가압유동층연소로(PFBC)에서 석탄 연소특성

한 근희, 김 영렬, 박 재현, 진 경태

한국에너지기술연구소

Coal Combustion Characteristics in Pressurized Fluidized Bed Combustor

K. H. Han, Y. R. Kim,  J. Park, G. T. Jin

Korea Institute of Energy Research

1. 서 론

가압유동층 석탄연소 복합발전기술은 저공해, 고효율의 차세대 발전기술로 선진국에서는 실증 규모의 연구를 성공적으로 완수하고 현재 상업화규모의 설비를 갖추어 운전중에 있으며, 국내에는 2000년대 후반에 도입될 수 있을것으로 기대된다.

가압유동층 복합발전은 유동층의 일반적인 장점과 더불어 가압에 따른 장점, 복합발전의 장점을 동시에 갖는다. 유동층으로서는 조업의 간편성, 이용연료의 다양성, 공해물질 발생저감 등의 장점을 갖으며 가압시 연소효율 및 열용량 증대, 복합발전에 의한 높은 발전효율을 얻을 수 있다. 1990년부터 미국의 Tidd, 스페인의 Escatron, 스웨덴의 Vartan, 일본의 Wakamatsu등에서 실증용 복합발전소가 운전되고 있으며 38-42%의 발전효율을 보이고 있다. 1999년 일본의 Karita에 상용조업을 목표로 현재 340MWe규모로 건설중이다. 향후 2세대 가압유동층 복합발전기술의 개발이 완료되면 발전효율이 50-56%에 이를 것으로 전망하고 있어 선진국에서 이의 개발 및 기술도입에 많은 관심을 가지고 있다.

1994년 10월부터 청정에너지사업의 일환으로 수행된 본 연구에서 가압유동층 연소특성의 이해와 엔지니어링 자료확보를 목적으로 벤치규모 가압유동층연소장치를 제작 완료하였으며 수입유연탄을 이용하여 조업조건에 따른 연소특성 및 전열특성과 공해배출특성 실험을 수행하였다.

2. 실 험

[그림 1]은 벤치규모의 가압유동층 연소장치의 공정도를 보였다. BSU 가압유동층 연소장치는 반응기 총 높이는 5m로, 공기분배기부분의 직경이 0.17m이고, 높이 2m의 직경을 0.25m로 tapered bed이다. Freeboard는 높이가 3m, 직경은 0.25m로 제작하였다. 열추출을 위한 전열관은 이중관으로 제작하여 bed 영역에 10개, freeboard영역에 6개를 설치하였다. 유동화공기는 7기압까지 압축·탈수하여 MFC로 유량을 조절하여 유동층반응기로 공급한다. 층물질, 석탄 및 Limestone은 screw feeder을 이용하여 공급한다. 석탄연소후 생성되는 하부회는 연소로하부로 배출되고, 비산회는 1, 2차 사이클론에서 포집된다. 연소로내의 압력은 배가스관에 설치된 압력조절밸브에 의해서 자동으로 조절된다.

상압조건에서 유동층반응기의 0.3m높이까지 층물질을 채우고 LPG예열기를 점화하여 450℃까지 예열한후 석탄을 공급하기 시작하였다. 공급된 석탄이 유동층에서 연소하여 650℃에 이르면 예열기를 소화하고 예열기를 통해 공급되는 공기를 차단한 후 층물질을 주입하고 서서히 가압하여 실험조건을 맞추었다.

연료로는 중국에서 수입한 직경 5mm이하의 유연탄(중국 울란탄)을 사용하였으며 층물질로는 주문진에서 구입한 평균입도는 0.4mm의 자연산 강모래를 사용하였다. 석탄 주입시 고온의 연소가스가 연료저장조에 역류되어 석탄의 침적으로 인한 screw feeder의 고장이 잦아서 역류방지를 위해 연료저장조의 압력을 유동층반응기보다 0.5기압 높게 유지하였다.

실험조건은 압력 4-6기압, 반응온도 850, 900, 950℃, 공기의 공탑속도는 0.9 -1.3m/s 로 하였다. 과잉공기는 10, 20, 30%로 하였으며 층높이는 2m 로 하였다.

[그림 1] Bench Scale가압유동층 석탄 연소장치 공정도

<표 1>은 연소실험에 사용된 석탄의 특성을 나타낸다.

<표 1> 석탄의 특성

Proximate analysis	Elemental analysis	Others
- Moisture 12.05% - Voletile 29.63% - F.Carbon 53.10% - Ash 5.22%	- C 71.20% - H 5.30% - N 0.74% - S 0.28% - O 5.21%	Coal(Datung, China) - Heating value : 6,090Kcal/Kg - Mean particle size : 0.3mm

3. 결과 및 고찰

[그림 2]는 과잉공기비와 연소효율의 관계를 나타낸다. 석탄주입량에 따라 결정되는 이론공기량에 과잉공기비가 20%일 경우에 연소효율은 약 99.4%를 보였으나 99.7%를 보이는 조건도 있다. 과앙공기비가 30%이상일 경우에는 99.8%이상의 효율을 보였다. 본 실험에서는 과잉공기비가 증가함에 따라 연소효율이 증가하는 것으로 나타났다. 사이클론에 포집된 비산입자의 분석결과로부터 유동층반응기로 주입된 석탄의 대부분은 비산되기 직전까지 연소하는 것으로 나타났으며 연소효율은 연소반응중 불완전연소로 발생된 CO에 영향을 받았다. 본 실험결과는 이론공기비가 높을수록 불완전연소로 발생되는 CO의 량이 감소되며 잔여 O2에의한 CO의 2차연소가능성이 높기 때문으로 볼 수 있다.

[그림 2] 과잉공기비와 연소효율의 관계

[그림 3]은 압력 6기압에서 유동층반응기의 높이 0.58m와 1.24m에 각기 설치된 전열관에서의 기체유속에 따른 열전달 특성을 보인 것이다. 0.58m 높이의 전열관에서는 유속에 따라 열전달계수의 증가율이 1.24m 높이의 경우보다 작았으나, 전체적으로 그 값은 높게 나타났다. 이것은 낮은 높이에서 비교적 기포의 크기가 작고 발생빈도가 높아 전열관 주위에서 안정적인 층물질재배치로 전열관과의 열전달을 향상시키는 반면, 위치가 높아짐에 따라 기포의 합체로 빈도수가 작아지거나 채널링으로 발전하여 층물질 입자의 유동성이 원활하지 못하기 때문으로 해석된다. 기체유속의 증가에 따라 기포발생빈도가 증가하여 유동층 상부에서 입자의 유동성이 향상되는 것으로 해석된다.

[그림 ] 기체유속에 따른 열전달 계수, 6기압

[그림 4]은 과잉공기비와 NOx 배출량의 관계를 나타낸다. 과잉공기비가 증가하면 NOx의 배출량도 증가하는 것을 보여주고 있다. 그러나 다른 가압유동층의 운전결과를 보면 NOx배출량이 100-200정도인데 비해 이 실험에서는 매우 적게 배출되었다. 이 결과는 연소부하에 비하여 층높이가 높기 때문으로 해석된다.

[그림 4] 과잉공기비와 NOx의 배출량   [그림 5] Freeboard온도와 CO의 배출량

[그림 5]은 freeboard의 온도와 CO배출량과의 관계를 보여준다. CO배출은 freeboard온도가 400-600℃로 증가하면서 점차적으로 감소하고 있다. Freeboard의 온도가 600℃이상이면 40ppm 이하로 유지되고 있다. 이는 프리보드에서 잔류 산소에 의한 CO의 2차연소가 진행되기 때문으로 보인다.

4. 결  론

1. 연소효율은 99.2%이상을 얻을 수 있었다.

2. 전열계수는 1050-1800W/m2℃ 정도를 보였다.

3. NOx의 배출은 과잉공기비가 증가함에 따라 증가하였으며, 농도는  20-70ppm 정도였다.

4. CO의 배출은 freeboard 온도의 증가에 따라 감소하였고 600℃이상에서 40ppm 이하를 보였다.

감사의 글

본 연구는 통상산업부가 지원하는 청정에너지기술개발 사업의 일환으로 수행되었습니다.

참고문헌

진경태 외 8인 □Bench Scale 가압유동층석탄연소기술개발(II)□, 연구보고서, KIER-953232, 통상산업부(1996).

진경태 외 8인 □Bench Scale 가압유동층석탄연소기술개발(III)□, 연구보고서, KIER-973402, 통상산업부(1997).

이창근 외 6인 □가압 유동층반응기에서 철광석에 의한 고온건식 탈황□, 화학공학의 이론과 응용, vol. 3, No. 1, pp1073 (1997).

진경태 외 2명, □Coal Combustion Characteristics in Pressurized Bed(PFB)", The 12th Korea-U.S. Joint Workshop on Envergy & Environment, pp124, 한국에너지기술연구소(1997).