미분탄연소시 N-release에 의한 NOx방출에 관한 연구

한  웅, 박주식*, 최상일*

충남대학교 대학원 공업화학과, 한국에너지기술연구소*

Studies on NOx Emission to N-release in Pulverized coal combustion

Woong Hahn, Chu Sik Park*, Sang il Choi*

Department of Industrial Chemistry, Chungnam National University

Korea Institute of Energy Research*

서론

연소시 발생되는 Nitrogen Oxide는 일반적으로 NOx라 칭하며 이들 화합물에는 대부분 NO, NO2와 N2O성분을 포함하고 있다. 특히, 미분탄 연소보일러에서 방출되는 NOx중 NO2와 N2O성분의 방출은 매우 낮아 무시할만하다. 석탄이 연소되는 동안 발생되는 NO의 형태는 크게 세가지(Thermal, Prompt와 Fuel-NO)로 구별된다. 일반적인 NO의 생성메카니즘은 Fig. 1과 같다. Fig. 1의 (C)경로에 의한 Thermal-NO는 연소공기안에 존재하는 대기질소의 열고착화에 의해 대기질소가 고온영역에서 질소를 함유하는 전구체로 전환되어 형성되며 전체 NO의 10-20%정도를 차지한다. 1500℃이하의 영역에서 NO의 방출량은 10%이하로 방출되어 크게 영향을 미치지 못한다. 그러나 1500℃이상에서는 NO의 방출이 지수적으로 증가하기 때문에 연소온도의 제어가 NO의 방출에 크게 영향을 미친다.

Fig. 1의 (D)경로에 의한 Prompt-NO는 연소공기에 존재하는 N2와 화염영역에서 생성되는 라디칼(C, CH, CH2, C2, C2H 등)의 반응에 의해 생성된 물질과 산소와의 반응에 의해 생성이 된다. 특히 Fenimore는 분자질소에 탄화수소의 공격에 의해 발생되어진다고 하였다. Prompt-NO는 탄화수소의 존재하에 초기 화염영역에서만 발견되며 Thermal, Fuel-NO의 량에 비해 무시할만한 양이다. 본 실험에서는 석탄중에 함유되어 있는 질소가 Ar분위기 및 O2분위기에서 방출되는 성상을 살펴봄으로서 질소의 방출량에 따라 NO의 생성에 미치는 영향을 고찰하고자 한다.

실험

석탄의 연소와 N방출 및 NO저감에 관한 연구에 있어 주된 반응변수로는 반응온도, 공기-석탄비율과 체류시간(반응거리)으로 연소온도의 영향을 확인하기 위해 1100, 1300, 1500℃에서 수행하였으며, 공기-석탄비(Air Ratio, 이하 AR이라 함)는 0.6, 0.8, 1.0, 1.2로 변화를 주었다. 그리고 반응거리는 석탄이 공급되는 시점으로부터 5-70cm까지 변화를 시켰다.

또한 탄종에 따른 영향을 살펴보기 위해 대상석탄은 휘발분이 많이 함유되어 있는 준역청탄에 속하는 Alaska 석탄, 휘발분이 적게 함유되어 있는 역청탄에 속하는 Drayton 석탄을 선정하여 사용하였다. DTF에서 사용된 시료는 입자크기에 의한 영향을 배제하기 위하여 200-400mesh의 입자를 선별하여 사용하였다.

본 연구에서는 대상탄 및 연소후 포집된 촤의 분석은 PerkinElmer 2400 원소분석기를 사용하여 C, H, N, S, O성분을 분석하였다. 그리고 공업분석에 사용된 기기는 LECO automatic proximate analyser를 사용하였다. 석탄의 연소특성은 SETARAM TGDTA92를 사용하였다. Table 1에는 대상석탄의 원소,공업분석 결과를 나타내었으며, 석탄에 함유되어 있는 질소성분은 Alaska 1.165wt.%, Drayton 1.661wt.%이었다.

Table 1. A Result of Analysis of Alaska and Drayton Coal.

Coal	Proximate Analysis(wt.%)					Ultimate Analysis(wt.%)
	C	H	N	S	O	Volatile Matter	Moisture	Fixed Carbon	Ash
Alaska	63.19	5.671	1.165	0.601	11.143	49.39	10.05	31.49	8.18
Drayton	70.57	4.93	1.661	0.524	6.745	31.82	4.54	52.61	11.03

결과 및 고찰

연소효율과 N-release의 비교

Fig. 2는 반응온도 1500℃에서 공기비에 따른 연소효율과 N-release를 비교한 결과이다. A의 경우 AR<1.0인 조건에서는 연소효율보다 N-release가 적었고 AR>1.0의 조건에서는 연소효율과 N-release가 비례하는 결과를 나타내었다. B의 경우 공기비에 관계없이 전체적으로 연소효율보다 N-release가 높게 나타났다.

A의 경우 Ar분위기에서 촤제조시 방출된 휘발분의 량보다 N-release가 높게 나타난 반면 연소과정에서는 이와 반대로 N-release가 낮게 나타났는데 그 이유는 연소시 공급되는 공기에 의해 촤의 부분산화가 발생하기 때문에 나타난 결과라 사료된다. 이와 같이 Alaska 석탄은 휘발분에 함유되어 있는 질소성분이 촤에 함유되어 있는 질소성분보다 많음을 보여주는 결과이었다. B의 경우 Ar분위기에서 촤제조시 방출된 휘발분의 량보다 N-release가 낮게 나타난 반면 연소과정에서는 이와 반대로 N-release가 높게 나타났다. 결과에 나타난 바와 같이 Drayton석탄은 Alaska석탄과 달리 휘발분에 존재하는 질소의 량보다 촤에 존재하는 질소의 량이 많음을 보여주는 결과이었다.

NOx 방출

Fig. 3은 반응거리 30cm에서 반응온도에 따라 연소시 발생되는 N-release로부터 전환된 NOx와 배출가스로부터 측정된 NOx로부터 계산된 결과이다. A의 경우 N-release에서 NOx로 전환된 값은 AR 0.6-0.8인 경우 반응온도 1300℃, 1500℃는 2%내외, 1100℃는 5%로 변화가 나타나지 않았다. AR>0.8의 조건에서 공기비가 증가할수록 1100, 1300℃는 미소하게 증가하는 결과를 나타내었지만 1500℃에서는 급격하게 증가하였다. 그러나 1500℃, AR=1.126에서 최대로 전환된 값은 25%로 낮은 전환율을 나타내었다. B의 경우 N-release에서 NOx로 전환된 값은 공기비가 증가할수록 증가하는 결과를 나타내었으며 AR=0.6인 경우 1100℃에서는 전환율이 22%로 높고 1500℃에서는 3%로 낮은 값을 나타내었다. 그러나 AR=1.2인 경우에는 반대로 1500℃에서 55%로 전환율이 높고 1100℃에서 45%로 전환율이 낮게 나타났다. 온도에 따라 전환율이 차이가 나는 이유는 석탄의 연소성과 연관이 있기 때문이다. 또한 AR 1.2에서 전환율이 높은 이유는 석탄의 특성상 역청탄에 속하는 Drayton탄의 특성 때문이다

참고문헌

1. R. P. Vander Lans, P. Glarborg, and K. Dam-Johansen, Prog. Energy Combust. Sci., 349, 23(1997)

2. J. P. Smart and D. J. Morgan, Fuel, 73, 1437(1994)

3. R. R. Raine, C. R. Stone and J. Gould, Combustion and Flame, 241, 102, 1995

4. C. P. Fenimore and G. W. Jones, J. Phys. Chem., 61, 654(1957)

5. S. Niksa, Energy & Fuels, 9, 467(1995)

6. S. L. Chen, M. P. Heap, D. W. Pershing and G. B. Matin, 19th Symposium on combustion, The Conbustion Institute, 1271(1982)

Fig. 1. Fate of fuel-N in coal combustion

Fig. 2. Comparison of burn out ratio and N-release

(A: Alaska Coal, B: Drayton Coal)

Fig. 3. Conversion ratio of N-release to NOx with air ratio and temperature (A: Alaska Coal, B: Drayton Coal)