A Study on Effect of Recirculated Exhaust Gas upon Performance and Exhaust Emissions in a Power Plant Boiler with FGR System

<응용논문> DOI http://dx.doi.org/10.3795/KSME-B.2016.40.4.263

FGR 시스템 동력 플랜트 보일러의 성능 및 배기 배출물에 미치는 재순환 배기의 영향에 관한 연구

배명환^*†· 정광호^**· 박성범^**

A Study on Effect of Recirculated Exhaust Gas upon Performance and Exhaust Emissions in a Power Plant Boiler with FGR System

Myung-whan Bae^*†, Kwong-ho Jung^** and Sung-bum Park^**

Key Words: Recirculated Exhaust Gas(재순환 배기), Performance(성능), Exhaust Emissions(배기 배출물),

Abstract: The effect of recirculated exhaust gas on performance and exhaust emissions with FGR rate are

2. 작동 장치 및 방법

Photo. 1 FGR system installed in a power plant

Fig. 1 Schematic diagram of operating system in a

Table 1 Specifications of boiler R-160B type boiler Evaporation rate 160 ton/hr Steam pressure 12.3 MPa Steam temperature 538℃

Fuel oil Bunker C oil /S 4%

Fuel consumption rate 11360 kg/hr

Efficiency 91.79%

Feed water temperature 169.5℃

Burner type Steam jet type low - NOx

burner (6 sets)

Table 2 Major measuring instruments Flow rates of main steam,

combustion air, recirculated flue gas and feed water

Differential pressure flow meter

Fuel oil flow meter Oval flow meter

NOx emissions

Nondispersive Infrared Gas Analyzer (NDIR) O2 emission Zirconia method

Smoke tester Reflection

Photometry-filter type

Table 3 Chemical and physical properties of fuel oil

Items Values

C/H (wt%) 84.95/10.96

O2/S (wt%) 0.05/3.67

N2/Ash (wt%) 0.30/0.02

H2O (wt%) 0.05

Lower calorific value (kJ/kg) 41,353

3. 운전계측 결과 및 고찰

Fig. 2 Effect of FGR rate on fuel consumption rate divided by evaporation rate as a parameter of boiler

Fig. 3 Effect of FGR rate on flue gas temperature as a parameter of boiler load at OFA damper openings

Fig. 4 Effect of FGR rate on NOx

^{(1 2, 1 3)}

Fig. 5 Effect of FGR rate on CO emission as a parameter of boiler load at OFA damper openings of 0°,

Fig. 6 Effect of FGR rate on soot emissions as a parameter of boiler load at OFA damper openings of 0°,

A Study on Effect of Recirculated Exhaust Gas upon Performance and Exhaust Emissions in a Power Plant Boiler with FGR System

ISSN 1226-4881(P rint) 2288-5324(Online)

FGR 시스템 동력 플랜트 보일러의 성능 및 배기 배출물에 미치는 재순환 배기의 영향에 관한 연구

* 경상대학교 기계설계학과, 공학연구원, ** 경상대학교 대학원 기계항공공학부

A Study on Effect of Recirculated Exhaust Gas upon Performance and Exhaust Emissions in a Power Plant Boiler with FGR System

* Engineering Research Institute, Dept. of Mechanical Engineering for Production, Gyeongsang Nat’l Univ.,

** School of Mechanical and Aerospace Engineering, Graduate School, Gyeongsang Nat’l Univ.

(Received September 25, 2015 ; Revised January 24, 2016 ; Accepted January 25, 2016)

Power Plant Boiler(동력 플랜트 보일러), Flue Gas Recirculation(FGR) System(배기 재순환 시 스템 ), OFA(Over Fire Air) Damper Opening(연소용 공기 댐퍼 개도)

배출물 이 감소되었다 . 매연 배출물은 전기 집진기에서 86.7%의 포집효율로 매연이 제거되었기 때문에, 보일러 부하 , 공기량 댐퍼 개도 및 FGR률의 운전조건에 관계없이 극소량의 매연이 배출되었다.

오늘날 지구상에는 인구의 기하급수적인 증가

로 인해 환경(Environment), 경제(Economy) 및 에

너지 (Energy)의 3자 중에 하나를 택일하여야 하는

극단의 궁지에 몰려 있어, 이러한 현상을 극복하

기 위해 , 1992년 지구정상회담에서는 ｢지속 가능

한 발전｣이 선언되었다. 그런데 이보다 더 구체

적인 방향성을 나타낸 것이 ｢순환형 사회의 형성｣

대기 환경오염원의 주류인 배출가스 규제강화 에 대응하여 연소장치의 배기 청정화를 진행시켜 왔지만, 초창기에는 그 주요기술이 연료분사 시기 지연 , 물분사 등에 의한 NO

배출물 저감이었다.

그러나 그로 인하여 악화되는 HC․CO․매연 배출물, 연료소비율 등을 회복시키기 위한 장치개량 및 개 선에 중점을 두어 새로운 기술의 개발에 많은 노 력을 해 오고 있다 . 일반적으로 NO

와 기타의 배 출물과는 상관(trade-off)관계에 있기 때문에, 장치 자체의 개량에 의해 이 들 배출물을 동시에 저감 시키는 것은 이미 한계에 다다르고 있다.

보일러 , 디젤엔진 등 경유연소장치에서는 연료 소비율이 낮기 때문에, CO

배출량이 적은 특징 을 가지고 있지만 , NO

및 매연은 타 연소장치에 비하여 많이 배출되고 있다. 연소장치의 각 종 배기 배출물 처리기술 중에서 특히 , NO

배출물 에 미치는 배기 재순환(차량용에서는 Exhaust Gas Recirculation(EGR)이라 하고, 보일러 등의 연소장 치에서는 Flue Gas Recirculation(FGR)이라 한다.

이하 본 논문에서는 FGR이라 칭한다.)의 영향에 대한 연구들이 이전부터 폭 넓게 진행되어 왔다.

그런데 보일러 , 디젤엔진 등의 연소장치에 재 순환 배기를 적용시키는 경우에는 FGR률 혹은 EGR률의 증가에 따른 고부하 영역에서 NO

이 외의 배출물이 상당히 많이 증가하고, 연료소비 율도 약간 증가할 뿐만 아니라 , 보일러인 경우에 서는 다르지만, 디젤엔진인 경우에는 매연 및 SO

배출물을 줄일 수 있다.

저자들은 파일럿 보일러 (온수공급능력 21 ℓ/

min)에 FGR시스템을 설치하여 실험한 결과, 연료 소비율이 동일한 경우에 FGR률의 증가에 따라 O

및 NO

배출물은 감소되었고 CO

, CO, THC 및 매연 배출물은 증가되었다는 점 , 연료소비율 에 관계없이 흡입 및 배출 산소농도가 증가할수 록 NO

배출물은 증가하였고 매연 배출물은 감 소하였다는 점, 실험조건의 범위내에서 당량비 증가에 따라 NO

배출물은 증가하였지만, 동일한 연료소비율에서 FGR률의 증가에 따른 당량비 증 가에 의한 NO

배출물은 현저하게 감소하여, 연 료소비율에 따른 당량비 변화가 미치는 NO

배 출물의 저감률보다는 FGR률에 따른 당량비 변화 가 NO

배출물의 저감률에 미치는 영향이 더 현 저하였음을 알았다 .

본 연구에서는 NO

배출물을 저감시키기 위하 여 동력플랜트용 보일러에 FGR시스템을 설치하 여 보일러 부하, FGR률 및 연소용 공기 댐퍼개 도를 파라미터로 해서 FGR률을 증가시켜 운전하 는 경우, 증발률에 대한 연료소비율, 연도가스온 도 , NO

․ CO․매연 배출물에 미치는 재순환 배기의 영향을 조사하여 보일러의 배기 배출물 및 성능 특성을 파악하고 고찰하는 것이 목적이다 .

2.1 작동장치

본 연구에서는 열병합 발전소에 설치된 160

t/hr 발전용 보일러의 NO

배출물을 저감시키기 위해 Photo. 1과 같은 FGR 시스템을 설계하여 설 치한 후 , 운전조건을 변화시켜 보일러 성능 및 배기 배출물 특성을 조사하였다. 본 열병합 발전 소의 보일러는 지금까지 저 NO

버너와 2단 연 소법을 적용하여 NO

농도를 제어하여 왔지만, 연소효율의 저하와 NO

농도 제어의 한계로 인 해 FGR 시스템을 적용하여 성능 및 배기 배출물 특성을 조사하게 되었다 .

boiler

power plant boiler

지 내 다른 회사에 열에너지로서 공급을 한다.

%)에서 매연이 포집되어 제거되고, FGD(flue gas desulfuration) 시스템에서 황산화물이 제거된다.

2.2 작동 조건 및 방법

본 연구에서는 보일러 부하 , FGR률 및 2단 연

소용 공기량 개도를 파라미터로 하여 NO

․ CO ․

매연 배출물 , 연도가스온도 및 연료소비율/증발률

을 조사하였다. 보일러 부하 100%, 87.5%, 75%,

62.5 % 및 50%에서 각 부하별로 FRG률을 0%, 5%,

10% 및 15%로 변화를 주었는데, 본 실험에서는 동일조건에서 이루어진 경우에서도 FGR률의 변 동률은 ± 3% 이하, 부하의 변동률은 ± 4% 이하 를 나타내었다.

연료유는 유황성분이 4% 함유된 벙커 C유를 사용했으며, 연료유 히터를 통해 110℃로 가열하 여 버너에 공급하였고 , 연료유량은 조절밸브를

사용하여 제어했다. 운전에 사용된 연료유의 성 분은 Table 3과 같다.

FGR률은 FGR팬의 댐퍼를 사용하여 배기 재순 환량을 조절하여 변화시킬 수 있는데 , FGR률은 동일조건의 흡입되는 연소용 공기량과 재순환 배 기량을 측정하고 아래 식을 이용하여 구하였다 .

FRG Rate    V

V

 V

× 

여기서 V

는 FGR을 하지 않았을 경우의 흡입된 연소용 공기량(m

/h), V

는 FGR 적용 시의 흡입 된 새로운 연소용 공기량 (m

/h)이다.

본 운전에서 배기 배출물은 굴뚝에 설치된 배 기 분석기를 이용하여 측정하였고 , 4% O

를 기준 으로 하여 환산하였다.

3.1 성능 특성

보일러의 증발률당 연료소비율에 미치는 FGR 률의 영향을 파악하기 위하여 2단 연소용 공기량 댐퍼개도 0°, 10°, 20° 및 30°에서 보일러 부하를 파라미터로 하여 조사한 결과를 나타낸 것이 Fig.

2이다. 그림에 따르면 동일한 부하와 공기량 댐

퍼 개도에서 FGR률의 증가에 따른 증발률에 대

한 연료소비율 증감의 경향은 뚜렷하게 나타나지