내부순환 유동층반응기에서 동해화력 설계탄종의 탈황특성

김 재 성,  이 종 민

전력연구원 수화력발전연구실 석탄신발전그룹

Desulfurization characteristics of Tonghae design coal

in an Internally Circulating Fluidized Reactor

J. S. Kim,  J. M. Lee

Power Generation Research Lab. Advanced Coal Power Systems Group KEPRI, Taejon, Korea

서  론

한국전력공사에서는 강원도 동해시 동해화력발전소에 세계 최대 규모의 200

MW급 상압 순환유동층 2기(1호기 : □98. 2. 19 석탄 최초점화, □98년 6월 준공예정, 2호기 : □99년 6월 준공 예정)를 건설중에 있으며, 그간의 산업용으로 건설되어 운영중인 여러 순환유동층 보일러에서 적용된 수입 유연탄에 의한 연소 공정과는 달리 국내 무연탄 및 석회석을 사용하여 연소 및 로내 탈황 공정을 이루는 것을 그 목표로 하고 있다. 그러나 국내의 순환유동층 보일러 기술은 아직 기초단계에 머물고 있는 실정이며, 특히 국내 무연탄은 연소 특성이 기존의 유연탄과는 상당히 다르기 때문에 순환유동층 내에서의 연소 및 배가스 특성은 그 예측이 어렵다 하겠다. 이에 본 실험에서는 동해화력 제1호기 석탄 최초점화에 대비한 시운전시 참고자료 제공과 □99년 이후 동해화력에 적용되는 환경규제치 달성 가능 여부 및 운전에 필요한 적정 Ca/S 몰비 예측을 목적으로, 동해화력발전소의 설계탄종과 유사한 국내 무연탄 및 석회석을 사용하여 연소 실험시 배출되는 배가스내의 황성분에 대한 고찰과 석회석 주입으로 인한 탈황 효과를 고찰하고자 내부순환 유동층반응기에서 이의 시험을 수행하였다. 내부순환 유동층반응기는 한국과학기술원에서 고체연료 및 폐기물의  가스화 및 열분해를 위해 개발된 연소실험 장치로 전형적인 유동층 반응기 층내에 오리피스 타입의 드래프트 관을 삽입하였으며 드래프트 관내는 고속의 반응기체가 그리고 애뉼러스 구역에서는 저속의 반응기체가 주입되어 서로간의 밀도차로 고체의 순환이 이루어 지도록 되어있는 공정이다 [1,2]. 이에 본 실험에서는 순환유동층내의 고속의 기체 유속을 갖는 riser 부분을 모사할 수 있는 내부순환 유동층의 드래프트관에서의 연소 특성을 고찰하였다. 더불어 탈황 반응의 주요 인자인 석회석의 탈황 능력을 평가하기 위하여 열천칭 반응기에서 석회석의 입자 크기 및 온도, 기체 분압 등에 따른 탈황 성능을 고찰하였다.

실  험

본 실험에 사용한 내부순환 유동층반응기의 개략도를 Fig.1에 나타내었다. 반응기는 크게 주탑부, 반응기체 주입부, 석탄 투입부, 드래프트관, 생성가스 처리부로 나누어져 있다. 주탑부는 직경 0.3m, 높이 2.7m의 스텐레스 스틸로 제작되었으며, 상단 프리보드부는 지경이 0.45m로 확장되어 있어 입자의 비산유출이 감소되도록 제작되었다. 주탑부안의 직경 0.1m, 높이 0.9m의 드래프트관은 하단에 4개의 오리피스를 갖고 있으며, 드래프트관위에 깔데기 모양의 가스 분리대를 설치하여 애뉼러스 및 드래프트 연소가스를 분리하였다. 주탑부분에는 회분배출관, sight glass 등이 설치되었고, 각 부위의 압력과 온도를 측정하기 위해 10개의 압력탭과 15개의 K-type 열전대가 설치되었다. 공기는 공기필터, 압력조절기를 거쳐 유량계에서 유량을 조절한 후, 분산판(7개의 기포캡, 4 hole × 2.5mm I.D.) 을 거쳐 드래프트관으로 주입함과 동시에 conical 형태의 분산판(18개의 기포캡, 4 hole)을 통해 애뉼러스로 주입하였다. 반응기의 외벽에는 석탄의 착화온도 (>500℃) 까지 반응기를 가열하기 위해 총 20kW의 칸탈선 전열기를 설치하였다. 반응기 외벽로부터 열손실을 줄이기 위해서 단열재인 kao-wool을 사용하여 단열하였다. 프리보드 상부에는 반응기 내부로 석탄을 공급하기위해 석탄 주입부가 설치되어있다. 반응기로부터 비산된 입자를 포집하기 위해 프리보드 다음에 싸이클론이 설치되었으며, 싸이클론을 통과한 생성가스는 냉각기 및 공기예열기를 지나 생성가스의 배출을 원활히 하기위해서 설치된 I.D Fan을 통해 밖으로 배출된다. 채취된 생성가스는 GC 및 가스분석기로 분석하였다.

Fig.   내부 순환 유동층 반응기의 개략도

본 실험에 사용된 석탄은 1∼5mm 사이의 입도를 갖는 동해화력의 설계탄종과 유사한 석탄으로 현재 영동화력에서 사용중인 국내 무연탄을 사용하였으며, 연소 반응시 배출되는 배가스 내의 황성분에 대한 저감특성 고찰을 위해 동해화력발전소에 사용될 예정인 석회석 시제품을 주입하여 연소반응 특성을 고찰하였다. 석회석은 평균입경 크기가 420□m로 CaCO3 함량이 89.5%를 차지하는 것으로 연소 반응시 석탄과 함께 정량 조절되어 반응기내로 투입되었다. 또한 석회석 자체의 탈황능력을 조사하기 위해 열천칭 반응기에서 석회석의 입자크기 및 반응온도, SO2 농도 등에 따라 탈황 성능을 시험하였다.

결과 및 고찰

열천칭 반응기에서는 동해화력에 사용 예정인 석회석의 탈황 성능을 고찰하기위해 입자크기 및 분위기 가스, 온도 등에 따른 영항을 고찰하였다. 입자 크기에 따른 소성의 영향을 살펴보면 입자가 작을수록 내부에서의 CO2가 외부로 확산이 잘되어 더욱 높은 소성 반응 속도를 보였다. 또한 200초에서 250초까지 소성이 완료되어 초기 무게에서의 약 0.46의 소성전환율을 보였는데 이는 석회석의 성분분석치에서 CaCO3와 MgCO3가 모두 소성되어 Metal Oxide의 형태를 띄게 되었을 때의 전환율(0.4425)과 거의 같은 수치로 반응 온도 900℃에서 거의 모든 금속 성분이 Metal Oxide 형태로 전환됨을 알 수 있다. 입자 크기에 따른 황화반응 속도는 입자가 작을수록 황화반응의 반응 속도는 크며, 이는 단위 무게당 반응할 수 있는 표면적이 입자가 작을수록 더 크기 때문이다 [3,4]. 그러므로 석회석의 소성 반응 및 황화 반응의 경우, 입자가 작을수록 양쪽 반응이 다 유리하게 작용됨을 알 수 있다. 그러나 실제 연소로에 석회석 적용시에는 반응 속도뿐만 아니라 입자의 체류시간 그리고 비산유출되는 것을 고려해야만 한다.

온도에 따른 황화반응 속도는 온도가 증가함에 따라 전반적으로 반응속도 및 전환율이 증가함을 볼 수 있으며, 황화 반응시간이 지날수록 낮은 온도(780∼810℃)에서는 반응속도의 증가가 크게 이루어 지지 않은 반면에, 비교적 높은 온도(840∼900℃)에서는 황화반응 시간이 지날수록 반응속도의 증가가 큼을 볼 수 있다. 온도별 황화 반응에서 반응속도를 보여주는 초기 기울기로부터 화학반응이 율속인 단계의 미반응수축핵 모델을 적용하여 활성화 에너지를 구해보면  Ea = 10,566 kcal/kmol을 얻을 수 있었으며, 이는 선행 연구자들의 결과와 비슷한 결과를 갖는 것으로 나타났다. 또한 황화 반응은 SO2의 농도가 증가함에 따라 반응 속도가 증가함을 볼 수 있으며, 1.2 차의 반응 차수를 갖고 있는 것으로 나타났다 [5,6].

내부순환 유동층반응기에서의 연소 실험은 크게 석회석을 첨가하지 않았을 경우와 석회석을 Ca/S 몰비 1, 3, 6으로 맞추어 첨가하였을 경우로 나누어 고찰하였으며, 과잉공기량비가 1.4 일때까지, 정상상태가 850∼860℃에서 이루어 지도록 조업하였다.

Fig.   온도변화 및 Ca/S 몰비에 따른

SO2 배출량 및 제거 효율

석회석이 첨가 되지 않았을 경우에 온도 변화에 따른 SO2 및 NOx의 발생량은 온도 증가에 따라 SO2의 농도는 440∼520ppm(O2, 6∼7%)으로 석탄내의 황 성분의 대부분이 연소반응을 통해 SO2로 전환됨을 볼 수 있다. SO2의 발생량은 이론공기량이 주입되었을 때 570ppm 발생됨을 계산으로 구할 수 있으며, 이를 통해 석탄 내의 S가 석회석이 첨가되지 않았을 경우는 대부분 SO2로 방출됨을 알 수 있다. NOx의 발생량은 60∼80ppm으로 기존의 여러 보고에서와 비슷한 수치를 보이고 있으며, 이 양은 비교적 온도가 높지 않아 thermal NOx의 생성이 없고 단지 fuel NOx의 영향으로 발생되는 양으로 생각할 수 있다. 온도변화에 따라서는 온도 변화 폭이 그다지 크지 않아 큰 영향은 없는 것으로 나타났으며, 회재 내에 포함되어 있는 Ca의 양에 의해 제거되는 SO2의 양은 미비한 것으로 나타났다. 한편, 석회석을 연소반응시 첨가할 경우에는 Ca/S 몰비가 1인 경우, 석회석이 첨가되지 않았을 경우의 SO2 농도인 440∼520ppm에서 220∼95ppm으로 SO2 발생량이 감소하였다. 특히 온도가 증가할수록 SO2 농도는 220ppm에서 95ppm으로 점차 감소하여 본 온도 조건에서는 850℃ 부근에서 최고의 탈황 효과를 나타내었다. 한편, NOx의 변화는 Ca/S의 몰비가 1인 경우에 큰 변화는 없었으며 석회석이 주입되지 않을때와 비슷한 값 및 경향을 보이고 있다. Ca/S 몰비가 3인 경우, Ca/S 몰비가 1인 경우에 비해 탈황 효과는 증가하고 있으며, 그 경향은 온도가 850℃ 까지 증가하는 경우에 계속적인 SO2의 감소를 가져와 앞서 고찰한 결과와 같은 경향을 나타내고 있다. 그러나 NOx의 경우는 석회석이 첨가되지 않았을때나 Ca/S 몰비가 1인 경우에 비해 약간 증가하는 경향을 보이고 있다. 이것은 기존의 연구자들이 발표한 연구 결과와 같은 경향을 보이는 것으로, 소성된 석회석이 NH3의 분해와 NH3-NO-O2 반응에 대해 촉매적 역할을 함으로써 NOx의 증가를 야기하는 것으로 보고되고 있다 [7,8,9]. 이러한 NOx의 증가 현상은 Ca/S의 몰비가 6인 경우에 더욱 크게 나타나고 있다. 이 경우에 SO2 발생량은 22ppm에서 온도가 증가함에 따라 8ppm까지 감소하는 매우 우수한 탈황효과를 나타내나, 반면에 NOx는 80∼110ppm까지 증가하는 상반된 결과를 보이고 있다. 그러므로 SO2의 저감을 위해 석회석을 주입하는 경우에 있어서는 NOx의 발생량과 더불어 고찰되어야 할 필요성이 있다. Fig. 2는 온도변화 및 Ca/S 몰비에 따른 탈황효과를 나타낸 것으로 closed symbol은 본 시험 결과를, open symbol은 한국에너지기술연구소에서 연소시험(□93. 10∼□94. 4)한 삼척, 영월 및 도계탄의 탈황효과 시험결과를 함께 도시하였다. 그림에서 보는 바와 같이 온도가 증가함에 따라 850℃까지 탈황효과는 증가하는 경향을 보이고 있다. 또한 Ca/S 몰비에 따라서는 Ca/S 몰비가 1인 경우에는 약 65∼78% 정도의 탈황효과를, 그리고 Ca/S 몰비가 3인 경우에는 80∼85%, Ca/S 몰비가 6인 경우에는 98% 이상의 탈황효과를 보여 탈황효과 면에서만 고찰하는 경우 Ca/S 몰비가 증가할수록 좋은 효과를 보이는 것으로 나타났다. 또한 에기연에서 수행한 삼척, 영월 및 도계탄의 시험결과에 의한 탈황효과와도 매우 잘 일치하는 것으로 나타났다. 그러나 그 증가가 몰비에 따라 직선적으로 증가하는 것이 아니기 때문에 적절한 조업조건에 따라 적당한 몰비의 주입이 요구된다. 특히 몰비 증가로 인한 NOx의 증가가 우려되므로 탈황을 위한 석회석 주입시 NOx의 저감을 위한 대책이 요구된다.

1. Kim, Y. J., Lee, J. M. and Kim, S. D., Fuel, 76, 1067(1997)

2. Lee, J. M., Kim, Y. J. and Kim, S. D., Applied Thermal Eng., in press (1998)

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4. Kang, S. K. Ph.D Thesis KAIST in Taejon, Korea(1992)

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