Characteristics of UBC and NOx Emission in Air Staging Combustion

<학술논문>

ISSN 1226-4881(P rin t) 2288-5324(Online)

공기 다단 연소 기법 적용에 따른 미연탄소분 및 질소산화물 배출특성

김정우^*· 임 호^*· 고영건^**· 전충환^*

* 부산대학교 기계공학부, ** 두산중공업(주) 기술연구원 시스템 엔지니어링팀

Characteristics of UBC and NOx Emission in Air Staging Combustion

Jeong Woo Kim^*, Ho Lim^*, Young Gun Go^** and Chung Hwan Jeon^*

* Dept. of Mechanical Engineering, Pusan Nat’l Univ.,

** System Engineering Team, Corporate R&D Institute, Doosan Heavy Industries and Construction (Received February 15, 2016 ; Revised June 11, 2016 ; Accepted July 6, 2016)

Key Words: NOx(질소 산화물), NOx Reduction(NOx 저감), Air-fuel Staging(공기 다단 연소), Pulverized

Coal Combustion(미분탄연소), Staged Combustion(다단 연소) Unburned Carbon(미연탄소분)

초록: 본 연구의 목적은 석탄 입자 연소 시 공기 다단 연소 적용에 따른 UBC(Unburned Carbon) 및 질 소 산화물 (NOx) 배출 특성을 분석하는 것이다. 이를 위해 공기 다단 연소가 가능한 2단 하향 분류층 반 응기(Two Staged Drop Tube Furnace, Two Staged DTF)를 설계 및 제작하였다. 아역청탄(Tanito)의 단일 및 다단 연소 실험을 진행하여 UBC 및 NOx 배출 특성을 분석하였다. 그 결과, 단일 연소 조건에서 온 도 및 공기비가 증가함에 따라서 UBC 함량이 감소했지만 NOx의 농도는 증가했다. 특히 과농 연료 연 소 영역에서 NOx 저감 반응이 일어났으며, 이때 반응 온도가 증가할수록 NOx 저감 반응이 활성화 될 뿐아니라 UBC는 감소되었다. 공기 다단 연소 실험의 경우 석탄 입자의 UBC 증가량에 비해 높은 NOx 저감 효과를 얻을 수 있었다 .

Abstract: The purpose of this study is to understand the characteristics of unburned carbon (UBC) and NOx

emissions for pulverized coal when air staging combustion is applied. A two-staged drop tube furnace capable of applying air staging combustion was designed and installed. The combustion of sub-bituminous (Tanito) has been investigated. UBC and the NOx concentration were measured under various temperatures and stoichiometric ratios in unstaged and staged combustion. As a result, UBC decreased and the NOx concentration increased with an increase in stoichiometric ratio and temperature. In particular, the NOx reduction mechanism was activated when the temperature in the fuel rich zone increased. Both UBC and the NOx concentration decreased as the temperature increased in the fuel rich zone. A high NOx reduction effect was obtained, compared to the UBC increase, when the air staging technique was applied.

Corresponding Author, [email protected]

Ⓒ 2016 The Korean Society of Mechanical Engineers

1. 서 론

세계적인 경제 성장으로 중국 및 신흥국 위주 로 에너지 소비량이 증가하고 있으며 , 공급 가격 이 불안정한 석유 대신 안정적으로 수급 가능한

화석 연료인 석탄을 사용한 전력생산이 크게 증

가하고 있다. 급증하는 석탄 사용량에 따라서 석

탄 연소 시 발생하는 분진 , 질소 산화물(NOx) 및

황산화물(SOx) 등과 같은 배출물에 의한 환경오

염이 대두되고 있으며 이 중 NOx는 광화학스모

그를 발생시킬 뿐 아니라, 생태계에 직 · 간접적인

영향을 준다 .

희박 연료 영역에서 단계적으로 연소시키는 방법 으로 , 비용대비 NOx 저감효과율이 매우 높은 기 술이다. 공기 다단 연소 기법을 적용할 때 과농 연료 연소 영역과 희박 연료 연소 영역에서는 UBC 및 NOx 배출특성이 상이한 현상을 보인 다 .

실제 발전 플랜트에서 이를 측정하는 것은 비용적인 측면에서 매우 큰 손실을 발생시키므로 석탄 화력 보일러에 투입될 석탄에 대하여 UBC 및 NOx 배출 특성에 대한 연구를 수행하여 파악 하는 것이 매우 중요하다 .

본 연구에서는 공기 다단 연소를 적용할 수 있 는 2단 하향 분류층 반응기(Two Staged Drop Tube Furnace, Two Staged DTF)를 제작하였고 석 탄 화력 발전소에서 사용되는 아역청탄인 Tanito 를 연료로 하여 연소 온도와 공기비에 따른 UBC 및 NOx의 배출 특성을 알아보았다. 또한 공기 다 단 연소 기법을 적용하였을 때 UBC 및 NOx 생 성량을 측정하여 과농 연료와 희박 연료 분위기 가 NOx 배출에 미치는 영향을 분석하였다.

2. 이론적 배경 및 실험

2.1 NOx 생성 및 저감 매커니즘

Fig. 1에 나타낸 것과 같이 석탄 연소 과정 중 발생하는 NOx는 크게 세 가지가 있으며, 공기 중의 질소가 고온의 온도에 노출될 때 발생하는 Thermal NOx, 탄화수소 라디컬과 질소가 반응하 여 생성되는 Prompt NOx, 본 연구에서 다루었으 며 석탄 속 함유되어있는 질소가 산화되어 발생 하는 Fuel NOx로 구분된다.

석탄이 연소하면서 발생하는 NOx 중 대부분을 차지하는 Fuel NOx는 연소가 시작되면서 중간 생성물인 HCN 및 NH

로 변환되어 존재하며 , 연 소 분위기에 의해 NO

생성 및 소멸과정이 결정

  

→   (1)



 

→    (2)

   →

  (3)



  → 

  (4)

   → 

  (5)

화학 반응식 (1), (2)는 같이 중간 생성물들이 산화 분위기에서 연소가 일어났을 때 NOx를 생 성하는 산화 반응이며, 식 (3) ~ (5)는 환원 분위기 에서 연소가 일어났을 때 N

를 생성하는 환원 반

응이다.

위와 같은 NOx 생성 특성을 이용하여

환원 분위기인 연소 환경을 유도하는 것이 NOx 저감 기술의 핵심이 된다.

2.2 장치 설계

석탄 입자의 연소 분위기 제어가 가능한 다단 연소 시스템을 설계하기 위하여 선행 연구를 수

행하였고 ,

보일러 내 연소 환경을 실험적으로

모사하기 위하여 하향 분류층 타입으로 실험 장 치를 제작하는 것이 가장 적합하다고 판단하였

다.

또한 상 ∙ 하부 영역별로 온도 제어가 가

능하며 , 연결부에 다단 연소를 위한 공기가 주입 되어 상부 및 하부 반응로의 연소 조건을 달리 설정할 수 있도록 설계하여 2단 하향 분류층 반 응기를 제작하였다.

하향 분류층 반응기 (Drop Tube Furnace, DTF)는

단일 입자의 연소를 모사한 장치로써 설정된 온

도를 균일하게 유지할 수 있으며 여러 종류의 가

스를 조합하여 고체 연료의 연소 실험을 수행할

수 있다 . 또한 여러 단계로 이루어져 있는 고체

연료의 연소 과정의 이론적 이해를 위한 접근에

Fig. 2 Axial temperature profile of the Two staged DTF

용이하여 많은 연구자들에 의해 사용되고 있

다 .

2단 하향 분류층 반응기는 하향 분류층

반응기의 장점을 포함할 뿐 아니라, 다단 연소 기법을 연구하기 위하여 제작된 장치로 상부 및 하부 반응로의 반응 길이 조절이 가능하며 온도 및 투입 가스를 개별적으로 설정할 수 있어 다단 연소 매커니즘에 대한 실험적 접근이 가능하다.

2단 하향 분류층 반응기의 구성은 크게 주입 부, 반응부, 포집부로 나누어져 있다. 주입부는 상부 및 하부 연소로에 독립적으로 설치되어 있 으며 상부 반응로에 설치된 주입부를 통해 석탄 입자 및 수송가스 , 반응가스가 투입되고 상부 및 하부 반응로 연결부에 설치된 추가 주입부를 통 하여 다단 연소에 필요한 2차 공기가 투입된다.

2차 공기는 히터를 사용해 300 ℃까지 예열이 가 능하도록 설계하였다 . 스크류 피더나 기류 이동 방식으로는 일정한 속도로 석탄 입자를 공급하기 어려워 부산대학교 화력 발전 센터에서 설계한 분말 연료 공급 장치를 사용하였다.

분말 연료 공급 장치는 일정한 속도로 상승하는 시린지 펌 프와 모세관튜브, 진동자로 구성된다. 석탄 입자 가 담긴 시험관을 진동자로 진동시키며 진동으로 인하여 시험관 내에서 부유하고 있는 입자를 수 송 가스로 모세관 튜브를 통하여 반응부 내로 투 입시킨다. 석탄입자가 부유한 상태로 주입되기 때문에 정전기에 의한 부착 현상을 최소화할 수 있고, 시린지 펌프의 속도와 수송 가스의 양을 조절하여 최대 2 g/min의 속도로 일정하게 연료를 공급할 수 있도록 설계되었다. 또한 주입부에서 반응 가스가 입자 유동에 영향을 주지 않도록 허

니컴(Honeycomb)을 이용하여 반응부 속에 층류 유동을 형성하였다 . 수송 및 반응 가스는 정밀 유량 공급기(Mass Flow Controller, MFC)를 사용 하여 정밀하게 제어할 수 있도록 설계하였다 .

반응부는 주입된 연료와 산소가 고온에서 산화 반응을 일으키는 부분이다 . 다단 연소가 가능하 도록 독립된 두 개의 영역으로 나누어져 있으며, 반응부를 구성하기 위하여 내경 50 mm, 길이 1,200 mm인 내열성이 높은 알루미나 튜브를 선정 하였다 . 다양한 조건에서 실험을 진행하기 위하 여 최대 1,850 ℃까지 발열 가능한 Super kanthal 을 사용하였다 . 발열체는 알루미나 튜브의 정 중 앙 60 cm 구간을 가열하고, 연료는 일정한 온도 가 유지되는 구간에 투입되도록 설계하였다 . 반 응부 내부로 투입되는 주입부 및 알루미나 튜브 를 지지하고 있는 연결부는 냉각수를 통하여 냉 각되어 고온의 실험 조건에서도 안전하게 작동할 수 있다 . 반응부의 온도를 실측한 결과를 Fig. 2 에 나타내었고, 반응 영역으로 설정한 중앙 60 cm 구간에서 일정한 온도가 유지되는 것을 확인 하였다.

포집부는 연소 후 배출된 연료의 회분 및 연소

후 가스가 배출되는 곳이며 흐르는 냉각수로 냉

각하여 입자의 추가반응을 차단하는 부분이다 .

연소 후 회분은 사이클론(Cyclone)을 거쳐 가스와

분리되고 포집장치에 모이도록 설계하였다 . 분리

된 가스는 필터에 연결된 펌프를 통하여 배출된

다 . MK 9000(Ecom-rbr) 가스 분석기를 사용하여

배출된 가스의 구성 성분을 분석하였다. 2단 하

향 분류층 반응기 내부의 모든 연결부위는 고무

S 1.22

Ash 7.13

Fig. 3 Schematic diagram of Two staged DTF

Stoichiometric

ratio 0.8, 1.0, 1.2 0.8 1.2

링 및 가스켓으로 패킹을 하여 외부에서 유입되 는 공기를 차단하였다. Fig. 3에 2단 하향 분류층 반응기의 개략도를 나타내었다 .

2.3 실험조건

본 연구에서는 국내 화력 발전소에서 사용되고 있는 아역청탄인 Tanito를 시료로 선정하였다. 공 업분석 및 원소분석 결과는 Table 1에 나타내었 다. 통상적으로 발전소에서는 약 70  크기로 미분화시켜 연료로 사용하기 때문에 본 실험에서 도 75~90  체(Sieve)를 통과시켜 미분화된 시

료를 사용하였다 . 공기 다단 연소에 따른 UBC 및 NOX 배출 특성을 연구하기 위하여 단일 연소 실험결과와 다단 연소 실험 결과를 비교하였다 . 단일 연소 실험은 2단 하향 분류층 반응기의 상 부 반응로만을 이용하였고 , 다단 연소 실험은 상 부 및 하부를 연결하여 진행되었다. 단일 연소 실험은 1,100, 1,300 및 1,500 ℃에서 진행되었다.

OFA가 설치된 500 MW 보일러의 버너부의 평균 도 및 OFA가 투입되는 지점 근처의 온도인 1,500 ℃와 1,300 ℃를 다단 연소 실험조건으로 설 정하였다 .

상향류의 석탄 화력 보일러를 하향 류의 실험적으로 때문에 2단 하향 분류층 반응기 의 상부를 1,500 ℃, 하부를 1,300 ℃로 설정하였 다. 공기비는 단일 연소에서 0.8, 1.0 및 1.2, 다단 연소에서 상부 반응로의 공기비를 0.8, 하부 반응 로의 공기비를 1.2로 하여 연소 실험을 진행하였 다 . 실험조건을 Table 2에 정리하여 나타내었다.

2.4 UBC 및 NOx 배출 경향 분석방법

오차를 줄이기 위하여 각 조건 당 총 3회의 실

험이 수행되었으며 , 가스 분석기를 통하여 얻어

진 NOx 측정값은 6 % O

기준으로 변환하여 사

용하였다 .

본 논문에 사용된 모든 NOx 분석

데이터는 Fig. 4에 나타낸 그래프와 같이 일정한

값이 유지되는 구간에서의 평균값을 계산하여 측

정하였다. 연료 투입 전 혼합 가스를 주입하여

고온에서의 Thermal NOx 발생량을 측정하였으며,

실험 조건에서 Thermal NOx는 발생되지 않는 것

을 확인하였다 . UBC는 포집할 수 있는 촤의 양

이 매우 적고, 연소 생성물의 전량을 포집하여

Fig. 4 Example of simultaneous NOx data

Fig. 5 Un-Burned Carbon fraction as a function of

excess air ratio

Fig. 6 Measured NOx concentration as a function

of time

공급량과 비교하기는 불가능하기 때문에 회분 추 적법(Ash tracer method)를 사용하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 단일 연소 실험

3.1.1 UBC 배출에 대한 온도 및 공기비의 영향 연소 실험 후 포집한 반응물을 회 추적 분석법 을 이용해 UBC를 측정하였으며, Fig. 5에 반응 온도와 공기비에 따른 UBC를 나타내었다. UBC 함량에 대한 공기비의 영향은 반비례관계를 보이 며 , 특히 1,100 ℃ 경우 공기비가 증가함에 따른 UBC의 감소율이 더 큰 것을 관찰할 수 있다. 이 는 반응 온도가 낮을수록 투입되는 공기비를 증 가시킴으로써 UBC를 효과적으로 감소시킬 수 있 다는 것을 의미한다 . 또한 공기비가 0.8인 과농 연료 영역에서 반응 온도가 증가 할수록 UBC 함 량이 감소하는 것을 관찰할 수 있다 . 이는 반응 온도가 증가할수록 석탄 입자의 열분해 반응 및 석탄 입자와 이산화탄소의 가스화 반응이 활발해

져 UBC 함량이 줄어들었기 때문이다.

온도와 공기비를 조절한 연소실험을 수행하여 관측되는 UBC를 측정한 결과, 석탄 연소 후 배 출되는 생성물의 UBC 함량은 공기비와 온도의 영향을 모두 받으며, 특히 과농 연료 영역에서는 반응할 수 있는 산소가 부족함에도 불구하고 고 온의 반응 환경을 조성하여 열분해 및 가스화 반 응을 유도하여 UBC를 줄일 수 있었다.

3.1.2 NOx 배출에 대한 온도 및 공기비의 영향 Table 2의 조건으로 단일 연소실험을 수행하여 연소 온도와 공기비에 따른 NOx 생성 농도를 측 정하여 나타내었다 . 대표적으로 Fig. 6에 1,500 ℃ 에서 공기비에 따른 NOx 배출 경향을 나타내었 다 . 연료 내부 질소의 산화 반응은 NOx의 농도 를 측정함으로써 관찰할 수 있으며, 공급 가스 중 산소의 양를 의미하는 공기비가 낮아질수록 석탄 내부 질소의 산화 반응이 저감되어 NOx 농 도가 감소하였다 . 공기비가 1.0, 1.2일 때 연료 내 부 질소가 산화하기에 충분한 산소량이 지속적으 로 공급되었기 때문에 NOx의 저감 반응이 활성 화되지 않았지만, 공기비가 0.8일 때 반응부 내에 존재하는 산소가 소비되어 환원분위기의 연소 영 역이 조성된 이후부터 NOx 저감 반응이 활성화 되어 약 60 ppm까지 감소하였다. 환원분위기의 연소 환경을 조성하여 NOx 저감반응을 활성화시 킬 수 있다는 것을 실험적으로 확인할 수 있었다 .

Fig. 5에서 각 공기비 별로 반응 온도가 증가할

수록 UBC는 감소였고, 이는 연료 내부 질소의

배출이 많아졌다는 것을 의미한다. 반응 온도가

증가함에 따라서 희박연료 연소 영역에서 배출된

질소의 산화 반응이 촉진되어 NOx의 생성이 증

Fig. 8 UBC fraction obtained at fuel rich and

furnace exit when air staging combustion applied

가하였고, 과농 연료 연소 영역에서는 배출된 질 소의 환원 반응이 활성화되어 NOx의 생성이 감 소하였다.

3.2 다단 연소 실험 3.2.1 UBC 배출경향

공기 다단 연소 기법 적용 시 상부(과농 연료 연소 영역 ) 및 하부 반응로(희박 연료 연소 영역) 에서 측정한 UBC 및 공기 다단 연소 기법이 적 용되지 않은 1,500 , 공기비가 1.2인 단일 연소 실험에서의 UBC 함량을 Fig. 8에 나타내었다. 다 단 연소 기법 적용 시 과농 연료 연소영역 및 2 단 하향 분류층 반응기 최후단에서 측정한 UBC 함량은 각각 1.5 % 및 0.5 %로 희박 연료 연소 영 역에서 약 1 %의 UBC 함량 차이가 나는 것으로 측정되었다 . 추가 공기가 주입되는 희박 연료 연 소 영역인 하부반응로에서 상부 반응로에서 유입 된 석탄입자의 2차 연소가 일어났기 때문에 UBC 함량이 줄어들었다. 공기 다단 연소 기법 적용

전 , 후의 UBC 함량을 비교하기 위하여 온도가 1,500 , 공기비가 1.2인 단일연소 실험과 다단 연소 실험을 비교해 보았을 때 , UBC 함량은 공 기 다단 연소 기법을 적용할 때 더 높게 측정되 었다 . 단일 연소실험의 반응로의 길이가 공기 다 단 연소 실험의 반응로의 길이보다 짧음에도 불 구하고 UBC가 낮게 측정되는 것은, 공기 다단 연소 기법은 석탄입자의 연소 반응을 저하시킨다 는 것을 의미한다 . 단일 연소 실험에서의 온도에 따른 UBC 배출 경향에서 확인할 수 있는바와 같 이 , 공기 다단 연소 기법을 적용할 때 보일러의 버너부분, 즉 과농 연료 연소 영역의 온도를 증 가시킴으로써 연소반응을 촉진 시킬 수 있음을 알 수 있다.

3.2.2 NOx 배출경향

Fig. 9에 공기 다단 연소기법을 적용하였을 때

측정한 NOx를 시간에 따라 나타내었고 Fig. 10에

공기 다단 연소 기법 적용 전후의 NOx 생성량

및 과농 연료 연소영역의 NOx를 비교하였다. 연

료가 투입되기 전 반응부 내부에 존재하던 산소

가 연료가 투입된 후 소비되고, 연료와 혼합 가

스가 일정하게 연소할 때 NOx가 줄어들기 시작

하였다. 이와같은 경향은 Fig. 6에 과농 연료 연

소 영역에서의 NOx 생성경향과 비슷한 것을 관

찰할 수 있다. 희박 연료 연소 영역에서 석탄입

자의 2차 연소가 일어나 UBC가 감소하였고, 연

료 내부 질소가 산화되었기 때문에 NOx 생성량

은 10 ppm 정도가 증가하여 70~80 ppm에서 안정

되었다. 과농 연료 연소 영역에서의 NOx 저감

반응이 전체 NOx 저감 반응을 지배하며, 희박

연료 연소 영역은 UBC을 감소시키는 역할을 하

Fig. 10 NOx concentration for selected conditions

는 것을 알 수 있다. 공기 다단 연소 기법을 적 용하였을 때 석탄 입자의 UBC 증가량에 비해 높 은 NOx 저감 효과를 얻을 수 있었다.

단일 및 다단 연소 실험을 통하여 과농 연료 연소 영역의 온도를 높인다면 NOx 저감 반응을 활성화 시켜 Fuel NOx 생성 농도를 줄일 수 있 다는 것을 확인할 수 있었다 . 하지만 고온의 연 소 온도는 Thermal NOx의 생성을 촉진시키기 때 문에 , 전체 발생되는 NOx의 95 % 이상을 차지하 는 Fuel NOx 및 Thermal NOx의 생성량이 최소 가 되는 조건을 찾는 연구가 추후 수행될 예정 이다.

4. 결 론

본 연구는 공기 다단 연소 기법 적용을 위하여 제작한 Two staged DTF를 이용한 실험으로 아역 청탄 연소실험을 진행하였다 . 공기 다단 연소방 식이 UBC 및 NOx 배출에 주는 영향을 단일 연 소 실험과 비교 분석하여 아래와 같은 결론을 얻 었다.

(1) 단일 연소 실험에서 연소온도 및 공기비가 증가할수록 UBC 함량은 감소하였으며, NOx 생 성량은 증가하였다 .

(2) 공기비가 0.8인 과농 연료 연소 영역에서 반 응 온도가 증가할수록 열분해 및 가스화 반응이 촉진되어 UBC가 감소했으며, 배출된 질소의 환원 반응이 촉진되어 NOx의 생성량이 감소하였다.

(3) 공기 다단 연소 기법을 적용하였을 때 과농 연료 연소 영역인 상부 반응로의 NOx 저감 반응 이 전체 NOx 생성량을 지배하였으며, UBC 증가 량에 비하여 높은 NOx 저감 효율을 확보할 수 있었다.

후 기

이 논문은 부산대학교 기본연구지원사업(2년)에 의하여 연구되었음.

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