벤치규모 순환유동층 석탄연소특성 연구

선 도 원, 배 달 희, 한 근 희, 조 성 호, 이 승 용

한국에너지기술연구원 유동층기술연구센터

Combustion of Coal in a Bench Scale Circulating Fluidized Bed Unit

D. Shun, D. H. Bae, K. H. Han, S. H. Jo, S. Y. Lee

Korea Institute of Energy Research, Taejon 305-343

1. 서 론

순환유동층 석탄 연소기술은 10mm 미만의 석탄을 고속 유동 상태에서 연소하는 기술로 연료의 발열량 변화에 비교적 유연하다.  특히 높은 연소효율과 더불어 석회석 주입에 의한 노내 탈황, 공기 다단주입에 의한 저 NOx 연소등 독특한 장점을 가진 기술이다.  순환유동층을 이용한 보일러 기술은 1985년을 기점으로 이전까지 보급되던 기포유동층 보일러를 앞질러 산업계 열병합 발전용 보일러로 보급되기 시작하였고 같은 시기에 우리나라에도 첫기가 도입되었다. 우리나라에는 1985년이래 현재까지 약 10여기의 순환유동층 보일러가 보급되었으며 강원도 동해시의 200MWe급 발전용 보일러를 제외하고는 대부분 증기용량 100-200ton/h (10-50MWe)의 산업용 열병합 발전 보일러 규모이다.

본 연구는 순환유동층 연소기술 개발을 위한 기초연구의 일부로 벤치규모 순환유동층 연소로에서 국내 무연탄 및 수입 유연탄 연소에 따른 특성 비교를 소개한 것이다.

2. 연소실험장치 및 실험방법

Fig. 1은 실험장치의 구성도를 나타낸 것이다.  연소로는 내경 0.2m × 높이 1m의 농후층과 내경 0.25m × 높이10m의 freeboard로 구성되어있다.  석탄은 hopper로부터 screw feeder를 통하여 연소로 하부 분산판 위 1m 지점으로 공급된다.  가는 연소회재와 연소가스는 연소로 상부의 출구를 통하여 사이클론으로 인입되어 분진이 제거되고 연소가스는 백필터로 들어가 다시한번 미분회재가 제진된후 대기로 배출된다.  사이클론에서 분리된 회재는 재순환 설비를 통하여 연소로로 다시 주입된다.  연소로는 회재의 재주입을 통해 연소효율과 내벽을 통한 열전달 효율을 증가시킬 수 있게 된다.

Figure .  Flow diagram of CFBC test facility

유연탄은 호주 Blair Athol산이며 무연탄은 국내 강원도 삼척지역 탄광에서 입수하였다.  석탄은 원탄을 -6mm로 분쇄하여 연료로 사용하였다.  석회석은 충청북도 단양지역에서 입수하였다.

3. 결과 및 고찰

Figure . The effect of heat input on combustor temperature

Fig. 2는 석탄 주입량으로 표현되는 공급열량의 증감에 따른 연소로 온도변화를 나타낸 것이다.  연소로는 상용 보일러에 비해 연소로 부피와 표면적의 비가 매우 크며 이에따라 열손실이 크게 발생한다.  따라서 연소로 하부와 배가스 출구간의 연소온도차가 발생한다.  공급열량의 증가에 따라 연소로의 온도차는 점차 감소하여 일정값에 수렴하였다.

Fig. 3은 유동화 공기 유속이 회재의 평균 입경에 미치는 영향을 나타내었다.  공기유속이 증가할수록 사이클론에서 포집되는 입자의 평균입경은 증가하게된다.  그러나 사이클론의 효율이 공기의 유속범위에서 크게 변하지 않음으로서 사이클론을 통과하여 백필터에 포집되는 입자의 평균입경은 변하지 않는다.  백필터 회의 평균 입경은 탄종에 관계없이 또한 정해진 사이클론의 운전 범위 내에서는 연소로의 유속에 무관하게 일정한 값을 나타낸다.

Fig.4는 연소로 유속의 변화에 따른 백필터 회의 미연 탄소농도를 나타낸 것이다.  유속의 차이에도 불구하고 백필터에서 수집된 회재의 탄소농도의 변화는 나

Figure . The effect of dense ded gas velosity on average particle size distribution

Figure . The effect of dense bed gas velocity on carbon content of bag filter ash

타나지 않았다.  또한 회재 중 무연탄과 유연탄의 차이에 따른 탄소농도의 차이도 나타나지 않았다.

Fig. 5에는 유연탄과 무연탄의 고정탄소를 TGA에서 공기 분위기에서 온도를 상승시키면서 무게 변화를 나타내었다. 유연탄의 최대 연소반응 피크는 약 500℃에서 나타나며 무연탄의 경우 700℃에서 나타난다. 500~700℃ 온도범위는 고정탄소의 연소온도를 타나내는 것이고 국내무연탄의 착화온도가 200℃이상 높게 나타난다.

Figure .Thermogram of domestic anthracite and Australian bituminous coal

Fig. 6은 유연탄과 유연탄 연소시 백필터회의 입경별 발열량 분포를 나타내었다.  석탄의 발열량은 입경에 무관하게 거의 일정한 발열량을 나타내었다.  그러나 백필터회의 발열량은 입경에 따라 큰 차이를 나타내었다.  그림에서 입경 0.1mm 이상의 백필터 회는 발열량이 급격하게 감소하며 입경 0.1mm 이하의 백필터회는 발열량이 거의 일정하게 유지되는 것을 보여준다.  따라서 입경 0.1mm 이하의 입자는 연소로를 순환되는 횟수가 적어 일정체류시간이 필요한 char 연소시간보다 매우 짧아 불완전 연소가 이루어짐을 나타내었다.

Figure . The variation of heating value of particle by size

Fig. 7은 연소로 온도변화에 따른 유연탄과 무연탄의 연소효율을 나타내었다.  연소효율은 연소로 온도 증가에 따른 연소반응속도 증가로 온도상승을 따라 증가하였으나 연소로 평균온도 750℃ 이상에서는 일정한 값을 나타내었다.  무연탄은 유연탄보다 고정탄소의 반응성이 낮아 연소율이 낮고 발생 연소재 량이 많아 전체 미연 탄소량이 많다 이에 따라 연소효율이 낮게 된다.

Figure . The effect of average combustor temperature on combustion efficiency

Fig. 8은 연료중 질소성분의 NOx의 전환율을 나타내었다. 순환유동층 연소로의 연소온도가 850℃로 낮게 조업되는 이유로 인하여 생성되는 NOx는 모두 연료중 질소성분의 산화로 간주할 수 있다.  NOx의 발생은 무연탄과 유연탄 모두 온도의 증가를 따라 증가하였다.  온도 증가에 따른 NOx의 전환율은 무연탄의 경우가 유연탄의 경우보다 낮게 증가하였다.  석탄에 결합된 질소는 각각 휘발분과 char에 결합되어 있으며 무연탄의 질소는 유연탄보다 char와 결합된 비율이 높다.  연소과정에서 char의 연소가 낮은 것과 마찬가지로 char와 결합된 질소성분의 산화도 느리게 나타나는 것으로 이해된다.

Figure . The effect of temperature on fuel-N conversion

5. 결론

국내 삼척산 무연탄과 수입 호주 Blair Athol산 유연탄의 비교연소 시험을 내경 0.25m 높이 11m 벤치규모 순환유동층 시험연소로에서 수행하고 그 결과를 다음과 같이 요약하였다.

- 유연탄의 석탄 투입구 주변에서 빠른 휘발분의 연소가 일어났으며, 주로 고정탄소인 무연탄은 비교적 연소로 상부의 연소가 크게 나타났다.

- 연소로내 공기유속이 증가하면서 비산입자의 입경이 굵어져 사이클론에서 포집되는 입자의 크기는 굵어졌다.  그러나 사이클론의 효율은 그대로 유지되었으며 입경의 크기변동이 없었다.

- 유속의 차이에 따른 연소효율의 차이가 크게 나타나지 않았다. 연소효율은 주로 연소온도와 사이클론 포집효율에 의해 결정되는 것으로 나타났다.

- 연소효율은 주로 비산회에 포함된 미연분의 양으로 결정되었다.  특히 0.06mm 이하의 입자는 유연탄의 경우 70%, 미연분 손실은 76%를 나타내었다. 무연탄은 각각 47%와 56%를 나타내었다.

- 온도변화에 따른 연료중 질소의 전환율은 무연탄이 유연탄보다 같은 온도에서 낮게 나타났다.

6. 감 사

본 연구는 에너지관리공단 기술개발본부의 청정에너지 기술개발사업비로 수행되었습니다.  연구비 지원에 감사드립니다.

7. 참고문헌

1. Basu, P., and Fraser, S. A.: □Circulating Fluidized Bed Boilers□, Butterworth-Heinemann, Boston, 349(1991).

2. 최정후, 손재익, 한근희, 배달희, 조성호: □저공해 유연탄 보일러 보급확대를 위한 순환유동층기술 개발 (I),□ 한국에너지기술연구소 보고서 KE-91009G, 동력자원부, 140(1991).

3. Furusawa T. and Shimizu, T.: Circulating Fluidized Bed Technology II, 51(1988).

4. Mann, M. D., Hajicek, D. R., Henderson, A. K., and  Moe, T. A.: "EERC Pilot-Scale CFBC Evaluation Facility," Energy & Environmental Research Center, University of North Dakota, September, (1992).

5. 선도원, 손재익, 박영성, 구철오, 한근희, 배달희, 임정환, 최정후: □저공해 유연탄 보일러 보급확대를 위한 순환유동층기술 개발 (II)□ 한국에너지기술연구소 보고서 KE-920509G, 동력자원부, 111(1991).

6. 선도원, 손재익, 한근희, 배달희, 조성호, 최정후: □저공해 유연탄 보일러 보급확대를 위한 순환유동층기술 개발 (III)□ 한국에너지기술연구소 보고서 KE-93040G, 동력자원부, 97(1993).