순산소

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Applied Chemistry,

Vol. 13, No. 1, April 2α)9， 141-144

순산소 운전 보일러의 연소물성 계산때 관한 연구

갚쇠월·이현동·김재관·이인첼·검미영-김성첼 한국전력공사 전력연구원

A Study

00

Combustion Pmperties

Calc띠때ons

of

Ox

ygen PC Boiler Ope mtion

Sεok-won Jang . Hyun-dong Lee . Jaξ-kwan Kim . ln-cheol Lee . Mi-youmg Kim . Sung-ch비 Kim Korea Electric Power Research Institute

Abstract

보일러내 연소가스의 성분， 가스량 및 펼요 산소량 둥올 구하기 위하여 화학양론척 연소반웅 분 석으로부터 순산소 연소 관련 계산식을 수립하고 운전 계측값을 활용하여 연소 계산올 수행하는 방법을 고안하였다. 계산 기준이 되는 계측값은 연소 가스중의 02% 값를 사용하여 계측값과 순산 소 연소계산식올 결합시켜 각 연소가스 물성을 구하고 시스템으로 구성하도록 하였다.

1. 서 론

기존의 공기연소 보일러에서는 연소가스 측정 및 계산 관련 경험식이 축적되어 연소가스의 물 성을 쉽게 구할 수 있다. 그러나 순산소 보일러에서는 공기를 산화제로 사용하는 기폰 연소방식 과는 다르게 순수 산소를 사용하므로 연소가스중 설치된 계측기로부터 기본 데이터를 취득하여 연소가스 물성올 계산하기 위해서는 순산소 조건을 만족하는 새로운 계산식이 필요하다. 순산소 보일러에서는 보일러 출구에 Ljungstrom 타입 Preheater를 사용할 수 없어서 Tubular 타입 등 기존 보일러와는 다른 산화제 예열방법을 채용하여 보일러 출구 계측값을 이용하여 기폰의 공기 연소와 같은 경험식으로 연소물성올 구하는 방법은 사용이 불가하다. 기존 공기연소조건에 적합하 도록 수식화되어 있는 연소물성 계산 경험식도 순산소 조건에 맞도록 바꾸어야 한다.

그러나 아직 축적된 경험 기술이 전문하여 사용할 수 없는 실정이다. 따라서 기존의 계측기에 의한 방식으로는 보일러 출구 성능산출 및 최적운영에 펼수적인 연소가스의 물성값올 정확하게 구할 수 없어서 측정 이외의 다른 방법적 고찰이 필요하게 되었다. 보일러에서 직접 측정에 의하 지 않고도 연소가스 성분， 산소량， 가스량 등의 물성값올 계산하는 방법은 순산소 조건에서의 연 소 화학 반웅식올 수립하여 연소가스 물성을 구하고 이를 제시하는 것이다.

본 논문에서는 보일러 경계를 빠져나가는 연소가스의 성분， 가스량 및 펼요 산소량 등올 구하기 위하여 화학양론적 연소반응 분석으로부터 순산소 연소 관련 계산식을 수립하고， 연소 계산올 수 행하는 시스템을 구성하였다.

2.

계산수식 및 철쳐

본 논문에서 순산소 연소계산 하기 위 한 절차로 순산소 연소반응 계산 중 Mass Balance 계산 식을 다옴파 같이 수립하였다. 표 1 에서 연료의 원소분석 데이터를 이용하여 각 성상에 대한 질 량분율올 계산하고 계산된 질량분율로부터 필요한 산소량파， 최종적으로 각 가스성분의 질량을 계 산하였다.

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142 장석원·이현동·김재관·이인철·김미영· 김성철

표 1 순산소 연소 질량 계산

연료 반응산소 생성 가스

연료 연료성상 질량분융 펼요 산소량 계산식

가성분人

^가스성분^{질량 계산식}

성상 (kg) (kg) (kg)

C C C* (32/12.0¹⁾ C02 C* (44.01/12.01>

H2 H H2* (32/4.032) H20 H2* (36.032/4.032)

S S S* (32/32.066) S02 S* (64.066/32

.c

)66)

02 02 -02 Ex02 표2 에서 02 체적%로 구해짐

N2 N2 N2 ;-";2

H20 H20 H20 H20

Ash Ash Ash Ash

합계 1 합계 \!IASSTOTAL

필요02 C* (32/12.01) + H2* (32/4.032) +S* (32/32.066) -02

과잉 02(%) (E x02/필 요02)*100

Total 02 필요02+(펼요02* 과잉 02/1 00)

Total Mass In 1 + {C* (32/12.01) + H2* (32/4.0

(연료+공기량) 32) + S* (32/32.066) -02}

Total Mass Out C* (44.01/12.01) + H2* (36.032

(발생가스량) /4.032) +S* (64.066/32.066) + 02+N2+H20+Ash

위 식에서 Total Mass In Total Mass Out 이 되어 반웅물과 생성물간 mass balance 가 유지되어 계산의 정확성은 검증된다. 또한 상기 계산식으로부터 연소가스 생성물인 가스성분 즉，

C02, H20, S02, 02, N2, H20 의 중량이 구해지고， 생성 가스량 (MASSTOT AL), 필요산소량 (필요 02) ， 파잉산소율(과잉 02) 도 구해진다.

또한 체적 물성으로도 표현이 가능하여 순산소 연소반웅 계산 중 체척 계산식을 다옴과 같이 수립하여 체적 관련 물성값을 구한다.

표 2 순산소 연소 체 적 계산

가스 가스성분 질량 가스성분 질량분율 가스성분 볼수 가스성분 올분율 가스성훈

성분 (kg) (kg) (mole) (mole) 체적(%)

C*(44.01/12.01 {C* (4 4.01/ 12.0 ^1)}lM [ (C*(44.01/12.0l)}/ [[ {C*(44.01/12.01)}I

C02 몰분융

C02 MASSTOTAL1/44.0 MASSTOTAL] /44.011

ASSTOTAL *100

l /MOLETOTAL

[ {H2* (36.032/4 .032 [[ {H2*(36.032/4.032) +

H20 H2* (36.032/4.0 {H2* (36.032/4.032) )+

H20}lMASSTOTAL]/ ^H20툴분율 32) +H20 + H20} /MASSTOT AL H20} /MASSTOTAL]

18.016] /MOLETOT A *100 /18.016

L

S* (64.066/32.0 {S* (64.066/32.066)} [ {S*(64.066/32.066) [[ {S* (64.066/32.066)

S02 율환율

S02 } /MASSTOT AL] /64. } /MASSTOTAL] /64.0

66) /MASSTOTAL *100

066 66]/MOLETOTAL

Ex02 Ex02 Ex02/MASSTOT AL {Ex02/MASSTOT A [ {Ex02/MASSTOTAL 02 몰훈율*

L}/32 } /32] /MOLETOT AL 100 {N2/MASSTOT AL} / [ {N2/MASSTOT AL} /

N2몰분율*

N2 N2 MFN2/MASSTOT AL 24.01341/MOLETOTA

24.0134 100

L

합계 MASSTOTAL MOLETOTAL 100%

웅용화학， 제 13 권 제 l 호， 2009

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순산소 운전 보일러의 연소물성 계산에 관한 연구 143

상기 표 2 계산식에서 보일러 출구에 가스성분 체척 중 02 체적 %(02 몰분율 *100) 를 측정하는 계측기를 설치하여 02 체적%값을 취득하연 02 질량 (02) 올 구할 수 있고， 02 질량 (02) 로부터 표 1 계산식에서 과잉 02(%) 계산식으로 과영산소 계산되고， 각 가스의 성분도 순차적으로 구할 수 있다.

먼저 표2 에서 가스성분중 C02 , H20, S02 , N2 는 표 1 의 계산으로부터 구해지는 값이다. 그러 나 과잉 02 인 Ex02 는 02 가 다른 성분과 반응하고 남은 질량이므로 과영산소량에 따라 질량이 변하는 값이다. 예를들연 과잉산소가 많이 공급되면 Ex02 도 많아지고 적게 공급되면 적어진다.

02 체적%가 측정되면 표2 의 가스성분 02 값 (Ex02) 를 가정하고 표2 의 계산순서대로 계산하여 계 산된 02 체적%가 계측된 02 체척%와 일치하는지 보고 일치하지 않으면 다시 다른 가정값을 주어 서 일치할 때까지 반복한다. 이렇게 구한 가스성분 02 질량 (Ex02) 를 이용하여 표 1 의 계산식으로 부터 파잉 02% ， 과잉산소질량， 발생가스질량 동을 구할 수 있다 구하는 방법은 다옴과 같다.

표 1 에서 연료성상은 주어지는 값이므로 계산절차에 따라 가스성분의 질량인 C02 , H20 , S02 ,

N2 , Ash 가 구해지고 유일한 미지수인 Ex02 도 상기에서 구했으므로 계산식에 따라 발생 가스질

량 (Total Mass Out) 이 구해지고 과잉02%， TOlal 02가 구해진다. 이 렇게 보일러 출구에서 측정 된 02 체적%로부터 원하는 연소 관련 물성들을 순차적으로 구할 수 있다.

3.

계산 시스댐 구성

연소 계산올 수행하는 시스템을 구축할 수 있다. 몇개 계층으로 나누어 자동 계산 시스템을 구 성할 수 있다. 연소 관련 변수를 체계적으로 관리하기 위하여 데이터베이스는 Hub 역할을 수행하 는데， 혐장 계측기로부터 관련 데이터를 전송받아 연소계산 수행하고， 계산된 결과는 데이터베이 스에 저장되었다가 다시 PC 로 전송되어 모니터링 한다. 시스템 운용절차는 다음과 같다. 보일러 출구의 02 체적%를 측정하는 계측기로부터 얻어진 데이터는 데이터취득장치로 보내지는데， 데이 터취득장치는 계측기로부터 실시간으로 실측데이터를 전송받아 디지털 신호로 변환하여 변환데이 터를 실시간 데이터베이스에 제공하는 기능올 수행한다. 데이터베이스 시스템에서는 천송된 데이 터를 이용하여 표 1, 2 계산식으로 연소 관련 산소/가스유량， 가스성분의 질량 및 체적， 과영산소 둥이 계산된다. 계산결과는 데이터베이스에 저장되어 컴퓨터에서 사용자가 모니터링한다. 과거 데 이터를 불러와서 현재 데이터와 비교 등의 연소 변화상태 퉁올 파악할 수 있는 데이터 관리 기능도 수 행 가능하다.

4. 결 론

순산소 조건에서의 연소가스 성분， 펼요산소량， 생성가스량， 과영산소량 동의 물성값올 계산하 는 화학양론적 연소반웅식올 수립， 기존 경험식올 대체하여 연소가스 기초 물성올 구하고 이를 계 측장치와 결합시켜 기초 계측값으로부터 연소관련 물성틀올 순차척으로 구하는 수식과 시스템올 구성하였다. 기대효과는 다옴과 같다.

- 기존 보일러 연소물성 산출방식인 계측기에 의존하던 기존 방식에서 탈피하여 측정장치와 순 산소 연소계산식을 결합하여 순산소 연소 보일러 연소물성값올 구할 수 있다.

- 순산소 보일러 성농산출의 기초인 연소툴성이 구해지며 기존 공기연소 경험식을 사용하는 방 식으로 순산소 보일러에 적용할 경우 계산오차를 피할 수 없지만 본 순산소 연소 계산식과 연계 한 시스템 적용으로 계산 오차를 최소화 시킬 수 있다.

- 제한적이지만 순산소 연소조건에서 연소 관련 물성올 산출할 수 있는 방법으로 판단된다.

Applied Chemistry, Vol. 13, No. 1, 2009

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144 장석원·이현동·김재관·이인철·김미영·김성철

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