Applied Chemistry,
Vol. 15, No. 1, May 2011, 69-72
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고수분탄 건조 고품위화에 따른 연소특성 변화 평가
이현동⋅김재관†
한국전력공사 전력연구원 수화력발전연구소
Evaluation on the Combustion Characteristics of High Moist Coal and Its Drying Coal
Lee, Hyun-Dong⋅Kim, Jae-Kwan†
Power Gen. Lab., Korea Electric Power Corporation's Research Institute
Abstract
Evaluation on the combustion characteristics of high moist coal and its drying coal by fluidized bed dryer was performed in the test furnace which has combustion capacity of 100kg/hr of bituminous coal. During the test, several kinds of measurements and mon- itoring were carried out such as temperature profiles, carbon burnout ratio and emis- sions according to the each case of coal feeding conditions. As results of these tests, dried coal(high qualified coal) showed better combustion performance than its original coal. Thus undeveloped high moist coal due to its high moisture content and self ignition property like high moist sub-bituminous or lignite coal can be easily and efficiently used as a thermal coal in the power plant if available drying technology supplied in the short future.
1. 서 론
단일버너 연소로(Single Burner Furnace)는 대용량 시험로에서의 연소시험 이전에 연료의 연소 특성을 평가하고자 하는 목적으로 전력연구원 내에 설치 운영되고 있는 시험설비로서, 시간당 100kg의 역청탄을 연소할 수 있는 용량을 가지고 있다. 이러한 시험 설비의 장점으로는 극히 최근 까지 주로 이용되어 오던 자연낙하 방식의 소형 DTF (Drop Tube Furnace) 시험설비에 비해 투입 되는 연료의 양이 비교할 수 없을 정도로 많기 때문에 적은 용량의 설비에서 발생할 수 있는 실험과 정에서의 외란에 상대적으로 자유로울 수 있으며, 비교적 열역학적 및 유체역학적 상태가 실제 현장 조건에 근접할 수 있어 그 결과의 활용에 보다 유리하다는 점이다. 본 연구에서는 이러한 단일버너 연소로를 활용하여 고수분 ECO탄 및 이를 건조한 U-ECO탄의 혼합 연소실험을 수행하여 각각의 조건에서 온도분포, 연소율, 미연분 및 배가스 변화특성 등에 대한 평가를 수행하였다.
2. 실험장치
단일버너 연소로는 시간당 100 kg의 역청탄을 연소할 수 있도록 설계되었으며, 수직 하방형의 원 통구조로 되어있다. 로 본체의 길이는 5.1 m이고 노 내경은 1.5 m이며 내부에는 단열을 위한 내화 물이 설치되어 있고 외통은 수냉식으로 냉각하도록 되어 있다. 노의 구성은 1.22m 길이의 단층 노 네 개를 쌓아올린 형태로 되어 있으며 버너는 상부에 설치되어 하방향으로 연료를 분사하며 연소하 도록 되어 있다. 연소로의 버너는 스월러가 설치되어 있는 스월 버너이며 연소시험 시작 시 사전예
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열을 위한 NPG 버너 및 LNG 버너가 설치 가능하도록 되어 있다.
3. 실험방법
연소로의 실험절차는 연소로 내부를 석탄의 자발적인 연소가 가능하도록 800℃로 LPG나 LNG 버너를 이용하여 예열을 한 후 석탄을 투입하고 이후 약 6∼8시간 동안 연속적으로 연소시험을 진 행하였으며, 시험탄 투입량은 ECO탄 100 kg/hr 투입 시의 열량을 기준으로 하여 동일열량의 연료 를 공급하며 시험하였다. 시험탄은 ECO탄 및 ECO 건조탄(U-ECO)이며 성상은 Table 1과 같다.
Symbol Total Moist ure(%)
Proximate analysis
(As Air Dry Basis %) Calorific value (Kcal/kg)
Ultimate analysis (as dry basis, a.f. %)
VM M FC Ash C H N S O
ECO 36.54 38.58 13.18 34.97 13.28 5,313 69.02 5.64 0.89 0.31 24.14 U-ECO 11.5 43.69 9.84 31.86 14.61 6,182 73.85 5.58 0.97 0.83 18.77 Table 1. 고품위화 실험용 시료의 공업분석 및 원소분석 결과
4. 결과 및 고찰
연소시험을 수행하며, 노 내부 온도를 열전대를 이용하여 측정하였다. 측정위치는 노 수직방향에 따라 총 8개 지점에서 측정하였다. ECO탄의 경우 Fig. 1과 같이 시간 경과에 따른 온도 변화는 약 10℃ 정도 증가하는 경향을 나타냈다. 이는 노 내부의 내화물이 점진적으로 가열되는 결과이며 최종 적으로는 내화물이 열적 평형 상태에 이르면 변화가 없을 것으로 예상된다.
Fig. 1. ECO 단독연소 시 시간별 온도. Fig. 2. 원탄(ECO)과 건조탄(U-ECO)의 온도 비교(3 시간 경과 시 기준).
기준탄인 ECO탄과 유동층 방식의 건조시스템 조건을 모사하기 위하여 고수분의 ECO탄을 건조한 U-ECO탄의 개별적인 연소시험 결과 Fig. 2에서와 같이 노 하방 약 0.5 m 지점에서부터 U-ECO 탄 연소 시의 경우 온도가 약 50℃ 증가하는 특성을 보였다. 이는 수분감소에 따라 노 내부의 수분 에 의한 증발잠열 손실이 줄어들고 연소 메커니즘 측면에서는 수분에 의한 연소지연 특성이 줄어드
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는 결과로 사료된다. 또한 스월값을 0∼0.384까지 3단계로 조정하며 연소시험을 수행하였다. 시험 결과 스월값이 증가할수록 노 내부의 온도값은 증가하는 경향을 나나냈다. 온도 차이는 노 하방지점 약 2.5 m 지점에서, 스월값 0과 0.384에서 최대 약 120℃ 정도를 나타냈으나, 스월값 0∼0.384 변 경에 따라서는 그 승온 차이가 약 10℃ 정도로 미미하였다. 한편 시험로에서의 연소효율 측정은 회 수된 석탄회 중에 남아있는 미연탄소 분석을 통해 이루어진다. 미연탄소 함량은 LOI (Loss on ig- nition)방법에 의해 이루어지며, 연소효율은 다음과 같이 석탄 원료 내 회분과 석탄회 내 미연탄소 분석을 통해 계산된다.
×
×
여기서, Ashcoal 및 LOI는 각각 원료 석탄 내 회분의 함량과 연소 후 석탄회 중 미연탄소 함량을 의미한다.
Fig. 3. 탄종별 연소율. Fig. 4. U-ECO탄 혼소시 연소효율 변화.
시험결과 버너에서 0.76 m 지점의 석탄의 연소효율은 약 65% 전후였으며, 2.6 m 지점에서는 약 98% 이상의 연소효율을 보였다. 또한 약 5 m 지점인 출구에서의 연소효율은 약 99%로 대부분의 시험탄이 유사한 결과를 나타냈다.
Fig. 5. U-ECO탄 혼소율에 따른 SOx/NOx 발생 비교. Fig. 6. Swirl Number 조정에 따른 SOx/NOx 발생 비교.
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한편 Fig. 4에서와 같이 탄종별 연소효율 비교결과 U-ECO탄이 ECO탄에 비해 연소효율이 향상 되는 결과를 보였으며, 특히 초기 연소영역에서 보다 향상된 결과를 나타냈다. 이는 연소 초반 다량 의 수분이 증발잠열을 소비하게 되어 탄의 가열 및 탈휘발화 과정에 영향을 미치는 것으로 파악된 다. 그러나 상대적으로 체류 시간이 증가하는 과정에서 이러한 수분의 연소 저해작용이 점차 감소하 면서 노 출구에서는 대부분 유사한 99% 이상의 연소효율을 나타내는 것으로 파악된다. 또한 버너의 스월을 조정하면서 시험한 결과 스월이 증가할수록 초기 연소효율은 상당히 증가하는 경향을 나타 냈다. 한편 황산화물의 경우 U-ECO탄 혼소율 증가에 따른 연소율 증가로 황분의 연소증가가 발생 한 것으로 판단되며, 질소산화물의 경우 전반적인 온도증가 영향 등으로 Thermal NOx 발생량이 일부 증가한 것으로 판단된다. 스월 조정시험의 경우 스월이 증가할수록 노 내 화염의 선회력 증가 에 따른 혼합증가로 연소성이 개선되면서 연소율 상승과 더불어 역시 Thermal NOx 생성량이 증가 하는 것으로 해석된다.
5. 결 론
건조탄을 발전소에 성공적으로 혼소하기 위해서는 다양한 특성에 대한 평가가 수행되어 탄의 기 초적인 연소특성이 분석되어야 한다. ECO탄과 건조한 U-ECO탄의 연소시험 결과 수분감소에 따라 노 내부의 수분에 의한 증발잠열 손실이 줄어들고 연소 메커니즘 측면에서는 수분에 의한 연소지연 특성이 줄어드는 결과를 보여 고수분탄 보다 건조탄 사용이 연소효율 및 보일러 열효율 측면에서 유 리할 것으로 사료된다. 또한 스월 조정시험결과 스월값이 증가할수록 노 내부의 온도 값은 증가하는 경향을 나타냈으며 연소성이 상대적으로 상당히 증가하는 경향을 나타내 건조와 더불어 적정한 연 소조건을 유지할 때 연소성 개선이 더욱 증가될 수 있음이 관찰되었다. 또한 ECO탄에 비해 U-ECO탄은 연소성이 개선되어 노 내 온도가 증가하는 경향을 나타냈으며, 연소효율을 측정한 결 과 출구에서의 연소효율은 약 99%로 대부분의 시험탄이 유사한 결과를 나타냈다. 황산화물의 경우 U-ECO탄 혼소율 증가에 따른 연소율 증가로 황분의 연소 증가가 발생한 것으로 판단되며, 질소산화 물의 경우 전반적인 온도증가 영향 등으로 Thermal NOx 발생량이 일부 증가한 것으로 판단되었다.
감사의 글
본 연구는 지식경제부 한국에너지기술평가원의 전력산업연구개발사업으로 수행되었으며, 이에 감 사드립니다.
참고문헌
1. 김광렬, 노수영, 김영주, 최신 연소공학, 동화기술, 서울(2003).
2. 민중기,“기존 석탄혼소 보일러에서의 저열량탄 사용에 관한 연구”, 한국전력공사 전력연구원기술보고서 KRC 85G-T07, 1987.
