* To whom correspondence should be addressed.
E-mail: [email protected]; Tel: 82-41-589-8265; Fax: +82-41-589-8323 doi: 10.7464/ksct.2017.23.1. 073 pISSN 1598-9712 eISSN 2288-0690
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청정에너지기술
다양한 바이오매스의 분쇄도 실험을 통한 미분탄 화력발전 적용가능성 연구
강별1,2
,
이용운1,
류창국2,
양원1,*
1
한국생산기술연구원 고온에너지시스템그룹 31056 충남 천안시 서북구 입장면 양대기로길 89
2
성균관대학교 기계공학부 16419 경기 수원시 장안구 서부로 2066
(2016 년 8 월 25 일 접수 ; 2016 년 10 월 4 일 수정본 접수 ; 2016 년 10 월 5 일 채택 )
Applicability of Various Biomasses to Pulverized Coal Power Plants in Terms of their Grindability
Byeol Kang
1,2, Yongwoon Lee
1, Changkook Ryu
2, and Won Yang
1,*
1
Thermochemical Energy System Group, Korea Institute of Industrial Technology 89, Yangdaegiro‐gil, Ipjang‐myeon, Seobuk‐gu, Cheonan‐si, Chungcheongnamdo 31056, Korea
2
School of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan University 2066, Seobu‐ro, Jangan‐gu, Suwon‐si, Gyeonggi‐do 16419, Korea
(Received for review August 25, 2016; Revision received October 4, 2016; Accepted October 5, 2016)
요 약
기후 변화 대응을 위한 온실가스 감축 측면에서, 석탄화력발전소에서 바이오매스 사용량은 계속하여 증가되어 왔다. 파리 협정 이후 온실가스 감축 목표치가 더욱 구체화되면서 바이오매스 사용은 급격히 더 많아질 것으로 예상된다. 미분탄 석탄 화력발전에서 바이오매스 혼소시 가장 큰 문제점 중 하나는 바이오매스의 미분성이 석탄에 비해 훨씬 낮다는 것으로, 이를 해결하기 위해 가장 먼저 바이오매스의 미분성 측정 방법을 확립하는 작업이 필요하다. 석탄의 경우 HGI (hardgrove grindability index)측정 장치를 통해 분쇄도 측정이 가능하여 이를 표준으로 삼고 있지만, 바이오매스의 경우 표준 측정 방법 이 확립되어있지 않다. 본 연구에서는 볼 밀과 입자 크기별 분포량을 이용한 석탄과 바이오매스의 분쇄 실험을 진행하였다.
실험에는 석탄 1종과 바이오매스 6종을 사용하였다. 분쇄시간에 따른 입자 분포량을 비교하고, 75 µm 이하 입자 분포량으 로 분쇄도를 평가하였다. 실험결과 반탄화 바이오매스 TBC (torrefied biomass chip)와 TWP (torrefied wood chip)는 발전용 사용적합 기준에 대해 대략적으로 70%의 값을 나타냈다. 다른 바이오매스들의 경우 반탄화 바이오매스와 비교했을 때 분 쇄성이 훨씬 더 낮은 결과를 보였다. TBC와 TWP는 수분이 감소하고 섬유질 구조가 분해되는 반탄화 과정을 통해 분쇄가 향상되었다. 또한 분쇄도가 높은 반탄화 바이오매스가 소모전력이 낮게 측정되었다. 본 연구를 통해 바이오매스의 석탄화 력발전 적용을 위한 표준화 작업의 기초 자료들을 확보할 수 있다.
주제어 : 바이오매스, 분쇄성, 반탄화
Abstract : Recently usage of biomass is increased in pulverized coal power plants for reduction of CO
2emission. Many problems arise when thermal share of the biomass is increased, and milling of the biomasses is one of the most important problems due to their low grindability when existing coal pulverizer is used. Grindability of coal can be measured through the HGI (Hardgrove grindability index) equipment as a standard, but method of measuring biomass grindability has not been established yet. In this study, grinding experiment of coal and biomass was performed using a lab-scale ball mill. One type of coal (Adaro coal) and six biomasses (wood pellet (WP), empty fruit bunch (EFB), palm kernel shell (PKS), walnut shell (WS), torrefied wood chip (TBC) and torrefied wood pellet (TWP)) were used in the experiment. Particle size distributions of the fuels were measured after being milled in various pulverization times. Pulverization characteristics were evaluated by portion of particles under the diameter of 75
73
can be used as alternative biomass fuels without modification of the existing mill. Other biomass was observed to have low grindability compared with torrefied biomass. Power consumption of the mill for various fuels was measured as well, and the results show that lower power was consumed for torrefied biomasses. This result can be used for characterization of biomass as an alternative fuel for pulverized coal power plants.
Keywords : Biomass, Grindability, Torrefaction
1.
서 론석탄화력은 2015년 기준 국내 전력 생산의 40%를 차지하 고 있는 가장 중요한 전력생산 수단이다[1]. 신재생에너지 의 무할당제(renewable energy portfolio standard, RPS)가 2012년 부터 시행됨에 따라, 많은 국내 석탄화력발전소에서 renewable energy certificate (REC) 획득을 위해 바이오매스를 석탄과 일 부 혼합하여 사용하게 되었고, 신기후체제 출범으로 인한 이산 화탄소 감축 목표 달성을 위해 석탄화력에서의 바이오매스 사용량은 더욱 증가할 것으로 예상된다. 바이오매스는 탄소 중립성(carbon neutral) 에너지원으로서 1차 에너지원으로의 활용이 가능하기 때문에 온실가스 감축에 핵심적으로 기여할 수 있으며, 바이오매스 혼소는 적용을 위한 경제적, 기술적 위 험성이 비교적 낮아 단중기적으로 이산화탄소, 황산화물, 질소 산화물의 저감 효과가 나타날 수 있는 가장 효율적인 방법이다 [2-3]. 그러나 기존 석탄 미분기에 바이오매스를 함께 사용하 는 경우 바이오매스의 낮은 분쇄성으로 인하여 다양한 문제가 발생할 수 있다. 일반적으로 25 ~ 50 mm 사이의 입자 크기에 서 미분기 내에서 막힘 현상을 유발하고 차압을 높여 미분기 의 원활한 운영을 방해하거나 바이오매스의 높은 휘발분으로 인한 화재 위험성이 높아지게 된다[4]. 또한 분쇄도 문제는 바 이오매스 혼소율 증가에 큰 제약을 가져온다. RPS 대응과 이산 화탄소 감축을 위해서는 바이오매스 혼소율 증가가 꼭 필요하 며, 분쇄도에 관한 문제 예방을 위해 미분기 성능에 적합한 연 료의 사용과 연료 분쇄도에 대한 정확한 분석이 필요하다.
석탄의 경우 미국재료시험학회(American society for testing and materials, ASTM) 규격을 바탕으로 제작된 hardgrove grin- dability index (HGI) 측정 장치로 분쇄도를 평가할 수 있다[5].
그러나 바이오매스의 경우 HGI 장치를 사용하는 분쇄도 측정 과 반탄화를 이용한 분쇄도 향상으로 초점이 맞춰진 제한적 인 연구만 있을 뿐[6-11], 현재 바이오매스에 대한 분쇄도 표 준 측정 방법은 미확립 상태이다. 바이오매스의 분쇄도 측정 을 위한 선행 연구로 HGI 측정 장치와 분쇄될 때 소모되는 에 너지를 나타내는 bond work index (BWI)를 이용하는 방법이 있었다[9,12]. 넓은 범위의 HGI 값을 갖는 석탄과 그 석탄의 분쇄 후 75 µm 이하 입자 분포량을 이용해 바이오매스의 HGI 값을 계산하였다[9]. 그러나 HGI 측정 장치의 경우 석탄전용 으로 만들어졌기 때문에 바이오매스를 대상으로 했을 때 그 값을 신뢰하기 어렵다. BWI 경우 복잡한 절차로 긴 시간을 소 모해야 하는 문제점이 있으며, 실험식을 이용할 경우 적절한 실험식을 찾는 것 과 HGI 값을 구하는 과정이 필요하다[12].
BWI 역시 위의 문제점으로 인해 바이오매스의 분쇄도를 측 정하기에는 부적합한 방법이라 판단된다.
따라서 본 연구에서는 석탄과 비교 가능한 바이오매스의 분쇄도 측정 방법 확립을 위한 기초연구와 다양한 바이오매 스의 분쇄도 지수 구축, 분쇄도에 따른 바이오매스의 활용방 안 제시를 목표로 한다. 먼저 바이오매스 분쇄도 측정을 석탄 분쇄도 측정 절차에 따라 수행하여 문제점들을 확인하였고, 이를 해결하기 위해 실험실 규모에서의 미분기를 사용, 다양 한 바이오매스들에 대해 운전 인자들을 변화시켜가면서 입도 분포 특성 변화를 확인하였다. 바이오매스 미분을 위한 미분 기 소모 전력을 구하여, 미분 특성을 정량화하고자 하였다.
2.
실험에 사용된 석탄 및 바이오매스의 기본성상실험에는 석탄 1종과 바이오매스 6종을 사용하였다. Figure 1은 실험에 사용된 석탄과 바이오매스를 나타낸 것으로 아역 청탄인 adaro, wood pellet (WP), empty bunch fruit (EFB), palm kernel shell (PKS), walnut shell (WS), torrefied biomass chip (TBC), torrefied wood pellet (TWP)의 초기 형상이다.
Adaro는 기존 석탄화력발전소에서 흔히 사용되는 아역청탄
으로 HGI는 51의 값을 가지며, 실험에 사용되는 바이오매스
들의 비교 기준이 되는 연료이다. WP는 나무톱밥을 압축 가
공하여 만든 펠렛 연료이다. EFB와 PKS는 팜 오일을 추출하
고 남은 열매의 빈 껍질과 씨앗 껍질을 재활용하여 만든 연료
로 EFB는 펠렛 형태로 가공되고 PKS는 껍질 형태로 공급된
다. 원형 상태 그대로 공급되는 PKS의 경우 불순물(돌, 흙)이
섞여 있으며, PKS와 불순물의 구분이 어렵고 적합한 분리방
법을 찾을 수 없어 불순물이 포함된 상태로 실험에 사용하였
다. WS는 호두껍질로 작게 분쇄되어 공급된다. TBC는 wood
chip을 무산소 분위기의 200 ~ 300 ℃ 온도에서 생성한 반탄
화 연료이다. TWP는 일반 wood pellet을 265 ℃ 조건에서 생
성한 반탄화 연료이다. Table 1에는 석탄과 바이오매스의 발열
량, 공업분석, 원소분석의 결과를 나타낸 것으로 TBC와 TWP
는 수분이 1.7 ~ 2.7%로 다른 바이오매스에 비해 적고, 탄소
함량은 50% 이상으로 석탄과 비슷한 수준을 보였다. 이러한
결과는 반탄화 과정으로 인해 수분이 감소하고 탄소함량이 늘
어난 것으로 이로 인해 더 높은 발열량을 보인다. PKS의 경우
ash의 함량이 불순물(돌, 흙)의 영향으로 높게 측정된 것으로
생각된다. 그리고 실험 연료 중 낮은 발열량을 갖는 EFB와
PKS는 동일 발열량 기준으로 사용될 때 더 많은 투입이 요구
되고 발열량이 낮은 연료일수록 분쇄도의 영향이 더 클 것을
(a) Adaro (b) Wood Pellet (c) Empty Fruit Bunch (d) Palm Kernel Shell
(e) Walnut Shell (f) Torrefied Biomass Chip (g) Torrefied Wood Pellet Figure 1. Pictures of the coal and various biomasses used in this study.
Table 1. Analysis result of fuel samples
Fuel Proximate analysis (wt%) Elementary analysis (wt%) Heating value (MJ kg
-1) Moisture Volatile matter Fixed carbon Ash C H O N S HHV Adaro 19.3 42.7 36.1 1.9 55.8 5.3 17.1 0.7 0.0 23.87
WP 9.2 83.9 6.7 0.2 48.5 6.3 35.1 0.7 0.0 20.71
EFB 7.7 73.5 17.8 1.0 43.2 5.2 42.6 0.3 0.0 16.78
PKS 9.8 59.6 15.9 14.8 38.8 4.6 31.3 0.8 0.0 15.40
WS 9.3 70.5 19.2 1.1 46.2 6.7 35.5 1.2 0.0 20.36
TBC 2.7 70.9 25.6 0.8 61.9 5.8 28.1 0.7 0.0 25.47
TWP 1.7 75.5 22.4 0.4 54.5 5.8 37.3 0.3 0.0 21.532
Figure 2. Problems occurred in HGI equipment for biomass tests.
예상할 수 있다. 본 실험에 사용된 연료들은 보관상의 차이를 고려해 100 ℃에서 16시간 이상 건조 후 사용하였다.
3. HGI
측정 장치를 이용한 분쇄도 평가HGI 측정 장치를 이용한 바이오매스 분쇄도 측정의 적합 성을 판단하기 위해 선행실험을 진행했다. 실험에는 반탄화
과정을 통해 분쇄성이 가장 높다고 예상되는 TBC를 사용했 다. 분쇄도 측정은 HGI 측정 표준 방법과 동일하게 진행했다.
600 ~ 1180 µm 사이의 연료 50 g을 HGI 장치에서 분쇄 후 75 µm 이하 입자 무게를 구한다. 그리고 75 µm 이하 입자 무 게를 HGI 장치에 내장된 공식에 입력하여 HGI 값을 구하게 된다. 그러나 HGI 측정 장치는 석탄 전용으로 만들어진 장치 로써 석탄보다 낮은 밀도를 갖는 바이오매스는 Figure 2와 같
(a) Coal (b) Biomass
Figure 4. Schematic diagram of grindability test for various solid fuels.
Figure 3. HGI test results for mixtures of coal and TBC.
은 문제점이 발생했다. 연료 50 g을 사용하는 HGI 측정 장치 에서 바이오매스는 낮은 밀도 문제로 인해 50 g 사용시 센서 를 접촉하게 되고, 결국 장치에 이상을 일으키게 된다. 이러 한 문제로 인해 순수 TBC의 분쇄도 측정은 어려움이 있어 석탄과 혼합한 TBC의 분쇄도를 측정하였다. 석탄은 아역청 탄인 Adaro를 사용하였고, Figure 3은 발열량 대비 센서에 문 제를 일으키지 않는 수준의 Adaro와 TBC의 혼합비율과 그 결과를 나타낸 것이다. 측정결과 3%에서 49의 결과를 보였고, 5%에서는 46, 10%에서는 44까지 감소하였다. TBC의 비율이 높아질수록 HGI값이 감소하였으나, 12.5%에서 45, 15%에서 46으로 증가하였다. 모두 동일한 50 g의 질량을 사용했지만 TBC의 비율이 높아질수록 부피가 커지고 정상적인 분쇄가 어 려워 정확한 결과를 얻을 수 없었을 것이라는 예상을 할 수
으며, 바이오매스의 밀도 문제로 인해 정확한 측정이 어렵고 결과값 또한 신뢰하기 어렵다는 결론을 내릴 수 있다.
4. Ball mill
을 이용한 분쇄도 평가4.1. 분쇄실험 장치 및 방법
Figure 4는 분쇄 실험에 사용된 장치와 실험 순서를 나타낸 것이다. 장치는 실험의 규모의 볼 밀, 전력계, 7단계(850, 600, 500, 300, 100, 75, <75 µm)로 구성된 체와 체진동기, 입자 크 기별 분포량 확인을 위해 저울을 사용하였다. 볼 밀은 분쇄 시 간과 회전수 설정이 가능하며 500 ml 용량의 보울에 지름 20 mm 철제볼을 사용하여 분쇄하는 방식으로 연료 부피에 따라 철제볼의 개수를 설정한다. 본 실험에서는 연료 50 g에 적당하 다고 판단되는 19개의 철제볼을 사용하는 것으로 설정하였다.
볼 밀의 조건을 설정하고 연료를 분쇄함과 동시에 전력계를 이용해 소모전력을 측정한다. 분쇄된 연료를 7단계의 체로 옮 기고 체 진동기를 통해 입자 크기별로 분리된다. 분리된 연료 는 입자 크기별 무게 측정 후 분포량으로 나타내며, 75 µm 이 하 입자 분포량으로 분쇄도를 평가하게 된다[13]. 실험은 Table 2와 같이 총 21 케이스로 진행되었다. 실험 케이스는 아역청
Table 2. Experimental condition Case Time
(min)
Ball mill (rpm)
Weight (g)
Sieving shaker (min) Fuel-1 1
400 50 5
Fuel-2 2
Fuel-3 3
탄 Adaro를 대상으로 선행 실험 후 설정되었다. 발전용탄 적합 기준인 75 µm 이하 입자 분포량이 70% 이상을 만족하는 볼 밀 1분 400 rpm 조건을 시작으로 분쇄성이 더 낮은 바이오매스 를 고려해 2분, 3분의 조건을 추가 설정하였다. 회전수의 경 우 400 rpm 이상에서 연료의 탄화 가능성이 있어 탄화가 일 어나지 않는 최대치 400 rpm으로 고정하였다. 체 진동기의 경우 질량의 변화가 없는 5분을 설정하여 실험을 진행하였다.
4.2. 분쇄실험 결과
분쇄도는 75 µm 이하 입자 분포량으로 평가했으며 조건별 분쇄 실험결과는 Figure 5에서부터 Figure 7까지 나타내었다.
Figure 5는 1분 400 rpm 조건에서 분쇄실험 결과를 나타낸 것이다. Adaro는 모든 입자가 300 µm 이하로 분쇄 되었으며, 75 µm 이하 입자 분포량이 74%로 발전용 석탄의 기준에 적 합한 결과를 보였다. PKS와 WS의 입자들은 대부분 850 µm 이상의 크기로 분포하며, 75 µm 이하 입자 분포량이 각각 4%
Figure 5. Grindability test results of 1 min-400 rpm condition.
Figure 6. Grindability test results of 2 min-400 rpm condition.
Figure 7. Grindability test results of 3 min-400 rpm condition.
로 가장 낮은 분쇄성을 보였다. 반탄화 연료인 TBC와 TWP는 75 µm 이하 입자 분포량이 약 40%로 바이오매스 중 가장 우수한 분쇄성을 나타내었고, TBC와 TWP를 제외한 다른 바 이오매스들은 75 µm 이하 입자 분포량이 20% 미만으로 사용 에 부적합함을 나타냈다.
Figure 6은 2분 400 rpm 조건에서의 분쇄 실험결과를 나타 낸 것이다. Adaro의 경우 75 µm 이하 입자 분포량이 98%로 대부분이 분쇄되었다. WS의 경우 1분 조건에서 입자 분포량 의 변화가 거의 없었고 WS을 제외한 다른 바이오매스들은 큰 입자들이 더 작게 분쇄되었음을 확인하였다. 하지만 TBC 와 TWP를 제외한 대부분의 바이오매스들은 75 µm 이하 입 자 분포량이 여전히 20% 미만이었다. TBC와 TWP의 경우 75 µm 이하 입자 분포량이 크게 증가했으며 TBC의 경우 약 69%로 사용기준에 거의 적합한 수준을 보였다.
Figure 7은 3분 400 rpm 조건에서 분쇄실험결과를 나타낸 것이다. Adaro는 모두 분쇄되었고, 2분 이후에는 완전히 분쇄 되어 일정 시간 이후의 전력 소모는 불필요함을 알 수 있었 다. TBC는 75 µm 이하 입자 분포량이 78%로 사용기준에 적 합한 수준이 되었다. TWP는 75 µm 이하 입자 분포량이 65%
로 사용기준에 미달이지만 증가폭이 꾸준히 증가하는것으로
보아 긍정적인 결론을 내릴 수 있다. 같은 반탄화 연료지만
다른 결과를 보이는 것은 연료의 초기 형상에 따른 것이라
예상된다. 이런 반탄화 연료인 TBC와 TWP는 열분해 과정을
통해 수분 감소와 섬유질 구조의 파괴의 영향으로 높은 분쇄
성을 갖게 되었고, 반탄화는 분쇄성에 있어 바이오매스의 활
용폭을 넓혀 줄 것으로 기대된다. WS은 모든 조건에 일정한
입자 분포량을 보였으며, 이는 분쇄가 되지 않았음을 의미하
고 작은 크기의 입자 분포량은 초기 공급될 때 작게 분쇄 된
입자들일 것이라고 생각된다. WS을 분쇄하기 위해서는 더
높은 사양의 미분기가 필요함을 알 수 있었다. WS을 제외한
다른 바이오매스들은 분쇄시간이 증가함에 따라 큰 입자들이
더 작게 분쇄되었으나, 그 증가폭이 크지 않아 사용기준에 미
Figure 8 Power consumption for milling various biomasses and their portions of <75 µm size.
달되었다. PKS의 경우 공급 당시 포함된 불순물(돌, 흙)의 영 향으로 낮은 분쇄성을 나타냈을 수 있을 것이라는 예상을 할 수있다. 순수 PKS만을 대상으로 실험했을 때 더 높은 분쇄성 을 보일 것이라 생각된다. 결과적으로 반탄화 연료를 제외한 대부분의 바이오매스들이 분쇄 시간이 증가해도 증가폭이 크 지 않거나 한계점을 나타내었고 발전 사용기준에 미흡한 분 쇄성을 보였다.
4.3. 소모전력과 분쇄도의 관계 확인
분쇄도와 소모전력간의 관계 확인을 위해 볼 밀로 연료를 분쇄함과 동시에 전력계를 이용해 소모전력을 측정하였다.
Figure 8은 연료별 75 µm 이하 입자 분포량과 소모전력을 나 타낸 것이다. 실험 전 분쇄도에 따라 소모전력이 반비례할 것 으로 예상하고 실험을 진행한 결과 EFB를 제외한 나머지 연 료들은 분쇄도와 반비례하는 결과를 보였다. 예외적으로 EFB 가 중간 단계의 분쇄도를 갖고 있으면서 가장 높은 소모전력 을 보였다. 이는 EFB가 낮은 분쇄도를 갖는 연료 자체의 특 성이라 생각되며, 정확한 원인 파악을 위해서는 추가 분석이 필요할 것으로 보여진다. 분쇄도가 우수한 Adaro, TBC, TWP 가 낮은 소모전력을 보이며, WS, PKS가 높은 소모전력을 보 였다. 또 75 µm 이하 입자 분포량과 소모전력을 비교함으로 써 연료별 분쇄 수준을 파악하고 낭비되는 소모전력을 예방 할 수 있다. 그러나 분쇄 시간이 짧고 소량의 연료를 사용하 는 실험실 규모 실험 조건상 소모전력의 초기 부분 값들이 불안정한 결과를 보였다. 그러나 분쇄성과 소모전력 관계의 경향성은 확인할 수 있었고, 예외적으로 다양한 종류의 바이 오매스가 존재하는 만큼 분쇄도와 별개로 높은 소모전력을 필요로 하는 연료가 있음을 확인했다.
5.
결 론본 연구에서는 석탄과 비교 가능한 바이오매스들의 분쇄도 실험을 진행했으며, 다양한 바이오매스들의 분쇄특성과 기초
찾을 수 있었다. 발전용 적합 기준인 75 µm 이하 입자량 70%
이상에 대해 WP 20%, EFB 31%, PKS 10%, WS 2%, TBC 78%, TWP 65%의 결과를 나타냈다. 반탄화 연료인 TBC, TWP를 제외한 다른 바이오매스들은 낮은 분쇄성으로 인해 발전용 사용 기준에 미흡한 결과를 보였다. 반탄화 연료는 생 성 조건인 온도에 따라 분쇄도의 차이를 보이며, 일반적으로 200~300 ℃에서 분위기가 형성되고, 고온 일수록 높은 분쇄 성을 기대할 수 있다. 그러나 분쇄성이 낮은 바이오매스들은 석탄화력발전소에서 기존 설비를 그대로 사용시 고비율로의 혼소는 어려울 것으로 예상된다. 따라서 분쇄성이 낮은 바이 오매스의 사용과 혼소율 증가를 위해서는 연료의 반탄화 또 는 전용미분기를 설치하여 이용하는 방법을 고려해야 할 것 이다.
감 사
