유동층 소각공정에서 층응집 방지에 관한 연구

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

김경희, 엄경섭, 이상근, 이기호*, 전해수**, 이제근

부경대학교 환경공학과, *제주대학교 해양환경공학과, **고려대학교 화학공학과

A Study on Prevention Method of Bed Agglomeration during Fluidized Bed Combustion

Kyoung-Hee Kim, Kyong-Seop Eom, Sang-Keun Lee, Ki-Ho Lee*, Hai-Soo Chun**, Jea-Keun Lee

Dept. of Environ. Eng., Pukyong National University, Busan 608-737, Korea

*Dept. of Marine Environ. Eng., Cheju National University, Cheju 690-756, Korea

*Dept. of Chemical Eng., Korea University, Seoul 136-701, Korea

1. 서론

다양한 종류의 연료 및 폐기물 연소에 적합하고 열전달 속도가 우수하며 층 전체가 균일한 온도를 유지할 수 있어 열전달 계수가 대단히 큰 특성을 지닌 유동층 소각로는 회재내 Na나 K와 같은 알칼리 성분이 다량 함유된 연료 또는 폐기물을 연소할 때 조업중 층응집(bed agglomeration) 현상이 빈번히 일어난다고 알려져 있으며[1,3], 이러한 층응집 현상은 연소효율, 열 이용율 및 탈황제 이용율의 저하 등으로 인해 운전에 중대한 문제가 발생할 뿐만 아니라 더 나아가 로내 비유동화에 의해 최악의 경우 조업을 중단해야 하는 사태가 발생하게 된다[2]. 그러므로 유동층 연소시 층응집 방지방안에 대한 연구가 반드시 이루어져야 한다.

층응집 방지방안에는 첨가제를 주입하는 방법, 층물질을 변경하는 방법, 타 연료와 혼합 소각하는 방법이 있다. 고령토(kaolin), 홍주석(andalusite), 석회석(limestone) 등의 첨가제 주입이 층응집을 줄이는 방안이라고 보고 되고 있으며[3], 회재내 K, Na와 같은 알칼리 성분이 많은 연료 및 폐기물을 연소할 경우 층물질을 변경하거나 타 연료와의 혼합 소각을 하면 층응집 현상이 감소한다고 알려져 있다[4]. 하지만 이러한 응집방지에 관한 연구들은 아직 정확한 층응집 방지 메카니즘을 제시하지 못하고 있는 실정이다.

따라서 본 연구에서는 열역학 평형모델을 이용하여 각 층응집 방법에 따른 층응집 방지 메카니즘을 살펴보고, lab-scale 유동층 연소로에서의 실증실험을 통해 층응집 방지방법들에 대한 제어 메카니즘을 검증하고자 하였다.

2. 연구방법

본 연구에서는 열역학 평형모델인 HSC를 활용하여 층응집 방지 메카니즘을 해석하고자 하였다. 유동층 연소로의 운전조건에 따른 열역학 평형모델의 입력자료를 설계하기 위해 각 연료 및 보조연료의 성분분석을 수행하였다(Table 1, Table 2). HSC 입력조건은 연료로 염색슬러지, 하수슬러지, biomass를 선정하였고, 층물질, 보조연료, 첨가제를 변화시키며 계산하였다(Table 3). 층물질은 실리카 모래, 알루미나 모래, 백운석, 석회석을 이용하였고, 보조연료로 LPG와 석탄을 주연료와 일정비율로 혼합하여 운전하였고 첨가제로는 철(Fe) 성분과 고령토를 사용하였다.

3. 실증실험

HSC 모델에 의해 확인된 층응집 방지방안의 실제 적용가능성을 판단함과 아울러 HSC 모델의 검증을 위해 lab-scale 유동층 연소로에서 염색슬러지와 하수슬러지를 연료로 선정하여 층물질 변경과 보조연료로 유연탄과 LPG의 혼합소각 실험을 수행하였다. 그리고 유동층 연소로내 층응집 현상에 대한 판정은 Lee 등[5]이 제시한 평가기준을 이용하였다. 본 연구에 사용된 유동층 소각로는 스테인레스 재질로 내경이 11cm, 높이 70cm인 bed층과 내경이 15.6cm, 높이 100cm인 freebord부를 수직으로 연결한 형태이고 주연료와 보조연료는 각각 별도의 screw feeder(연료공급장치)를 통하여 주입하였다.

4. 결과 및 고찰

층응집 현상은 연료회재 및 층물질의 구성성분간의 화학반응에 의해 생성 가능한 액상의 저융점 알칼리화합물에 의해 일어나는 것으로 보고 되고 있으며 주요 저융점공융물(low melting eitectic)로 알려지고 있는 화합물은 Na2O·2SiO2와 K2O·4SiO2이다[6].

Fig. 1 (a), (b), (c)는 염색슬러지, 하수슬러지, biomass 유동층 연소시 층물질로 실리카, 알루미나, 백운석, 석회석을 각각 사용한 경우 생성되는 화합물을 열역학 평형 모델을 통해 해석한 결과를 나타내었다. Fig 1 (a)와 (b)를 통해 염색슬러지와 하수슬러지 유동층 연소시 Vuthaluru 등[4]이 보고한 바와 같이 Na2O 함량이 높은 연료일수록 층매질로 알루미나 모래, 백운석, 석회석을 사용하면 저융점공융물 형성이 감소된다는 것을 확인할 수 있다. 특히 알루미나 모래를 사용한 경우 층응집 방지에 매우 효과적인 것으로 나타났는데 이는 알루미나 모래에 포함되어 있는 Al성분이 회재내의 알칼리 성분과 Si성분의 반응을 억제하고 Al-Si 반응이 일어나는 것으로 생각된다[4]. K성분이 높은 biomass 연소시(Fig. 1 (c))에서도 역시 층물질로 알루미나 모래를 사용한 경우 저융점공융물 생성이 매우 낮게 나타났으며 백운석과 석회석에 의한 층응집 방지효과도 비교적 높다는 것을 알 수 있다.

각 연료와 유연탄을 일정비율로 혼합 주입하여 소각하였을 때 생성되는 액상화합물의 몰분율을 Fig. 2 (a), (b), (c)에 나타냈다. 그림들에서 보는 바와 같이 보조연료인 유연탄의 혼합비율을 높일수록 저융점공융물의 몰분율이 상당히 낮아지는 것을 볼 수 있으며, 하수슬러지(Fig 2 (b))의 경우 액상화합물의 생성량이 염색슬러지에 비해 상당히 낮게 나타나 혼합 소각에 따른 층응집 방지효과는 크지 않다는 것을 알 수 있다. 이러한 유연탄과의 혼합소각에 의한 층응집 방지효과는 석탄내 Al과 Fe 함량이 높고 이 성분들이 SiO2-K2O 시스템과 반응하여 높은 용융온도를 가지는 화합물을 형성하기 때문인 것으로 판단된다[7].

첨가제 주입에 따른 층응집 방지 효과를 HSC 열역학 평형모델을 통해 확인하기 위해 연료로 알칼리 성분이 다량 함유된 biomass를 선정하여 첨가제로 Fe와 고령토를 사용하여 해석한 결과를 Fig. 3 (a), (b)에 나타냈다. 그림들을 통해 Grubor 등[8]이 보고한 Fe, Al 성분들을 첨가하면 회재성분내 저융점의 물질을 희석시키는 한편 점성이 낮은 피막이 형성되어 층응집 현상이 감소한다는 연구결과와 동일하게 Fe 및 고령토 주입량이 많을수록 액상화합물 형성이 감소하는 것을 알 수 있다. 이 때 철성분의 주입은 층물질인 Si성분과 회재내 K2O, Na2O 등의 알칼리염의 존재시 낮은 유동층 연소온도에서도 용융되는 화합물의 형성을 억제시키는 역할을 한다. 이는 Fe성분이 Si성분 보다 알칼리성분과 먼저 반응하므로 식 (1)과 (2)에 의해 고융점화합물이 생성되기 때문인 것으로 판단된다[9].

Fe2O ／ X2O □ X2Fe2O4	(1)

Fe2O ／ X2CO3 □ X2Fe2O4 ／ CO2	(2)

여기서 X는 K 또는 Na임.

Lab-scale 유동층 연소로에서의 층응집 방지 실증실험을 수행한 결과 층물질로 실리카를 사용한 경우 층응집 현상이 나타났으나 알루미나는 층응집 없이 안정한 연소가 이루어짐을 확인할 수 있었다. 보조연료로 유연탄과 LPG에 대해 비교 실험한 결과 LPG를 사용한 경우 층응집 현상이 다소 보였으나 유연탄의 경우 층응집 현상이 일어나지 않았다.

감사

본 연구는 산업자원부·에너지관리공단의 대체·청정에너지 및 자원기술개발사업의 일환으로 수행되었으며 이에 감사드립니다.

참고문헌

1. Reddy, G. Venkat and Mahapatra, S.K.: Energy Convers. & Manage., 40, 447(1999).

2. Manzoori, A.R.: Fuel, 73, 563(1994).

3. Hajicek, D.R., Zobeck, B.J., Mann, M.D. et al.,: "Performance of Low-Rank Coal in    Atmospheric Fluidized Bed Combustion", DOE report, DOE/FE/60181-1869, 28(1985).

4. Vuthauru, Hari B. and Zhang, D.K.: Fuel, 80, 583(2001).

5. Lee, J.K., Gu, Jae-Hoi and Kim, Mi-Ran: J. Chem. Eng. Japan, 34, 171(2001).

6. Levin, E.M., McMurdie, H.F. and Hall, F.P.: "Phase Diagrams for Ceramists",

American Ceramic Soc., Columbus, Ohio(1964).

7. Saenger, M. and Backman, R.: Environ. Sci. Technol., 35, 826(2001).

8. Grubor, B.D., Oka S.N., Illic, M.S., D.V.: Arsic 662/12/97B.T. 1995-Biomass FBC        Combustion - 1, ASME 515(1995).

9. Bapat, D.W. Kulkarni, S.V. and Bhandarkar: "Design and Operating Experience on      Fluidized Bed Boiler Burning Biomass Fuels with High Alkali Ash", 1997              Fluidized Bed Combustion, 1, 165(1997).

Table 1. Composition of fuels and bituminous-coal used in this experiment

Analysis		Bituminous-coal (wt. %)	Dye sludge (wt. %)	Sewage sludge (wt. %)	Biomass[7] (wt. %)
Proximate	Moisture	1.22	86.80	80.31	11.4
	Volatile matter	28.25	9.64	8.57	64.6
	Fixed carbon	60.98	1.16	1.54	4.1
	Ash	9.55	1.36	9.57	20.0
Ultimate (dry basis)	Carbon	62.37	45.82	20.90	43.9
	Hydrogen	5.40	7.37	5.59	4.8
	Nitrogen	1.36	9.69	3.92	49.55
	Sulfur	0.42	0.91	3.33	1.6
	Oxygen*	20.78	24.57	15.96	0.1
	Chlorine	-	0.46	1.67	0.05
	Ash	9.67	11.18	48.63	22.55
Calorific value(gross, kcal/□)		6635	5442	2435	3848

* : by difference

Compound	Dye sludge (wt. %)	Sewage sludge(wt. %)	Biomass[7] (wt. %)
SiO2	49.60	38.09	13.50
Al2O3	18.37	3.39	3.90
CaO	5.43	11.44	10.70
Fe2O3	6.71	6.99	2.20
K2O	2.14	2.13	38.10
MgO	1.30	2.39	4.00
MnO	ND	0.96	ND
Na2O	1.15	12.97	0.40
P2O5	14.30	20.78	3.70
TiO2	0.84	0.85	ND
V2O5	ND	ND	ND

Fuel	Bed material	Aux. fuel & Mixing rate	Additives
Dye sludge	Silica	Coal or LPG	Fe
	Alumina
Sewage sludge		Mixing rate (0.15-0.22)
	Dolomite		kaolin
Biomass		Mixing rate (0.80-0.82)
	Limestone

Table 2. Ash analysis of used fuels             Table 3. Experimental condition for control                                                       methods of bed agglomeration

Fig. 1 Mole fraction of (Na2O·2SiO2+K2O·4SiO2) liquid phase in total phases generated from fluidized      bed combustion of (a), (b) and (c) according to temperature and bed material.

Fig. 2 Mole fraction of (Na2O·2SiO2+K2O·4SiO2) liquid phase in total phases generated from fluidized       bed combustion of (a), (b) and (c) according to temperature and coal blending ratio.

Fig. 3 Mole fraction of (Na2O·2SiO2+K2O·4SiO2) liquid phase in total phases generated from fluidized      bed combustion of biomass according to temperature and additives (a) and (b).