벤치규모가압유동층에서 국내무연탄의 CO배출특성

한근희, 배성렬, 장효섭, 류호정, 이창근, 류정인*, 진경태

한국에너지기술연구원, 충남대학교*

Carbon monoxide emission of domestic anthracite in bench scale PFBC

Keun-Hee Han,  Sung-Yul Bae, Hyo-Sup Chang, Ho-Jung Ryu, Chang-Keun Yi, 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

경제성장은 편리함을 추구함으로서 에너지의 증가량과 밀접한 관계가 있다. 소득이 증대됨에 따라 편리한 에너지원으로서의 전환과 생활방식이 이루어져, 에너지의 사용은 증대할 수 밖에 없으며, 우리나라에서도 에너지의 사용량은 향후 10년이내에 현재의 두배로 증가될 전망이다. 세계적으로 기후변화협약 후속조치로 이산화탄소의 자발적인 감축을 위한 협의가 진행중이며 우리나라도 공해물질 배출규제치를 강화하고, 선진국수준의 환경을 유지하려는 의지를 갖고 있어 국내외적으로 환경친화적인 기술이 필요하다. 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].  본 연구에서는 국내무연탄을 가압유동층연소로에서 연소할 때 운전조건에 따라 CO배출농도의 변화와 탈황을 위하여 석회석을 주입할 경우 일산화탄소의 배출특성을 고찰하였다.

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 가스분석기가 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. 층물질을 층 높이 2m에 이르도록 계속적으로 주입하고, 연소장치에 압력을 가한다. 각각의 실험조건에 따라 층온도, 압력, 석탄 및 공기의 공급량등을 변화하면서 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 발열량은 4530kcal/kg이고, 입도는 5mm이하의 석탄으로 1mm이하가 60%를 보였다. carbon은 51.8%, sulfur가 0.46%로 분석되었다. 공업분석 결과를 보면 수분 4.6%, 휘발분 4.7%, 고정탄소 54.8%이고, 회분 35.9%를 보였다. 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
	Sulphur	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, 1, 2, 4
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. 1]에 유동층 온도의 변화에 따른 CO의 배출특성을 나타냈다. 과잉공기율 10%에서 탈황을 위한 흡수제의 공급정도에 따라 유동층의 온도의 변화에 따른 CO의 배출농도를 나타낸 것이다. 흡수제의 Ca/S몰비 0과 유동화속도 1.1m/s에서 층온도가 850℃으로부터 950℃로 증가함에 따라 일산화탄소의 농도는 170ppm에서 60ppm으로 감소하였다. 또 유동화속도 0.9m/s일 경우 140ppm으로부터 40ppm으로 감소하였다. 유동화속도가 1.1m/s에서 0.9m/s로 감소함에 따라 약 30ppm 정도의 낮은 농도를 보였다. 이것은 유동화속도가 낮음으로 인하여 기체와 석탄과의 접촉시간이 충분하여 효과적인 반응이 이루어진 것으로 사료된다. 그러나 흡수제의 Ca/S 몰비 4에서는 유동화속도가 감소함에 따라 농도가 감소하지 않고 오히려 증가하는 것으로 나타났다. 층온도가 850℃에서 900℃까지는 층온도의 증가에 따라 감소하였고, 유동화속도가 증가하면 증가하는 경향이 뚜렸하였지만 층온도 950℃에서는 비슷한 배출농도를 보여 뚜렸한 경향이 없었다. 유동층의 온도가 증가함에 따라 반응속도는 증가하고 결과적으로 불완전연소에 의하여 발생하는 일산화탄소의 농도는 감소하게 된다. 그러나 유동층에서의 반응은 그 외에도 입자의 혼합, 기체와 고체간의 물질전달, 생성물의 emulsion phase로의 물질전달등 많은 변수가 영향을 주기 때문에 간단하게 설명할 수 없다. 또 본 실험에서 유동층의 높이가 직경에 비하여 높기 때문에 상대적으로 연소하는데 필요한 체류시간이 충분한 경우를 생각해야 하고 이산화탄소와의 평형관계에서 온도가 증가함에 따라 일산화탄소는 감소한다.[1]

[Fig ] CO emission on bed temperature

[Fig. ] CO emission on Ca/S mole ratio

Ca/S 몰비 [Fig. 2]에 탈황실험을 위하여 흡수제를 투입한 Ca/S 몰비의 변화에 따른 CO의 배출농도를 나타냈다. 과잉공기율 10%, 유동화속도 1.1m/s와 0.9m/s에 대하여 층온도 850℃, 900℃, 950℃의 결과를 Ca/S몰비 0, 1, 2, 4에 따라 CO의 배출농도를 나타낸 것이다. Ca/S몰비의 증가에 따라 배출농도는 감소하였다. 층온도 850℃, 유속 1.1m/s에서 Ca/S 몰비 0에서는 170ppm를 보이다가 4몰에서는 약 60ppm까지 감소하였다. 층온도 900℃에서는 120ppm에서 20ppm으로 감소하였고, 950℃에서는 약 30-50ppm을 보여 거의 균일한 농도를 보였다. 유동화속도 0.9m/s에서도 Ca/S몰비가 증가함에 따라 감소하였다. 이와같이 Ca/S몰비가 증가함에 따라 CO의 배출농도가 감소하는 것은 탈황제중에 CaO가 연소로에서 SO2와 반응을 하여 CaS로 황화에 참여하지 않는 CaO가 CO의 산화작용에 촉매역할을 한 것으로 볼 수 있다[1,3]

과잉공기 [Fig. 3]에 연소배가스중의 O2농도의 변화에 따른 CO의 배출특성을 탈황제의 Ca/S몰비변화에 대하여 나타냈다. 유속 1.1m/s, 층온도 900℃에서 O2배출농도가 0.5%에서 5%까지 증가할 때 탈황제의 Ca/S몰비에 변화에 따른 배출농도를 나타낸 것이다. Ca/S 몰비 0일 때 O2농도 1.8%에서 120ppm을 보였으나, O2농도 4.5%에서는 70ppm으로 감소하였다. Ca/S 몰비 1인 경우 O2농도 0.5%일 때 90ppm에서 O2농도 4.2%에서는 60ppm으로 감소하였다. Ca/S 몰비 2인 경우 O2농도 1.2%일 때 50ppm에서 O2농도 4.3%에서는 20ppm으로 감소하였고, Ca/S 몰비 4에서 O2농도 1.3%에서 5%까지 감소함에 따라 20ppm이하로 약간은 감소하지만 거의 비슷하게 나타났다. 과잉공기의 증가에 따라 감소하였다.

Freeboard 온도 [Fig. 4]는 모든 조건에서 얻어진 CO의 배출농도를 freeboard의 온도에 대하여 나타냈다. CO의 배출은 모든 실험조건에서 freeboard 온도가 증가하면 감소하는 특성을 보였다. 흡수제를 공급하지 않는 Ca/S몰비 0에서 배출농도의 분포가 넓지만 온도의 증가에 따라 거의 직선적으로 감소하는 경향을 나타냈고, Ca/S몰비 1에서는 700℃까지 거의 비슷한 배출특성을 보이다가 이 후에 감소하였다. Ca/S몰비 2에서 750℃까지 증가하다가 이 후에 감소하였고, Ca/S몰비 4에서는 40ppm이하로 배출하여 온도의 증가에 따라 감소하였다. 탈황을 위하여 흡수제를 공급한 상태에서 CO의 배출은 온도의 증가에 따라 직선적으로 감소하지 않고 증가하다가 감소하는 것으로 나타났지만 이것은 특별한 이유가 없고 연소로의 층온도가 높고 낮음에 따라 변하는 것이라고 할 수 있다. 본 실험은 freeboard의 온도분포가 각각의 조건에서 최저 620℃에서 최고 830℃까지 유지되었음을 볼 수 있다. 고체가 순환되는 순환유동층연소로는 전체영역에 대하여 온도분포가 고르지만, 기포유동층에서는 층(bed)에서 거의 모든 연소가 발생하고 freeboard에서는 연료중에 아주 작은 입자가 비산되거나 고온의 기체로 인하여 온도가 유지된다.[4]

결 론

[Fig.] Effect of CO emission on O2 emission (Tbed : 900℃)

[Fig. ] Effect of CO emission on freeboard temperature

1) 본 연구에서 CO의 최대배출농도는 과잉공기 10%, 유동화속도 1.1m/s, 유동층온도 850℃의 조건으로 배출농도는 170ppm을 보였다.

2) 일산화탄소의 배출은 유동화속도가 증가하면 증가하는 것으로 나타났고 층온도 950℃에서는 차이가 없는 것을 보였다.

3) 유동층온도의 증가함에 따라 배출농도는 감소하는 것을 보였다.

4) 과잉공기 5%부터 20%까지 범위에서 과잉공기가 증가함에 따라 감소하였다. 그러나 층온도 950℃, 유동화속도 1.1m/s에서는 과잉공기의 증가에 따라 10ppm이하를 나타내 비슷한 농도를 보였다.

5) 탈황제의 Ca/S몰비가 증가함에 따라 배출농도는 감소하였다. 그러나 Ca/S몰비 4를 주입하였을 때 층온도가 900℃에서 950℃로 증가하여도 비슷한 농도를 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. Leckner, B., Karlsson, M., Mjornell, M., et al., "Emissions from a 165MWth Circulating fluidized-bed boiler", J. Inst. Energy, Sept., 122-130, 1992.

4. von Wedel, G. Krein, J., Mollenhoff, H. et al., "Pressuized fluidized bed combustion in a 15MWth test facility bubbling and circulating experience and future development", Proc. of the 12th international conference on FBC, pp.403-422, 1993