시험연소로를 이용한 아역청탄의 연소특성 평가

김 성철, 이 현동, 김 태형, 홍 성선*

전력연구원 발전연구실 연소신발전그룹

* 충북대학교 화학공학과

Combustion Characteristics of Sub-Bituminous Coal Using Test Furnace

Sung Chul Kim, Hyun Dong Lee, Tae Hyung Kim and Sung Sun Hong*

Power Generation Laboratory  KEPRI

* Department of Chemical Engineering, Chungbuk National University

서  론

발전용보일러에 다탄종의 석탄을 혼용하기 위해서는 사전에 각 탄종에 대한 적정 연소조건이 도출되어야 하며, 이를 위해 원소분석 및 공업분석으로 석탄의 화학조성과 기본 성상을 도출하는 실험실적 분석과 열중량분석을 이용한 석탄 열분해 반응 기구를 연구하는 실험실적 연소시험1, 소형 연소장치를 이용하여 석탄 또는 char의 열분해 및 연소특성을 규명하는 bench scale 연소실험2, 미분탄을 연소로에서 직접 연소하여 최적조건을 규명하는 pilot 실험 등3이 있다.

본 연구에서는 시간당 200kg의 미분탄을 연소할 수 있는 한전 시험연소로를 이용하여 발전용 연료로 사용중인 인도네시아산 아역청탄인 Adaro탄 단독연소시의 연소특성과 캐나다산 역청탄인 Luscar탄 혼소시의 연소특성 변화를 평가하기 위해 석탄 입자의 미분도 및 노내 과잉공기 조건을 유사하게 유지하면서 보일러 내부의 온도변화, 배가스 생성특성, 회분부착에 의한 Slagging성, 미연탄소분 발생 정도를 측정하고 열손실을 계산하여 이종탄간의 혼소시 적정 연소조건을 제시하기 위한 시험을 수행하였다.

시험연소로 설비 구성

시험연소로는 크게 석탄취급 공정, 연소용 공기 공급 및 냉각계통을 포함하는 연소공정, 그리고 집진설비의 후처리공정으로 구성되어 있으며, 각종 측정설비와  분산제어시스템 설비를 포함하고 있다.

1) 석탄취급설비: 시료탄은 저장조에 저장된 후 Bucket Elevator에 의해 미분탄실 상부로 올려져 Crusher에서 9.5mm이하로 1차 분쇄되고, Pulverizer에서 70%이상이 직경 약 74□m (200 mesh) 이하로 미분된다. 미분탄은 Screw Conveyor에 의해 이송되어 4개의 Feed Bin에 저장되고, 한 개의 Bin 당 두 개의 버너에 미분탄을 공급한다.

2) 연소실 및 전열부: 연소실엔 예열용 천연가스 버너와 2종의 석탄버너를 갖추고 있으며, 실보일러의 증기발생부인 과열기, 재열기, 및 절탄기 대신, 각각   Slag Panel (Syltherm 냉매), Fouling Probe(공기 냉매), 열교환기(수 냉매)가 설치되어 연소열 추출 역할 및 Slagging, Fouling 등의 전열특성 연구에 사용된다.

3) 배가스 및 집진 설비: 배가스중에 함유된 분진과 SO2는, 각각 전기집진기와  Wet Scrubber에서 제거되어, 환경규제치를 만족시킨후 연돌을 통해 배출된다.  4) 계측 및 분산제어시스템: 운전과 시험에 필요한 계측기 및 각종 가스분석기(SOx, NOx, O2, CO, CO2 등)가 설치되어 있고, 분산제어시스템에 의해 대부분의 단위 기기별 운전 및 시험조건 변경이 중앙제어실에서 수행된다.

연소시험 방법 및 조건 설정

천연가스 버너 2개를 사용하여 노내온도를 900℃까지 예열 한 후 Table 1과 같은 탄종 및 성상의 미분탄을 노내로 주입하여, 가스와 석탄을 약 30분 동안 함께 연소시켜 연소조건을 안정화한 후 천연가스 공급을 중단하고 미분탄을 단독으로 연소시킨다.

Table 1. Properties of test coal

구 분		단 위	탄 명
			Adaro	Luscar
산 지		-	인도네시아	카나다
열량	기건식	kcal/kg	6,013	6,470
	건 식		7,071	6,798
공업분석	고유수분	Wt. %	14.96	4.13
	휘 발 분		39.71	35.20
	회 분		1.52	11.97
	고정탄소		43.81	48.70
원소분석	탄 소	Wt. %	69.82	69.60
	수 소		4.87	4.55
	산 소		21.71	12.41
	질 소		1.30	0.93
	황 분		0.12	0.30
	회 분		2.18	12.21
분 쇄 도		HGI	55	49
회융점 (IDT)		℃	1,169	1,323

미분탄 연소시험 조건은 Table 2와 같이 과잉공기와 미분도를 변화하면서 시험하였다.

Table 2. Combustion condition for test furnace

탄 종	Excess O2 (%)	Fineness(74□ 통과분)
Adaro	1.0, 2.0, 3.0	75%
	2.0	65%
Adaro 및 Luscar 혼탄	1.0, 2.0, 3.0	75%
	2.0	65%

결과 및 고찰

Adaro 전소 및 Adaro와 Luscar 혼소시 노내 온도분포는 약 1,000∼1,100℃ 범위로, Adaro 전소시 과잉공기 2%에서 가장 높은 온도를 보였고, 과잉공기 3%에서는 오히려 가장 낮은 온도를 나타냈으며, 동일 과잉공기량에서 미분도에 따른 온도 변화는 Fig. 1 및 Fig. 2와 같이 거의 없었다.

아역청탄은 원소분석상 산소 함량이 약 20%이상으로, 소량의 과잉공기 공급만으로도 충분히 연소가 가능한 것으로 사료된다. 따라서 Adaro 전소시 과잉공기 3%에서 연소로 내부의 연소분위기 온도에 비해 상대적으로 낮은 온도(350℃)의 2차공기 유입에 따라 온도저하가 발생한 것으로 사료된다. 그러나 Adaro, Luscar 혼소시 과잉공기 3%에서 가장 높은 온도를 나타내 Luscar탄이 Adaro탄 보다 과잉공기량 소모가 많음을 보여주고 있다.

Fig.1 Temperature profile of Adaro coal combustion

Fig. 2 Temperature Profile of Adaro and Luscar blended coal combustion

Adaro 전소시 과잉공기가 1%에서 2%, 3%로 증가함에 따라 미연분 발생은 Fig.3과 같이 3.6%에서 4.4%로 증가하는 경향을 보였다. 이는 Adaro탄의 산소농도가 약 20%에 달해 비교적 낮은 과잉공기량에서도 연소가 충분히 이루어 지는 것으로 사료되며, 1% 이상의 과잉공기 공급은 오히려 연소분위기에 비해 상대적으로 낮은 온도의 2차공기량 증가에 따라 연소성 저하를 가져오는 것으로 보인다, 또한 미분탄 입자크기가 증가함에 따라 Fig.4와 같이 미연분이 4%에서 10%로 뚜렷히 증가하여 200mesh 통과 75% 이상의 미분도에서 연소시키는 것이 연소율 향상에 크게 기여함을 알 수 있다.

Fig. 3  Unburned carbon formation with excess air on Adaro coal combustion

Fig.4  Unburned Carbon Formation varies with fineness on Adaro coal combustion

혼탄의 경우 Fig. 5와 같이 과잉공기 2%에서 가장 낮은 미연분 발생량을 나타냈으나, 이는 고산소함유 아역청탄인 Adaro와의 혼소로 인해 다른탄에 비해서 상대적으로 과잉공기 소요량이 적은 것으로 사료된다. 혼소시에도 Fig. 6과 같이 미분도 감소에 따라 미연분 발생은 증가하는 것으로 나타나는데 전소시 보다는 상대적으로 낮은 미연분 발생 결과를 나타내고 있다. 이는 Luscar탄 혼탄으로 인한 노내 온도상승에 따른 영향으로 보이며, 전소보다는 적절한 혼소가 유리할 것으로 사료된다.

Fig. 5 Unburned carbon formation with excess air on Adaro and Luscar blended coal combustion

Fig. 6  Unburned carbon formation varies with fineness on  Adaro and Luscar blended coal combustion

Adaro 전소 및 혼소시 황산화물 발생은 연료중 유황분 함량에 따른 이론적 발생량 계산치와 매우 일치한 결과를 나타냈으며, 미분도에 따른 SOx 발생량 변화는 거의 없었다.(Fig.7) 질소산화물의 발생은 매우 복잡한 메카니즘으로 인해  단순히 연료중 질소함량만을 고려한 이론적 예상치와는 많은 차이를 보이며, 이론적 발생량은 약 160∼350ppm 정도이나, 실 발생농도는 Fig.8과 같이 약 250∼650ppm의 범위로서, 그 발생량의 변화 폭이 매우 컸다.

Fig.7 Comparation of calculation and measured  SOx formation (O2 6% )

Fig.8 Comparation of calculation and measured  NOx formation (O2 6%)

Adaro탄의 Slagging Factor 값이 약 0.001(m2 K/W)로 나타났으며, Luscar탄과의 혼소시 0.001∼0.0015(m2 K/W)를 나타내 Slagging성이 다소 증가하는 결과를 보였다. Adaro탄은 수분함량은 높지만, HGI 값이 높아 상대적으로 미분 소요동력은 약 131kw/Ton으로 낮았다.

참고문헌

1. 김성철, 최병선, 이현동, 홍성선 : TGA를 이용한 유,무연탄의 연소특성과 활성화 에너지 비교, 한국에너지공학회 제5권, 2호 pp 170-175 (1996)

2. 김성철, 최병선, 최원길, 홍성선 : DTF를 이용한 유,무연탄의 연소특성 연구

에너지 R&D pp 49-55 (1996)

3. Johnson, T.R. and Scotter, J.G., Application of Pilot-Scale Coal Testing to Utility Boilers, EPRI CS-5946 (1998)