석탄특성 연구용 실험 연소로의 운전

장길홍, 장인갑, 윤석이, 유정석, 최용준

(한국중공업 기술연구원 에너지환경 연구팀)

Operation of Coal Combustion Test Facility for the Study on Coal Characterisitcs

G.H.Jang, I.G.Chang, S.Y.Yoon, J.S.Yoo, Y.J.Choi

(Energy & Environmental Research Team, R&D Center, HANJUNG)

1. 서론

각종 석탄의 성질과 연소성능 및 대기 환경성능에 영향을 미치는 배출가스의 특성을 정확하게 파악하기 위해서는 ① 각종 분석시스템(성분분석, 공업분석, 회(ash)분석, 특수분석) ② 석탄낙하 튜브로(DTFS) ③ 석탄 실험연소로 등의 설비를 전부 갖추어야 종합적으로 평가할 수 있다.  본 논문에서는 그 중 종합적인 연소특성실험을 목적으로 한국중공업 기술연구원에서 개발된 Pilot규모의 실험 연소로에 대해, 각 요소의 특성 및 시운전 결과의 일부를 소개한다.

본 연소로 설계시 설계용량은 1MWth가 되게 하였으며, 운전용량은 최대가 1.2MWth, 최소는 0.7MWth로 하였으며, 로의 형태는 원통형이다. 또한 연소는 수직하방향으로 연소시키는 Top Firing방식으로 하였다. 설계탄은 호주산 Nova탄이며, 성상이 각기 다른 세계 각국의 석탄을 대부분 시험할 수 있도록 설계되어 있지만, 삼천포화력발전소에서 사용되는 수입유연탄 14종류와 국내무연탄 2종류를 시험대상탄으로 선정하여 설계했다. 여기에는 수분이 20% 이상이 되는 석탄은 장치가 커지고 설비비가 고가로 되기 때문에 제외했다. 1MWth 열용량으로 운전하기 위해서는 Nova탄은 126.46 kg/h, 장성탄은 160.95kg/h로 버너에 이송하면 되지만, 안전율을 고려하여 최대 석탄공급량은 180kg/h로 설계하였다.

Fig. Coal Feeding System and Furnace.

2. 실험연소로의 구성

2.1 석탄 공급장치

Fig.1은 석탄 공급장치의 계통도이다. 석탄 저장고(Coal Container)는 원료탄을 넣어 시험 설비의 상부에 설치한다. 저장조의 석탄은 콘베이어 벨트(Conveyer Belt)로 이송되며 이송 도중에 금속 탐지기에서 금속물질을 가려낸다. 금속물질이 있을 경우, 제어실에 모니터링되는 동시에 경고를 울리게 되고 금속을 제거한 후 다시 원료탄을 이송시킨다. 원료탄은 1차 분쇄기(500 kg/h)에 이르러 석탄을 1차적으로 거칠게 분쇄한 후 부서진 석탄은 석탄 벙크를 거쳐 미분기(Impact Mill, 300 kg/h)에 도달하며 석탄을 미분탄으로 만든다. 이때 미분을 해야 하기 때문에 미분기 진입 전의 이송 관과 미분기에 고온 가스 발생기(Hot Gas Generator)에 의해 형성된 고온공기를 분사하여 석탄에 포함되어 있는 수분을 제거함으로서 미분탄의 응결을 방지한다. 이때 발생한 수분은 필터를 통하여 굴뚝으로 빠져나간다. 수분이 제거된 미분탄은 다시 석탄 벙크를 통과하여 혼소기(Blending Unit)로 이송되며 혼합을 하지 않을 경우에는 Dosing 장치를 통해 버너에 보내게 된다. 한편 혼소할 경우에는 혼소 비율이 적은 석탄종을 먼저 미분한 다음 미분탄 저장조에 채우고, 혼소 비율이 높은 석탄종은 처음부터 지금까지의 공정을 거쳐 혼소기에서 혼소한 후 Dosing 장치를 거쳐 버너로 이송된다. 이때 석탄은 1차공기(15 %)로서 이송된다.

2.2 연소로 본체 및 버너

연소로 본체는 수직관(Vertical Pass ; 이하 VP)과 수평관(Horizontal Pass ; 이하 HP)로 구성되어 있다.  VP는 버너로 이송된 석탄이 상부에 설치된 하향 분사식 버너에서 단일 분사되어 연소되는 곳으로 주로 연소성능시험 및 화염의 구조를 관측할 수 있게 구성하였다.  HP는 VP에서 연소된 연소가스가 지나가는 통로로서, HP의 입구를 제외하고는 복사에 의한 열전달은 거의 없으며, 주로 대류열전달이 지배되는 영역으로 부식, 슬래깅 및 파울링 시험을 목적으로 구성하였다.  연소로의 내부에는 세라믹 화이버 보드(Ceramic Fiber Board) 및 세라믹 화이버 페이퍼(Ceramic Fiber Paper)를 세라믹 본드(Ceramic Bond)로 도포하여 거푸집(Casing)에 부착하고, 캐스터블(Castable)과 접촉되는 세라믹(Ceramic) 및 거푸집 등은 수분 흡수를 방지하기 위하여 Bitumastic 페인트로 충분히 도포한 후에 사용하였다. 내화물의 재료는 WSC-10CR을 사용하여 2000℃에 견딜 수 있도록 하였다.  연소로는 증기 생산을 목적으로 하지 않기 때문에 거푸집 사이로 냉각수를 흐르게 했으며, 이 냉각수가 냉각탑으로 순환하여 연소로에서 발생된 열을 흡수하게 되고, 그외 나머지 열은 배기가스(Flue Gas)로 배출된다.

Fig. Combustion Air Supply and Flue Gas Treatment System

2.3 부대설비

Fig. 2는 연소용 공기공급계와 배가스 유로계를 나타낸 것이다.  연소용 공기는 FD팬에서 공급되고 공기예열기 통과 후, 예열되어 중심공기, 2차 공기 및 3차 공기로 나누어져 버너로 공급된다.

배기가스는 VP에서 연소된 연소가스는 HP를 통과하고, 열교환기를 거쳐 사이클론에서 1차 집진이 되고, 백필터에서 2차 집진이 된다.  백필터로 유입되기전 배기가스의 일부는 재순환 연소시험을 목적으로 GR팬을 통해 예열된 연소용 공기와 혼합하여 2차 및 3차 공기로 버너에 공급된다. 그외 탈황/탈질장치를 시험할 경우에는 탈활 탈질장치로 유입되어 처리된 후, 연돌(Stack)을 통해 배출된다.

3. 실험연소로의 운전모드(mode)

Fig.3은 각 위치별 온도를 나타낸 것이다.  VP에서 연소되면 상부 2군데에서 온도가 측정되고 그 값은 제어실에 기록된다.  유동가스가 HP로 입되는 온도는 약 1200℃이며, 각 운전모드에 따라 HP 출구에서는 800℃/500℃로 온도가 낮아지게 된다.  각 모드 중 일부는 배기가스가 냉각영역을 지나면서 물분사 또는 냉각용 공기에 의해 냉각되며, 냉각된 배기가스는 공기예열기를 통과한다.  이때, 배기가스의 온도는 공기예열기 입구에서 안전상 반드시 500℃가 되도록 냉각영역에서 냉각되어야 한다. 연소공기(20℃)는 공기예열기에서 가열시켜 350 ℃의 예열 공기가 되어 Core Air, 2차 공기, 3차 공기로 사용된다.

Fig. Flue Gas Temperature

T : 온도(℃),  V : 유량(Nm3/h)

T2 = 20℃ (냉각수 온도),

T2 = T5 = T8 = 40℃ (냉각공기 온도)

T3, T6, T9는 Fix 값임.

T1은 수평관에서 냉각탑의 냉각수를 독립적으로 펌프 운전되는 냉각수에 의해 냉각되며, T3은 냉각영역에서 물의 분사에 의해 냉각되며 공기 주입도 가능하게 되어 있다. 여기서 물의 온도는 20℃이며 분사량은 모드에 따라 다르며 Table 3에 나타내었다. T3은 냉각 영역에서 냉각된 후 공기 예열기 입구 온도이며 안전을 위해 500℃(모드 I, III, IV)로 고정했다. 연소공기(20℃)가 공기 예열기를 거친 후는 350℃가 되도록 공기 예열기를 설계하였다. T7은 사이클론을 거친 뒤의 온도인데 여기서 백필터로 들어가기 전 20 ℃의 공기(T8)로 분사하여 유동가스 온도(T9)를 200℃(모드 II, III)로 낮추어 백필터를 보호한다. 사이클론과 백필터에서의 온도 손실은 각각 30℃이다.

Table 1 Operation Mode(℃)       Table 2 Coal Characteristics(wt%)

	Max. I	Nor. II	Nor. III	Nor. IV	Min. V
T1	630	593	886	616	401
T3	500	350	500	500	350
T4	273	280	257	263	153
T6	350	-	350	350	200
T7	273	280	257	263	153
T9	180	180	180	180	153
T10	180	180	180	180	153

P.A	Moisture		Volatile		Fixed Carbon		Ash
	8.2		28.3		55.4		8.1
	-		30.8		60.4		8.8
U.A	C	H		N	S	O		Ash
	71.41	3.90		1.89	0.29	13.71		8.8

T10은 백필터 출구온도이며 배출팬을 거쳐 굴뚝으로 나아간다. Table 1은 각각의 운전 모드에 대하여 유동가스의 온도를 나타낸 것이다. 모드 I, V는 시운전시에만 운전하며 평상시에는 모드 II, III, IV만 활용한다. 부식과 Slagging 시험을 할 때는 공기를 예열하는 모드 III, IV 중에서 택일하는데 공기로 냉각하는 4개의 시험튜브(Test Tube)는 각 20 kW의 유동가스의 냉각 효과를 지닌다. 여기서는 수평관 입구온도 1200 ℃와 열교환기 입구온도 500 ℃만 제어한다.

4. 실험결과

Table 2는 본 실험에 사용된 석탄의 성분표이다.  Fig.4는 실험연소로의 승온곡선이다. 석탄의 투입은 내화물의 온도에 지배되며, 온도는 TT414로 지시되며, 사용된 열전대는 R-type이다. 석탄투입 가능 온도인 820℃까지는 약 15시간 정도가 소요되며, MCR상태까지는 약 25시간 이상이 소요된다.

Fig. Heat Load Up Curve

Table 3은 Blair Athol탄과 실험연소로 실험 후 채취한 시료의 회분량 및 연소전환율을 나타낸 것이다. 연소전환율의 측정에 회분추적법(Ash Trace Method)를 사용하였다. 이 방법은 연소전후에 회분의 양적인 변화가 없다는 가정하에서 적용되므로 연소 후 회분율의 증가만큼 가연분이 연소된 결과를 나타낸다. 따라서 가연분의 연소전환율은 다음과 같이 계산된다.

[eqn: E= left [ 1- {A_1 (100-A_2 )(100 - A_1 )} over A_2 right] times 100]     --------------- (1)

여기서 E는 연소전환율, A1은 연료중의 회분 함량(%), A2는 연소후의 회분 함량(%)을 나타낸다.

Table 3 Ash and Conversion Rate after Combustion

	Fly Ash Sample	Bottom Ash Sample
Ash (wt%)	77.50	26.86
Conversion Rate(%)	73.73	97.20

6. 결어

발전 보일러의 설계시 탄종에 따른 보일러 용량 등의 결정을 위한 각종의 데이터를 확보하기 위하여, 우선 연료의 성분분석 및 점화성, 착화성, 소화, 화염의 안정성[2] 등을 검토하기 위한 석탄 낙하 튜브로 실험을 선행하고 연소로 내부에서 화염의 안정성, 노내 온도분포, 연소가스의 배기 특성을 연구[3]할 계획이다. 연소후 ash의 성분 분석 등을 통하여 연소효율을 구하고, 연소로 후단부에 설치한 HP에는 실제 보일러에서 발생하는 열교환기 표면의 파울링과 슬래깅 측정을 위해 튜브를 설치하여 튜브의 열전달계수 측정 및 운전에 따른 부식성을 파악하여 감소방안을 연구할 수 있도록 설계되어 있다. 그외 버너의 선회강도 변화에 따른 연소특성변화 등의 실험과 배기가스 재순환 연소실험을 할 계획이다.

참고 문헌

(1)  Netz, H., Betriebstaschenbuch Warme, Technischer Verlag, Resch KG, 1974

(2) V. D. Milosavljevic, A.M.K.P. Taylor and J.H. Whitelaw, □Stability of Pulverized Coal Burners□, Twenty-third Symposium (International) on Com- bustion, The Combustion Institute , pp.957-962, 1990.

(3) J.S. Truelove and D. Holcombe, □Measurement and Modeling of Flame Stablity in a Pilot-Scale Combustor□, Twenty-third Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, pp.963-971, 1990.