유동층 연소로에서 압력에 대한 연소 특성

강석환, 한근희*, 진경태*, 강  용

충남대학교 화학공학과

* 한국에너지기술연구원 에너지환경연구부

Combustion characteristics on the pressure

in a pressurized fluidized bed combustor

Suk-Hwan Kang, Kun-Hee Han*, Gyoung-Tae Jin* and Yong Kang

Dept. of Chem. Eng., Chungnam Nat,l. Univ.

*Energy ＊ Environmental Research Dept., KIER

서 론

유동층에 의한 석탄의 연소기술은 유체와 고체간의 거의 완전한 혼합과 온도 및 조성의 균일한 분포가 유지되므로 연료의 선택폭이 넓고, 조업 및 유지관리가 우수하다. 유동층 연소로에서 석탄의 연소특성은 석탄의 종류, 입자크기, 연소온도, 압력 및 과잉공기의 양등에 따라 상당한 차이를 보이고 있으며, 특히 국내 무연탄의 경우는 회분함량이 높고, 미분탄이 많이 존재하므로 연소특성이 판이하게 다른 것으로 예상되나, 이에 대한 연구는 상압에서의 연구 자료가 있을 뿐 가압에서의 연구는 미흡한 실정이다[1].

가압유동층연소는 가압조건에서 운전되므로 상압하에서 운전되는 기포유동층과 비교하여 용량, 연소효율, 탈황효율, 열전달율 및 배가스의 특성에서 많은 차이점을 갖고 있다. 기포유동층에서는 층 내에서의 압력강하와 power소요량 증가에 따라 유동층의 높이가 제약을 받지만, 가압유동층연소는 상승된 시스템의 압력에 비하여 층 내에서의 층 높이에 의한 압력손실이 상대적으로 무시할 만큼 적어 유동층 높이를 높게 조업 할 수 있다. 또한, 가압유동층에서는 상압의 연소기와 비교하여 최소유동화속도는 감소하고 공기부피가 압력비 만큼 감소하므로 연소영역의 용적를 압력의 증가만큼 감소시킬 수 있으며, 낮은 공탑속도와 높은 층높이로 기-고 접촉시간이 증가하는 장점을 갖고 있다[2].

따라서, 본 연구에서는 가압유동층 연소로에서 국내 무연탄의 연소와 열전달 특성을 고찰하여 이의 효율적 이용을 도모하고자 하였으며, 가압유동층 연소기의 설계 및 운전자료, 최적화에 필요한 공학적 자료를 제공함으로써 가압유동층 연소기의 효율적 활용을 꾀하고자 하였다.

연소효율 계산

연소효율은 주입된 석탄중에 미연소된 층, 싸이클론 그리고 백필터의 회재와 CO 가스로 배출되는 탄소의 양으로부터 다음 식과 같이 계산하였다.

[eqn: rm eta(%)~=~ `(1`-` {X_b `F_b` +` X_f `F_f` +` X_c `F_c` + `X_g `F_g } over {X_coal ~F_coal} ) ` TIMES `100]	(1)

여기서, Fcoal와 Xcoal는 연소로에 유입되는 석탄 가연분(휘발분, 고정탄소)의 양과 분율이며, F와 X는 각각 층, 필터, 싸이클론에서의 미연분(휘발분, 고정탄소) 그리고 CO가스의 유입량과 분율을 나타낸다.

열전달계수 계산

총괄열전달계수는 유동층 내부의 열원이 전열관에 가하는 열량(Q1)과 전열관 내부에 흐르는 유체가 얻은 열량(Q2)으로부터 구할 수 있다.

[eqn: rm Q_1 ``=`` Delta T_L ·U_o ·A]	(2)

[eqn: rm Q_2 ``=`` m_w ·C_pw · DeltaT]	(3)

또한, 총괄열전달계수는 식 (4)과 같이 전열관 내부 유체의 흐름 특성에 영향을 받는 열전달저항(hi), 전열관의 전도를 통한 저항, 유동층에서 전열관 표면으로의 열전달저항(ho)으로 표현된다.

[eqn: rm 1 over U_o = { 1 over h_i left ( D_o over D_i right ) ~+~ x_m over k_m left ( D_o over bar D_Log right ) + 1 over h_o }]	(4)

전열관 내부 유체의 전달저항, hi는 전열관의 형태, 유체의 흐름 발달 및 유체의 물성에 따라 변하며, 층류(laminar flow)와 난류(turbulent flow)로 구분되어 다음과 같은 식을 이용하여 구할 수 있다[3,4].

층류관계식, Re〈2,100

[eqn: rm {h_i D_i} over k_i ~=~ 1.62~ LEFT ( {m_w` C_pw} over {pi ``k_i `L} RIGHT )]	(5)

난류관계식, Re〉10,000

[eqn: rm {h_i D_i} over k_i ~=~ 0.023~P_r`^0.4 ~R_e `^0.8]	(6)

실험방법

본 연구에서 사용한 실험장치는 Fig. 1에서와 같이 연료 및 공기의 공급부, 연소로 그리고 배가스 처리부 등으로 구성되어 있다. 석탄은 나선형 공급 장치에 의해 정량적으로 연소로의 하부(공기분배기로부터 높이 0.1m)에서 공급하였으며, 유동화 기체는 MFM(mass flow meter)으로 정량하여 연소로에 공급하였다. 연소로 측면에는 압력과 온도를 측정할 수 있도록 탭(tap)이 설치되어 있으며, 연소로의 열전달 특성을 조사하기 위하여 동심원관 형태의 수평 이중전열관을 설치하였다. 전열관의 내부는 SCH.40 3/8□관으로 냉각수가 주입되고, 외부는 SCH.40 1"관으로 열교환된 냉각수가 배출되도록 되어있다.

Fig. . Schematic diagram of pressurized fluidized bed combustor.

실험에 사용된 국내 무연탄의 물성은 공업분석치가 고정탄소 58）, 휘발분 5）, 회분 31）였다. 층 물질로 사용된 모래의 밀도는 2,500kg/m3, 크기 범위는 300∼700□이었다. 실험은 먼저 연소로에 LPG를 공급하여 예열버너로 연소로 하부의 온도를 500℃까지 상승시키면서 층물질인 모래를 주입한 후 석탄을 장입하면서 압력과 온도를 각 실험조건에 가깝게 조절하였다. 연소상태가 안정된후 알정량의 공기량와 석탄을 공급하였다. 운전조건은 반응기 내부의 층높이를 2m, 압력을 200∼600kPa로 유지하였으며, 공기의 유속은 1.1m/s, 과잉공기율은 10∼30）, 연소로 온도는 850∼950℃로 운전하였다.

결 과

1. 연소효율

Fig.2는 유속이 1.1m/s인 경우 유동층 온도의 변화가 연소효율에 미치는 영향을 나타낸 것이다. 과잉공기가 10%인 때에 유동층의 온도가 850℃에서 100℃ 증가에 따라 연소효율은 압력이 200kPa에서는 80.1%에서 86.4%까지 증가하였고, 400kPa에서는 84.8%에서 95.5%까지 증가하였으며, 600kPa에서도 92.7%에서 99.1）까지 증가하였다. 이와 같이 연소효율은 온도의 증가와 함께 증가하였으며 600kPa, 950℃의 조건에서는 99.1%의 매우 높은 연소효율을 보였다. 연소로의 층 온도가 상승함에 따라 연소효율이 상승하는 것은 석탄의 연소 속도가 증가하기 때문으로 사료된다. 유동층의 연소압력이 연소효율에 미치는 영향은 Fig. 3에 나타내었다. 과잉공기가 20%이고 900℃의 유동층 온도 조건에서 연소효율은 압력이 200kPa에서 600kPa까지 증가함에 따라 84.8%에서 97.5%까지 증가하였다. 또한 850℃와 950℃에서도 유사한 결과를 얻었다. 연소로 내부의 압력이 증가하면, 공기의 밀도가 증가하며 산소의 분압도 증가하게 되므로 연소의 반응성을 증가시킬 뿐만 아니라, 석탄입자 내부의 산소확산저항을 감소시켜 연소효율을 증가시킨다고 설명할 수 있다[5].

2. 열전달

유동층 연소로에서 유동층의 온도 변화가 열전달계수에 미치는 영향을 Fig. 4에 나타내었다. 그림에서와 같이 유동층내 온도의 증가에 따라 열전달계수는 증가함을 알 수 있다. 과잉공기의 양이 10%인 경우 850℃에서의 열전달계수는 325W/m2K이었으며, 950℃에서의 열전달계수는 520W/m2K으로 약 60% 증가하였다. 이와 같이 온도가 증가함에 따라 열전달계수가 증가하는 것은, 고체 및 기체의 열용량과 열전도도 등의 물성변화에 기인하는 것으로 사료되며, 문헌에 발표된 실험결과와 일치하였다[6].

Fig. 5에는 유동층의 압력이 열전달계수에 미치는 영향을 나타내었다. 그림에서 볼 수 있듯이 전열관과 유동층간의 열전달계수는 유동층의 압력이 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내었다. 유속이 1.1m/s, 과잉공기가 20%, 유동층의 온도가 850℃일 때 운전압력이 200kPa인 경우 열전달계수는 232W/m2K였으나 운전압력이 600kPa인 경우에 열전달계수는 361W/m2K로 약 56% 증가하였다. 이와 같이 유동층내의 압력 증가가 열전달계수를 증가시킨 이유는 압력증가로 인하여 기체의 밀도가 증가되어 유동층 내부에 생성되어 상승하는 기포의 크기가 감소하고, 또한 기포의 크기가 좀 더 균일해지기 때문에 유동층 내부에서 유동하는 고체 유동입자들과 전열과 표면과의 접촉빈도수와 강도가 증가되어 접촉효율이 증가되기 때문이라 할 수 있다.

감사

본 연구는 과학기술부 국가지정연구실 사업의 일환으로 수행되었습니다. 연구비 지원에 감사드립니다.

참고문헌

1.	Han, K.H., Kang, S.H., Bae, S.Y., Chang, H.S., Ryu, H.Y., Shun, D.W.,	Ryu, J.I. and Jin, G.T., Theories and Applications of Chemical Engineering,	6, 3525 (2000).

2.	Cuenca, M.A. and Anthony, E.J., "PFBC", 1st edition, Chapmena & Hall,	71 (1995).

3.	Dittus, F.W. and Boelter, L.M.K. : Univ. Calif., Publs. Eng., 2, 443(1930).

4.	Leveque, J. : Ann. Mines, 13, 201(1928).

5.	Wallman, P.H. and Carlsson, R.C.J., Proc. 11th International Con. on	Fluidized Bed Combustion, 1571 (1991).

6.	Choi, J.C., Kim, Y.J., Moon, S.H. and Kim, S.D., HWAHAK KONGHAK,	23, 153 (1985).