가압유동층연소로의 층 높이에 따른 배가스의 특성 연구

한근희, 이창근, 선도원, 류정인*, 진경태

한국에너지기술연구소, 충남대학교*

A study of flue gas characteristics as bed height variation in PFBC

Keun-Hee Han, Chang-Keun Yi, 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

가압유동층 복합발전의 기술중에서 현재 실증단계로 추진중인 대표적인 기술은 가압기포유동층과 가압순환유동층 및 2세대 가압유동층이다. 가압유동층복합발전(Pressurized Fluidized Bed Combustion Combined Cycle 또는 PFBC-CC)은 고효율 및 공해물질 배출이 적은 석탄이용 차세대 발전기술이다.

가압유동층은 기존의 유동층 연소기 및 사이클론등의 기계적 구동장치를 제외한 반응기를 압력용기 안에 설치함으로서 장치의 소형화 및 편리한 제작성, 운전의 단순성을 증대시켜 장치의 설치비 및 운전비를 최소 할 수 있다. 한편 상압유동층 연소와 같이 운전온도가 낮아 질소산화물의 발생이 적고 연소시 노내에서 탈황이 가능하고, 높은 층높이에서 운전이 가능하여 열용량이 높은 경제적인 청정 연소기술의 하나이다. 연소기내의 압력을 높여 연소함으로 반응속도가 증가하고, 가압된 만큼 압력용기내의 산소분율이 높기 때문에 적은 용적내에서 많은 양의 연료를 연소할 수 있고, 고온고압의 연소가스로 가스터빈을 구동할 수 있는 복합발전으로 경제적으로 우수한 석탄청정이용기술중 하나이다[1,2].

본 연구에서는 연소시스템의 운전압력을 6기압으로 가압한 상태에서, 가압유동층 석탄 연소기 내부에서 층의 높이에 따라 배가스 농도의 변화에 대한 특성을 실험하였으며, 이 결과는 보다 낮은 공해물질 배출의 운전특성을 이해하는데 도움을 줄 것이다.

[Fig. ] 가압유동층연소장치의 공정개략도

실험장치 및 방법

[Fig. 1]은 벤치규모 가압유동층 연소실험장치의 공정개략도를 나타낸다. 본 실험장치에 대한 설명과 실험방법에 대한 설명은 본 학회의 학술대회2]에서 설명하였으므로 생략하고자 한다. 한편 본 연구에서 수행된 연소로의 높이별 가스 농도의 특성을 분석하고자 연소로의 층 높이 0.1, 0.85, 1,70, 2.70, 5.00m에서 각각 gas sampler를 설치하고 연소중에 있는 가스를 포집하였다. 각각의 sampler마다 금속 filter를 설치하여 분진을 제거하고 분석시스템에 주입하는 방법으로 가스를 분석하였다. 또 연소로의 내부에서 배가스 농도와 비교하기 위하여 압력이 상압으로 강하된 소음기의 후단에서 가스를 채취하였다. 본 실험에 사용된 석탄은 중국의 선화탄(유연탄), 석회석은 충북 단양산으로 <표 1>은 석탄과 석회석의 물성특성을, <표 2>는 실험조건을 나타낸다. 석탄과 석회석의 충분한 혼합을 위하여 석탄과 석회석을 별도로 주입하지 않고 석탄에 석회석을 Ca/S몰비에 맞추어 미리 혼합하여 같은 호퍼내에 장입하여 연소로내로 주입하였다.

<표  > Properties of coal & limestone

Proximate analysis(%)		Moisture	4.84
		Volatile meter	32.63
		Ash	5.46
		Fixed carbon	57.07
Elemental analysis(%)		Carbon	73.16
		Hydrogen	4.55
		Nitrogen	1.60
		Sulfur	0.29
		Oxygen	10.1
Mean particle diameter(mm)			0.35
Calorific heating value(kcal/kg)			7015
Limestone(%)	CaO		53.14
	MgO		0.94

<표 > Experimental Conditions

Experimental item	Conditions
Superficial vel. (m/s)	0.9, 1.1, 1.3
Ca/S mole ratio	0, 1, 2, 4
Bed temperature(℃)	850, 900, 950
Excess air ratio(%)	10, 20, 30
Operation press.(atm)	6.0
Bed height (m)	2.0
<표1>의 분석기 명 *MAC-400 Proximate analyzer(LECO) *CHN-1000 Elemental analyzer *SC-432DR Sulfur analyzer *AC-300 Calorific analyzer(LECO) ** Dry bassis

결과 및 고찰

[Fig. 2]는 연소로온도 950℃에서 석회석를 사용하지 않고 유동화속도 0.9, 1.1m/s에서 과잉공기율 변화에 따른 연소로 높이별 O2농도를 고찰한 것이다. O2농도는 공기분배기로부터 약 0.15m높이에서 약 19%정도, 높이 0.85m에서는 과잉공기율에 따라 다르지만 3-8%까지 감소하고, 높이 1.7m에서는 1.5-4%까지 감소하여 분포한 것을 볼 수 있다. 층(bed)을 지나 freeboard영역에서는 2-5%까지 높이의 변화에 대하여 거의 변화하지 않는 것을 알 수 있다. 이러한 O2농도의 분포는 실제 층물질이 유동하는 층(bed)에서 연소가 거의 이루어지고, freeboard 영역에서는 연소가 없다는 것으로 간주할 수 있다. 한편 유동화속도에 관계없이 과잉공기율의 변화에 따라 O2농도가 명확하게 구분되어 나타나 있다. 연소로의 1.7m 높이보다 freeboard 영역의 농도가 높게 나타난 것은 층(bed)에서 기포로 형성된 공기가 층 표면에서 깨지면서 기포용적내에 내재된 산소의 영향이라고 사료된다.

[Fig. 3]은 연소로온도 850℃, 과잉공기율 20% 그리고 유동화속도 1.1m/s상태에서 Ca/S 몰비의 변화에 따른 연소로 높이별 CO농도를 나타낸 것이다. CO는 층(bed)에서 Ca/S 몰비가 증가하면 감소하는 것으로 발생하고, 층 표면을 지나 freeboard 영역에서는 거의 10ppm이하로 유지하는 것으로 나타났다. CO의 농도분포에 의하면 가압유동층에서 연소는 층(bed)에서 거의 100%이루어지고 freeboard에서는 연소는 없고 열이 이동하는 것으로 볼 수 있다. Ca/S몰비 0에서 6500ppm정도의 CO농도가 4mole일 경우 3200ppm정도로 감소하고 있다.

[Fig. ] 층 높이에 따른 O2 농도변화

[Fig. ] 층 높이에 따른 CO 농도변화

[Fig. 4]는 과잉공기율 20%, 유동화속도 0.9m/s에서 연소로 층온도 900℃에서  Ca/S 몰비를 0, 1, 2, 4 로 변화하였을 때 NOx의 농도의 변화를 나타냈다. 결과를 보면 O2농도가 석탄과 접촉하는 순간부터 연소로 높이 0.85m까지 급격하게 감소하듯이 NOx농도 역시 석탄과 공기가 접촉하는 연소로높이 0.15m에서는 15-40ppm을 보이다가 높이 0.85m에서는 130-190ppm까지 급격히 증가하였다. 이후 NOx 농도는 감소하여 높이 1.7m를 지나 층 표면까지는 어떤 실험조건에서도 80-120ppm까지 계속 감소하다가 freeboard 영역에서는 감소하거나 증가하지 않고 거의 일정한 값을 보이고 있다. 이 그림에서 나타난 NOx의 농도의 최대점은 층 높이 0.85m로 보이지만 실제로 농도가 가장 높은 점은 아닐 수 있다. 층물질이 유동하는 층(bed)영역에서 NOx 배출의 최대점을 찾기 위해서는 층(bed)의 높이에 따라 촘촘히 sampler를 설치하여 각각의 지점에서 농도를 측정해야 최대점을 찾을 거라고 사려된다.

[Fig. ] Ca/S 몰비와 NOx의 농도변화

[Fig. ] 과잉공기와 NOx 농도변화

질소산화물의 발생은 매우 복잡하고 다양한 반응기구를 갖으며, 유동층 연소에서는 반응온도가 낮기 때문에 thermal NOx의 발생은 없으며, 연료중의 질소성분이 휘발하면서 복잡한 경로를 통하여 배출하는 것으로 알려 지고 있다[3]. 본 연구에서는 [Fig.4]에 나타난 바와 같이 가압유동층에서 NOx의 농도는 Ca/S몰비의 변화에 관계가 없는 것[4]으로 나타났다.

[Fig. 5]는 연소로 온도 850℃, 석회석을 투입하지 않는 상태에서 과잉공기율의 변화에 따라 연소로 높이별로 NOx의 농도의 변화를 나타낸다. 과잉공기율이 같을 경우 유동화속도가 증가하면 NOx의 농도는 증가하는 것으로 나타났고, 과잉공기율의 증가에 따라 농도는 증가하였다. 본 연구에서는 속도의 변화에 따라 약 20ppm 정도의 농도차이를 보이고 있고, 과잉공기율이 10%에서 20%로 증가하면 농도는 30ppm정도 증가하고 20%에서 30%로 증가하면 농도는 약 15ppm정도 증가하는 것으로 나타났다. 또 freeboard 영역에서 NOx 농도의 변화가 없는 것으로 보아 이 영역에서는 연소가 거의 발생하지 않는다는 것을 추측할 수 있다.

[Fig. 6]는 연소로 온도 850℃ 그리고 Ca/S 몰비 4에서 유동화속도와 과잉공기율의 변화에 따라 SO2 농도의 변화를 연소로 높이별로 나타낸 것이다. 층내에서 SO2의 배출은 과잉공기율 10%에서 150ppm, 30%에서 50ppm정도로 과잉공기율이 증가하면 현저히 감소하는 것으로 나타났다. 그러나 freeboard에서는 과잉공기율과 유동화속도에 변화에 관계없이 30ppm이하를 나타내고 있다.

[Fig. 7]은 연소로 층(bed)온도 900℃, 과잉공기율 10%, 유동화속도 1.1m/s 상태에서 Ca/S 몰비의 변화에 따른 연소로 높이별 SO2 농도를 나타냈다. 흡착제인 석회석을 주입하지 않는 상태에서 SO2 농도를 보면 층에서 380ppm까지 상승하였다가 freeboard에서는 약 280ppm 이상을 나타냈다. freeboard에서 Ca/s=1일 경우 약 70ppm을 나타내 탈황율은 약 75%정도로 나타났다. 또 Ca/S=2일 경우 약 82% 이상, Ca/s=4일때는 84%정도를 나타냈다. Ca/S몰비를 2이상 높히더라도 탈황율이 현저한 차이를 보이지 않는 것으로 보아 좀 더 확실한 탈황율을 얻기 위하여 많은 실험을 수행하여야 하겠지만, Ca/S=2 정도면 효과적인 탈황이 가능하다

[Fig. ] 층 높이에 따른 SO2 농도변화

[Fig. ] Ca/S 몰 변화와 SO2농도변화

감사의 글

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

참고문헌

1. 진경태, 한근희, 선도원, 이창근, 배달희, 조성호, 박재현, □Bench Scale 가압유동층 석탄연소기술 개발□ 연구보고서, 28-41, 통상산업부, 1998.

2. 한근희, 양승목, 조성호, 선도원, 류정인, 진경태, □가압유동층연소로에서 석탄의 배가스 특성□, 화학공학의 이론과 응용 제5권 2호 pp. 3081-3084, 1999.

3. Johnsson, J. E., Formation and Reduction of Nitrogen Oxides in Fluidized Bed Combustion, Fuel, 73(9), 1398, 1994.

4. Anderson, J.S., Nilsson, L.-I., Bergman, J.-O., Jiinaki, L.O. and Pillai, K.K(1989) Further evelopment of emission control with PFBC power plant. In Proc. Institute of Energy's Fifth International Fluidized Bed Combustion. pp.389-395, 1989.