 연소에 의해 발생하는 CO의 농도가 감소하기 때문이다. 본 실험에서는 유동하는 층 물질의 층 높이가 직경에 비하여(L/D=9.5) 매우 높기 때문에 상대적으로 연료가 연소하는데 필요한 체류시간이 충분하여, CO2와의 평형관계에서 온도가 증가함에 따라 CO의 농도는 감소하게 된다. 또한 유동화속도를 증가(0.9∼1.3m/s)시키면서 CO의 농도를 관찰해 보면, 같은 온도조건에서 유속이 증가할수록 증가하는 것으로 나타났다. 이것은 유속이 증가함에 따라 CO의 가스가 층 내부에서 체류하는 시간이 상대적으로 감소함으로 배출되는 CO농도가 증가하는 것이다. 연소온도 950℃, 과잉공기율 30%에서 약 20ppm을 나타내 무연탄 연소중 char의 연소가 매우 느리게 진행된다는 것을 알 수 있다.

SO2  [Fig. 3]에 탈황제를 주입하지 않은 상태에서 과잉공기의 변화와 유동층 온도에 대한 SO2 의 배출특성을 나타냈다. 배가스의 O2농도 6%를 기준으로 하여 나타낸 것이다. SO2의 배출농도는 연소로의 온도와 유속이 증가함에 따라 증가하고 과잉공기가 증가하면 감소하였다. 연소온도의 증가에 따라 SO2농도가 증가하는 것은 회분중에 함유된 CaO가 Ca/S몰비 0.73정도이므로 CaO와 SO2가 반응하여 생성된 CaSO4가 높은 온도에서 분해하면서 증가하는 것으로 볼 수 있다. 비슷한 과잉공기와 층 온도에서 유동화 속도가 증가하면 SO2농도가 증가하는 것으로 나타났는데 이것은 증가된 유동화속도에 대하여 공기량이 증가된 만큼 연료의 투입량이 증가되어 낮은 유속에서 보다 상대적으로 많은 연료를 주입하였기 때문에 배출농도가 증가한 것으로 볼 수 있다. 또 과잉공기가 10%에서 30%로 증가함에 따라 SO2는 농도는 각 조건에 따라 다르지만 최대 120ppm의 감소를 보이고 있다. 이렇게 과잉공기의 증가에 따라 배출가스의 SO2가 감소된 이유는 산소농도의 증가가 CaSO4의 생성속도를 증가시키는데 기여하기 때문으로 설명할 수 있다.

NOx  NOx가 증가하면 N2O는 감소하는 것으로 서로 상대적인 관계에 있다고 보고되고 있다[5].  [Fig. 4]는 층 온도 변화에 따른 NOx의 농도를 나타내었다. 과잉공기, 층온도, 유동화속도의 증가에 따라 NOx의 농도는 증가하였다. 본 실험에서 NOx의 배출량은 유연탄 연소시 70-150ppm[4]보다 훨씬 적은 45-75ppm으로 나타났다. 실제 NOx의 발생은 휘발분과 fuel nitrogen에 비례하는 것으로 알려져 있으며, 국내무연탄은 유연탄보다 fuel nitrogen이 절반정도로 적고, 매우 낮은 휘발분을 함유하고 있기 때문이다. 또 이것은 연소로내에서 가스의 체류시간, 공기량 등의 실험변수에 대한 영향으로도 볼 수 있지만, 압력에 대한 영향과 높은 층높이로 인하여 유연탄에 비하여 연소성이 떨어져 높은 농도의 char 및 ash의 촉매 역할에 의하여 NOx의 농도가 감소한 것으로 설명할 수 있다. 최근 온실가스로 부각되고 있는 N2O의 배출특성을 보면 20ppm이하로 매우 적게 배출되고, 온도 및 공기량의 증가에 따라 감소하고, 유속의 증가에 따라 증가하는 경향을 나타냈다.

결  론

1. 본 실험에서 국내 무연탄의 연소효율은 연소온도, 과잉공기율, 유속의 증가와 함께 증가하면서  93-99.5%까지를 보였다.

2. CO의 배출은 연소온도, 과잉공기가 10%에서 30%로 증가함 따라 150ppm에서 25ppm까지 감소하고, 유속의 증가와 함께 증가하였다.

3. SO2는 연소온도의 증가함에 따라 모든조건에서 230ppm이상을 배출하여 탈황을 필요로 하였다.

4. NOx의 배출은 연소온도, 과잉공기율, 유속의 증가와 함께 증가하였다.

[Fig. 3] 층 온도와 SO2 농도의 변화

[Fig. 4] 층 온도와 NOx 농도의 변화

감사의 글

[Fig. 2] 층 온도와 CO 농도의 변화

[Fig. 1] 층온도 변화에 따른 연소효율

본 연구는 산업자원부가 지원하는 청정에너지기술개발사업의 일환으로 수행되었습니다. 연구비의 지원에 감사드립니다.

참고문헌

1. 이영우, 손재익 : □복합발전용 가압유동층 연소기술□, 화학공업과 기술, 제13권 제1호, p53, 1995.

2. 손재익 외 : □청정석탄활용기술(III)□, 한국에너지기술연구소 연구보고서, KIER -961135, p12, 1996.

3. 한근희, 양승목, 조성호, 선도원, 류정인, 진경태 : □가압유동층연소로에서 석탄의 배가스 특성□, 화학공학의 이론과 응용, 5(2), pp. 3081-3084, 1999.

4. 한근희, 오동진, 류정인, 진경태 : □가압유동층연소로에서 석탄의 연소 및 배가스특성 연구□, 대한기계공학회논문집 B권, 24(5), p677, 2000.

5. Leckner, B. : Prog. Energy Combust. Sci., 24, p31, 1998.