가압유동층연소로에서 국내 무연탄의 탈황특성

한근희, 강석환, 류호정, 선도원, 류정인*, 진경태

한국에너지기술연구원, 충남대학교*

Desulphurization characteristics of domestic anthracite in PFBC

Keun-Hee Han, Suk-Hwan Kang, Ho-Jung Ryu, Dowon Shun, Jung-In Ryu* and Gyoung-Tae Jin

Fluidization Research Center, Korea Institute of Energy Research

71-2, Jang-Dong, Yusung-Ku, Taejon, 305-343, Korea

Department of Machanical Engineering, Chungnam National University*

서 론

경제성장에 따라 생활수준이 향상되면서, 편리한 생활을 영위하기 위하여 에너지의 사용량이 증대되기 시작하였다. 우리나라의 에너지 소비량은 지속적인 증가추세에 있으며, 그 중에서도 사용이 간편한 전기의 사용은 2000년을 기준으로 향후 10년간 50%의 증가율을 예상하고 있어, 안정적 공급을 위한 신설 발전소가 필요한 실정이다. 세계적으로 기후변화협약 후속조치로 이산화탄소의 자발적인 감축을 위한 협의가 진행중이며 우리나라도 공해물질 배출규제치를 강화하였고, 선진국수준의 환경을 유지하려는 의지를 갖고 있어 국내외적으로 환경친화적인 기술이 필요하게 되었다. 석탄은 편재성이 적고, 매장량이 많아, 에너지의 안정적 공급이 가능하고, 발열량에 비하여 가격이 저렴하지만, 공해물질의 배출이 큰 단점이다. 그러므로 선진국에서는 환경친화적이고, 효율적인 그리고 경제적인 청정석탄활용기술을 개발하여 보급하고 있다.

가압유동층복합발전(PFBC-CC)은 고효율 및 공해물질 배출이 적은 석탄이용 차세대 발전기술이다. 기존의 유동층연소와 같이 연소온도가 낮아 질소산화물의 배출이 적고 연소시 노내에서 동시탈황이 가능하여 공해배출량이 낮아 환경친화적이다. 또 연소기내의 압력을 높여 연소함으로 반응속도가 증가하고, 가압한 만큼 압력용기내의 산소분율이 높기 때문에 적은 용적내에서 많은 양의 연료를 연소할 수 있어 경제적으로 우수한 청정석탄이용기술이다[1,2].  무연탄의 가압유동층복합발전이 도입될 경우 가압유동층의 기술축적도가 미흡한 상태이기에 무연탄에 대한 탈황특성을 고찰하여 설계 및 운전자료, 운전조건의 최적화등에 필요한 기술적인 자료를 제공하고자 한다.

실험장치 및 방법

본 연구는 벤치규모 가압유동층연소장치에서 수행하였다. 장치의 구성 및 제원은 한 외(1999)[2]에 자세하게 수록되어 있다. 연소장치는 연료 및 공기의 공급, 연소로, 배가스처리부문으로 구성되어 있다. 석탄과 석회석은 screw feeder에 의하여 연소로의 하부에 공급하도록 되어 있다. 유동화를 위한 공기는 공기압축기에서 생성된 압축공기를 MFM(mass flow meter)에서 공급유량을 정량하여 연소로에 공급된다. 장치를 예열할 수 있는 LPG 버너가 있다. 연소로는 높이가 총 5m로 층(bed)과 freeboard로 나누어져 있고, 비산입자를 포집하기 위한  사이클론과, 시스템의 압력을 조절하기 위한 밸브, 배가스의 압력을 강하하기 위한 소음기(silencer), 배가스중의 분진을 제거하기 위한 bagfilter로 구성되어 있다. 공해물질의 배출농도를 측정하기 위하여 O2와 CO2(Ultramat23, SIEMENS), CO(48H, TE Instruments), SO2와 NOx (42C, TE Instruments), N2O(46H, TE Instruments) 등을 분석할수 있는 분석기가 설치되어 있다.

연소로의 공기상자 앞에 설치된 버너에 LPG와 산화제로 적당량의 공기를 함께 공급하여 예열을 시작한다. 연소로의 층(bed)온도가 상승하면 층물질인 모래를 주입한다. 층(bed)온도가 석탄이 연소 가능한 온도까지 상승하면 석탄을 주입한다. 석탄의 연소열로 인하여 연소로내 층온도를 유지할 수 있으면 버너로 공급된 LPG와 공기를 차단하고 유동화 공기을 공급한다. 연소장치에 압력을 가하고 층 높이가 2.0m가 될 때까지 층물질을 주입한다. 미리 설정된 실험조건에 따라 층온도, 압력, 석탄 및 공기의 공급량등을 변화시키면서 실험을 수행한다. 무연탄의 황함량과 석회석의 CaO함량으로 Ca/S몰비를 계산한 후 석탄과 석회석을 미리 혼합하여 공급하였다.

Table 1에 무연탄과 석회석의 물성을 수록하였다. 무연탄은 강원도 태백지역의 것으로 한국전력(주)동해화력발전소의 순환유동층보일러에서 사용중인 것이다. 공업분석 결과를 보면 수분이 4.6%, 휘발분은 4.7%, 고정탄소가 54.8%이고, 회분이 35.9%로 고회분 무연탄임을 알 수 있다. Table 2에 실험조건을 나타냈다.

<Table > Properties of coal & limestone

Proximate analysis(%)	Moisture	4.62
	Volatile meter	4.69
	Ash	35.87
	Fixed carbon	54.81
Elemental analysis(%)	Carbon	51.76
	Hydrogen	1.62
	Nitrogen	0.52
	Sulfur	0.46
	Oxygen	7.66
Mean particle diameter(mm)		0.32
Calorific heating value(kcal/kg)		4,530
Limestone	CaO	53.17

<Table > Experimental conditions

Experimental parameter	Conditions
Superficial gas vel. (m/s)	0.9, 1.1, 1.3
Bed temperature(℃)	850 - 950
Excess air ratio(%)	10, 20, 30
Ca/S mole ratio	0.5, 1.5, 2.5, 4.5
Operation press.(atm)	6.0
Bed height (m)	2.0
<table 1>의 분석기 명 -Proximate analyzer(MAC-400, LECO) -Elemental analyzer(CHN-1000, LECO) -Sulfur analyzer(SC-432DR, LECO) -Calorific analyzer(AC-300, LECO) -Dry basis

결과 및 고찰

층(bed)온도  Fig. 2에 층(bed)온도의 변화에 대한 석탄의 SO2 배출특성을 보였다. 유동화속도 1.1m/s에서 Ca/S몰비 1.5일 때, 과잉공기 10%인 경우 층온도 850℃에서 220ppm을 보이다가 점차 증가하여 950℃에서 300ppm을 나타냈다. 과잉공기 20%일 때 850℃에서 140ppm을 보였고, 910℃부근에서 약간 감소하였다가 950℃에서는 150ppm으로 증가하였다. 과잉공기 30%에서는 농도가 120ppm정도로 층온도가 증가함에 따라 약간 증가하는 경향을 나타내지만 비슷하게 나타났다. Ca/S몰비 2.5인 경우, 과잉공기 10%에서 층온도가 850℃일 때 75ppm을 나타내고, 온도가 증가함에 따라 증가하여 950℃에서는 120ppm을 보였다. 또 과잉공기 20%일 때 것을 보였다. 결과적으로 모든 조건에서 층온도가 증가함에 따라 배출농도는 증가하는 것으로 나타났다. 층(bed)온도가 증가함에 따라 SO2농도가 증가하는 것은 CaO와 SO2가 반응하여 생성되는 CaSO4가 높은 온도에서 분해하면서 증가하는 것으로 사료된다.[3]

과잉공기  Fig. 3에 배출되는 배가스의 O2농도의 변화에 따른 SO2의 배출특성을 나타냈다. 유동화속도 1.1m/s, 유동층온도 850℃일 때 O2농도가 증가함에 따라 점차적으로 감소하는 것으로 나타났다. Ca/S몰비 0.5에서 O2농도가 2%에서 4.2%로 증가함에 따라 320ppm에서 250ppm으로 감소하였다. Ca/S몰비 1.5에서 O2농도 1.8%일 때 220ppm, 4%에서 140ppm까지 감소하였다. Ca/S몰비 2.5에서는 O2농도 1.8%에서 4.8%로 증가할 때 70ppm에서부터 감소하여 30ppm까지를 보였다. 한편 Ca/S몰비 4.5에서는 모든조건에서 SO2의 농도가 5ppm이하를 나타내 O2농도의 증가에 대한 변화가 없었다. 과잉공기가 증가함에 따라 SO2의 배출농도는 감소하였다. 이것은 산소농도가 증가함에 따라 탈황과정의 반응속도식에서 나타난 바와같이 CaSO4의 생성속도를 증가시켰기 때문이다. 산소농도가 증가한 것은 과잉공기가 증가한 것이다. 과잉공기는 주입되는 석탄에 대한 공기의 양이기 때문에 주입되는 석탄이 감소하면 과잉공기는 증가하게 된다. 그러므로 주입된 석탄으로부터 발생되는 SO2농도가 감소하게 된다.[3,4]

Fig.  Effect of bed temperature on SO2 concentration

Fig.  Effect of O2 emission on SO2   concentration

Ca/S 몰비  Fig. 4에 Ca/S몰비 변화에 대한 SO2의 배출농도를 나타냈다. 유동화속도 1.1m/s에서 층온도와 과잉공기의 변화에 대하여 배출특성을 보였다. Ca/S몰비 0.5에서 과잉공기 10%일 경우 층온도에 따라 다르지만 300에서 400ppm을 보였고, 몰비 1.5에서는 210에서 330ppm를 나타냈고, 몰비 2.5에서는 70에서 150ppm의 농도를 보였다. 또 Ca/S몰비 4.5에서는 배출농도가 매우 낮아 모든조건에서 5ppm이하를 보여 탈황율이 거의 98.5%이상에 가까운 것을 알 수 있다. 과잉공기 20%일 경우를 보면 Ca/S몰비 0.5에서 250에서 330ppm까지를 보였고, 몰비 1.5에서는 110에서 180ppm을 나타냈다. 몰비 2.5일 경우 25ppm에서 120ppm까지를 보였고 몰비 4.5에서는 거의 배출되지 않았다. 이와 같이 같은 층온도와 과잉공기의 조건에서 SO2의 배출이 일정하게 발생된다고 할 때 Ca/S 몰비가 증가되었다는 것은 SO2를 제거하기 위하여 첨가하는 탈황제의 양을 증가시킨 것이다. 탈황제의 양을 증가시키면 연소중에 SO2와 반응하여 CaSO4로 전환될 수 있는 CaO 가 상대적으로 많아지기 때문에 Ca/S몰비가 증가하면 탈황율이 높아져 SO2농도는 낮게 배출되는 것이다.[5,6]

유동화속도  Fig. 5에 유동화속도의 변화에 따른 SO2의 배출특성을 층온도 950℃에서 과잉공기 20%조건에서 Ca/S 몰비에 대하여 나타냈다. Ca/S 몰비 0.5에서 유동화속도가 0.9m/s 일 때 약 280ppm을 보였고, 유동화속도가 증가함에 따라 서서히 증가하여 1.3m/s일 때는 320ppm을 보였다. 몰비 1.5에서는 속도 0.9m/s일 때 120ppm을 보였고 1.3m/s일 때 130ppm을 보였다. 또 몰비 2.5일 때 0.9m/s에서는 60ppm을 보이다가 속도가 증가하여 1.3m/s에서는 80ppm 정도가 배출되었다. 몰비 4.5일때는 다른 조건에서와 마찬가지로 매우 낮은 배출농도를 보였다. 유동화속도가 증가함에 따라 SO2의 배출농도는 서서히 증가하는 경향을 나타냈다. 유동화속도가 증가함에 따라 배출농도가 증가하는 것은 낮은 유동화속도에서 작은 입자의 비산유출 손실이 감소되어 층내에 빠르게 완전반응할 수 있는 미세한 입자들이 증가하게 되고 층내의 가스 체류시간이 길어져 높은 탈황율을 보인 것이다.[6]

Fig.  Effect of Ca/S mole ratio on SO2 concentration

Fig.  Effect of superficial gas velocity on SO2 concentration

결 론

1) SO2농도는 층온도의 증가에 따라 900℃까지는 균일하였지만, 900℃이상에서는 층온도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였다.

2) 탈황율은 과잉공기가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타냈다. Ca/S몰비 2.5이상 그리고 900℃이하에서 약 85%이상의 탈황율을 보였다.

3) 탈황제로 석회석을 사용하여 Ca/S 몰비의 증가에 따라 SO2의 배출농도는 감소함을 보였다. Ca/S 몰비가 2.5이상일 때 150ppm이하를 보여 배출규제치를 만족하는 것으로 나타났다.

4) 유동화속도의 증가에 따라 SO2 배출농도는 증가하는 경향을 보였다.

감사의 글

본 연구는 산업자원부가 지원하는 청정에너지기술개발사업의 일환으로 수행되었습니다. 연구비의 지원에 감사드립니다.

참고문헌

1. 진경태, 선도원, 이창근, 박재현, 한근희, 배달희, 조성호, □Bench Scale 가압유동층 석탄연소기술 개발,□ 통상산업부연구과제보고서, pp. 1∼17, 2000

2. 한근희, 양승목, 조성호, 선도원, 류정인, 진경태 : □가압유동층연소로에서 석탄의 배가스 특성□, 화학공학의 이론과 응용, Vol.5(2), pp. 3081-3084, 1999.

3. Lyngfelt, A. and Leckner, B., 1989, "The effect of reductive decomposition of CaSO4 on sulphur", Proceeding of the 10th International conference on fluidized bed combustion, pp. 675, 1989.

4. Verweyen, N., and Renz, U., 1991,  "Measurements and modelling of SO2 emission from a PFBC," Proceeding of the  11th International conference on Fluidized Bed Combustion. pp. 1401, 1991.

5. Adanez, J., Labiano, F. G., et al, "Methods for characterization of sorbents used in fluidized bed boilers," Fuel, Vol.73(3), pp.355-362, 1994.

6. M. Alvarez Cuenca, E.J. Anthony, 1995, Pressurized Fluidized Bed Combustion, First edition, Published by Blackie Academic & Professional, an imprint of Chapman & Hall, pp. 101-120.